DE10110093A1

DE10110093A1 - Vorrichtung zum Anzeigen der räumlichen Position eines chirurgischen Instruments während einer Operation

Info

Publication number: DE10110093A1
Application number: DE10110093A
Authority: DE
Inventors: Juergen Wahrburg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-26
Also published as: WO2002074500A3; AU2002311027A1; WO2002074500A2

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Anzeigen der räumlichen Position eines chirurgischen Instruments während der Operation wird neben der üblichen Navigationseinrichtung für das vom Operateur zu führende Instrument eine gesonderte Leiteinrichtung vorgesehen, die dem Operateur verzögerungsfrei Informationen über die Instrumentenposition übermittelt und im Gesichtsfeld des Operateurs oder in direkter Nähe des Operationsfeldes angeordnet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anzeigen der räumlichen Position eines chirur gischen Instruments während einer Operation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die grundlegende Technologie von Navigationssystemen ist seit einigen Jahren bekamt. Sie ist erfolgreich auf medizinische Anwendungen übertragen worden, etwa zur Unterstützung von Operationen in der Neurochirurgie und der orthopädischen Chirurgie. Navigationssyste me umfassen als wesentliche Teilkomponenten ein dreidimensionales Digitalisierungssystem, das die räumliche Position und Orientierung der chirurgischen Instrumente während der Ope ration durch das Zusammenwirken von beweglichen Sendeelementen und stationären Emp fängerelementen erfaßt, und einen Zentralrechner mit angeschlossenem Monitor, auf dem die aktuelle Instrumentenposition durch lagerichtige Einblendung in eine präoperative Aufnahme angezeigt wird.

Navigationssysteme bieten damit dem Operateur den wesentlichen Vorteil, während der Ope ration jederzeit erfassen zu können, wo sich das von ihm geführte Instrument befindet. Dies ist vor allem von Bedeutung, wenn das Operationsgebiet nicht vollständig einsehbar ist, etwa bei Bohrungen in Knochen oder bei minimalinvasiven Operationstechniken. In diesen Fällen sind mit Hilfe der Navigationssysteme genauere und dokumentierbare Operationsergebnisse erzielbar, die weniger vom individuellen Geschick des Operateurs abhängen und das Risiko besonders für jüngere, weniger erfahrene Chirurgen begrenzen.

Bei chirurgischen Eingriffen, die mit Unterstützung von Navigationssystemen durchgeführt werden, wird in der Regel bereits während der präoperativen Planung auf Basis präoperativer Aufnahmen vom Operateur genau festgelegt, welche räumlichen Positionen das chirurgische Instrument während der Operation einnehmen muß. Diese Sollpositionen werden in den Zen tralrechner des Navigationssystems übertragen, dort gespeichert und üblicherweise während der Operation zusammen mit der präoperativen Aufnahme und der Istposition des Instrumen tes angezeigt.

Bei bekannten Ausführungsformen der Navigationssysteme werden Soll- und Istposition der chirurgischen Instrumente ausschließlich am Bildschirm des Zentralrechners angezeigt, indem üblicherweise entsprechende grafische Symbole in die präoperative Aufnahme des Operati onsfeldes eingeblendet werden. Die Istposition wird auf dem Bildschirm entsprechend den vom Operateur ausgeführten und vom Digitalisierungssystem erfaßten Bewegungen ständig aktualisiert. Dazu sind umfangreiche Berechnungen im Zentralrechner erforderlich, die nur eine begrenzte Wiederhol-Frequenz des dargestellten Bildes auf dem Bildschirm ermöglichen und zu einer als sehr störend empfundenen verzögerten Darstellung führen können. Um die Bewegung der Instrumentenposition auf dem Bildschirm zu verfolgen, muß der Operateur fortlaufend zumindest für kurze Momente seinen Blick vom Operationsgebiet abwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, dass dem Operateur während der Operation verzögerungsfrei Informationen über die räumliche Position des chirurgischen Instruments geliefert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass nur das Ergebnis des Vergleichs zwischen Soll- und Istpo sition an einer gesonderten Leiteinrichtung für den Operateur wiedergegeben wird, kann der Operateur verzögerungsfrei eine Information über die räumliche Position des Instruments erhalten, weil der Rechenaufwand für diesen Vergleich erheblich geringer ist als der für die zusätzliche Wiedergabe der im Zentralrechner gespeicherten Bildinformation des Operations feldes erforderliche Rechenaufwand. Zusätzlich kann eine solche Leiteinrichtung so gestaltet werden, dass sie in direkter Nähe des Operationsfeldes und im Gesichtsfeld des Operateurs angeordnet werden kann.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung den Aufbau der Vorrichtung,

Fig. 2 schematisch die Ausgestaltung der Leiteinrichtung als Bildschirm über einem Ope rationstisch, und

Fig. 3 eine optische Anzeigeeinrichtung, die am Instrument anbringbar ist.

In Fig. 1 ist mit 1 ein stationärer Empfänger einer Navigationseinrichtung mit Empfangsele menten 2 bezeichnet, die Signale von einem am chirurgischen Instrument 3 angebrachten Sender 4 empfangen und über eine elektrische Leitung 8 an einen Zentralrechner 5 weiterge ben. Der Sender 4 am chirurgischen Instrument 3 ist zur Ansteuerung über eine Leitung 9 mit dem Zentralrechner 5 bzw. einer in diesem angeordneten Versorgungseinheit verbunden. An den Zentralrechner 5 ist über eine Leitung 10 ein Bildschirm 6 angeschlossen, auf dem eine im Zentralrechner 5 erzeugte Darstellung des Operationsfeldes mit der Soll- und Istposition des chirurgischen Instruments wiedergegeben wird. Im Zentralrechner 5 ist eine Speicherein richtung vorgesehen, in der die errechnete Bildinformation des Operationsfeldes und die er forderlichen Sollpositionen des Instruments bei der Vorbereitung einer Operation eingegeben und gespeichert werden. Weiterhin zeigt der Zentralrechner 5 die von der Navigationsein richtung erfaßte aktuelle Istposition des Instrumentes 3 zusammen mit der Sollposition und dem Operationsfeld auf dem Bildschirm 6 an. Dieser Aufbau ist an sich bekannt.

Erfindungsgemäß wird eine Leiteinrichtung 7 vorgesehen, die über eine Leitung 11 mit einer Vergleichseinrichtung im Zentralrechner 5 derart verbunden ist, dass nur die Daten eines Ver gleichs zwischen Soll- und Istposition des Instrumentes abgenommen und an der Leiteinrich tung 7 wiedergegeben werden. Hierdurch entfällt für die Leiteinrichtung der Berechnungs aufwand für die zusätzliche Wiedergabe des Operationsfeldes, so dass Soll- und Istposition des Instrumentes 3 verzögerungsfrei an der Leiteinrichtung 7 wiedergegeben werden können, während die Wiedergabe am Bildschirm 6 mit Verzögerungen erfolgt, weil zusätzlich das Operationsfeld mit eingeblendet wird.

Die Leiteinrichtung 7 kann z. B. als kleiner Bildschirm ausgestaltet sein, der im Gesichtsfeld des Operateurs positioniert werden kann.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leiteinrichtung in Form eines Bildschirms 20 über einem Operationstisch 12, an dem über Befestigungsschienen 13 ein Gelenkarm 14 ange bracht ist, der den Bildschirm 20 über einem Patienten 15 auf dem Operationstisch hält, wobei über den Gelenkarm 14 die Leiteinrichtung in Form des Bildschirms 20 in eine für den Ope rateur leicht einsehbare Position verstellt werden kann.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf dem Bildschirm 20 ein räumli ches Koordinatensystem wiedergegeben, wobei das chirurgische Instrument 3' beispielsweise durch einen Strich wiedergegeben wird, der auf den Nullpunkt des Koordinatensystems be wegt werden muss, der der Sollposition entspricht, wie dies durch gestrichelte Linien in Fig. 2 angedeutet ist. Hierbei übernimmt die Leiteinrichtung vom Zentralrechner 5 lediglich die Daten der Istposition des Instruments 3 zur Anzeige in Form eines Striches, während die Soliposition durch den Nullpunkt des Koordinatensystems wiedergegeben wird.

Anstelle eines Koordinatensystems mit strichförmiger Darstellung des Instruments können auch in unterschiedlicher Farbe oder in unterschiedlicher Größe wiedergegebene Fadenkreuze oder dergleichen Markierungen auf dem Bildschirm 20 wiedergegeben werden, die einerseits die Sollposition und andererseits die Istposition wiedergeben.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Leiteinrichtung kann diese als Anzeigevorrichtung ausgebildet werden, die dem Operateur als Leitinformation nicht die absolute Position des chirurgischen Instruments anzeigt, sondern nur die Abweichung von der präoperativ festge legten Sollposition. Hierdurch kann die Leiteinrichtung sehr klein ausgebildet werden, so dass sie direkt am chirurgischen Instrument befestigt werden kann, wie dies beispielsweise Fig. 3 zeigt. Hierbei ist an dem schematisch dargestellten chirurgischen Instrument 3 über einen Halter 16 eine Leiteinrichtung in Form einer optischen Anzeigeeinrichtung 21 angebracht ist, auf der beleuchtete Richtungspfeile 17 wiedergegeben werden, welche den Koordinatenrich tungen eines räumlichen Koordinatensystems entsprechen und dem Operateur die Richtung angeben, in die er das Instrument bewegen muss, um die präoperativ festgelegte Sollposition zu erreichen. Bei dieser Ausgestaltung wird durch Aufleuchten eines oder mehrerer Rich tungspfeile 17 dem Operateur angezeigt, in welche Richtung das von ihm geführte Instrument bewegt werden muss. Hierbei kann die Leuchtstärke der Richtungspfeile proportional zum Maß der Abweichung von der Sollposition gewählt werden.

Die Richtungspfeile 17 sind etwa sternförmig um eine Leuchtdiode 18 angeordnet, die bei spielsweise grün aufleuchtet, wenn sich das Instrument 3 in der korrekten Sollposition befin det. Anstelle von Richtungspfeilen kann eine Folge von Lichtpunkten oder Leuchtdioden vor gesehen werden.

Während bei der Ausführungsform nach Fig. 2 die Sollposition durch den Nullpunkt des Ko ordinatensystems fest vorgegeben ist, werden bei der Ausführungsform nach Fig. 3 nur Kor rektursignale wiedergegeben, in welche Richtung eine Korrektur vorgenommen werden muss.

Die Soliposition selbst ist hierbei nicht dargestellt. Das Erreichen der Sollposition wird zweckmäßigerweise durch ein zusätzliches Signal wie die Leuchtdiode 18 angezeigt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Leiteinrichtung 7 als akustische Leiteinrichtung ausgebildet sein, die synthetisch erzeugte Sprachkommandos ausgibt, um dem Operateur an zugeben, in welche Richtung er das chirurgische Instrument bewegen muss, um die Sollposi tion zu erreichen. Anstelle von Sprachkommandos können auch Tonsignale verwendet wer den, wobei unterschiedliche Tonfrequenzen zur Unterscheidung der erforderlichen Korrektur richtung und eine der Abweichung proportionale Lautstärke verwendet werden können.

Weiterhin kann die Leiteinrichtung als Vibrationsgeber ausgebildet werden, der am Körner des Operateurs so angebracht wird, dass der Operateur durch die vom Vibrationsgeber abge gebenen Schwingungen erkennt, in welche Richtung das chirurgische Instrument bewegt werden muss, um die Sollposition zu erreichen. Hierbei können auch mehrere Vibrationsge ber vorgesehen werden, die an verschiedenen Stellen am Körper des Operateurs angebracht werden können. Die einzelnen Vibrationsgeber können durch die Anregungsfrequenz auch das Maß der Abweichung von der Sollposition dem Operateur als Information vermitteln.

Die Leiteinrichtung kann unabhängig von der Ausgestaltung auch auf drahtlosem Weg vom Zentralrechner 5 angesteuert werden, so dass keine störenden Kabel verlegt werden müssen. Dies ist insbesondere bei einer Anbringung der Leiteinrichtung am Instrument 3 von Vorteil.

Insbesondere bei einer Anbringung der Leiteinrichtung direkt am Instrument 3 wird die Leiteinrichtung sterilisierbar ausgebildet.

Claims

1. Vorrichtung zum Anzeigen der räumlichen Position eines chirurgischen Instruments während einer Operation, umfassend
eine Navigationseinrichtung mit Sende- und Empfangselementen (4, 2),
einem Zentralrechner (5) mit einer Speichereinrichtung, in der Daten der errechneten Bildinformation des Operationsfeldes und der vorgegebenen Sollpositionen des In strumentes (3) gespeichert sind, sowie einer Einrichtung zur Bestimmung der Istposi tion des Instrumentes (3) aus den Signalen der Empfangselemente (2), und
eine Anzeigeeinrichtung (6) zur graphischen Wiedergabe des Operationsfeldes ein schließlich der aktuellen Istposition des Instrumentes (3) relativ zu dem Operationsfeld und der Sollposition,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Zentralrechner (5) eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist zum Vergleichen der Raumkoordinaten der Soll- und Istposition des Instrumentes (3), und
dass eine Leiteinrichtung (7) für den Operateur vorgesehen ist, die mit der Vergleich seinrichtung des Zentralrechners (5) derart in Verbindung steht, dass nur das Ergebnis des Vergleichs zwischen Soll- und Istposition in der Form von Korrektursignalen an der Leiteinrichtung wiedergegeben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leiteinrichtung eine optische Anzeigeein richtung (20, 21) umfaßt, auf der die Soll- und Istposition des Instrumentes (3) in der Form von Markierungen wiedergegeben werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei auf einer optischen Anzeigeeinrichtung (20) der Leiteinrichtung die Sollposition in der Form des Nullpunktes eines räumlichen Koor dinatensystems und die Istposition des Instrumentes in Form einer Markierung, bei spielsweise eines Striches (31), wiedergegeben wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leiteinrichtung eine optische Anzeigeein richtung (21) umfaßt, die z. B. durch Richtungspfeile (17) wiedergibt, in welche Richtung das Instrument (3) zum Erreichen der Sollposition bewegt werden soll.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Richtungspfeile (17) um eine Leuchtdiode (18) angeordnet sind, welche durch Aufleuchten das Erreichen der Soliposition durch das Instrument (3) anzeigt.

6. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Anzeigeeinrichtung (20, 21) der Leiteinrichtung über einen Halter (16) am chirurgischen Instrument (3) angebracht ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die optische Anzeigeeinrichtung (20, 21) der Leiteinrichtung mittels eines verstellbaren Gelenkarmes (14) über dem Opera tionsfeld angebracht ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leiteinrichtung wenigstens eine akustische Signalabgabeeinrichtung aufweist, welche durch Sprachinformation oder Tonsignale mit unterschiedlicher Tonhöhe bzw. unterscheidbarer Signaltonfolge die erforderliche Korrektur der Istposition in Richtung Soliposition angibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leiteinrichtung wenigstens einen Vibrations geber umfaßt, durch dessen Vibrationen unterschiedlicher Intensität Korrektursignale abgegeben werden.

10. Vorrichtung nach den vorherigen Ansprüchen, wobei die Leiteinrichtung sterilisierbar ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Anzeigeeinrichtung der Leitein richtung Leuchtdioden in einer ebenen oder räumlichen Gruppierung aufweist, und durch Aufleuchten einzelner Leuchtdioden oder mehrerer ein Korrektursignal wieder gegeben wird.

12. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Leiteinrichtung auf drahtlosem Wege von dem Zentralrechner (5) bzw. dessen Vergleichseinrichtung an gesteuert wird, beispielsweise durch Infrarotlicht oder HF-Wellen.