DE10033723C1 - Visualisierung von Positionen und Orientierung von intrakorporal geführten Instrumenten während eines chirurgischen Eingriffs - Google Patents
Visualisierung von Positionen und Orientierung von intrakorporal geführten Instrumenten während eines chirurgischen EingriffsInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Visualisierungsvorrichtung (6) zum Visualisieren von Daten, die einen medizinischen Eingriff an einem Patienten betreffen, wobei die Visualisierungsvorrichtung die Daten auf die Körperoberfläche (8) des Patienten projiziert. DOLLAR A Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Visualisieren von Daten, die einen medizinischen Eingriff an einem Patienten betreffen, wobei die Daten auf die Körperoberfläche (8) des Patienten projiziert werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Visualisierungs
vorrichtung zum Visualisieren von Daten, die einen medi
zinischen Eingriff an einem Patienten betreffen, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1, und
umfaßt auch ein Verfahren zum Visualisieren von Daten,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Bei medizinischen bzw. chirurgischen Eingriffen können die
Position und Orientierung chirurgischer Instrumente, die
beispielsweise mit Sensoren eines Navigationssystems zum
Ermitteln der Position und Orientierung ausgestattet sein
können, während des chirurgischen Eingriffes in medizinischen
Bilddaten angezeigt werden.
So ergibt sich in bestimmten Anwendungsgebieten die Not
wendigkeit, mehrere chirurgische. Instrumente, die intra
korporal im Patienten geführt werden und nicht vom ein
greifenden Chirurgen visuell verfolgt werden können,
zusammenzuführen. Eine solche Situation ist z. B. bei einigen
gastroenterologischen Laparoskopie-Eingriffen gegeben, bei
denen ein in den Bauchraum eingeführtes chirurgisches
Instrument an dieselbe Position geführt werden soll, an der
sich ein in den Colon eingeführtes Endoskop befindet. Diese
Zusammenführung ist für den Chirurgen nicht einfach, da kein
Sichtkontakt zu den geführten Instrumenten besteht.
Im Dokument "Medical Procedures and Apparatus Using Intrabody
Probes" (WO 97/29709) wird der Einsatz mehrerer Sensoren für
die Visualisierung der chirurgischen Instrumente detailliert
beschrieben. Auch wird dort die Benutzerschnittstelle zur
Visualisierung der Instrumentenpositionen (mit Hilfe eines
oder mehrerer Monitore und mit Hilfe von "Virtual Reality
Devices") beschrieben; die Instrumente werden dabei auf einem
planaren Computerdisplay visualisiert.
Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die
Visualisierung der chirurgischen Instrumente auf einem
planaren Computerdisplay wenig intuitiv ist. Es ist aus der
Sicht des Chirurgen ineffizient, die Blickrichtung während
des Eingriffes ständig zwischen dem Computerdisplay und dem
Operationsfeld zu wechseln. Hinzu kommt, daß die Raum
verhältnisse in einem Operationssaal sehr beengt sind, somit
ist jede Einsparung von Komponenten (im gezeigten Fall bei
spielsweise des Computerdisplays) wünschenswert.
Die Druckschrift "Interactive Digital Arrow (D'Arrow) Three-
Dimensional (3D) Pointing" (US 005694142 A) beschreibt eine
Lösung, bei der der Chirurg sein Operationsfeld durch eine
semi-transparente Scheibe sieht, wobei die medizinischen
Bilddaten in diese semi-transparente Scheibe eingespielt und
so mit dem Operationsfeld überlagert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine
Visualisierungsvorrichtung zum Visualisieren von Daten, die
einen medizinischen bzw. chirurgischen Eingriff an einem
Patienten betreffen,
und auch ein Verfahren zum Visualisieren solche Daten,
bereitzustellen, die folgende Eigenschaften in
sich vereinen:
- - Die Position und Orientierung von Instrumenten, zu denen kein Sichtkontakt besteht, müssen visualisiert werden können.
- - Die Position und Orientierung mehrerer Instrumente, zu denen kein Sichtkontakt besteht, müssen relativ zueinander visualisiert werden können.
- - Die Visualisierung muß so vorgenommen werden, daß der Chirurg den Blick während des Eingriffs nicht vom Operations feld abwenden muß.
- - Die Visualisierung sollte relativ zum Patienten (d. h. im Patientenkoordinatensystem und nicht in einem Bilddaten spezifischen Koordinatensystem) erfolgen.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des
Anspruch 1 bzw. 10
gelöst.
Dabei werden die Daten in den
Bereich des Eingriffes auf die Körperoberfläche projiziert, beispielsweise durch Licht-Projektion.
Bei gastroenterologischen, laparoskopischen Eingriffen
erfolgt die Projektion beispielsweise auf den Oberbauch des
Patienten. Der Chirurg kann so operationsbezogene Daten
erfassen, ohne seinen Blick vom Operationsfeld abwenden zu
müssen.
Weiterhin werden Komponenten, wie beispielsweise das
Computerdisplay, eingespart.
Ausführungsarten der Erfindung sind
in den Unteransprüchen wiedergegeben.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden
Daten, die die Position und Orientierung eines oder mehrerer
intrakorporal geführter Instrumente betreffen, auf die
Körperoberfläche des Patienten projiziert.
Diese Daten werden dabei vorteilhafterweise als geometrische
Form oder Figur, z. B. als Kreis und/oder als Pfeil, in einer
bestimmten Relation zur Position des chirurgischen
Instrumentes auf die Körperoberfläche des Patienten pro
jiziert, wobei sich die geometrische Form mit der
Instrumentenbewegung auf der Körperoberfläche des Patienten
bewegt. Der Chirurg kann so während des Eingriffs die Posi
tion und Orientierung eines oder mehrerer Instrumente, zu
denen kein direkter Sichtkontakt besteht, verfolgen, ohne
seinen Blick vom Operationsfeld abwenden zu müssen. Die
Orientierung kann beispielsweise durch die Pfeilrichtung dar
gestellt werden.
Das Problem, mehrere Instrumente (z. B. Endoskop und
chirurgisches Instrument), zu denen kein direkter Sicht
kontakt besteht, zusammenzuführen, reduziert sich bei dieser
Vorgehensweise auf die Überlagerung geometrischer Formen, die
auf die Körperoberfläche des Patienten projiziert werden.
Dabei kann die Projektion der
Position und Orientierung der chirurgischen Instrumente bzw.
der geometrischen Formen im Patientenkoordinatensystem durch
geführt werden. Das heißt, daß die Position und Orientierung
exakt auf die Stelle der Körperoberfläche projiziert wird,
unter der sich das chirurgische Instrument tatsächlich be
findet.
Denkbar wäre dabei eine Projektion der geometrischen Form
genau senkrecht über der Position des chirurgischen
Instruments im Körper des Patienten. Das heißt, daß die auf
die Körperoberfläche des Patienten projizierten Instrumenten
positionen immer auf einer vertikalen Verbindungslinie
zwischen der tatsächlichen und der projizierten Position des
chirurgischen Instruments liegen. Bei dieser Projektionsart
wird jedoch nicht auf dem Standpunkt bzw. die Sichtlinie des
eingreifenden Chirurgen eingegangen.
Um auf die Sichtlinie des Chirurgen einzugehen, wird vor
geschlagen, daß die geometrische Form in einem Winkel zur
Position des chirurgischen Instruments in Blickrichtung des
eingreifenden Chirurgs auf die Körperoberfläche projiziert
wird. Das bedeutet, daß sich der Ort der Projektion der
geometrischen Form auf der Körperoberfläche auf der Ver
bindungslinie zwischen der tatsächlichen räumlichen Position
des chirurgischen Instruments und der Sichtlinie des
Chirurgen auf das Instrument befindet. Um den Ausgangspunkt
dieser Sichtlinie des Chirurgen bestimmen zu können, werden
ein oder mehrere Referenzmarkierungen am oder in der Nähe des
Kopfes des Chirurgen angebracht, dessen räumliche Position
jeweils einem Navigationsrechner, der auch die Positionen und
Orientierungen der chirurgischen Instrumente ermittelt, vor
erneuter Projektion der Positionen der Instrumente über
mittelt wird. Das heißt, das der Kopf des Chirurgen fort
laufend, z. B. mit einer Stereokamera verfolgt und so dessen
Position erfaßt wird.
So werden z. B. ein oder mehrere kreuzförmige Referenz
markierungen an der Operationshaube des Chirurgen angebracht,
die kontinuierlich oder bei Bedarf von zwei Kameras
(Stereokamera) detektiert werden. Auf diese Weise werden die
Koordinaten des Kopfes des Chirurgen ermittelt.
Um zusätzlich zur Kopfposition auch die Orientierung des
Kopfes, und damit dessen Blickrichtung, ermitteln zu können,
werden mehrere am Kopf bzw. der Operationshaube angebrachte
Referenzmarkierungen detektiert. Anschließend wird die
Position des Instrumentes als Schnittpunkt zwischen der
Position der Referenzmarkierungen am Kopf des Chirurgen und
der tatsächlichen Instrumentenposition, die durch einen
Sensor eines Navigationssystems am chirurgischen Instrument
gegeben ist, mit der Körperoberfläche auf die Körperober
fläche des Patienten projiziert.
Da nur eine zweidimensionale Visualisierung der Instrumenten
position bzw. der entsprechenden geometrischen Form auf der
Körperoberfläche des Patienten möglich ist, muß die dritte
Raumdimension, d. h. die senkrechte Entfernung des
chirurgischen Instruments von der Körperoberfläche bzw. der
Patientenliege und somit die "Tiefe" des chirurgischen
Instruments, codiert dargestellt werden. Diese Information
kann z. B. durch eine Farb- und/oder Größencodierung dar
gestellt werden. Die ring- oder kreisförmigen geometrischen
Formen zur Anzeige der Position bzw. die pfeilförmigen
geometrischen Formen zur Anzeige der Orientierung eines
chirurgischen Instruments ändern demnach ihre Farbe und/oder
ihre Größe je nach Tiefe des Instruments im Körper des
Patienten, d. h. je nach senkrechtem Abstand von der Körper
oberfläche bzw. von der Patientenliege.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
werden medizinische Bilddaten des Patienten auf die Körper
oberfläche des Patienten projiziert. Dabei kann es sich
beispielsweise um präoperative, d. h. zu einem beliebigen
Zeitpunkt vor dem Eingriff aufgenommene, Bilddaten handeln.
Mit diesem Verfahren lassen sich auch Echtzeit-Bilddaten, wie
beispielsweise 2D- oder 3D-Ultraschallbilddaten oder mit
Hilfe eines mobilen C-Bogen-Röntgensystems aufgenommene 2D-
oder 3D-Röntgen-Bilddaten, auf die Körperoberfläche des
Patienten projizieren.
Bei dieser Methode kann es ebenso vorteilhaft sein, die
Position des Kopfes des eingreifenden Chirurgen zu erfassen,
um die Bilddaten so auf die Körperoberfläche des Patienten zu
projizieren, daß die in den Bilddaten abgebildeten ana
tomischen Strukturen aus Sicht des Chirurgen (und somit
dessen Sichtlinie) direkt über den tatsächlichen Organ
strukturen zu liegen kommen.
Weiterhin ist es möglich, die Bilddaten so auf die Körper
oberfläche des Patienten zu blenden, daß die mittlere
Projektionslinie entlang der Achse eines intrakorporal oder
extrakorporal geführten chirurgischen Instruments, das zur
Bestimmung seiner Orientierung mit Positionssensoren eines
Navigationssystems bestückt ist, verläuft. Auf diese Weise
kann bei einem minimalinvasiven Eingriff eine optimale Ein
trittsöffnung gefunden werden, in dem das chirurgische
Instrument über die Patientenoberfläche bewegt wird. Unter
der Eintrittsöffnung liegende Organe oder andere essentielle
anatomische Strukturen können so vor Eintritt durch die
Aufblendung der medizinischen Bilddaten auf die Patienten
oberfläche erkannt werden. In einer weiteren Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung werden Daten über die Ergebnisse
einer vor der Operation durchgeführten Operationsplanung, wie
beispielsweise Organ-, Gewebe oder Knochenstrukturen,
Positionsinformationen einer Läsion, geplante Operations
pfade, geplante Eintritts- oder Zielpunkte, auf die Körper
oberfläche des Patienten projiziert.
Die Einblendung von Ergebnissen der Operationsplanung auf die
Körperoberfläche des Patienten kann beispielsweise wiederum
zur Ermittlung eines optimalen Eintrittspunktes im Rahmen
minimalinvasiver Eingriffe verwendet werden. Wird die
Projektion der Ergebnisse der Operationsplanung auf die
Körperoberfläche des Patienten mit der Projektion der
Positionen von chirurgischen Instrumenten verbunden, kann
beispielsweise nachvollzogen werden, ob sich die geführten
Instrumente auf den bei der Operationsplanung festgelegten
Operationsfaden bewegen.
Es ist anzumerken, daß die Projektion von Positionen und
Orientierungen von chirurgischen Instrumenten, die Projektion
von medizinischen Bilddaten und die Projektion von
Ergebnissen einer vorangegangenen Operationsplanung auf die
Körperoberfläche des Patienten voneinander getrennt oder
beliebig miteinander kombiniert durchgeführt werden kann.
Weiterhin muß die Patientenanatomie für die Projektion
berücksichtigt werden. Das heißt, das eine Abstimmung
zwischen der Körperoberfläche des Patienten mit der
Visualisierungsvorrichtung vorgenommen werden muß, damit die
jeweiligen Daten richtig positioniert aus der Körper
oberfläche des Patienten projiziert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel ohne Berücksichtigung der
Blickrichtung des eingreifenden Chirurgen bei der Projektion
der Daten, und
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel unter Berücksichtigung der
Blickrichtung des eingreifenden Chirurgen bei der Projektion
der Daten.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung ohne Berücksichtigung der Blickrichtung des
eingreifenden Chirurgen bei der Projektion
der Daten auf die Körperoberfläche des Patienten.
Wie in dieser Figur gezeigt, wird ein chirurgisches
Instrument (5) im Bauchraum des Patienten geführt. Das
chirurgische Instrument (5) ist mit einem Positionssensor (4)
eines Navigationssystems (3) versehen, mit dessen Hilfe die
Raumkoordinaten kontinuierlich oder intermettierend über eine
Schnittstelle (2) (beispielsweise eines seriellen Interfaces)
an einen Steuerrechner (1) übermittelt werden. Sobald der
Steuerrechner (1) eine solche Raumkoordinate des Instruments
(5) erfaßt, steuert er die erfindungsgemäße Visualisierungs
vorrichtung (6) über einen Rechner-Interface (7) so an, daß
die Position des chirurgischen Instruments (5) als
geometrische Form auf die vertikal (9) über dem Instrument
liegende Stelle (8) auf die Körperoberfläche des Patienten
projiziert wird.
Diese projizierte, geometrische Form kann in Form, Farbe
und/oder Größe variiert werden, um auf diese Art und Weise
die Tiefeninformation des chirurgischen Instruments (5) oder
andere Eigenschaften des Instruments (5) zu codieren.
Die Projektion der Instrumentenposition und
-orientierungen unter Berücksichtigung der Patientenanatomie
setzt eine Registrierung zwischen Navigationssystem (3),
Projektionssystem (6) und Patientenanatomie voraus, um die
Positionen und Orientierungen der chirurgischen Instrumente
(5) auf der richtigen Stelle (8) der Körperoberfläche des
Patienten zu projizieren.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung unter Berücksichtigung der Blickrichtung eines ein
greifenden Chirurgen bei der Projektion der Daten auf die
Körperoberfläche des Patienten.
Wie bereits in Fig. 1 gezeigt, wird, ein chirurgisches
Instrument (5) im Bauchraum des Patienten geführt, das
wiederum mit einem Positionssensor (4) eines Navigations
systems (3) versehen ist, mit dessen Hilfe die Raum
koordinaten des chirurgischen Instruments (5) kontinuierlich
oder intermettierend über eine Schnittstelle (2) an den
Steuerrechner (1) gesendet werde. Zusätzlich zu den Raum
koordinaten des chirurgischen Instruments (5) wird auch die
Raumposition und Orientierung des Kopfes des Chirurgen mit
Hilfe einer (Stereo-)Kamera (12) erfaßt, die über ein Interface
(11) (beispielsweise eine FrameGrabber-Karte oder eine
parallele oder serielle Schnittstelle) Positionsdaten an den
Steuerrechner (1) liefert. Die Kopfposition (8) bzw. Kopf
orientierung und damit die Blickrichtung des Chirurgen kann
mit Hilfe eines oder mehrerer kontinuierlich oder bei Bedarf
aufgenommener Referenzmarkierungen (13), die beispielsweise
an der Kopfbedeckung des Chirurgen angebracht sein können,
ermittelt werden.
Sobald der Steuerrechner (1) eine Raumkoordinate des
Instruments (5) sowie die Kopfposition/Orientierung bzw.
Blickrichtung des Chirurgen erfaßt hat, wird vom Steuer
rechner (1) die erfindungsgemäße Visualisierungsvorrichtung
(6) über ein Rechner-Interface (7) (beispielsweise eine
serielle oder parallele Schnittstelle) so angesteuert, daß
die Position des chirurgischen Instruments (5) so auf die
Körperoberfläche des Patienten projiziert wird, daß sich die
aufgeblendete Kontur (8) auf der Verbindungslinie (10)
zwischen Kopf des Chirurgen (14) und der Spitze des
chirurgischen Instruments (5) befindet.
Claims (18)
1. Visualisierungsvorrichtung (6) zum Visualisieren von
Daten, die einen medizinischen Eingriff an einem Patienten
betreffen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Visualisierungsvorrichtung die Daten auf die Körper
oberfläche (8) des Patienten projiziert.
2. Visualisierungsvorrichtung (6) gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie Daten visualisiert, die die Position und Orientierung
eines chirurgischen Instrumentes (5) betreffen, das im Körper
des Patienten geführt wird.
3. Visualisierungsvorrichtung (6) gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie die Daten als geometrische Form in einer vorgesehenen
Relation zur Position des chirurgischen Instrumentes (5) auf
die Körperoberfläche (8) des Patienten projiziert.
4. Visualisierungsvorrichtung (6) gemäß Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie die geometrische Form senkrecht über der Position des
chirurgischen Instrumentes (5) auf die Körperoberfläche (8)
des Patienten projiziert.
5. Visualisierungsvorrichtung (6) gemäß Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie die geometrische Form in einem Winkel zur Senkrechten über der Position
des chirurgischen Instrumentes (5)
auf die Körperoberfläche (8)
projiziert, der in die Blickrichtung eines
eingreifenden Chirurgen weist.
6. Visualisierungsvorrichtung (6) gemäß Anspruch 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie den Abstand des chirurgischen Instrumentes (5) von
der Körperoberfläche (8) des Patienten als Größe der
geometrischen Form darstellt.
7. Visualisierungsvorrichtung (6) gemäß Anspruch 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie den Abstand des chirurgischen Instrumentes (5) von
der Körperoberfläche (8) des Patienten als Farbe der
geometrischen Form darstellt.
8. Visualisierungsvorrichtung (6) gemäß einem der Ansprüche 1
bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie medizinische Bilddaten auf die
Körperoberfläche (8) des Patienten projiziert.
9. Visualisierungsvorrichtung (6) gemäß einem der Ansprüche 1
bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie Daten, die Ergebnisse einer vorangegangenen Planung
des medizinischen Eingriffes darstellen, auf die Körper
oberfläche des Patienten projiziert.
10. Verfahren zum Visualisieren von Daten, die einen
medizinischen Eigriff an einem Patienten betreffen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Daten auf die Körperoberfläche (8) des Patienten
projiziert werden.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß Daten auf die Körperoberfläche des Patienten projiziert
werden, die Position und Orientierung eines chirurgischen
Instrumentes (5), das im Körper des Patienten geführt wird,
betreffen.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Daten als geometrische Form in einer vorgegebenen
Relation zur Position des chirurgischen Instrumentes (5) auf
die Körperoberfläche (8) des Patienten projiziert werden.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die geometrische Form senkrecht über der zur Position des
chirurgischen Instrumentes (5) auf die Körperoberfläche (8)
des Patienten projiziert wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die geometrische Form in einem Winkel zur senkrechten über der Position des
chirurgischen Instrumentes (5)
auf die Körperoberfläche (8)
projiziert wird, der in die Blickrichtung eines
eingreifenden Chirurgen weist.
15. Verfahren gemäß Anspruch 12, 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand chirurgischen Instrumentes (5) von der
Körperoberfläche (8) des Patienten als Größe der
geometrischen Form dargestellt wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 12, 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand des chirurgischen Instrumentes (5) von der
Körperoberfläche (8) des Patienten als Farbe der
geometrischen Form dargestellt wird.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Daten medizinische Bilddaten sind.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Daten Ergebnisse einer vorangegangenen Planung des
medizinischen Eingriffes darstellen.
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