DE10108547A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung von chirurgischen Instrumenten bei einem operativen Eingriff - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung von chirurgischen Instrumenten bei einem operativen EingriffInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Operationssystem zum Durchführen von operativen Eingriffen mittels eines chirurgischen Instruments (3) an einem Patienten (1), mit einem Röntgengerät (2) zum Aufnehmen eines Röntgenbildes von mindestens einem Bereich des Patienten (1), wobei das aufgenommene Röntgenbild durch eine Ausgabevorrichtung (11) bildlich dargestellt wird, einem Positionserfassungssystem zum Erfassen der Position des Röntgengerätes (2), der Position des chirurgischen Instruments (3), und eine Verarbeitungsvorrichtung (10) zum Verarbeiten der erfassten Positionen und zum kontinuierlichen Einblenden einer Darstellung des chirurgischen Instruments (3) in das angezeigte Röntgenbild. Die Einblendung des Röntgenbildes und die Darstellung des chirurgischen Instruments erfolgt dabei lagerichtig gemäß der tatsächlichen räumlichen Positionen zwischen der Position des aufgenommenen Bereichs des Patienten (1) und der Position des chirurgischen Instruments (3). DOLLAR A Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein in diesem Operationssystem angewendetes Verfahren zur Steuerung eines chirurgischen Instruments während des Eingriffs.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Operationssystem zum
Durchführen von operativen Eingriffen an einem Patienten und
ein in diesem Operationssystem angewendetes Verfahren zur
Steuerung eines chirurgischen Instruments während eines ope
rativen Eingriffs.
Bei operativen Eingriffen an einem Patienten erfolgt die
Steuerung von chirurgischen Instrumenten, wie z. B. Lapa
roskope, Endoskope, Nadeln, Roboter usw., entweder auf der
Basis der direkten Sicht, wie z. B. beim Laparoskop und En
doskop, der pre-operativen Bildgebung, wie z. B. Robotik in
der Orthopädie, oder der intra-operativen Bildgebung, z. B.
bei der Nadelbiopsie unter Computertomographie- (CT-) und
Ultraschall-Kontrolle.
Beispielhaft für einen robotergestützten operativen Eingriff
sind Operationen am Knie (beim sog. Total Knee Replacement)
und an der Hüfte (beim sog. Total Hip Replacement) zu nennen.
Derartige Eingriffe werden beim Stand der Technik ausschließ
lich unter Verwendung pre-operativer CT-Röntgenbilder durch
geführt, d. h. die Aufnahme des zu operierenden Bereichs er
folgt vor dem operativen Eingriff. Der Nachteil dieses Ver
fahrens ist jedoch, das es mit einer aufwendigen Registrie
rungsprozedur verbunden ist.
Andere, komplexere Eingriffe erfordern jedoch laufende Kon
trollbilder während des Eingriffs, um eine sichere Durchfüh
rung zu gewährleisten. Dazu gehört beispielsweise die Ver
tebroplastie, bei der eine sterile Substanz (Zement) in brü
chig gewordene Wirbelkörper gefüllt wird, um diese Wirbelkör
per zu stabilisieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, ein Opera
tionssystem zur Durchführung von operativen Eingriffen an
einem Patienten und ein in diesem Operationssystem angewende
tes Verfahren zur Steuerung von chirurgischen Instrumenten
während des Eingriffs bereitzustellen, bei denen eine zuver
lässige und exakte Steuerung der chirurgischen Instrumente
während des operativen Eingriffs auf der Basis von intra-ope
rativen Röntgenbildern ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Operationssystem zum Durchführen
von operativen Eingriffen mittels eines chirurgischen Instru
ments an einem Patienten gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und
ein in diesem Operationssystem angewendetes Verfahren zur
Steuerung eines chirurgischen Instruments während eines ope
rativen Eingriffs gemäß dem beigefügten Anspruch 5 gelöst.
Das erfindungsgemäße Operationssystem zum Durchführen von
operativen Eingriffen mittels eines chirurgischen Instruments
an einem Patienten beinhaltet ein Röntgengerät zum Aufnehmen
eines Röntgenbildes von mindestens einem Bereich (Körperteil,
Organ) des Patienten, wobei das aufgenommene Röntgenbild
durch eine Ausgabevorrichtung bildlich dargestellt wird, und
ein Positionserfassungssystem zum Erfassen der Position des
Röntgengerätes während der Aufnahme und zum permanenten Er
fassen der Position des chirurgischen Instruments während des
operativen Eingriffs.
Die erfassten Positionen werden durch eine Verarbeitungsvor
richtung verarbeitet; die Verarbeitungsvorrichtung blendet
dabei kontinuierlich während des operativen Eingriffs eine
Darstellung des chirurgischen Instruments in das angezeigte
Röntgenbild. Die Einblendung des Röntgenbildes und der Dar
stellung des chirurgischen Instrumentes erfolgt dabei lage
richtig der tatsächlichen räumlichen Positionen zwischen der
Position des aufgenommenen Bereichs des Patienten und der
Position des chirurgischen Instruments.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird von dem Patienten bzw.
von dem Bereich (Körperteil, z. B. Organ), in dem der chirur
gische Eingriff erfolgen soll, eine Röntgenaufnahme gemacht
und mittels des Positionserfassungssystems die räumliche Po
sition ermittelt, von der die Röntgenaufnahme gemacht wurde.
Während des chirurgischen Eingriffs wird durch das Positions
erfassungssystem laufend die Position des mindestens einen
chirurgischen Instruments ermittelt und eine entsprechende
Darstellung (d. h. eine Abbildung des chirurgischen Instru
ments) in die Anzeige der Röntgenaufnahme eingeblendet. Die
Einblendung erfolgt dabei lagerichtig in der relativen Posi
tion, in der das chirurgische Instrument aktuell zu dem be
troffenen Bereich liegt, d. h. dass das angezeigte räumliche
Verhältnis zwischen dem chirurgischen Instrument und der
durch das Röntgenbild aufgenommene Körperpartie gleich dem
tatsächlichen räumlichen Verhältnis zueinander ist.
Das chirurgische Instrument wird durch einen Roboter oder
Manipulator geführt, so dass zum Teil bestimmte Vorgänge au
tomatisch bzw. mit einer wesentlich höheren Präzision als bei
einem manuellen Eingriff durchgeführt werden können.
Ein Roboter ermöglicht die automatisierte Durchführung be
stimmter Vorgänge, beispielsweise das Ausfräsen bestimmter
Bereiche der Hüfte bei einer Hüftoperation, wo genau defi
nierte Bereiche ausgefräst werden.
Ein Manipulator dagegen besteht aus einem Roboterarm, der
beispielsweise durch einen Joystick vom Chirurgen geführt
wird. Ein Manipulator ermöglicht dem Chirurgen ein wesentlich
präziseres Arbeiten als per Hand, da durch den Manipulator
beispielsweise die Instrumente aufgrund einer Übersetzung
präziser geführt werden können und ggf. Zittern des Chirurgen
kompensiert werden kann.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
während des chirurgischen Eingriffs laufend Röntgenbilder zur
Kontrolle gemacht werden können, um so den Fortschritt des
operativen Eingriffs zu verfolgen. Der Verlauf der Operation,
der somit auf den Röntgenbildern sichtbar wird, kann damit
bei der Führung des chirurgischen Instruments einbezogen wer
den.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass einige der bisher manuell durchgeführten Ein
griffe am Skelett robotergestützt durchgeführt werden können,
da gemäß der vorliegenden Erfindung eine zuverlässige und
ausreichende Bildgebung durch Röntgenbilder, beispielsweise
von dreidimensionalen Röntgenbildern, während der Operation
(d. h. intra-operativ) zur Verfügung steht.
Es wird somit eine Anwendung von Robotern bzw. Manipulatoren
in operativen Eingriffen ermöglicht, die eine laufende Kon
trolle durch Röntgenbilder erfordern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind
in den jeweiligen Unteransprüchen wiedergegeben.
Das Positionserfassungssystem beinhaltet eine erste Positi
onsmarkierung, die an dem Röntgengerät angebracht ist, z. B.
einem C-Bogen Röntgengerät, eine zweite Positionsmarkierung,
die an dem chirurgischen Instrument oder an dem Robo
ter/Manipulator, der das Instrument führt, angebracht ist,
und eine Positionserfassungsvorrichtung zum Erfassen der je
weiligen Positionen von Röntgengerät und dem chirurgischen
Instrument aufweist. Dabei ist die räumliche Beziehung zwi
schen der ersten Positionsmarkierung und der räumlichen Posi
tion des Körperteils des Patienten, der durch das Röntgenge
rät erfasst wird, und die räumliche Beziehung zwischen der
zweiten Positionsmarkierung und dem Arbeitsbereich (z. B.
Spitze) des chirurgischen Instruments bekannt.
Das Positionserfassungssystem kann beispielsweise auf einem
optischen, ein akustischen oder einem elektromagnetischen
System basieren.
Zum Einbeziehen z. B. der Patientenbewegung während der Opera
tion wird der Patient bzw. der Bereich des Patienten, der
röntgenbildlich erfasst wird, ebenfalls mittels des Positi
onserfassungssystems erfasst. Dazu wird in der Umgebung des
entsprechenden Bereichs ein dritte Positionsmarkierung zum
Erfassen der Patientenposition (bzw. der Position des ent
sprechenden Körperteils) angebracht, wobei die Position des
dritten Positionssensors permanent erfasst wird und die Ver
arbeitungsvorrichtung ggf. Patientenbewegungen in das ange
zeigte Bild einberechnet. Die dritte Positionsmarkierung muss
dabei im Verhältnis zum entsprechenden Bereich (z. B. Knie)
fest angebracht sein; hier ist ebenfalls die räumliche Bezie
hung zwischen dem dritten Positionssensor und dem entspre
chenden Körperteil bekannt.
Das erfindungsgemäße Operationssystem beinhaltet bei einem
Einsatz eines Roboters eine Steuervorrichtung zur automati
schen Steuerung des Roboters bei automatisierten, beispiels
weise oben beschriebenen, operativen Eingriffen. Die Steuer
vorrichtung berücksichtigt dabei den aufgenommenen Röntgen
datensatz (bzw. das Röntgenbild), die Position des Bereichs,
der mit dem Röntgenbild dargestellt wird und die Position des
chirurgischen Instruments.
Bei Einsatz eines Manipulators kann der operative Eingriff
durch die Steuervorrichtung automatisch kontrolliert werden,
so dass beispielsweise der Manipulator nur einen einge
schränkten oder vorbestimmten Arbeitsbereich ansteuern kann,
um unbeabsichtigte Verletzungen des Patienten zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines be
vorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die beigefüg
ten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Operationssystems
gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 2 ein Funktionsdiagramm, das das Konzept der vorliegen
den Erfindung zeigt.
Anhand von Fig. 1 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Ope
rationssystem beschrieben.
Das erfindungsgemäße Operationssystem beinhaltet ein Röntgen
gerät 2, im Beispiel ein mobiles C-Bogen Röntgengerät zur
Aufnahme von zwei- und dreidimensionalen Röntgenbildern (bzw.
Röntgendatensätzen). Mittels des Röntgengerätes 2 werden
zwei- bzw. dreidimensionale Röntgendatensätze beispielsweise
vom Knie des Patienten 1, der auf einem Operationstisch 9
liegt, aufgenommen.
Die dreidimensionalen Röntgendatensätze werden gewonnen, in
dem zuerst durch das Röntgengerät 2 eine Vielzahl von zweidi
mensionalen Röntgenbildern von einem bestimmten Bereich des
Patienten 1 aufgenommen werden. Dabei werden durch den C-Bo
gen des Röntgengeräts 2 von dem bestimmten Bereich (z. B.
Knie) eine Vielzahl von zweidimensionalen Röntgenbildern un
ter verschiedenen Winkeln aufgenommen. Die so gewonnenen
zweidimensionalen Röntgendatensätze werden durch einen Compu
ter unter Anwendung bekannter Projektionsmatrizen in mindes
tens einen dreidimensionalen Röntgendatensatz projiziert. Auf
diese Weise kann ein dreidimensionaler Bereich mit einem be
stimmten Volumen aufgenommen und dargestellt werden.
Weiterhin beinhaltet das erfindungsgemäße Operationssystem
ein chirurgisches Instrument 3, das durch einen Roboter 4
oder Manipulator geführt wird, und eine Positionserfassungs
vorrichtung 8.
Die Positionserfassungsvorrichtung 8 ist Bestandteil des Po
sitionserfassungssystems und dient zur Erfassung der Posi
tionen von dem chirurgischen Instrument 3 und dem Röntgenge
rät 2. Zu diesem Zweck ist an dem Röntgengerät 2 eine erste
Positionsmarkierung 5 und an dem chirurgischen Instrument
bzw. dem Roboter 4, der das chirurgische Instrument 3 führt,
eine zweite Positionsmarkierung 6 angebracht.
Das erfindungsgemäße Operationssystem beinhaltet außerdem
eine Steuervorrichtung 12 zur automatischen Steuerung bzw.
Kontrolle des Roboters bzw. Manipulators 4.
Die online Bildgebung erlaubt gemäß der vorliegenden Erfin
dung die Abbildung des interessierenden Organs direkt im Ope
rationsumfeld, d. h. dass die notwendigen Röntgenbilder wäh
rend der Operation aufgenommen werden; die Aufnahme von Rönt
genbildern vor der Operation (pre-operativ), die mit einer
aufwendigen Registrierungsprozedur zur Durchführung des ope
rativen Eingriffs verbunden ist, entfällt somit.
Das Problem, dass Objektverschiebungen, Deformationen, Repo
sitionierungen, usw. des betroffenen Bereichs in der Zeit
zwischen der pre-operativen Bildgebung und des operativen
Eingriffs bzw. während des operativen Eingriffs auftreten
können, wird kompensiert, da durch die intra-operative Bild
gebung der betroffene Bereich korrekt und damit geometrisch
genau abgebildet wird.
Zur Herstellung der Beziehung zwischen der räumlichen Posi
tion des chirurgischen Instruments 3 und der räumlichen Posi
tion des Bereichs des Patienten, dessen Röntgenbild zwei-
bzw. dreidimensional dargestellt wird, muss die Beziehung
zwischen der an dem Roboter 4 bzw. chirurgischen Instrument 3
angebrachten zweiten Positionsmarkierung 6 und dem Arbeitsbe
reich (z. B. der Spitze) des chirurgischen Instruments 3 be
kannt sein.
Weiterhin muss die Beziehung zwischen der an dem Röntgengerät
2 angebrachten ersten Positionsmarkierung S und der räumli
chen Position des aufgenommenen Röntgenbilds bekannt sein.
Diese Beziehung wird ausführlich in der Patentanmeldung "Ver
fahren zur Ermittlung einer Koordinatentransformation für die
Navigation eines Objektes" der Siemens AG mit der Anmelde-Nr.
DE 100 42 963.7 beschrieben.
Durch diese bekannten Beziehungen kann die direkte räumliche
Beziehung zwischen dem Röntgenbild (Röntgendatensatz), dem
Patienten (bzw. dem entsprechenden Bereich bzw. Organ) und
dem chirurgischen Instrument durch die Verarbeitungsvorrich
tung 10 hergestellt und auf einem Bildschirm (Anzeigevorrich
tung 11) dargestellt werden, so dass das Instrument direkt
mittels der Bildkontrolle geführt und gesteuert werden kann.
Diese räumlichen Beziehungen können auch von der Steuervor
richtung 12 wie beschrieben zur Steuerung und Kontrolle des
Roboters/Manipulators 4 weiterverarbeitet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfin
dung ist in dem Bereich des Patienten 1, der durch das Rönt
gengerät erfasst wird (im Beispiel das Knie), ein dritte Po
sitionsmarkierung 7 angebracht. Diese Positionsmarkierung 7
wird ebenfalls durch die Positionserfassungsvorrichtung re
gistriert. Dadurch wird erreicht, dass eventuelle Bewegungen
des Patienten während des Eingriffs bei der bildlichen Dar
stellung des chirurgischen Instruments 3 berücksichtigt wer
den können, indem diese Bewegungen durch die Verarbeitungs
vorrichtung 10 in die Darstellung des Instruments 3 in die
Darstellung des Patienten 1 einberechnet und auf dem Bild
schirm 11 ausgegeben werden. Auf diese Weise wird gewährleis
tet, dass das angezeigte aktuelle räumliche Verhältnis zwi
schen dem aufgenommenen Bereich des Patienten 1 und dem chi
rurgischen Instrument 3 weiterhin mit dem tatsächlichen räum
lichen Verhältnis übereinstimmt.
Fig. 2 zeigt ein Funktionsdiagramm, das den Ablauf der Steu
erung des chirurgischen Instruments gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
Das Röntgengerät 2 liefert zum einen zwei- bzw. dreidimensio
nale Röntgenbilder 12. Zum anderen wird durch das Positions
erfassungssystem eine räumliche Position 13 des Röntgengeräts
2 ermittelt. Aus der räumlichen Position 13 des Röntgengeräts
(bzw. dessen Positionsmarkierung) wird, z. B. wie in der zi
tierten Patentanmeldung "Verfahren zur Ermittlung einer Koor
dinatentransformation für die Navigation eines Objektes", die
tatsächliche räumliche Position 14 des Bereiches, der mit dem
Röntgenbild bzw. der Darstellung dieses Röntgenbildes erfasst
wird, ermittelt.
Weiterhin wird durch das Positionserfassungssystem eine Posi
tion 15 des chirurgischen Instruments bzw. des Roboters oder
Manipulators, der das chirurgische Instrument führt, erfasst.
Das aufgenommene Röntgenbild 12, die Position 14 des aufge
nommenen Bereichs und die Position 15 des chirurgischen In
struments wirken auf die Steuerung 16 bzw. Führung des chi
rurgischen Instruments (Position 15 des chirurgischen Instru
ments) und somit auf den operativen Eingriff 17 ein. Die
Steuerung 16 des chirurgischen Instruments kann dabei manuell
durch den Chirurg, manuell mittels eines Manipulators oder
automatisch durch einen Roboter erfolgen.
Claims (7)
1. Operationssystem zum Durchführen von operativen Eingriffen
mittels eines chirurgischen Instruments (3) an einem Patien
ten (1), mit
einem Röntgengerät (2) zum Aufnehmen eines Röntgenbildes von mindestens einem Bereich des Patienten (1), wobei das aufge nommene Röntgenbild durch eine Ausgabevorrichtung (11) bild lich dargestellt wird,
einem Positionserfassungssystem zum Erfassen der Position des Röntgengerätes (2) während der Aufnahme und zum permanenten Erfassen der Position des chirurgischen Instruments (3) wäh rend des operativen Eingriffs, und
eine Verarbeitungsvorrichtung (10) zum Verarbeiten der er fassten Positionen und zum kontinuierlichen Einblenden einer Darstellung des chirurgischen Instruments (3) in das ange zeigte Röntgenbild, wobei die Einblendung des Röntgenbildes und der Darstellung des chirurgischen Instrumentes lagerich tig gemäß der tatsächlichen räumlichen Positionen zwischen der Position des aufgenommenen Bereichs des Patienten (1) und der Position des chirurgischen Instruments (3) erfolgt und das chirurgische Instrument (3) durch einen Roboter oder Manipulator (4) geführt wird.
einem Röntgengerät (2) zum Aufnehmen eines Röntgenbildes von mindestens einem Bereich des Patienten (1), wobei das aufge nommene Röntgenbild durch eine Ausgabevorrichtung (11) bild lich dargestellt wird,
einem Positionserfassungssystem zum Erfassen der Position des Röntgengerätes (2) während der Aufnahme und zum permanenten Erfassen der Position des chirurgischen Instruments (3) wäh rend des operativen Eingriffs, und
eine Verarbeitungsvorrichtung (10) zum Verarbeiten der er fassten Positionen und zum kontinuierlichen Einblenden einer Darstellung des chirurgischen Instruments (3) in das ange zeigte Röntgenbild, wobei die Einblendung des Röntgenbildes und der Darstellung des chirurgischen Instrumentes lagerich tig gemäß der tatsächlichen räumlichen Positionen zwischen der Position des aufgenommenen Bereichs des Patienten (1) und der Position des chirurgischen Instruments (3) erfolgt und das chirurgische Instrument (3) durch einen Roboter oder Manipulator (4) geführt wird.
2. Operationssystem gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Positionserfassungssystem eine erste Positionsmar
kierung (5), die an dem Röntgengerät (2) angebracht ist, eine
zweiten Positionsmarkierung (6), an dem chirurgischen Instru
ment (3) angebracht ist, und eine Positionserfassungsvorrich
tung (8) zum Erfassen der jeweiligen Positionen von Röntgen
gerät (2) und dem chirurgischen Instrument (3) aufweist.
3. Operationssystem gemäß Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
eine dritte Positionsmarkierung (7) zum Erfassen der Position
des mindestens einen Bereichs des Patienten (1) durch die
Positionserfassungsvorrichtung (8).
4. Operationssystem gemäß Anspruch 1, 2 oder 3,
gekennzeichnet durch
eine Steuervorrichtung zur automatischen Steuerung des Robo
ters (4) bzw. zur Kontrolle des Manipulators.
5. Verfahren zur Steuerung eines chirurgischen Instruments
(3) während eines operativen Eingriffs an einem Patienten
(1), mit den Schritten
Aufnehmen eines Röntgenbildes von mindestens einem Bereich des Patienten (1), wobei das aufgenommene Röntgenbild bild lich dargestellt wird,
Erfassen der Position des Röntgengerätes (2) während der Auf nahme und permanentes Erfassen der Position des chirurgischen Instruments (3) während des operativen Eingriffs,
Verarbeiten der erfassten Positionen und kontinuierliches Einblenden einer Darstellung des chirurgischen Instruments (3) in das angezeigte Röntgenbild, wobei die Einblendung des Röntgenbildes und der Darstellung des chirurgischen Instru mentes lagerichtig gemäß der tatsächlichen räumlichen Positi onen zwischen der Position des aufgenommenen Bereichs des Patienten (1) und der Position des chirurgischen Instruments (3) erfolgt, und
Führung des chirurgischen Instruments (3) durch einen Roboter oder Manipulator (4).
Aufnehmen eines Röntgenbildes von mindestens einem Bereich des Patienten (1), wobei das aufgenommene Röntgenbild bild lich dargestellt wird,
Erfassen der Position des Röntgengerätes (2) während der Auf nahme und permanentes Erfassen der Position des chirurgischen Instruments (3) während des operativen Eingriffs,
Verarbeiten der erfassten Positionen und kontinuierliches Einblenden einer Darstellung des chirurgischen Instruments (3) in das angezeigte Röntgenbild, wobei die Einblendung des Röntgenbildes und der Darstellung des chirurgischen Instru mentes lagerichtig gemäß der tatsächlichen räumlichen Positi onen zwischen der Position des aufgenommenen Bereichs des Patienten (1) und der Position des chirurgischen Instruments (3) erfolgt, und
Führung des chirurgischen Instruments (3) durch einen Roboter oder Manipulator (4).
6. Verfahren gemäß Anspruch 5,
gekennzeichnet durch
die Erfassung der Position des mindestens einen Bereichs des
Patienten (1) durch die Positionserfassungsvorrichtung (8).
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6,
gekennzeichnet durch
eine automatische Steuerung des Roboters (4) bzw. Kontrolle
des Manipulators (4).
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