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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 Eingriffs

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DE10033723C1
DE10033723C1 DE10033723A DE10033723A DE10033723C1 DE 10033723 C1 DE10033723 C1 DE 10033723C1 DE 10033723 A DE10033723 A DE 10033723A DE 10033723 A DE10033723 A DE 10033723A DE 10033723 C1 DE10033723 C1 DE 10033723C1
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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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