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 Eingriff

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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.
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).
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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