DE102010011589A1 - Reference structure for implementation of medical procedure for patient based on two or three-dimensional x-ray images, has film provided with positioning arrangement with glue layer on flat side for fixation of film on skin of patient - Google Patents

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Abstract

The structure has a flexible film (2) provided with a positioning arrangement with a glue layer on a flat side for fixation of the film on the skin of a patient, where the film is sterile. The positioning arrangement comprises electromagnetic position markers, circular disk-shaped, markers (4) and touch or linear or optical opaque markers (8). The circular disk-shaped, markers and touch or linear or optical opaque markers form a coordinate map grid (6). The film is applied in a target area on a body surface of the patient for surgical intervention.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Patientenreferenzstruktur für die bildgestützte Durchführung eines medizinischen Eingriffes.The invention relates to a patient reference structure for the image-guided implementation of a medical procedure.

Die Durchführung medizinischer, insbesondere chirurgischer Eingriffe an einem Patienten erfolgt in vermehrten Umfang unter Zuhilfenahme von bildgestützten Navigationsverfahren, bei denen ein virtuelles Bild des beim Eingriff benutzten chirurgischen Instrumentes mit Hilfe eines Positionserfassungssystems ortsrichtig in vor oder während des Eingriffs erzeugte 2D- oder 3D-Bilder eingeblendet wird. Eine besondere Herausforderung an die Anwendbarkeit der Technologie im chirurgischen Umfeld stellt dabei die Nachverfolgung der Patientenbewegung dar. Um dies zu ermöglichen, ist es bekannt, Patientenreferenzstrukturen zu verwenden, die z. B. über einen Klemmmechanismus oder durch Verschraubung unmittelbar an einer Knochenstruktur des Patienten fixiert werden. Das Anbringen solcher Patientenreferenzstrukturen erfordert jedoch einen zusätzlichen invasiven Eingriff, welcher insbesondere bei minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen kontraproduktiv ist.The implementation of medical, in particular surgical interventions on a patient is carried out to an increased extent with the aid of image-based navigation methods, in which a virtual image of the surgical instrument used during the intervention with the aid of a position detection system displays correctly in 2D or 3D images generated before or during the procedure becomes. A particular challenge for the applicability of the technology in the surgical environment is the tracking of the patient's movement. To make this possible, it is known to use patient reference structures, which, for. B. be fixed via a clamping mechanism or by screwing directly to a bone structure of the patient. However, the attachment of such patient reference structures requires additional invasive intervention, which is counterproductive, especially in minimally invasive surgical procedures.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Patientenreferenzstruktur für die bildgestützte Durchführung eines medizinischen Eingriffes anzugeben, die ohne zusätzliche invasive Eingriffe am Patienten angebracht werden kann, und mit der es möglich ist, auch Haut- oder Weichteilverschiebungen zu erfassen und daraus Weichteilverschiebungen abzuschätzen.The invention is therefore based on the object to provide a patient reference structure for the image-based implementation of a medical procedure that can be attached without additional invasive procedures on the patient, and with which it is possible to detect skin or soft tissue shifts and estimate it from soft tissue shifts.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Patientenreferenzstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen umfasst die Patientenreferenzstruktur eine mit zumindest einer Positionsmarkenanordnung versehene flexible Folie, die zum Fixieren auf der Haut eines Patienten auf einer ihrer Flachseiten mit einer Klebeschicht versehen ist.Said object is achieved according to the invention with a patient reference structure having the features of claim 1 , According to these features, the patient reference structure comprises a flexible film provided with at least one position marker arrangement, which is provided with an adhesive layer on one of its flat sides for fixing on the skin of a patient.

Durch diese Maßnahme ist es ohne zusätzliche invasive Eingriffe möglich, eine globale Bewegung des Patienten sowie eine Verschiebung von Haut und darunter liegenden Weichteilen zu erfassen.This measure makes it possible to detect a global movement of the patient as well as a shift of skin and underlying soft tissue without additional invasive procedures.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the subclaims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen:For further explanation of the invention reference is made to the embodiments illustrated in the figures. Show it:

1 eine Patientenreferenzstruktur gemäß der Erfindung in einer Draufsicht, 1 a patient reference structure according to the invention in a plan view,

2 einen Querschnitt durch die die Patientenreferenzstruktur gemäß 1, 2 a cross section through the patient reference structure according to 1 .

3 und 4 alternative Ausführungsformen einer Patientenreferenzstruktur gemäß der Erfindung jeweils in einer Draufsicht, 3 and 4 alternative embodiments of a patient reference structure according to the invention in a plan view in each case,

5 einen zur Durchführung eines bildgestützten medizinischen Eingriffes eingerichteten chirurgischen Arbeitsplatz in einer schematischen Prinzipdarstellung. 5 a set up for performing an image-based medical intervention surgical workstation in a schematic schematic representation.

Gemäß 1 umfasst eine für die bildgestützte Navigation bei der Durchführung eines medizinischen Eingriffes verwendete Patientenreferenzstruktur gemäß der Erfindung eine sterile, flexible optisch transparente, mit einer Positionsmarkenanordnung 1 versehene sterile Folie 2. Die Positionsmarkenanordnung 1 der Folie 2 enthält eine Mehrzahl von im Beispiel in Draufsicht kreisscheibenförmigen, Markern 4, die in oder auf der Folie 2 angeordnet sind. Die Marker 4 befinden sich an den Eckpunkten eines sich über die gesamte Flachseite der Folie 2 erstreckenden Gitternetzes 6, dessen Gitterlinien 8 ebenfalls durch Röntgenstrahlung absorbierende streifen- bzw. linienförmige Marker 8 gebildet werden. Die kreisscheibenförmigen bzw. streifen- oder linienförmigen, optisch opaken Marker 4 bzw. 8 bilden ein auch im optischen Bereich sichtbares Gitter, so dass sie sowohl in Röntgenbildern als auch in optischen Videobildern, beispielsweise bei sogenannten CAMC-Anwendungen (camera augmented mobile C-arm applications) sichtbar sind.According to 1 For example, a patient reference structure according to the invention used for image-guided navigation when performing a medical procedure comprises a sterile, flexible, optically transparent, with a position marker arrangement 1 provided sterile foil 2 , The position mark arrangement 1 the foil 2 contains a plurality of circular in the example in plan view, markers 4 in or on the slide 2 are arranged. The markers 4 are located at the vertices of one over the entire flat side of the film 2 extending grid 6 whose grid lines 8th likewise by X-ray absorbing strip or linear markers 8th be formed. The circular disk-shaped or stripe-shaped or line-shaped, optically opaque markers 4 respectively. 8th form a visible in the optical field grating so that they are visible both in X-ray images and in optical video images, for example in so-called CAMC applications (camera augmented mobile C-arm applications).

Im Querschnitt gemäß 2 ist zu erkennen, dass die Marker 4, 8 in der flexiblen Folie 2 eingebettet sind. Grundsätzlich können jedoch die Marker 4, 8 auch auf der Oberfläche der Folie 2 angeordnet werden. Auf einer ihre Flachseiten ist die Folie 2 mit einer hautverträglichen Klebe- oder Haftschicht 10 versehen, mit der sie auf die Haut eines Patienten aufgeklebt und damit fixiert werden kann.In cross-section according to 2 it can be seen that the markers 4 . 8th in the flexible foil 2 are embedded. Basically, however, the markers 4 . 8th also on the surface of the film 2 to be ordered. On one of their flat sides is the foil 2 with a skin-friendly adhesive or adhesive layer 10 provided, with which it can be glued to the skin of a patient and thus fixed.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind zusätzlich zu den an den Eckpunkten des quadratischen Gitters angeordneten Markern 4 weitere Marker 12 vorgesehen, die sich voneinander und von den an den Eckpunkten des Gitternetzes 6 angebrachten Markern 4 hinsichtlich ihrer Größe unterscheiden. Dies ermöglicht die Berechnung der für ein 2D-Röntgenbild vorliegenden Projektionsparameter, so dass aus diesen eine 3D-Information abgeschätzt werden kann.In the embodiment according to 3 are in addition to the arranged at the vertices of the square grid markers 4 additional markers 12 provided, from each other and from the at the vertices of the grid 6 attached markers 4 differ in size. This makes it possible to calculate the projection parameters present for a 2D X-ray image, so that 3D information can be estimated therefrom.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind zusätzlich zu den auch im optischen Bereich sichtbaren Markern 4, 8 elektromagnetische Marker 14 vorgesehen, deren Position mit einem elektromagnetischen Positionserfassungssystem bestimmt werden kann. Darüber hinaus können die optisch opaken Marker 4, 8 auch mit einem optischem Positionserfassungssystem erfasst werden, so dass es grundsätzlich möglich ist, die Lage der Folie 2 sowohl mit einem Röntgensystem – wenn dessen Projektionsmatrizen bekannt sind – als auch mit einem optischen Positionserfassungssystem und einem elektromagnetischen Positionserfassungssystem redundant bestimmt werden kann.In the embodiment according to 4 are in addition to the visible in the optical field markers 4 . 8th electromagnetic markers 14 provided whose position can be determined with an electromagnetic position detection system. In addition, the optically opaque marker 4 . 8th Also be detected with an optical position detection system, so that it is possible in principle, the position of the film 2 both with an X-ray system - if its projection matrices are known - as well as with an optical position detection system and an electromagnetic position detection system can be determined redundantly.

Bei dem in 5 schematisch dargestellten chirurgischen Arbeitsplatz befindet sich ein Patient P während der Durchführung eines medizinischen Eingriffes auf einem Patientenlagerungstisch 20. Ein C-Bogen-Röntgengerät 22 dient zur Aufnahme intraoperativer 2D- oder 3D-Röntgenbilder. Am C-Bogen 24 sind einander gegenüberliegend ein Röntgendetektor 26 und ein in der Figur nicht sichtbarer Röntgenempfänger angeordnet. Röntgendetektor 26 und Röntgenempfänger sind mit elektromagnetischen Positionsmarken 28 sowie mit optischen Positionsmarken 30 versehen. Zur Erfassung der Position der optischen Positionsmarken 30 ist ein optisches Positionserfassungssystem 32 vorgesehen. Die Position der elektromagnetischen Positionsmarken 28 wird durch das von einem elektromagnetischen Positionserfassungssystem 34 erzeugtes ortsabhängiges elektromagnetisches Feld erfasst.At the in 5 schematically illustrated surgical workstation is a patient P while performing a medical procedure on a patient table 20 , A C-arm X-ray machine 22 is used to record intraoperative 2D or 3D X-ray images. At the C-bow 24 are opposite to each other an x-ray detector 26 and arranged in the figure not visible X-ray receiver. X-ray detector 26 and X-ray receivers are with electromagnetic position marks 28 as well as with optical position marks 30 Mistake. For detecting the position of the optical position marks 30 is an optical position detection system 32 intended. The position of the electromagnetic position marks 28 is characterized by that of an electromagnetic position detection system 34 detected location-dependent electromagnetic field detected.

Auf der Körperoberfläche des Patienten P ist die Folie 2 in einem für den chirurgischen Eingriff vorgesehenen Zielgebiet aufgebracht. In der Fig. ist außerdem schematisch ein chirurgisches Instrument angedeutet, das mit elektromagnetischen Positionsmarken 28, optischen Positionsmarken 30 sowie Markern 38 versehen ist.On the body surface of the patient P is the film 2 applied in a targeted surgical area. In the Fig. Also schematically a surgical instrument is indicated, which with electromagnetic position marks 28 , optical position markers 30 as well as markers 38 is provided.

Eine übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit 40 verarbeitet die von den elektromagnetischen Positionsmarken 28 und vom optischen Positionserfassungssystem 32 übermittelten Positionsdaten sowie die vom C-Bogen-Röntgengerät 22 übermittelten Bilddaten, um ein virtuelles Bild des Instrumentes 36 lagekorrekt in vor- oder während des operativen Eingriffs vom C-Bogen-Röntgengerät 22 aufgenommene und auf Monitoren 42 wiedergegebenen Röntgenbildern einzublenden.A higher-level control and evaluation unit 40 processes those from the electromagnetic position marks 28 and the optical position detection system 32 transmitted position data as well as the C-arm X-ray machine 22 transmitted image data to a virtual image of the instrument 36 Correct position during or before the operation of the C-arm X-ray machine 22 recorded and on monitors 42 display reproduced X-ray images.

Ein unter Zuhilfenahme der erfindungsgemäßen Folie 2 ablaufender Workflow bei einem medizinischen Eingriff ist beispielhaft nachstehend erläutert. In einem ersten Schritt wird die Folie 2 über einem Zielgebiet, beispielsweise die dorsale Wirbelsäule, auf die Körperoberfläche des Patienten P aufgebracht. Mit Hilfe des C-Bogen-Röntgengerätes 22 werden in einem ersten Schritt Referenzbilder, beispielsweise anteriorposterior und seitlich aufgenommen. Anschließend wird das Instrument 36 über dem Zielgebiet und damit der Folie 2 positioniert und virtuell in die bereits vorher angefertigten 2D- oder 3D-Röntgenbilder eingeblendet. Nach dem Ansetzen des Instrumentes 36 im Zielgebiet werden zusätzlich intraoperative 2D-Röntgenbilder mit dem C-Bogen-Röntgengerät 22 aufgenommen. Im Falle eines Schnittes durch die Folie 2 kann in einem zusätzlichen Update-Schritt die gegebenenfalls veränderte Position der Folie 2 erfasst werden. Dieser Update-Schritt entfällt, wenn durch den Eingriff, beispielsweise bei einer Nadelpunktion, die Geometrie und Position der Folie 2 nicht verändert wird. Ergänzend hierzu können außerdem optische Videobilder mit der Videokamera 44 aufgenommen werden. Die aufgenommenen 2D-Röntgenbilder sowie die aufgenommenen Videobilder werden mit den entsprechenden Referenzbildern verglichen. Bei diesem Vergleich werden Verschiebungen der Folie 2 durch die relative Strukturänderung der Markeranordnung und der Liniengeometrie erfasst. Überschreiten diese Verschiebungen einen definierten Schwellwert erfolgt entweder eine Aktualisierung der vom bildgestützten System zur Verfügung gestellten Information oder eine Neuaufnahme der intraoperativen 2D- oder 3D-Bilddatensatzes.One with the aid of the film according to the invention 2 ongoing workflow in a medical procedure is exemplified below. In a first step, the film becomes 2 over a target area, for example the dorsal spine, applied to the body surface of the patient P. With the help of the C-arm X-ray machine 22 In a first step, reference images are taken, for example anterior-posterior and laterally. Subsequently, the instrument becomes 36 above the target area and thus the slide 2 positioned and virtually displayed in the previously prepared 2D or 3D X-ray images. After the preparation of the instrument 36 In the target area, intraoperative 2D X-ray images are additionally taken with the C-arm X-ray machine 22 added. In case of a cut through the foil 2 can in an additional update step, the possibly changed position of the slide 2 be recorded. This update step is omitted if the intervention, such as a needle puncture, the geometry and position of the slide 2 not changed. In addition to this, optical video images can also be taken with the video camera 44 be recorded. The recorded 2D X-ray images and the recorded video images are compared with the corresponding reference images. In this comparison, shifts of the film 2 detected by the relative structure change of the marker arrangement and the line geometry. If these shifts exceed a defined threshold value, either an update of the information provided by the image-based system or a new acquisition of the intraoperative 2D or 3D image data set takes place.

Entsprechende Referenz-Positionsdaten und aktuelle Positionsdaten der Folie 2 können außerdem zusätzlich mit der in 5 veranschaulichten Positionserfassungseinrichtung 32, sowie, falls die Folie 2 entsprechende elektromagnetische Positionsmarken enthält, auch mit dem elektromagnetischen Positionserfassungssystem 34 erfasst und miteinander verglichen werden.Corresponding reference position data and current position data of the film 2 In addition, in addition to the in 5 illustrated position detection device 32 , as well as, if the foil 2 contains corresponding electromagnetic position marks, also with the electromagnetic position detection system 34 recorded and compared with each other.

Die transparente Folie 2 kann in unterschiedlicher Foliengröße angepasst an die jeweils zu behandelnde Körperregion, Fuß, Ober- und Unterschenkel, Ober- und Unterarm oder Wirbelsäule, angepasst werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Folie 2 in unterschiedlichen Steifigkeiten zur Verfügung zu stellen, um beispielsweise gegebenenfalls Weichteile zu stabilisieren.The transparent foil 2 can be adjusted in different film size adapted to the respective body region to be treated, foot, upper and lower leg, upper and lower arm or spine. In addition, it is possible to use the foil 2 be available in different stiffnesses, for example, to stabilize soft tissues if necessary.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
PositionsmarkenanordnungPosition mark arrangement
22
Foliefoil
44
Markermarker
66
Gitternetzgrid
88th
Gitterliniegrid line
1010
Klebeschichtadhesive layer
1212
Markermarker
1414
elektromagnetische Markerelectromagnetic markers
2020
PatientenlagerungstischPatient table
2222
C-Bogen-RöntgengerätC-arm X-ray device
2424
C-BogenC-arm
2626
RöntgendetektorX-ray detector
2828
elektromagnetische Positionsmarkerelectromagnetic position markers
3030
optische Positionsmarkeroptical position markers
3232
optisches Positionserfassungssystemoptical position detection system
3434
elektromagnetisches Positionserfassungssystemelectromagnetic position detection system
3636
Instrumentinstrument
3838
Markermarker
4040
Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
4242
Monitormonitor
4444
Videokameravideo camera
PP
Patientpatient

Claims (7)

Patientenreferenzstruktur für die bildgestützte Durchführung eines medizinischen Eingriffs, umfassend eine mit zumindest einer Positionsmarkenanordnung (1) versehene flexible Folie (2), die zum Fixieren auf der Haut eines Patienten (P) auf einer ihrer Flachseiten mit einem Klebeschicht (10) versehen ist.A patient reference structure for the image-guided performance of a medical procedure, comprising one with at least one position mark arrangement ( 1 ) provided flexible film ( 2 ) for fixing on the skin of a patient (P) on one of its flat sides with an adhesive layer ( 10 ) is provided. Patientenreferenzstruktur nach Anspruch 1, bei der die Positionsmarkenanordnung (1) elektromagnetische Positionsmarken (14) umfasst.Patient reference structure according to claim 1, wherein the position marker arrangement ( 1 ) electromagnetic position markers ( 14 ). Patientenreferenzstruktur nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Positionsmarkenanordnung (1) Marker (4, 8, 12) umfasst.Patient reference structure according to claim 1 or 2, wherein the position marker arrangement ( 1 ) Markers ( 4 . 8th . 12 ). Patientenreferenzstruktur nach Anspruch 3, bei der Marker (12) in voneinander verschiedenen Größen vorgesehen sind.Patient reference structure according to claim 3, wherein the marker ( 12 ) are provided in different sizes. Patientenreferenzstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Positionsmarkenanordnung (1) optische Marker (4, 8, 12) umfasst.Patient reference structure according to one of the preceding claims, in which the position marker arrangement ( 1 ) optical markers ( 4 . 8th . 12 ). Patientenreferenzstruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der optischen Marker und/oder Marker (4, 8) ein Gitternetz bilden.Patient reference structure according to one of Claims 3 to 5, in which optical markers and / or markers ( 4 . 8th ) form a grid. Patientenreferenzstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Folie (2) steril ist.Patient reference structure according to one of the preceding claims, in which the film ( 2 ) is sterile.
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