Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Anspruch 10 und eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1.
Bei Eingriffen am menschlichen oder auch am tierischen Körper muss gewährleistet werden, dass der gewünschte Effekt erzielt wird, ohne dass wichtige angrenzende Strukturen zerstört werden. Daher wird bei Operationen der Operationsbereich freigelegt und unter ständiger Augenkontrolle gearbeitet. Der Aufwand und das Risiko bei Operationen ist beachtlich gross, insbesondere auch weil die meisten Operationen unter Narkose erfolgen. Das Verheilen der Operationswunde bedarf einer stationären pflegerischen Betreuung. Wegen der nötigen Sterilität werden diese konventionellen chirurgischen Eingriffe in Operationssälen durchgeführt. Bevor die Operation aber in Angriff genommen wird, müssen Informationen von bildgebenden Verfahren vorliegen, die zeigen, was das gesundheitliche Problem ist, bzw. welcher Eingriff nötig sein wird.
Es handelt sich somit um ein zweistufiges Verfahren, bei dem in einem ersten Schritt analysiert und in einem zweiten Schritt eingegriffen wird. Die beiden Schritte erfolgen sowohl zeitlich als auch räumlich getrennt und benötigen daher viel Zeit, Raum und Personal.
Um den Aufwand verschiedener Eingriffe zu verkleinern, wurde der Bereich der interventionellen Radiologie entwickelt. Das Ziel der interventionellen Radiologie ist es, Untersuchung und Eingriff in einem einstufigen Verfahren zu kombinieren. Dabei soll nicht die bildgebende Untersuchung im kostenintensiven Operationssaal durchgeführt werden, sondern die Eingriffe sollen mit minimalen Eröffnungen des Körpers, also ohne direkte Sichtkontrolle, in einem nicht sterilen Raum bei einem bildgebenden Untersuchungsgerät erfolgen. Grundsätzlich könn ten sehr viele verschiedene Eingriffe, bei denen im Körper etwas verbunden, getrennt, eingesetzt oder auch entnommen wird, ausserhalb des Operationssaales durchgeführt werden.
Entscheidend für die Eingriffe ist es, dass gutes Bildmaterial des zu bearbeitenden Körperbereiches vorliegt, und dass die Instrumente, mit denen der Eingriff durchgeführt wird, richtig geführt werden.
Zum Bestätigen eines Befundes und zum Planen eines Eingriffes eignen sich besonders Schnittbilder, die etwa mittels Computertomografie (CT) und/oder bildgebender Magnetresonanzbestimmung (MRI) und/oder Positronemissions Tomografie (PET) erzeugt werden. Die zur Bilderzeugung verwendete Strahlung und die Innenmasse der Bildaufnahmevorrichtung erlauben es nicht, dass die operierende Person die Instrumente während der Bildaufnahme, bzw. unter Bildkontrolle in den Körper einführt. Die Bildaufnahme und der Eingriff müssen somit getrennt erfolgen.
Aus dem Bereich der Hirnchirurgie ist beispielsweise gemäss dem US-Patent 5 383 454 ein Verfahren bekannt, bei dem eine am Kopf der zu behandelnden Person mit Schrauben befestigte Lokalisiervorrichtung (frame) in jedem Schnittbild Bildpunkte liefert, aus denen die Lage des Schnittbildes relativ zur Lokalisiervorrichtung bestimmbar ist. Die Bilder sind dadurch in einem kopffesten Koordinatensystem referenzierbar. Nach der Analyse der Bilder wird später für einen Eingriff ein Teil der Lokalisiervorrichtung in der gleichen Lage am Kopf montiert, wie während der Bilderfassung, sodass auch die Lage der Instrumentenspitze relativ zur gleich montierten Lokalisiervorrichtung, bzw. im gleichen kopffesten Koordinatensystem erfassbar ist und die Instrumentenpositionen den vorgängig erfassten und kopffest referenzierten Schnittbildern zugeordnet werden können.
Zu jeder Lage der Instrumentenspitze kann ein Schnittbild gefunden werden, dem die Position der Instrumentenspitze am nächsten liegt oder in dem sich die Position sogar befindet. Durch das gemeinsame Darstellen von Schnittbildern und Positionen der Instrumentenspitze kann die Bewegung des Instrumentes in einem virtuellen Raum visualisiert werden.
Das Verfahren nach dem US-Patent 5 383 454 hat den Nachteil, dass die Lage des Schnittbildes mittels aufwändiger Auswertungsschritte aus den Bildpunkten der Lokalisiervorrichtung bestimmt werden muss. Zudem ist es nur im Bereich des Kopfes, an dessen festen Schädelknochen die Lokalisiervorrichtung verschiebungsfrei befestigt werden kann, mit genügend grosser Genauigkeit anwendbar. In den anderen Bereichen des Körpers ist dieser weich und beweglich, sodass keine Lokalisiervorrichtung genügend genau und ohne grössere, die zu behandelnde Person störende Eingriffe am Körper befestigt werden kann.
Aus dem Bereich der Krebsbehandlung sind bildgeführte stereotaktische und Laser geführte Freihand Verfahren bekannt. Diese Verfahren werden vor allem für Biopsien verwendet. Aus den CT- oder MRI-Bildern wird etwa bestimmt, an welcher Körperstelle ein Instrument in welcher Ausrichtung und wie weit in den Körper eingeführt werden muss, um die gewünschte Stelle zu erreichen. Die Eintrittsstelle wird am Körper markiert, während dieser noch im bildaufnehmenden Gerät ist. Nach dem Anbringen der Eintrittsmarke wird der Körper so weit aus der Bildaufnahmevorrichtung herausgezogen, dass das von einer mechanischen oder einer optomechanischen bzw. laserkontrollierten Einstellvorrichtung geführte Instrument bei der markierten Stelle in den Körper eingeführt werden kann.
Die Einstellvorrichtung gewährleistet die gewünschte Instrumenten-Ausrichtung und -Bewegung in den Körper.
Bei den stereotaktischen und den Laser geführten Freihand-Verfahren hängt das Resultat stark von Technikern ab, die die Einstellvorrichtung so bedienen müssen, dass das Instrument an eine vorgängig in Schnittbildern definierte Position gelangt. Für einen verantwortlichen Arzt ist es nicht befriedigend, wenn die entscheidenden Eingriffsschritte im Wesentlichen nicht von ihm, sondern von technischen Hilfs personen abhängen. Zudem können bereits kleine Fehler beim Markieren und/oder beim Einstellen der Instrumentenausrichtung dazu führen, dass die Instrumentenspitze nicht zur gewünschten Stelle gelangt. Um die erreichte Endlage durch eine Bildaufnahme zu kontrollieren, muss die zu behandelnde Person wieder in das bildaufnehmende Gerät eingeführt werden, was mit einem grossen Zeitaufwand verbunden ist.
Um unter Echtzeit-Bildkontrolle zu arbeiten, wurde bereits vorgeschlagen, im CT- oder MRI-Bildaufnahmegerät mit Robotern Eingriffe auszuführen. Dabei sind aber die Eingriffsmöglichkeiten auf Grund der engen Platzverhältnisse und der Störungsanfälligkeit von Robotern in starken inhomogenen Feldern wesentlich eingeschränkt. Zudem fehlt wiederum die sensible Führung der Instrumente durch eine erfahrene Hand.
Die erfindungsgemässe Aufgabe besteht nun darin, eine Lösung zu finden, bei der Instrumentenpositionen Schnittbildern des Körpers überlagert werden können, ohne dass dazu am Körper eine Lokalisiervorrichtung befestigt wird, aus deren Bildpunkten die Lage der Schnittbilder relativ zum Körper zu bestimmen ist.
Die erfindungsgemässe Lösung sieht vor, dass der Körper im Wesentlichen bewegungslos auf einer Auflagefläche liegt und diese Fläche von einem Bildaufnahmebereich einer Bildaufnahmevorrichtung in einen Eingriffsbereich bewegbar ist. Die in der Bildaufnahmevorrichtung erfassten zweidimensionalen Schnittbilder des Körpers, bzw. die Lage jeder einem zweidimensionalen Schnittbild zugeordneten Schnittebene und des darin erfassten Bildausschnittes mitsamt einer Längen-Skalierung bzw. einem Vergrösserungsfaktor, wird zumindest im Eingriffsbereich so der Auflagefläche und somit dem Körper zuordnungsbar gemacht, dass gewünschte Schnittbilder zusammen mit gemessenen Instrumentenpositionen korreliert darstellbar sind.
Um die Schnittbilder zu referenzieren bzw. ihre Lage zu kennzeichnen, wird keine am Körper befestigte Loklalisiervorrichtung, deren Bildpunkte die Lage der Schnittbilder charakterisieren, verwendet. An Stelle der Referenzierung relativ zum Körper erfolgt das Erfassen der Schnittbilder in mindestens einer Ebene, deren Lage und deren erfasster Ausschnitt in einem vom Körper unabhängigen, vorzugsweise einem raumfesten Koordinatensystem bekannt ist bzw. mittels Kalibrierung bestimmt wird. Um die Schnittbilder dem Körper richtig zuordnen zu können, wird auch die Lage der Auflagefläche, auf der der Körper bewegungslos liegt, beim Erfassen der Schnittbilder und beim Eingriff so erfasst, dass die Lage der Auflagefläche im raumfesten Koordinatensystem bestimmbar ist.
Weil bei der Bildaufnahme sowohl die Lage der Schnittebene als auch die Lage der Auflagefläche in einem gemeinsamen nicht an den Körper gebundenen Koordinatensystem bekannt ist, kann beispielsweise die Lage jedes Schnittbildes mit kleinem Aufwand in ein mit der Auflagefläche verbundenes Koordinatensystem umgerechnet werden. Für jede im raumfesten Koordinatensystem bekannte Lage der Auflagefläche ist auch die mit der Auflagefläche verschobene Lage eines vorgängig erfassten Schnittbildes im raumfesten Koordinatensystem bestimmbar, indem etwa die Bilderfassungsschnittebene entsprechend der Bewegung der Auflagefläche von ihrer Lage bei der Erfassung des Bildes zu ihrer aktuellen Lage im raumfesten Koordinatensystem bewegt wird.
Bei der Anordnung der Auflagefläche im Eingriffsbereich werden Instrumentenpositionen und die Lage der Auflagefläche im raumfesten Koordinatensystem erfasst. Dadurch kann auch jede Instrumentenposition mit kleinem Aufwand in ein mit der Auflagefläche verbundenes Koordinatensystem umgerechnet werden. Da die Instrumentenpositionen und die Lagen der Schnittbilder im gleichen mit der Auflagefläche verbundenen oder raumfesten Koordinatensystem bekannt sind, können sie richtig überlagert dargestellt werden, sodass die Instrumentenbewegungen im Be reich des realen Körpers in einem virtuellen Körper verfolgt werden können.
Bei der erfinderischen Lösung wurde das Vorurteil überwunden, zur exakten Korrelation von Schnittbildern, die in einer Bildaufnahmevorrichtung erfasst werden, und Instrumentenpositionen, mit denen ausserhalb der Bildaufnahmevorrichtung in den Körper eingegriffen wird, müssten körperfeste Referenzen bzw. körperfixierte Lokalisiervorrichtungen oder am Körper angebrachte Markierungen verwendet werden. Die Lage eines Schnittbildes muss nicht durch eine Analyse von Bildpunkten der Lokalisiervorrichtung im Schnittbild bestimmt werden. Die erfinderische Referenzierung mittels raumfester Lagebestimmungen ist einfach und bedarf keiner Interaktionen mit der zu behandelnden Person. Dies wurde möglich, weil die erfinderische Lösung nicht wie die Lösungen aus dem Stande der Technik auf ein körperbezogenes Korrelieren von Schnittbildern und Instrumentenpositionen eingeschränkt ist.
Sie korreliert vielmehr Schnittbilder und Instrumentenpositionen, die in verschiedenen Lagen eines verschiebbaren Raumbereichs erfasst werden.
Die Korrelation, bzw. die zur Korrelation nötige Referenzierung, hängt nicht davon ab, ob sich ein Körper im verschiebbaren Raum befindet. Der verschiebbare Raumbereich und seine Verschiebbarkeit sind durch die Bildaufnahmevorrichtung und die Verschiebbarkeit der Auflagefläche gegeben. Wenn ein zu behandelnder Körper auf der Auflagefläche liegt, sind Lagen der in der Bildaufnahmevorrichtung erfassten Schnittbilder dieses Körpers entsprechend den Bewegungen der Auflagefläche mitführbar, sodass diesen zumindest im Eingriffsbereich Instrumentenpositionen überlagerbar sind.
Um die Lage des von der Bildaufnahmevorrichtung erfassten Schnittbildes beim Erfassen zu kennen, wird in einem ersten Kalibrationsschritt in raumfesten Koordinaten zumindest die Lage eines einen Bildpunkt erzeugenden Punktes im Aufnahmebereich einer Bildaufnahmeebene der Bildaufnahmevorrichtung be stimmt. Gegebenenfalls wird zudem die Ausrichtung der Bildaufnahmeebene durch die Bestimmung der Positionen von mindestens drei, in einer zur Bildaufnahmeebene parallelen Ebene liegende, mit dem bildaufnehmenden Teil verbundene Positionselemente bestimmbar gemacht. Vorzugsweise werden mindestens drei, insbesondere aber fünf Punkte der Bildaufnahmeebene in raumfesten Koordinaten bestimmt und auf einem Schnittbild festgehalten. Dieser erste Kalibrationsschritt muss zumindest nach der Installation der Bildaufnahmevorrichtung durchgeführt werden.
Gegebenenfalls wird er in grösseren zeitlichen Abschnitten wiederholt, um zu kontrollieren, ob sich der von der Bildaufnahmevorrichtung erfassbare Ausschnitt in den raumfesten Koordinaten der Positionsbestimmungsvorrichtung verschoben hat.
Bei der Durchführung des ersten Kalibrationsschrittes wird etwa auf der Auflagefläche eine Kalibrationseinheit mit mindestens drei, vorzugsweise aber fünf, in einer Ebene liegenden, die Enden von mindestens zwei verschieden ausgerichteten Vektoren definierenden, Positionselementen befestigt. Die Lage der Auflagefläche relativ zur Bildaufnahmeebene wird verändert, bis mindestens ein Positionselement in der Bildaufnahmeebene liegt. Anschliessend wird die Ebene mit den Positionselementen ausgerichtet und gegebenenfalls parallel verschoben, bis alle Positionselemente in der Bildaufnahmeebene liegen und im Schnittbild ein Koordinatensystem definieren, dessen raumfesten Koordinaten durch die Bestimmung der raumfesten Lage mindestens dreier Positionselemente bestimmbar ist.
Durch Distanzbestimmungen zwischen mindestens zwei Positionselementen und den von diesen stammenden Bildpunkten des Schnittbildes wird gegebenenfalls ein Vergrösserungsfaktor bestimmt. Vorzugsweise wird der Vergrösserungsfaktor aber direkt von der Bildaufnahmevorrichtung übernommen.
In einem zweiten Kalibrationsschritt wird mindestens für eine Lage der Auflagefläche gleichzeitig die Lage der Auflagefläche in raumfesten Koordinaten und eine von der Bildaufnahmevorrichtung stammende geräteabhängige Lage der Auflagefläche erfasst. Ist die Auflagefläche lediglich in einer Geradführung verschiebbar und ist sowohl die raumfeste als auch die geräteabhängige Lage eine Länge entlang der Geradführung, so unterscheiden sich die beiden Längen lediglich um eine additive Konstante. Zur Bestimmung dieser Konstanten muss zumindest einmal für eine Lage der Auflagefläche gleichzeitig die raumfeste und die geräteabhängige Position in der Richtung der Geradführung bestimmt werden. Danach kann jede geräteabhängige in eine raumfeste Position und jede raumfeste in eine geräteabhängige Position umgerechnet werden.
Da der Nullpunkt der geräteabhängigen Position der Auflagefläche bei den meisten Bildaufnahmevorrichtungen wählbar ist und auch bei jeder untersuchten Person wieder neu eingestellt wird, muss der zweite Kalibrationsschritt vorzugsweise bei jeder zu untersuchenden Person, insbesondere am Anfang des Bilderfassungsschrittes, durchgeführt werden. Der Aufwand dafür ist verschwindend klein, da es sich lediglich um zwei Positionsbestimmungen bei unveränderter Lage der Auflagefläche handelt.
Die Verwendung zweier verschiedener Lageangaben für die Lage der Auflagefläche rührt davon her, dass die Bilderfassung mit einer Standard-Bilderfassungsvorrichtung erfolgt, deren Bilder mit der geräteabhängigen Position der Auflagefläche gekennzeichnet sind. Es versteht sich von selbst, dass an Stelle der Bestimmung einer additiven Konstanten auch der Nullpunkt der geräteabhängigen Positionsangabe so gewählt werden könnte, dass er mit dem raumfesten Nullpunkt übereinstimmt und somit für die Position der Auflagefläche nur noch eine Positionsangabe verwendet würde.
Zumindest ausserhalb der Bildaufnahmevorrichtung bzw. im Eingriffsbereich, aber gegebenenfalls auch im Bildaufnahmebereich, kann die Auflagefläche beliebig bewegbar sein. Natürlich muss dabei gewährleistet sein, dass die Person sich nicht relativ zur Auflagefläche bewegt. Die raumfeste und gegebenenfalls auch die geräteabhängige Lage der Auflagefläche besteht dann nicht nur aus einer Position entlang einer Achse, sondern umfasst etwa die Lage eines zweidimensionalen, insbesondere sogar eines dreidimensionalen Auflageflächen-Koordinatensystems in einem dreidimensionalen raumfesten bzw. gerätefesten Koordinatensystem.
Damit die Schnittbilder auch bei einer Bewegbarkeit der Auflagefläche in der Bildaufnahmevorrichtung mit mehr als einem Freiheitsgrad und/oder bei Bildaufnahmevorrichtungen, deren Bilderfassungsebene bzw. Schnittbildebene bewegbar ist, immer richtig referenziert sind, muss gegebenenfalls beim Erfassen jedes Schnittbildes auch die raumfeste Lage der Auflagefläche und/oder die raumfeste Lage der Schnittbildebene erfasst werden. Dadurch kann beispielsweise die Lage jedes Schnittbildes in einem auflagefesten Koordinatensystem bestimmt werden.
Wenn die Auflagefläche mit der zu behandelnden Person etwa nach dem Bilderfassungsschritt vom Raum mit der Bildaufnahmevorrichtung in einen Behandlungsraum bewegt wird und dort behandelt werden soll, so muss sowohl die Instrumentenposition als auch die Lage der Auflagefläche in raumfesten Koordinaten des Behandlungsraumes erfassbar sein. Die Instrumentenposition kann etwa in Koordinaten eines mit der Auflagefläche verbundenen Koordinatensystems, bzw. in auflagefeste Koordinaten, umgerechnet werden, denen dann wiederum die nächstgelegenen Schnittbilder bzw. deren auflagefesten Lagen zugeordnet werden können. Dadurch können die Bildinformationen des gewünschten Schnittbildes bezogen und korreliert mit der Instrumentenposition dargestellt werden.
Es versteht sich von selbst, dass die Lagen der Schnittebenen und der darin angeordneten Bildausschnitte sowohl in raumfesten als auch in Koordinaten der Auflagefläche bestimmbar sind. Das Gleiche gilt für die Instrumenten-Positionen.
Im Bilderfassungsschritt wird mindestens ein Schnittbild des Körpers mitsamt der dabei vorliegenden geräteabhängigen Lage der Auflagefläche erfasst. Im einfachsten Fall, bei einer Geradführung der Auflagefläche und bei lediglich um eine addi tive Konstante voneinander abweichenden geräteabhängiger und raumfester Lage der Auflagefläche, wird nach dem zweiten Kalibrationsschritt zu jedem Schnittbild lediglich die geräteabhängige Lage erfasst. Bei einem komplizierteren Zusammenhang zwischen geräteabhängiger Lage und raumfester Lage der Auflagefläche wird vorzugsweise zu jedem Schnittbild die raumfeste Lage der Auflagefläche erfasst. Das Schnittbild wird durch diese raumfeste Lage, oder durch eine dieser eindeutig zugeordneten geräteabhängigen Lage gekennzeichnet.
In einem anschliessenden Eingriffsschritt wird mindestens eine Instrumentenposition bzw. die Lage eines Instrumentes und die Lage der Auflagefläche während des Eingriffs in raumfesten Koordinaten erfasst, sodass in einem Darstellungsschritt von einer Auswertungsvorrichtung mindestens ein Schnittbild-Ausschnitt und eine Instrumentenposition durch die Transformation von Bilddaten und Instrumentenpositionsdaten in ein gemeinsames Koordinatensystem korreliert darstellbar sind. Beim gemeinsamen Koordinatensystem handelt es sich vorzugsweise um ein mit der Auflagefläche verbundenes oder um ein raumfestes.
Die Instrumentenbewegungen im Bereich des realen Körpers dürfen nur dann auf den vorgängig erfassten Schnittbildern verfolgt werden, wenn der Körper und etwa auch seine inneren Organe vom Beginn der Bilderfassung bis zum Abschluss des Eingriffs im Wesentlichen bewegungsfrei auf der Auflage liegen. Um dies zu kontrollieren, wird gegebenenfalls die Körperlage auf der Auflagefläche zumindest im Eingriffsbereich, vorzugsweise aber auch im Bildaufnahmebereich überwacht. Zur Überwachung können etwa am Körper Positionselemente angeordnet werden, deren Lage relativ zur Auflagefläche oder in raumfesten Koordinaten erfassbar sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Lage von Körperpunkten und/oder Körperbereichen und/oder inneren Organen mittels Bilderfassung und Bildverarbeitung bestimmt wird.
Die Bilderfassung erfolgt etwa optisch, insbesondere im sichtbaren, gegebenenfalls aber im infraroten Bereich, oder aber mittels Ultraschall-Sonogra fie, bei der auch Veränderungen der Lage der Organe erfassbar sind.
Analog zum Erfassen der Lage eines Instrumentes kann auch die Lage eines bildaufnehmenden Sensorkopfes im raumfesten Koordinatensystem erfasst werden. Bei den Sensorköpfen handelt es sich etwa um Aufnahmeteile von Endoskopen oder Ultraschallgeräten, die Bilder des Körpers bzw. seines Inneren aufnehmen. Wenn gegebenenfalls zusätzlich zur Lage eines Sensorkopfes auch die den Bildbereich charakterisierenden Geräteeinstellungen erfasst werden, kann zumindest bei Ultraschallschnittbildern aus der Lage des Sensorkopfes und aus den erfassten Einstellungen die Lage des aufgenommenen Bildes bestimmt werden, sodass insbesondere auch zumindest verzerrungsfreie bzw. entzerrte Ausschnitte dieses Bildes den in der Bildaufnahmevorrichtung vorgängig erfassten Schnittbildern überlagert werden können.
Während des Eingriffes besteht somit gegebenenfalls die Möglichkeit, Echtzeit-Ultraschallbilder vorgängig erfassten CT-Scans zu überlagern. Dadurch können beispielsweise spezielle Eigenschaften der Körperstrukturen besser veranschaulicht werden und zudem ist einfach erkennbar, wenn sich diese Strukturen zwischen der CT-Bildaufnahme und dem aktuellen Stand des Eingriffs verschoben haben. Um Strömungen, insbesondere in Gefässen, zu erfassen, ist es gegebenenfalls zweckmässig, Doppler-Ultraschallmessungen durchzuführen und deren Informationen räumlich korreliert den vorgängig aufgenommenen Schnittbildern zu überlagern.
Bei den zu behandelnden Körpern handelt es sich gegebenenfalls um Gegenstände, die nur schwer oder nicht eröffnet werden können. Zum Manipulieren im Inneren der Gegenstände ist zumindest eine kleine Einführöffnung für ein Manipulationsinstrument vorgesehen.
Analog zu den Verfahrensansprüchen sind weitere Vorrichtungsansprüche denkbar, die gegenständliche Merkmale aufweisen mit denen die entsprechenden Verfahrensschritte durchgeführt werden können.
Die Zeichnungen erläutern die Erfindung anhand schematisch dargestellter Ausführungsformen, auf welche die Erfindung aber nicht eingeschränkt ist.
Fig. 1: Perspektivische Darstellung der Vorrichtung während eines Eingriffs;
Fig. 2: Perspektivische Darstellung eines ersten Kalibrationsschrittes.
Fig. 1 zeigt eine zu behandelnde Person 1, die auf einer Auflagefläche 2 einer Bildaufnahmevorrichtung 3, etwa eines Computer-Tomografen (CT) liegt. Eine den Eingriff durchführende Person 4 steht seitlich neben der Auflagefläche 2 und hält mit einer Hand ein Instrument 5, das mit einem Ende durch eine kleine \ffnung in die Person eingeführt werden kann und an dessen anderen Ende ein Positionierteil 6 angeordnet ist. Das Positionierteil umfasst zumindest ein, vorzugsweise aber zwei Positionselemente 7.
Zum Bestimmen einer Instrumentenposition in raumfesten Koordinaten sind mindestens zwei, eine Instrumentenachse definierende, insbesondere aber etwa mindestens drei, eine Achse und eine Drehausrichtung um diese Achse definierende, Positionselemente vorgesehen. Die Art des Instrumentes bzw. seine Ausdehnung relativ zu den Positionselementen, insbesondere seine Länge entlang der Instrumentenachse, kann den Positionselementen zugeordnet werden.
Die Positionselemente 7 gehören zu einer Positionsbestimmungsvorrichtung, die auch eine Kontrolleinheit 8 und einen vorzugsweise linearen, raumfest montierten Sensorarray 9 mit insbesondere drei Sensoren 9 min umfasst. Sowohl die Positionselemente als auch die Sensoren 9 min sind mit der Kontrolleinheit verbunden. Die Positionselemente sind vorzugsweise Infrarot- LEDs und die Sensoren Infrarotsensoren. Die Kontrolleinheit 8 bestimmt aus den von den Sensoren 9 min empfangenen und von den Positionselementen stammenden Infrarotsignalen die Positionen der Positionselemente in einem raumfesten Koordinatensystem. Es versteht sich von selbst, dass auch eine beliebige andere Positionsbestimmungsvorrichtung verwendet werden kann, wenn diese die Lage von Positionselementen bestimmbar macht.
An der Auflagefläche 2 ist mindestens ein Lagebestimmungsteil 10 mit mindesten einem Positionselement 7 befestigt. Das Lagebestimmungsteil 10 steht von der Auflagefläche 2 nach oben und macht zumindest die Lage der Auflagefläche 2 in einer Geradführung bestimmbar, gegebenenfalls aber umfasst das Lagebestimmungsteil 10 mindestens vier, ein dreidimensionales Koordinatensystem definierende Positionselemente 7, sodass im Wesentlichen eine beliebige Ausrichtung der Auflagefläche 2 bestimmbar ist.
Zur Auswertung und Transformation der Bild- und der Lageinformationen ist eine Auswertungsvorrichtung 11 vorgesehen, die mit der Positionsbestimmungsvorrichtung 9 und der Bildaufnahmevorrichtung 3 über deren Steuervorrichtung 12 verbunden ist. Der Auswertungsvorrichtung 11 sind von der Positionsbestimmungsvorrichtung 7, 8, 9 die Lagen der Positionselemente 7 und von der Bildaufnahmevorrichtung 3, 12 Bildinformationen und eine geräteabhängige Lage der Auflagefläche, sowie gegebenenfalls andere Parameter, wie etwa Vergrösserungsfaktoren und/oder Ausschnitte definierende Parameter zuführbar. In einem Darstellungsschritt sind mindestens ein Schnittbild-Ausschnitt und eine Instrumentenposition durch die Transformation von Bilddaten und Positionsdaten in ein gemeinsames Koordinatensystem auf mindestens einem Monitor darstellbar.
Die Auswertungsvorrichtung 11 umfasst einen Computer mit einer Videokarte und Ein- bzw. Ausgängen zur Verbindung des Computers mit der Positionsbestimmungsvorrichtung 8, der Bildaufnahmevorrichtung 3, 12, einer Eingabetastatur und mindestens einem Monitor 13.
Die den Eingriff durchführende Person 4 sieht nun auf dem Monitor 13 die aktuelle Position des Instrumentes 5 bzw. die Lage der Instrumentenspitze und gleichzeitig das der Instrumentenspitze nächstgelegene Schnittbild. Dazu muss die Auswertungsvorrichtung 11, beispielsweise ausgehend von der Lage der Instrumentenspitze, die Lage des nächstgelegenen Schnittbildes ermitteln und dieses zur Darstellung bringen. Entsprechend ist es auch möglich, von einem ausgewählten Schnittbild auszugehen und anzugeben, wie das Instrument zu bewegen ist, damit seine Spitze in die Ebene dieses Schnittbildes gelangt.
Um einen besseren Überblick über den Eingriffsbereich zu geben, werden vorzugsweise mehrere nebeneinanderliegende Schnittbilder gleichzeitig, dargestellt. Die Ziellage eines Instrumentes, vorzugsweise die Lage der Instrumentenspitze und die Instrumenten-Ausrichtung, bzw. die Projektion der Ausrichtung auf die Schnittbildebene kann gegebenenfalls, vorzugsweise mittels Cursorfunktionen, der Auswertungsvorrichtung eingegeben werden. Auf mindestens einem Schnittbild wird dann die Ziellage eines Instrumentes bzw. die Instrumentenspitze und die Instrumenten-Ausrichtung dargestellt. Die Darstellung der aktuellen Lage eines Instrumentes wird gegebenenfalls durch die Angabe der Abweichung, insbesondere der Ausrichtung und der Distanz, zwischen der aktuellen Instrumentenlage und der Ziellage ergänzt.
Es versteht sich von selbst, dass im Darstellungsschritt viele weitere Darstellungsmöglichkeiten, die etwa aus anderen bildkontrollierten Eingriffsverfahren bekannt sind, angewendet werden können.
Fig. 2 zeigt eine Auflagefläche 2, auf der eine Kalibrationseinheit 14 mit mindestens einem Positionselement 7 angeordnet ist. Zumindest nach der Installation der Referenziervorrichtung wird in einem ersten Kalibrationsschritt in raumfesten Koordinaten die Lage des Aufnahmebereichs einer Bildaufnahmeebene 15 der Bildaufnahmevorrichtung 3 durch die Bestimmung mindestens eines Punktes der Bildaufnahmeebene 15 bestimmt. Die auf der Auflagefläche 2 befestigbare und mit der Auflagefläche 2 zur Bildebene 15 bewegbare Kalibrationseinheit 14 umfasst in einer Halteebene 16 mindestens drei, vorzugsweise aber fünf, insbesondere an den Ecken und im Zentrum eines Quadrates angeordnete, Positionselemente 7.
Die Halteebene 16 ist vorzugsweise um eine, insbesondere aber um zwei, senkrecht zueinander stehende Ausrichtungsachsen 17a, 17b drehbar und gegebenenfalls in zwei eine Ebene aufspannende Richtungen parallel verschiebbar, sodass die Halteebene 16 exakt in der Bildaufnahmeebene 15 ausrichtbar ist, sowie gegebenenfalls die Positionselemente 7 in eine gewünschte Lage im Bildausschnitt bringbar sind. Die Lage im Bildausschnitt wird gegebenenfalls auf dem Monitor 13 kontrolliert.
The invention relates to a method according to claim 10 and an apparatus according to claim 1.
Interventions on the human or animal body must ensure that the desired effect is achieved without destroying important adjacent structures. For this reason, the operating area is uncovered during operations and work is carried out under constant eye control. The effort and risk involved in operations is considerable, especially because most operations are performed under anesthesia. The healing of the surgical wound requires inpatient nursing care. Because of the necessary sterility, these conventional surgical procedures are performed in operating theaters. Before the operation is started, however, information from imaging procedures must be available that shows what the health problem is or which intervention will be necessary.
It is therefore a two-stage procedure, in which the first step is analyzed and the second step is taken. The two steps are separate in terms of time and space and therefore require a lot of time, space and personnel.
Interventional radiology was developed to reduce the effort required for various interventions. The goal of interventional radiology is to combine examination and intervention in a one-step procedure. The imaging examination should not be carried out in the cost-intensive operating room, but the interventions should be carried out with minimal openings in the body, i.e. without direct visual inspection, in a non-sterile room with an imaging examination device. In principle, many different interventions, in which something in the body is connected, separated, used or also removed, could be carried out outside the operating room.
It is crucial for the interventions that good image material of the area of the body to be worked on is available and that the instruments with which the intervention is carried out are correctly guided.
In order to confirm a finding and to plan an intervention, sectional images that are generated, for example, by means of computer tomography (CT) and / or imaging magnetic resonance determination (MRI) and / or positron emission tomography (PET) are particularly suitable. The radiation used for image generation and the inner mass of the image recording device do not allow the operating person to insert the instruments into the body during image recording or under image control. The image acquisition and the intervention must therefore take place separately.
From the field of brain surgery, for example, according to US Pat. No. 5,383,454, a method is known in which a locating device (frame) attached to the head of the person to be treated with screws supplies pixels in each sectional image, from which the position of the sectional image relative to the localizing device is determinable. As a result, the images can be referenced in a head-fixed coordinate system. After the analysis of the images, a part of the locating device is later mounted on the head in the same position as during the image acquisition, so that the position of the instrument tip relative to the identically mounted locating device or in the same head-fixed coordinate system and the instrument positions can also be determined can be assigned to the previously recorded and head-fixed referenced sectional images.
For each position of the instrument tip, a sectional image can be found that is closest to the position of the instrument tip or in which the position is even located. The movement of the instrument can be visualized in a virtual space by displaying sectional images and positions of the instrument tip together.
The method according to US Pat. No. 5,383,454 has the disadvantage that the position of the sectional image has to be determined from the pixels of the localization device by means of complex evaluation steps. In addition, it can only be used with sufficient accuracy in the area of the head on whose fixed skull bones the locating device can be attached without displacement. In the other areas of the body, it is soft and flexible, so that no localization device can be attached to the body with sufficient accuracy and without major interventions that disrupt the person to be treated.
Image-guided stereotactic and laser-guided freehand processes are known from the field of cancer treatment. These procedures are mainly used for biopsies. The CT or MRI images are used to determine, for example, at which part of the body an instrument has to be inserted, in which orientation and to what extent in order to reach the desired point. The entry point is marked on the body while it is still in the imaging device. After the entry mark has been applied, the body is pulled out of the image recording device to such an extent that the instrument guided by a mechanical or an optomechanical or laser-controlled setting device can be inserted into the body at the marked point.
The adjustment device ensures the desired instrument alignment and movement in the body.
In the case of the stereotactic and laser-guided freehand processes, the result depends heavily on technicians who have to operate the setting device in such a way that the instrument reaches a position previously defined in sectional images. It is not satisfactory for a responsible doctor if the decisive intervention steps do not essentially depend on him, but on technical assistants. In addition, even small errors when marking and / or adjusting the instrument alignment can result in the instrument tip not reaching the desired location. In order to check the end position reached by taking an image, the person to be treated has to be reinserted into the image-recording device, which is very time-consuming.
In order to work under real-time image control, it has already been proposed to carry out interventions with robots in the CT or MRI image recording device. However, due to the limited space and the susceptibility of robots to interference in strong inhomogeneous fields, the possibilities for intervention are significantly restricted. In addition, sensitive guidance of the instruments by an experienced hand is also missing.
The object of the invention is to find a solution in which sectional images of the body can be superimposed on instrument positions without a localization device being attached to the body, from whose pixels the position of the sectional images relative to the body can be determined.
The solution according to the invention provides that the body lies essentially motionless on a support surface and this surface can be moved from an image recording area of an image recording device into an engagement area. The two-dimensional sectional images of the body recorded in the image recording device, or the position of each sectional plane assigned to a two-dimensional sectional image and the image section recorded therein, together with a length scaling or an enlargement factor, is made assignable to the contact surface and thus to the body at least in the area of engagement Desired sectional images can be displayed correlated together with measured instrument positions.
In order to reference the sectional images or to mark their position, no localization device is attached to the body, the image points of which characterize the position of the sectional images. Instead of referencing relative to the body, the sectional images are recorded in at least one plane, the position and the recorded section of which are known in a coordinate system which is independent of the body, preferably a fixed spatial coordinate system, or is determined by calibration. In order to be able to correctly assign the sectional images to the body, the position of the contact surface on which the body lies motionless is also recorded when the sectional images are recorded and during the intervention so that the position of the contact surface can be determined in the fixed coordinate system.
Because both the position of the cutting plane and the position of the support surface in a common coordinate system that is not bound to the body are known during the image acquisition, the position of each sectional image can be converted into a coordinate system connected to the support surface with little effort, for example. For each position of the support surface known in the fixed coordinate system, the position of a previously recorded sectional image shifted with the support surface can also be determined in the fixed coordinate system, for example by the image capture sectional plane corresponding to the movement of the support surface from its position when the image is captured to its current position in the fixed coordinate system is moved.
When the support surface is arranged in the engagement area, instrument positions and the position of the support surface are recorded in the fixed coordinate system. As a result, each instrument position can also be converted into a coordinate system connected to the support surface with little effort. Since the instrument positions and the positions of the sectional images are known in the same coordinate system connected to the support surface or fixed in space, they can be displayed correctly superimposed so that the instrument movements in the area of the real body can be tracked in a virtual body.
With the solution according to the invention, the prejudice was overcome, for the exact correlation of sectional images, which are recorded in an image recording device, and instrument positions, with which the body is manipulated outside the image recording device, body-fixed references or body-fixed localization devices or markings attached to the body would have to be used . The position of a sectional image does not have to be determined by analyzing pixels of the locating device in the sectional image. The inventive referencing by means of fixed position determinations is simple and does not require any interactions with the person to be treated. This became possible because the inventive solution, unlike the solutions from the prior art, is not restricted to a body-related correlation of sectional images and instrument positions.
Rather, it correlates sectional images and instrument positions that are recorded in different positions of a movable spatial area.
The correlation, or the referencing required for the correlation, does not depend on whether a body is in the displaceable space. The displaceable spatial area and its displaceability are given by the image recording device and the displaceability of the support surface. If a body to be treated lies on the support surface, positions of the sectional images of this body recorded in the image recording device can be carried along corresponding to the movements of the support surface, so that instrument positions can be superimposed on them, at least in the area of engagement.
In order to know the position of the sectional image captured by the image recording device during the detection, at least the position of a point generating a pixel in the recording area of an image recording plane of the image recording device is determined in spatially fixed coordinates in a first calibration step. If necessary, the orientation of the image recording plane is also made determinable by determining the positions of at least three position elements lying in a plane parallel to the image recording plane and connected to the image recording part. At least three, but in particular five, points of the image recording plane are preferably determined in spatially fixed coordinates and recorded on a sectional image. This first calibration step must be carried out at least after the image recording device has been installed.
If necessary, it is repeated in larger time sections in order to check whether the section that can be detected by the image recording device has shifted in the fixed coordinates of the position determining device.
When the first calibration step is carried out, a calibration unit with at least three, but preferably five, position elements, which lie in one plane and define the ends of at least two differently oriented vectors, is fastened, for example, on the support surface. The position of the support surface relative to the image recording plane is changed until at least one position element lies in the image recording plane. The plane is then aligned with the position elements and, if necessary, shifted in parallel until all position elements lie in the image acquisition plane and define a coordinate system in the sectional image whose spatially fixed coordinates can be determined by determining the spatially fixed position of at least three position elements.
A magnification factor may be determined by determining the distance between at least two position elements and the pixels of the sectional image originating from them. Preferably, however, the magnification factor is taken over directly by the image recording device.
In a second calibration step, at least for one position of the support surface, the position of the support surface in spatially fixed coordinates and a device-dependent position of the support surface originating from the image recording device are recorded simultaneously. If the support surface can only be moved in a straight guide and if both the fixed and the device-dependent position are one length along the straight guide, the two lengths differ only by an additive constant. To determine these constants, the fixed and device-dependent position in the direction of the straight line must be determined at least once for a position of the support surface. Thereafter, each device-dependent position can be converted into a fixed position and each fixed position into a device-dependent position.
Since the zero point of the device-dependent position of the support surface can be selected in most image recording devices and is also reset for each person examined, the second calibration step must preferably be carried out for each person to be examined, in particular at the beginning of the image acquisition step. The effort for this is negligible, since there are only two position determinations with unchanged position of the contact surface.
The use of two different position information for the position of the support surface results from the fact that the image acquisition is carried out with a standard image acquisition device, the images of which are identified with the device-dependent position of the support surface. It goes without saying that, instead of determining an additive constant, the zero point of the device-dependent position specification could also be selected so that it corresponds to the fixed zero point and thus only a position specification would be used for the position of the support surface.
At least outside the image recording device or in the engagement area, but possibly also in the image recording area, the support surface can be moved as desired. Of course, it must be ensured that the person does not move relative to the contact surface. The spatially fixed and possibly also the device-dependent position of the support surface then not only consists of a position along an axis, but also includes the position of a two-dimensional, in particular even a three-dimensional, support surface coordinate system in a three-dimensional fixed or device-fixed coordinate system.
So that the sectional images are always correctly referenced even when the support surface can be moved in the image recording device with more than one degree of freedom and / or with image recording devices whose image acquisition plane or sectional image plane is movable, the spatially fixed position of the support surface and / or or the fixed position of the sectional image plane can be recorded. In this way, for example, the position of each sectional image can be determined in a fixed coordinate system.
If the support surface with the person to be treated is moved from the room with the image recording device into a treatment room, for example after the image acquisition step, and is to be treated there, then both the instrument position and the position of the support surface must be detectable in fixed coordinates of the treatment room. The instrument position can be converted, for example, into coordinates of a coordinate system connected to the support surface, or into coordinates that are fixed to the support, to which the closest sectional images or their fixed positions can then be assigned. In this way, the image information of the desired sectional image can be obtained and displayed correlated with the instrument position.
It goes without saying that the positions of the sectional planes and the image sections arranged therein can be determined both in spatially fixed and in coordinates of the contact surface. The same applies to the instrument positions.
In the image capturing step, at least one sectional image of the body is captured together with the device-dependent position of the support surface that is present. In the simplest case, with a straight guidance of the support surface and with a device-dependent and fixed position of the support surface deviating from one another only by an additive constant, after the second calibration step, only the device-dependent position is recorded for each sectional image. In the case of a more complicated relationship between the device-dependent position and the fixed position of the support surface, the fixed position of the support surface is preferably recorded for each sectional image. The sectional view is characterized by this fixed position or by a device-dependent position clearly assigned to it.
In a subsequent intervention step, at least one instrument position or the position of an instrument and the position of the support surface during the intervention are recorded in fixed coordinates, so that in a display step from an evaluation device at least one sectional image section and one instrument position by the transformation of image data and instrument position data into a common coordinate system can be represented correlated. The common coordinate system is preferably one that is connected to the support surface or one that is fixed in space.
The instrument movements in the area of the real body may only be tracked on the previously recorded sectional images if the body and, for example, its internal organs lie on the support essentially motion-free from the start of image acquisition until the end of the procedure. In order to check this, the body position on the contact surface is monitored, if necessary, at least in the engagement area, but preferably also in the image recording area. For monitoring purposes, position elements can be arranged on the body, the position of which can be determined relative to the support surface or in fixed coordinates. Another possibility is that the position of body points and / or body areas and / or internal organs is determined by means of image acquisition and image processing.
The image is captured optically, in particular in the visible, but possibly in the infrared, or by means of ultrasound sonography, in which changes in the position of the organs can also be detected.
Analogous to the detection of the position of an instrument, the position of an image-recording sensor head can also be recorded in the spatially fixed coordinate system. The sensor heads are, for example, recording parts of endoscopes or ultrasound devices that take pictures of the body or its interior. If, in addition to the position of a sensor head, the device settings that characterize the image area are also recorded, the position of the recorded image can be determined from the position of the sensor head and from the recorded settings, at least in the case of ultrasound sectional images, so that, in particular, at least distortion-free or rectified sections of this image den sectional images previously recorded in the image recording device can be superimposed.
During the intervention, there is thus possibly the possibility of superimposing real-time ultrasound images on previously acquired CT scans. This allows, for example, better visualization of special properties of the body structures and it is also easy to see if these structures have shifted between the CT image and the current state of the procedure. In order to record flows, particularly in vessels, it may be appropriate to carry out Doppler ultrasound measurements and to superimpose their information in a spatially correlated manner on the previously recorded sectional images.
The bodies to be treated may be objects that are difficult or impossible to open. At least one small insertion opening for a manipulation instrument is provided for manipulation inside the objects.
Analogous to the method claims, further device claims are conceivable that have objective features with which the corresponding method steps can be carried out.
The drawings explain the invention on the basis of schematically illustrated embodiments, to which the invention is, however, not restricted.
1: Perspective view of the device during an intervention;
Fig. 2: Perspective representation of a first calibration step.
1 shows a person 1 to be treated, who is lying on a support surface 2 of an image recording device 3, for example a computer tomograph (CT). A person 4 performing the intervention stands laterally next to the support surface 2 and holds with one hand an instrument 5 which can be inserted into the person through one small opening and at the other end a positioning part 6 is arranged. The positioning part comprises at least one, but preferably two position elements 7.
To determine an instrument position in spatially fixed coordinates, at least two position elements are provided that define an instrument axis, but in particular about at least three position elements that define an axis and a rotational orientation about this axis. The type of instrument or its extent relative to the position elements, in particular its length along the instrument axis, can be assigned to the position elements.
The position elements 7 belong to a position determination device which also comprises a control unit 8 and a preferably linear, spatially fixed sensor array 9 with in particular three sensors 9 min. Both the position elements and the sensors 9 min are connected to the control unit. The position elements are preferably infrared LEDs and the sensors are infrared sensors. The control unit 8 determines the positions of the position elements in a spatially fixed coordinate system from the infrared signals received by the sensors 9 min and originating from the position elements. It goes without saying that any other position determining device can also be used if it makes the position of position elements determinable.
At least one position determination part 10 with at least one position element 7 is fastened to the support surface 2. The position determination part 10 stands upwards from the support surface 2 and at least makes the position of the support surface 2 determinable in a straight line, but if necessary the position determination part 10 comprises at least four position elements 7 defining a three-dimensional coordinate system, so that essentially any orientation of the support surface 2 can be determined .
An evaluation device 11 is provided for evaluating and transforming the image and the position information, which is connected to the position determination device 9 and the image recording device 3 via their control device 12. The evaluation device 11 can be supplied with the positions of the position elements 7 by the position determination device 7, 8, 9 and image information and a device-dependent position of the support surface, as well as other parameters, such as parameters defining enlargement factors and / or cutouts, from the image recording device 3, 12. In one display step, at least one sectional image section and one instrument position can be displayed on at least one monitor by the transformation of image data and position data into a common coordinate system.
The evaluation device 11 comprises a computer with a video card and inputs and outputs for connecting the computer to the position determination device 8, the image recording device 3, 12, an input keyboard and at least one monitor 13.
The person 4 performing the intervention now sees on the monitor 13 the current position of the instrument 5 or the position of the instrument tip and at the same time the sectional image closest to the instrument tip. For this purpose, the evaluation device 11 must determine the position of the closest sectional image, for example, starting from the position of the instrument tip, and display it. Accordingly, it is also possible to start from a selected sectional image and to indicate how the instrument is to be moved so that its tip reaches the plane of this sectional image.
In order to provide a better overview of the area of intervention, a plurality of adjacent sectional images are preferably displayed simultaneously. The target position of an instrument, preferably the position of the instrument tip and the instrument alignment, or the projection of the alignment onto the sectional image plane, can optionally be entered into the evaluation device, preferably by means of cursor functions. The target position of an instrument or the instrument tip and the instrument orientation are then shown on at least one sectional image. The display of the current position of an instrument may be supplemented by the deviation, in particular the alignment and the distance, between the current instrument position and the target position.
It goes without saying that many other display options, which are known, for example, from other image-controlled intervention methods, can be used in the display step.
2 shows a support surface 2 on which a calibration unit 14 with at least one position element 7 is arranged. At least after the installation of the referencing device, the position of the recording area of an image recording plane 15 of the image recording device 3 is determined in a first calibration step in spatially fixed coordinates by determining at least one point of the image recording plane 15. The calibration unit 14, which can be fastened on the support surface 2 and movable with the support surface 2 to the image plane 15, comprises at least three, but preferably five, position elements 7 arranged in a holding plane 16, in particular at the corners and in the center of a square.
The holding plane 16 is preferably rotatable about one, but in particular about two, perpendicular alignment axes 17a, 17b and, if necessary, can be displaced in parallel in two directions spanning a plane, so that the holding plane 16 can be exactly aligned in the image recording plane 15, and optionally the position elements 7 in a desired position in the image section can be brought. The position in the image section is checked on the monitor 13, if necessary.