DE102009025249A1

DE102009025249A1 - Medizinsystem

Info

Publication number: DE102009025249A1
Application number: DE102009025249A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr. Bulitta; Rainer Dr. Graumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2010-12-30
Also published as: WO2010145975A1

Abstract

Ein Medizinsystem (2) umfasst ein elektromagnetisch oder optisch arbeitendes Navigationssystem (4), ein Röntgensystem (6), und ein medizinisches Instrument (8), an dem ein Röntgenmarkersystem (14) und ein Navigationsmarker (12) des Navigationssystems (4) in bekannter Relativposition (R) zueinander fest angebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Medizinsystem mit einem elektromagnetisch oder optisch arbeitenden Navigationssystem, einem Röntgensystem und einem medizinischen Instrument.
Derartige medizinische Systeme werden verwendet, um mit Hilfe des Instruments, unterstützt von Patientenbilddaten navigierte medizinische Maßnahmen an Patienten durchzuführen. Das Instrument ist hierbei z. B. ein medizinisches Werkzeug, ein Implantat o. ä. In einer sogenannten Registrierungsprozedur müssen die zu verwendenden Instrumente und Patientenbilddaten ortsrichtig einander zugeordnet werden. Heute bekannte Registrierungsverfahren sind entweder zeitaufwändig, fehleranfällig oder lassen sich nicht schnell genug vor Ort, z. B. in einem Operationssaal, in welchem das Medizinsystem aufgebaut wurde, durchführen. Heute bekannte Ansätze sind die punktbasierte Registrierung anhand präoperativer Daten, die oberflächenbasierte Registrierung oder die Registrierung anhand präoperativer Daten. Aus dem „NaviLink”-System der Firma Siemens ist die Verbindung einer intraoperativen 3D-C-Bogenbildgebung und eines Navigationssystems bekannt. Bekannt sind auch bildbasierte Ansätze, z. B. die Erkennung von röntgenundurchlässigen Röntenmarkersystemen in Röntgenbildern und die daraus folgende Berechnung von Geometrien. In einem Röntgenmarkersystem sind in der Regel die Marker in einer 3D-Struktur angeordnet. Ein derartiges System ist z. B. von der Firma Surgix Ltd, Tel Aviv bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Medizinsystem anzugeben.
Ziel der Erfindung ist eine Echtzeitregistrierung von Instrumenten, Werkzeugen und Patientenbilddaten, die schneller als bei den bekannten Systemen erfolgt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Medizinsystem gemäß Patentanspruch 1. Das Medizinsystem umfasst ein elektromagnetisch oder optisch arbeitendes Navigationssystem, ein Röntgensystem und ein medizinisches Instrument. Am medizinischen Instrument sind ein Röntgenmarkersystem und ein Navigationsmarker des Navigationssystems fest angebracht. Alle Marker befinden sich hierbei in bekannter Relativposition zueinander.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, ein einziges Instrument sowohl mit Röntgen- als auch Navigationsmarkern auszustatten. Die Röntgenmarker sind röntgenundurchlässig, z. B. kleine Kugeln, die in einem bestimmten räumlichen Muster zu einem Röntgenmarkersystem angeordnet sind, so dass aus Ihnen die Position und Orientierung des Instruments anhand eines vom Instrument mit dem Röntgensystem aufgenommenen 2D-Röntgenbildes bestimmt werden kann. Zum Anderen wird im Instrument als Navigationsmarker des Navigationssystems z. B. eine Sensorspule mit 5 oder 6 Freiheitsgraden (DoF, Degrees of freedom) integriert, deren Position und Orientierung wiederum mittels des elektromagnetischen Navigationssystems ermittelt werden kann. Das Instrument stellt somit bezüglich der räumlichen Zuordnung die direkte Verbindung zwischen dem Navigationssystem und den vom Röntgensystem erzeugten Bilddaten dar. Die Registrierung kann sofort ohne jeglichen sonstigen Zwischenschritt anhand des parallel vom Röntgensystem und vom Navigationssystem erfassten Instruments geschehen. Die Röntgenmarker und die Navigationsmarker werden bei der Herstellung des Instruments kalibriert, so dass ihre räumliche Beziehung zueinander auf dem Instrument bezüglich Ihrer Positionen und Orientierungen in allen Freiheitsgraden bekannt ist.
Sollten die Röntgenmarker das Feld des elektromagnetischen Navigationssystems stören, kann eine Störung bei der Systemkalibrierung auch sofort berücksichtigt werden. Der Navigationsmarker, z. B. eine Sensorspule, kann hierbei kabelgebunden oder kabellos, z. B. mittels eines aktiven oder passiven Schwingkreises, ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Medizinsystem erlaubt eine sehr schnelle, auch „online” genannte Registrierung, zwischen Patientendaten, z. B. den mit dem Röntgensystem aufgenommenen Röntgenprojektionsaufnahmen in 2D oder 3D, und dem Navigationssystem. Jegliches zusätzliche chirurgische Werkzeug. z. B. ein Pointer oder Implantat, welches ebenfalls mit einem Navigationsmarker des Navigationssystems oder mit Röntgenmarkern ausgestattet ist, kann direkt ohne zusätzliche Registrierverfahren in vom Röntgensystem aufgenommene 2D-Röntgenbilder eingeblendet werden. Eine 3D Bildgebung im Röntgensystem ist nicht notwendig, da der Ort der Röntgenmarker im Bezugsystem des Navigationssystems auch aus 2D-Röntgenbildern ermittelt werden kann. Das Verfahren bzw. das Medizinsystem erlaubt daher auch eine bildgeführte bzw. navigierte Chirurgie bei ausschließlicher Verwendung von 2D-Röntgenprojektionsbildern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist das Instrument eine an einem Patienten fixierbare Klemme. Die Klemme wird z. B. an der Wirbelsäule des Patienten als Referenzklemme fixiert. In dieser Ausführungsform sowie in allen Anderen, bei welchen das Instrument in bekannter Relativposition zum Patienten liegt, können auch Bewegungen des Patienten durch die Verschiebung des Instruments mit dem Patienten sofort direkt in der Navigation und Ortsberechnung sämtlicher Komponenten berücksichtigt werden, sind also nicht mehr so störend.
Im Medizinsystem kann das Instrument auch dazu verwendet werden, um eine Beziehung zwischen einem intraoperativ gemessenen 3D-Bilddatensatz und 2D-Projektionsbildern herzustellen. Bei dieser sogenannten 2D/3D-Registrierung wird der 3D-Datensatz als digital rekonstruiertes Röntgenbild (DRR) in der Kamerageometrie des 2D-Röntgenbildes berechnet und gemeinsam mit diesem dargestellt. Das erfindungsgemäße Instrument kann dazu verwendet werden, die genannte Kamerageometrie zu bestimmen und daraus das DRR zu berechnen.
Umgekehrt kann aus dem 2D-Röntgenbild auch direkt die Kamerageometrie bestimmt werden, wenn sowohl das Röntgenmarkersystem als auch die Navigationsmarker vorhanden sind. Dann kann aus dem 3D-Datensatz entsprechend ein DRR berechnet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Instrument ein Interventionswerkzeug, z. B. ein Endoskop oder ein sonstiges interventionell genutztes Instrument.
Das Instrument kann hierbei auch als Hand-held-System konzipiert sein. Bei der Verwendung eines Hand-held-Systems in Röntgenaufnahmen kann wegen der Realtime-Fähigkeit die Position des Systems direkt in 3D-Daten eingeblendet werden. Die Registrierung geschieht dabei einfach durch die Kombination der Röntgenmarker mit den Navigationsmarkern und einer 2D/3D-Registrierung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Instrument ein in einen Patienten einbringbares Implantat. Ein Implantat kann hierbei z. B. auch eine Prothese sein. Eine entsprechende Prothese oder ein Implantat wird in der Regel fest in einem Patienten platziert. Das Instrument hat dann eine definierte geometrische Beziehung zu Strukturelementen des Patienten, z. B. Gewebeteilen oder Knochen. Die Patientenposition steht damit stets in fester Relativposition zum Implantat und mit dessen Position stets im Navigationssystem bekannt.
Steht die Geometrie des Instruments, insbesondere auch wenn dieses ein Implantat ist, als Datensatz zur Verfügung, so kann ein virtuelles Abbild des Instruments oder Implantats ebenfalls in Echtzeit ortsgetreu in die verfügbaren, registrierten Bilddatensätze integriert werden.
Für das Medizinsystem sind eine Vielzahl klinischer Anwendungen denkbar, unter Anderem z. B. die muskuloskelettale Chirurgie, Knie- und Hüftendoprothetik, Frakturversorgung mittels Osteosynthese mit Hilfe von Platten, Markennagelung, Verschraubung sowie Wirbelsäuleneingriffe, wie Pedikelverschraubung, Bandscheibenersatz etc.
Denkbar sind auch Anwendungen in der Mund-, Kiefer- oder Gesichtschirurgie, Hals-Nasen-Ohrenchirurgie oder Gefäßchirurgie, in Form eines Stents oder einer Endoprothesenplatzierung bzw. einer Katheternavigation. Das Medizinsystem ist nützlich bei der Navigation von Endoskopen in der flexiblen Endoskopie, wie in der Bronchoskopie, Gastroskopie sowie bei der starren Endoskopie, z. B. der Arthroskopie. Mit dem Medizinsystem ist außerdem eine Navigation von interventionellen Kathetern und Nadeln, z. B. bei der Vertebroplastie, Kyphoplastie oder der HF-Ablation denkbar.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigt in einer schematischen Prinzipskizze:
1 ein Medizinsystem gemäß der Erfindung.
1 zeigt ein Medizinsystem 2, welches im Wesentlichen ein elektromagnetisch arbeitendes Navigationssystem 4 und ein Röntgensystem 6 in Form eines Röntgen C-Bogens sowie ein medizinisches Instrument 8 umfasst. Mit Hilfe des Instruments 8 wird an einem Patienten 10 eine medizinische Maßnahme, hier ein interventioneller Eingriff, durchgeführt. Erfindungsgemäß ist am Instrument 8 sowohl ein vom Navigationssystem 4 ortbarer Navigationsmarker 12 als auch ein Röntgenmarkersystem 14 fest angebracht. Deren Relativposition zueinander wurde in einer Kalibrierprozedur bei der Herstellung des Instruments einmalig aufgenommen bzw. festgelegt. Die Relativposition ist durch einen Ortsvektor R symbolisiert.
Das Navigationssystem 4 spannt ein an diesem ortsfestes Koordinatensystem N auf. Während des medizinischen Eingriffs wird nun vom Patienten 10 mit Hilfe des Röntgensystems 6 ein Röntgenbild 16 angefertigt, welches einen Teil des Patienten 10 und das Instrument 8 zeigt. Die Position der Navigationsmar ker 12 im Koordinatensystem N ist durch die Erfassung durch das Navigationssystem 4 bekannt. Über den Ortsvektor R ist daher auch die Lage des Röntgenmarkersystems 14 im Koordinatensystem N im Moment der Aufnahme des Röntgenbildes 16 bekannt. Da gleichzeitig das Röntgenmarkersystem 14 im Röntgenbild 16 sichtbar sind, ist somit auch die ortsrichtige Zuordnung des Röntgenbildes 16 im Koordinatensystem N möglich. Somit sind sämtliche Komponenten des Medizinsystems 2 zueinander ortsrichtig registriert und der navigationsgestützte Eingriff am Patienten 10 kann sofort erfolgen.

2: Medizinsystem
4: Navigationssystem
6: Röntgensystem
8: Instrument
10: Patient
12: Navigationsmarker
14: Röntgenmarkersystem
16: Röntgenbild
R: Ortsvektor
N: Koordinatensystem

Claims

Medizinsystem (2), mit einem elektromagnetisch oder optisch arbeitenden Navigationssystem (4), mit einem Röntgensystem (6), und mit einem medizinischen Instrument (8), an dem ein Röntgenmarkersystem (14) und ein Navigationsmarker (12) des Navigationssystems (4) in bekannter Relativposition (R) zueinander fest angebracht sind.
Medizinsystem (2) nach Anspruch 1, bei dem das Instrument (8) eine an einem Patienten (10) fixierbare Klemme ist.
Medizinsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Instrument (8) ein Interventionswerkzeug ist.
Medizinsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Instrument (8) ein in einen Patienten (10) einbringbares Implantat ist.