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Die
Erfindung betrifft den Betrieb eines Positionierungsroboters, der
ausgestaltet ist, einen Gegenstand (insbesondere eine Hohlnadel)
so zu positionieren, dass er in ein Objekt eingebracht werden kann,
insbesondere die Hohlnadel entlang einer geraden Linie in einen
Patienten. Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens liegt auf dem
Gebiet der interventionellen Radiologie. Beispielsweise soll mit der
Hohlnadel Körpergewebe
oder Körperflüssigkeit eines
Patienten entnommen werden (Biopsie). Die Nadel eignet sich jedoch
auch für
die lokale Therapie, z.B. von Lebertumoren durch Thermal-Ablation.
Insbesondere bei der lokalen Therapie, aber in vielen Fällen auch
bei der Biopsie, kommt es auf eine sehr präzise Zielführung der Hohlnadel an. Dabei
ist einerseits zu beachten, dass ein bestimmter Zielpunkt genau
erreicht wird. Andererseits ist häufig aber auch zu beachten,
dass die Spitze der Nadel auf ihrem Weg zum Zielpunkt (der in aller
Regel ein geradliniger Weg ist) keine Bereiche durchsticht, die
dadurch in vermeidbarer Weise geschädigt werden.
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Es
ist bekannt, zur Planung der Invasion von Gegenständen in
ein Objekt bildgebende Verfahren anzuwenden, beispielsweise Computer-Tomographie
(CT) oder Magnetresonanz-Verfahren (MR). In der WO 2004023103 wird
z. B. in Zusammenhang mit einem bildgebenden Verfahren vorgeschlagen, die
Position der Nadel beim Einbringen in den Patienten zu verfolgen.
Außerdem
wird auch die Bewegung des Patienten verfolgt. Ist die Registrierung
(eindeutige räumliche
Beziehung der beiden Koordinatensysteme zueinander) des Patienten
und der Nadel einmal hergestellt, kann der Weg der Nadel ohne die Aufnahme
weiterer Bilder verfolgt werden. Ferner können Bilder simuliert werden,
die jeweils die aktuelle Position und Orientierung der Nadel darstellen. Allerdings
sind dabei Fehler der Bewegungsverfolgung (Tracking) und Veränderung
des Objekts (Patienten) auf dem Weg von der Bildaufnahmevorrichtung
zum Ort des Einbringens des invasiven Gegenstands in Kauf zu nehmen.
Auch ist der Aufwand für ein
Tracking verhältnismäßig hoch.
Für das
Tracking werden beispielsweise zusätzlich zu der Bildaufnahmevorrichtung
benötigte
Kameras oder aktive Marker mit einem von der Bildaufnahmevorrichtung
separaten Trackingsystem eingesetzt.
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Um
eine hochpräzise
Zielführung
des Gegenstandes zu gewährleisten,
wurde daher zunächst die
Nadel relativ zu dem Patienten vorpositioniert, ein dreidimensionales
Bild des Patienten bzw. des Zielbereichs und der Region zwischen
der Nadel und dem Zielbereich aufgenommen und die Bildaufnahme jeweils
dann wiederholt, wenn die Nadel ein Stück weiter Richtung Ziel bewegt
worden ist. Dies ist jedoch aufwendig. Außerdem wird insbesondere bei der
CT in der Regel Strahlung eingesetzt, die in höherer Dosis zu Schädigungen
des Patienten, aber auch des Arztes führen kann. Daher ist es wünschenswert,
möglichst
wenige Bilder aufzunehmen. Insbesondere soll während des Einbringens des Gegenstandes
auf weitere Aufnahmen verzichtet werden können.
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Um
den invasiven Gegenstand zum Zielgebiet in dem Objekt einzubringen
oder um den Gegenstand vorzupositionieren, kann ein Roboter verwendet
werden. Dabei besteht einerseits der Wunsch, dass der Roboter den
Gegenstand aus möglichst
beliebigen Richtungen und an möglichst
beliebigen Stellen in das Objekt einführen kann oder vorpositioniert.
Andererseits steht dem vor allem in der Medizin entgegen, dass der
Patient bei Fehlern der Robotersteuerung durch den Roboter verletzt
werden kann.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Anordnung zum Betreiben eines Positionierungsroboters anzugeben,
die eine hochpräzise
Zielführung
des invasiven Gegenstandes unterstützen, wobei die Gefahr von
Schädigungen
bzw. Verletzungen des Objekts durch den Roboter besonders gering
sein soll.
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Unter
dem Betrieb eines Roboters wird auch die Planung des Betriebes verstanden,
insbesondere die Planung des Weges, auf dem der Gegenstand in das
Objekt eingebracht werden soll. Ferner wird unter einem Roboter
auch ein Gerät
oder eine Anordnung verstanden, die den Gegenstand manuell gesteuert
durch eine Person in das Objekt einbringt. Im Fall von medizinischen
Anwendungen soll die Erfindung den Arzt bei der Planung der Zielführung unterstützen und
ihm die Zielführung
erleichtern. Gemäß einer
bestimmten Ausgestaltung der Erfindung wird der Arzt unterstützt, während der
den Positionierungsroboter manuell steuert.
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Einer
konkreten Ausgestaltung der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde,
dass die Freiheitsgrade der Bewegung des Positionierungsroboters
eingeschränkt
werden, um für
den Patienten bzw. das Objekt gefährliche Bewegungen des Roboters
auszuschließen.
Wenn der Roboter selbst, auch bei vollständigem Verlust der Steuerungskontrolle,
den Patienten oder das Objekt nicht berühren kann, kann eine schädliche Einwirkung
des Roboters ausgeschlossen werden. Lediglich der invasive Gegenstand
kann dann noch theoretisch eine Schädigung bewirken. Um auch diese
Gefahr auszuschließen, können jedoch
zusätzliche
Sicherungsmaßnahmen ergriffen
werden, wie beispielsweise eine Verriegelung der Mechanik, die beim
Einbringen des invasiven Gegenstandes bewegt werden muss. Auch ist
es möglich,
dass der Roboter den Gegenstand lediglich vorpositioniert und durch
die Vorpositionierung festgelegt wird, auf welcher geraden Linie
der Gegenstand in das Objekt hineinbewegt werden kann. Dabei kann
z.B. die Bewegung der Nadel in einen Patienten ausschließlich manuell
von einem Arzt bewirkt werden.
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Bei
einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung sind die Freiheitsgrade
der Bewegung des Positionierungsroboters, bezüglich der Positionierung und
Orientierung der geraden Linie, entlang der der Gegenstand in das
Objekt einzubringen ist, auf zwei translatorische Freiheitsgrade
und zwei rotatorische Freiheitsgrade begrenzt. Daher ist es möglich, den Roboter
so relativ zu dem Objekt zu positionieren, dass dem Roboter in einer
Richtung, die auf eine Oberfläche
des Objekts weist, kein translatorischer Freiheitsgrad zur Verfügung steht,
wenn die Vorpositionierung des Roboters beendet ist.
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Besonders
bevorzugt wird, dass der Positionierungsroboter einen ersten und
einen zweiten Fixierungspunkt zum Fixieren jeweils eines Punktes der
geraden Linie aufweist, entlang der der Gegenstand in das Objekt
eingebracht wird. Durch eine dem Roboter erlaubte Bewegung können dabei
der erste und der zweite Fixierungspunkt lediglich in einer ersten
und zweiten Ebene verschoben werden, wobei die erste und die zweite
Ebene voneinander beabstandete parallele Ebenen sind. Der Positionierungsroboter
ist also lediglich dazu in der Lage, den ersten Fixierungspunkt
innerhalb der ersten Ebene zu verschieben und den zweiten Fixierungspunkt
innerhalb der dazu parallelen zweiten Ebene zu verschieben. Im Ergebnis
führt dies
dazu, dass die (wie oben gefordert) lediglich zwei translatorische Freiheitsgrade und
zwei rotatorische Freiheitsgrade bestehen. Dabei verlaufen die Drehachsen
der beiden rotatorischen Freiheitsgrade in einer der beiden parallelen Ebenen
bzw. in einer wiederum dazu parallelen Ebene. Wenn die beiden Fixierungspunkte
durch den Roboter positioniert worden sind, liegt die gerade Linie für die Bewegung
des invasiven Gegenstandes fest. Dann kann optional auch durch den
Roboter bewirkte Bewegung des invasiven Gegenstandes entlang der geraden
Linie stattfinden. Für
diesen Zweck kann der Roboter daher optional einen weiteren translatorischen
Freiheitsgrad haben.
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Gemäß einem
weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben
eines Positionierungsroboters vorgeschlagen, wobei der Positionierungsroboter
ausgestaltet ist, einen Gegenstand so zu positionieren, dass er
in ein Objekt eingebracht werden kann, insbesondere eine Hohlnadel
entlang einer geraden Linie. Dreidimensionale Bilddaten des Objekts
mit dem relativ zu dem Objekt vorpositionierten Positionierungsroboter
werden ausgewertet und unter Verwendung eines Ergebnisses der Auswertung
wird eine Registrierung eines Koordinatensystems des Objekts und
eines Koordinatensystems des Positionierungsroboters ermittelt.
Ferner wird unter Berücksichtigung
von vorbekannten Grenzen für
die von dem Positionierungsroboter ausführbaren Bewegungen ermittelt,
welche Bereiche der Gegenstand in dem Objekt erreichen kann, wenn
er entlang der geraden Linie in das Objekt eingebracht wird, und/oder wo
die gerade Linie verlaufen kann.
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Die
vorbekannten Grenzen für
die von dem Roboter ausführbaren
Bewegungen können
insbesondere durch die oben genannten Freiheitsgrade der Bewegung
des Roboters und optional durch weitere Bewegungsbeschränkungen
definiert sein. Beispielsweise kann der oben erwähnte erste Fixierungspunkt
lediglich um eine bestimmte Anzahl von Zentimetern in X-Richtung
und in Y-Richtung der ersten Ebene bewegt werden. Auch die Bewegung
des zweiten Fixierungspunktes in der zweiten Ebene kann begrenzt
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann die Bewegung eines der beiden Fixierungspunkte relativ zu der
momentanen Position des anderen Fixierungspunktes begrenzt sein.
In diesem Fall ergibt sich z.B. ein Pyramidenstumpf als derjenige
Raumbereich, in den die Spitze einer Hohlnadel gebracht werden kann, wenn
dem Roboter die zwei oben genannten translatorischen und zwei rotatorischen
Freiheitsgrade zur Verfügung
stehen.
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Das
vorgeschlagene Verfahren hat den Vorteil, dass insbesondere bei
einem Roboter mit eingeschränkten
Freiheitsgraden der Bewegung ermittelt werden kann, wohin der invasive
Gegenstand in das Objekt eingebracht werden kann und wohin nicht. Dabei
kann außerdem
noch berücksichtigt
werden, dass auch die Bewegung des Gegenstandes selbst begrenzt
sein kann (d.h. insbesondere seine Eindringtiefe).
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Vorzugsweise
wird das Ergebnis der Ermittlung, welchen Bereich der Gegenstand
in dem Objekt erreichen kann und/oder wo die gerade Linie verlaufen
kann, ausgegeben, z.B. in einer oder mehreren zweidimensionalen
oder dreidimensionalen Darstellungen, die auch innere Strukturen
des Objekts zeigen. Insbesondere im medizinischen Bereich können also
z.B. Organe eines Patienten dargestellt werden und kann der erreichbare
Bereich kenntlich gemacht werden. Dies ermöglicht dem Arzt, eine Planung
der Lage und/oder Orientierung der geraden Linie vorzunehmen, entlang
der sich z.B. eine Biopsienadel auf dem Weg in den Körper des
Patienten bewegen soll. Der Arzt erkennt schnell und zuverlässig, ob
ein bestimmter Weg zu Verletzungen von Organen führen würde, und kann alternative Wege
prüfen.
Insbesondere kann der Arzt den Zielpunkt für die Spitze der Nadel festlegen
und es kann ihm bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zusätzlich angezeigt
werden, aus welchen Richtungen der Zielpunkt erreicht werden kann
und aus welchen Richtungen nicht. Weiterhin kann dem Arzt automatisch
signalisiert werden, wenn ein bestimmter Weg nicht möglich ist,
den der Arzt vorgeben wollte. In diesem Fall kann der Arzt entscheiden,
ob der Roboter neu vorpositioniert werden soll oder ob andere erreichbare
Wege zur Verfügung
stehen.
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Besonders
bevorzugt wird, dass die dreidimensionalen Bilddaten aus einer Aufnahme
oder Gruppe von Aufnahmen einer realen Szene gewonnen werden, wobei
die Szene das Objekt und den relativ zu dem Objekt vorpositionierten
Positionierungsroboter aufweist.
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Insbesondere
wird zumindest ein Bild der Szene aufgenommen, wobei mit dem Bild
gleichzeitig das Objekt, oder zumindest ein Teil des Objekts, und
der Positionierungsroboter, oder zumindest ein Teil davon und/oder
die Marker, erfasst werden.
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Die
Registrierung der beiden Koordinatensysteme kann dadurch erreicht
werden, dass bekannte Positionen von mindestens drei Markern und/oder
charakteristischen Elementen, die fest mit dem Positionierungsroboter
verbunden sind oder Teil des Positionierungsroboters sind, berücksichtigt
werden.
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Die
Registrierung ist sehr genau, solange der Roboter nicht relativ
zu dem Objekt bewegt wird. Dabei reicht es aus, wenn eine Basis
des Roboters nicht bewegt wird, die die charakteristischen Elemente aufweist
und/oder mit den Markern verbunden ist. Bewegungseinrichtungen des
Roboters (zum Beispiel Arme) können
und sollen bewegt werden, um den invasiven Gegenstand nach der Registrierung
in der gewünschten
Weise zu positionieren. Es kann daher zuverlässig ermittelt und/oder ausgegeben werden,
welche Bereiche in dem Objekt für
den invasiven Gegenstand erreichbar sind und/oder wo die Bewegungslinie
beim Einbringen des Gegenstandes in das Objekt verlaufen kann. Somit
besteht die Möglichkeit
einer Registrierung, bei der auf zusätzliche Kameras und/oder andere
externe Trackingsysteme verzichtet werden kann. Im Vergleich zu
solchen Verfahren ist die erfindungsgemäße Lösung präziser, einfacher und schneller.
Insbesondere muss kein externes Trackingsystem kalibriert werden.
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Wenn
die dreidimensionalen Bilddaten unter Verwendung von Röntgenstrahlung
und Ausführung einer
Computer-Tomographie gewonnen werden, sollte der für die Registrierung
auszuwertende Bereich der Aufnahme möglichst keine Materialien aufweisen,
die wie beispielsweise Metalle zu Bildartefakten führen können. Für die charakteristischen
Elemente des Roboters und/oder der mit ihm verbundenen Teile wird
daher ein Karbonmaterial vorgeschlagen. Bei einer konkreten Ausführungsform
sind zumindest zwei Teile aus Karbon mit einer Basis des Roboters
verbunden, wobei an jedem der beiden Anbauteile ein oder mehrere
Marker angeordnet sind. Bei den Markern kann es sich z.B. um Anordnungen mit
jeweils einem kugelförmigen
Bereich handeln, wobei das Material in dem kugelförmigen Bereich durch
die Bildaufnahme erfasst werden kann. Als Referenzpunkt für die Registrierung
dient dann z.B. jeweils der Mittelpunkt des kugelförmigen Bereichs.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann ein zweiter
Bereich in dem Objekt ermittelt werden, der mögliche Wege enthält, über die der
Gegenstand oder ein bestimmter Teil des Gegenstandes zu einem Zielpunkt
in dem Objekt gebracht werden kann. Wenn eine Vorgabe für den Zielpunkt vorliegt,
kann auf dieser Basis der genannte zweite Bereich ermittelt werden.
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Dies
ermöglicht
es dem Bediener bzw. Arzt, den Zielpunkt vorzugeben und aus einer
zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Darstellung des zweiten
Bereichs zu erkennen, aus welcher Richtung der Gegenstand in das
Objekt eingebracht werden soll bzw. wo Teilbereiche liegen, durch
die der Gegenstand nicht hindurchtreten soll.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Art der dreidimensionalen Darstellung wird
Folgendes dargestellt:
- – ein Zielpunkt für das Einbringen
des Gegenstandes in das Objekt,
- – eine
erste Ebene, die den Zielpunkt enthält und quer zu der geraden
Linie verläuft,
- – eine
zweite Ebene, die die gerade Linie enthält, und
- – eine
dritte Ebene, die die gerade Linie enthält und die die zweite Ebene
entlang der geraden Linie schneidet.
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In
den drei Ebenen werden die jeweiligen Bilddaten des Objekts dargestellt,
die in der jeweiligen Ebene liegen. Vorzugsweise wird außerdem die gerade
Linie selbst dargestellt und/oder Grenzen des oben genannten zweiten,
räumlichen
Bereichs, in dem die gerade Linie für das Einbringen des Gegenstandes
verlaufen kann. Außerdem
wird die gerade Linie vorzugsweise in bestimmter Weise besonders kenntlich
gemacht (z.B. rot eingefärbt),
wenn sie außerhalb
des zweiten Bereichs verläuft.
Alternativ oder zusätzlich
kann die gerade Linie in bestimmter Weise besonders kenntlich gemacht
werden (z.B. grün
dargestellt werden), wenn sie innerhalb des zweiten Bereichs verläuft.
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Das
in dem vorangegangenen Absatz beschriebene Kenntlichmachen der Linie
kann in entsprechender Weise auch erfolgen, wenn nicht der zweite
räumliche
Bereich, sondern der erste räumliche
Bereich dargestellt wird. In diesem Fall wird besonders kenntlich
gemacht, ob bzw. wenn die gerade Linie außerhalb des ersten Bereichs
verläuft und/oder
wenn die gerade Linie innerhalb des ersten Bereichs verläuft. Alternativ
oder zusätzlich
kann der Bereich selbst besonders kenntlich gemacht werden und/oder
ein Objekt besonders kenntlich gemacht werden, z.B. Arme des Roboters,
die den Gegenstand halten oder führen.
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Ferner
gehört
zum Umfang der Erfindung auch eine Anordnung zum Betreiben eines
Positionierungsroboters gemäß dem beigefügten unabhängigen Patentanspruch
und seinen Unteransprüchen, die
auf eine Anordnung gerichtet sind. Die Anordnung wird beispielsweise
durch einen handelsüblichen
PC realisiert, der eine Schnittstelle zum Eingeben und/oder Rendern
der dreidimensionalen Bilddaten oder der Bilddaten, aus denen die
dreidimensionalen Bilddaten erzeugt werden können, aufweist. Der PC oder
ein anderer Computer kann entsprechende Software aufweisen, die
ausgestaltet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Daher gehört außerdem zum
Umfang der Erfindung auch ein Computerprogramm, das ausgestaltet
ist, einen Computer so zu steuern, dass er das erfindungsgemäße Verfahren
ausführt
(mit Ausnahme der optionalen Verfahrensschritte, die die Aufnahme
der Bilddaten betreffen, z.B. das Anbringen von Markern an dem Roboter).
Ferner gehört
zur Erfindung ein Datenträger,
auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Wie
bereits erwähnt,
werden optional Marker (mindestens drei Stück, vorzugsweise jedoch mehr als
drei Stück,
z.B. neun Stück)
mit dem Positionierungsroboter verbunden. Die Marker, deren Relativposition
zueinander und zu dem Positionierungsroboter festgestellt wird,
ermöglichen
es, die genaue Position und Orientierung des Roboters in den dreidimensionalen
Bilddaten festzustellen. Somit ist eine Registrierung des ebenfalls
in den dreidimensionalen Bilddaten erfassten Objekts zu dem Roboter
möglich. Beispielsweise
wird ein Rechenmodell des Roboters mit den daran angeordneten Markern
verwendet, um eine Transformationsmatrix der Registrierung zu bestimmen.
Mit der Transformationsmatrix kann das Koordinatensystem des Roboters
in das Koordinatensystem des Objekts transformiert werden (oder umgekehrt).
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In
besonderer Ausgestaltung sind die Marker über zwei Verbindungselemente
(die jeweils zumindest einen der Marker tragen und halten) mit dem
Roboter verbunden. Dabei erstrecken sich die Verbindungselemente
quer zu der geraden Linie für
das Einbringen des Gegenstandes in das Objekt bzw. erstrecken sich
quer zu möglichen
Verläufen
der geraden Linie. Dabei ist der Bereich, in dem sich die geraden
Linien erstrecken können,
zwischen den beiden Verbindungselementen angeordnet. Hierdurch entsteht
eine Anordnung der beiden Verbindungselemente, die dem Verlauf von
Scherenarmen eines Hummers ähnelt.
Die Verbindungselemente können optional ähnlich wie
die Scherenarme gebogen oder abgewinkelt sein.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
näher beschrieben.
Dabei können
die im Folgenden beschriebenen Merkmale einzeln oder in beliebiger
Kombination mit den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung kombiniert
werden. Die einzelnen Fig. der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Anordnung mit einem Roboter, wobei Bereiche dargestellt sind, in
die ein invasiver Gegenstand eingebracht werden kann,
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2 einen
Querschnitt durch die Darstellung der Bereiche in 1,
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3 in
zweidimensionaler Darstellung Bewegungsmöglichkeiten von zwei verschiedenen
Roboterarmen,
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4 einen
Querschnitt durch einen Marker, der an den in 1 dargestellten
Verbindungselementen des Roboters angeordnet werden kann,
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5 eine
dreidimensionale Darstellung mit Bildinformationen über ein
Objekt, wobei ein Zielpunkt und eine Bewegungsrichtung für das Einbringen
eines Gegenstandes in das Objekt festgelegt worden sind, und
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6 eine
Darstellung ähnlich
derjenigen von 3, um einen bestimmten Fall
bei der Ermittlung eines Bereichs zu veranschaulichen, in dem mögliche Wege
des Einbringens einer Nadelspitze in das Objekt verlaufen.
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In 1 ist
im oberen Teil ein Positionierungsroboter 1 dargestellt,
der zwei bezüglich
einer (nicht dargestellten) ruhenden Basis des Roboters 1 bewegliche
Arme 2, 3 aufweist. Der untere Arm 2 ist mit
einer unteren Bewegungseinrichtung 5 des Roboters verbunden,
die den Arm 2 in einer ersten Ebene bewegen kann. Der obere
Arm 3 des Roboters 1 ist mit einer zweiten Bewegungseinrichtung 6 verbunden,
die den oberen Arm 3 in einer zweiten Ebene, die parallel
zu der ersten Ebene ist, bewegen kann. Wenn hier von der Bewegung
in einer Ebene die Rede ist, so ist ein beliebiger Punkt des Arms 2, 3 gemeint,
der sich innerhalb der Ebene bewegen kann. Zweckmäßigerweise
wird dabei jeweils ein Punkt am freien Ende des Arms 2, 3 betrachtet,
der die mögliche
Bewegung einer Nadel festlegt. Die Nadel ist in 1 mit
dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Sie wird am oberen Arm 3 und
am unteren Arm 2 jeweils von einem Führungselement umfasst, das
wiederum über
ein Kugelgelenk mit dem freien Ende des Arms 2, 3 verbunden
ist. Das Führungselement
kann beispielsweise eine Hülse
sein, die von dem oberen Arm und dem unteren Arm gehalten wird.
Die Hülse
erlaubt ein Hindurchstecken der Nadel, wobei die Abmessungen der
Hülse und
der Nadel genau aufeinander abgestimmt sind, so dass die Spitze
der Nadel durch die Hülse
hindurch gesteckt werden kann, wobei der Nadelschaft im Wesentlichen
spielfrei in der Hülse
gleitet.
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In
vereinfachter Darstellung sind die Bewegungsmöglichkeiten des oberen Arms 3 und
des unteren Arms 2 in 3 dargestellt.
Darin bezeichnet E1 die untere, erste Ebene, in der das Ende des
unteren Arms 2 bewegt werden kann. Das Ende des oberen
Arms 3 kann in der zu der ersten Ebene E1 parallelen zweiten
Ebene E2 bewegt werden. Es kann ein kartesisches Koordinatensystem
definiert werden, dessen Z-Achse senkrecht zu den beiden Ebenen
E1, E2 verläuft.
Die X-Achse und die Z-Achse sind in 3 erkennbar
und liegen in der Bildebene. Die Koordinatenachsen des gesamten
Koordinatensystems sind aus 1 erkennbar.
In 3 ist der mittlere Punkt des maximal möglichen
Bewegungsbereichs [-x1; +x1] in X-Richtung auf dem Niveau der Ebene
E1 mit „0" bezeichnet. Das
Ende des unteren Arms 2 kann somit maximal in dem dargestellten
Bereich bewegt werden. Ein Punkt P bezeichnet eine beliebige momentane
Stellung des Endes.
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Das
Ende des oberen Arms 3 kann innerhalb eines Bereichs bewegt
werden, wobei dieser Bereich relativ zu der Position des Endes des
unteren Arms 2 festgelegt ist.
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Die
Bereichsgrenzen der Bewegung des oberen Arms 3 in X-Richtung
sind durch das Intervall [-D; +D] in 3 dargestellt.
Der 0-Punkt dieses Bereichs liegt daher exakt senkrecht über dem
Punkt P.
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Eine
entsprechende Bewegungsmöglichkeit kann
auch in Y-Richtung vorgegeben sein, so dass sich in diesem Fall
jeweils eine Beweglichkeit innerhalb eines Quadrats oder Rechtecks
in den Ebenen E1, E2 ergibt, wobei die Lage des Quadrats oder Rechtecks
in der oberen Ebene E2 von der momentanen Position des unteren Arms 2 abhängt. In 3 sind
mit zwei diagonalen Linien Extremstellungen der geraden Linie angedeutet,
die bei der Position P einstellbar sind. Insgesamt führen diese
Grenzen der Beweglichkeit, die zwei translatorischen und zwei rotatorischen
Freiheitsgraden entsprechen, zu einem maximal möglichen Bereich A (siehe 1),
der ein Pyramidenstumpf ist. Innerhalb des Pyramidenstumpfes A kann
jeder Punkt durch die Spitze der Nadel erreicht werden. Dabei muss
die untere Begrenzungsfläche
des Pyramidenstumpfes A nicht eben sein. Vielmehr hängt die
untere Begrenzungsfläche davon
ab, wie tief die Nadel in Z-Richtung bei der jeweils gegebenen Bewegungsrichtung
in das Objekt eindringen kann.
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Außerhalb
des Bereichs A kann kein Punkt durch die Spitze der Nadel erreicht
werden. In der Praxis wird ermittelt, wie der Bereich A in den dreidimensionalen
Bilddaten des Objekts angeordnet ist. Zunächst ist der Bereich A in dem
Koordinatensystem des Roboters 1 definiert. Sobald die
Registrierung der Koordinatensysteme des Roboters 1 und des
Objekts beendet ist, kann beispielsweise durch Verwendung der entsprechenden
Transformationsmatrix der Bereich A in das Koordinatensystem des Objekts
transformiert werden. Bei einer konkreten Ausführungsform können die
Begrenzungsebenen und/oder Begrenzungslinien des Bereichs A in dem Koordinatensystem
des Roboters 1 definiert sein und in das Koordinatensystem
des Objekts transformiert werden. Entsprechendes gilt optional für weitere
Bereiche, die zur Erleichterung des Betriebs und der Bedienung des
Roboters ermittelt und dargestellt werden können. Hierauf wird noch näher eingegangen. Die
Erfindung ist nicht auf den konkreten anhand von 1 beschriebenen
Roboter 1 und dessen Beweglichkeitsgrenzen beschränkt. Vielmehr
kann auch ein anderer Roboter mit anderen Freiheitsgraden der Bewegung vorgesehen
sein und können
entsprechend andere Bereiche ermittelt und dargestellt werden.
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Wenn
der Bereich A in die Bilddaten des Objekts transformiert worden
ist, kann der Benutzer (insbesondere Arzt) einen Zielpunkt U festlegen,
zu dem das Ende der Nadel eingeführt
werden soll (1). Vorzugsweise wird dann automatisch
berechnet, welche Richtungen dann für das Einführen der Nadel in das Objekt
zur Verfügung
stehen oder welche Grenzen der Bereich hat, den die Spitze der Nadel
dabei durchläuft,
bis der Zielpunkt U erreicht ist. 1 zeigt eine
vierseitige Pyramide mit unten liegender Spitze (am Zielpunkt U),
die mit dem Bezugszeichen B bezeichnet ist. Somit kann der Benutzer
sofort erkennen, ob in dem Bereich B Hindernisse liegen, die nicht
von der Spitze der Nadel durchstochen werden sollen, z.B. Blutgefäße oder
Teile der Lunge eines Patienten. 2 zeigt
einen vertikalen Schnitt durch die Bereiche A, B gemäß 1.
Der Bereich B ist dabei schraffiert dargestellt. Vorzugsweise werden
zumindest zwei solcher Vertikalschnitte in senkrecht zueinander
stehenden Vertikalebenen bildlich dargestellt. Ferner wird vorzugsweise
eine dreidimensionale Darstellung an den Benutzer ausgegeben in
der Art, wie sie in 5 dargestellt ist, sobald nicht
nur der Zielpunkt U, sondern auch ein beliebiger weiterer Punkt
der geraden Linie festgelegt ist, entlang der die Nadel (oder allgemein
formuliert der Gegenstand) in das Objekt eingeführt werden soll. Der weitere
Punkt kann auch einer momentanen Orientierung der Nadel oder der
Hülse zur
Führung
der Nadel entsprechen.
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5 zeigt
in dreidimensionaler Darstellung drei Ebenen und die darin liegenden
Bildmerkmale des Objekts. Dabei schneiden sich die drei Ebenen in einem
einzigen Punkt, dem Zielpunkt U. Zwei der Ebenen verlaufen in Z-Richtung
und weisen als gemeinsame Schnittlinie die besagte gerade Linie
auf, die in 5 mit dem Bezugszeichen L bezeichnet
ist. Da L in der Regel nicht exakt in Z-Richtung verläuft, sondern
lediglich eine Richtungskomponente in Z-Richtung aufweist, verlaufen
die beiden Ebenen, die sich in 5 von oben
nach unten erstrecken, nicht exakt in Z-Richtung. Eine der beiden Ebenen ist mit
dem Bezugszeichen M bezeichnet, die andere mit dem Bezugszeichen
N. Die dritte Ebene ist mit dem Bezugszeichen O bezeichnet. Man
erkennt in der Darstellung von 5 Strukturen
des Objekts, die beispielsweise Strukturen eines oder mehrerer Organe
eines Patienten sind, die durch eine CT-Aufnahme erhalten wurden.
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Links
unten in 5 ist ein Würfel erkennbar, dessen drei
sichtbare Seitenflächen
mit den Bezugszeichen V, R und F bezeichnet sind. Der Benutzer kann
durch geeignete Betätigungsmittel,
wie beispielsweise eine Computermaus, die Darstellung drehen, wobei
sich zur Orientierung des Benutzers auch der Würfel drehen wird. In einer
anderen Drehstellung werden dann andere Seiten der drei Schnittebenen
und des Würfels
erkennbar, der sich mitdreht. Die Darstellung gemäß 5 bietet
einen schnellen, übersichtlichen
Einblick in die Strukturen des Objekts um den Zielpunkt herum und
entlang der geraden Linie L.
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Es
soll nun näher
auf die Verwendung von Markern eingegangen werden, um die Koordinatensysteme
des Roboters und des Objekts zu registrieren. Der Roboter 1 weist
zwei mit der Basis des Roboters 1 verbundene Verbindungselemente 9, 10 auf, die
in der Art des Verlaufs von Scherenarmen eines Hummers geformt und
angeordnet sind. Nach der Vorpositionierung des Roboters werden
die Verbindungselemente 9, 10 nicht mehr bewegt.
Die Verbindungselemente sind an einer Stelle abgewinkelt, so dass
die Schenkel einen stumpfen Winkel definieren. An dem vorderen Schenkel,
der das freie Ende des jeweiligen Verbindungselements 9, 10 bildet,
ist eine Mehrzahl von Aufnahmeöffnungen 11a–11f hintereinander
liegend entlang dem Verlauf des Schenkels angeordnet. Die Anordnung
ist in den beiden Verbindungselementen 9, 10 in
gleicher Weise ausgeführt. Daher
sind nur die Öffnungen 11 in
dem rechts unten dargestellten Verbindungselement 9 mit
Bezugszeichen bezeichnet. In die Öffnungen 11 kann jeweils ein
Markerelement eingebracht werden. Da die Lage der Öffnungen 11 und
die Abmessungen der Marker im Vorhinein genau bekannt sind oder
genau festgestellt werden können,
lassen sich verschiedene Anordnungen von Markern bilden. Beispielsweise
wird in sechs beliebige der Öffnungen 11 jeweils
ein Markerelement eingesetzt. Obwohl nur drei Marker für die Registrierung
erforderlich sind, können
mehr als drei Marker verwendet werden, um eventuelle Fehler oder
Artefakte der Bildaufzeichnung zu minimieren bzw. zu eliminieren.
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Einen
Längsschnitt
durch ein Markerelement 20 zeigt 4. Das Element 20 weist
einen nach unten vorspringenden zylindrischen Teil 21 auf,
der ohne Spiel in die Aufnahmeöffnungen 11 gesteckt werden
kann. Der obere Teil 22, der fest mit dem unteren Teil 21 verbunden
ist, enthält
an einer definierten, vorbekannten Position einen kugelförmigen Bereich 23,
der mit einer durch die Bildaufnahmeeinrichtung erfassbaren Flüssigkeit
gefüllt
ist, z.B. eine Gandolinium (im Fall eines Magnetresonanzverfahrens) und/oder
Barium (im Fall der CT, insbesondere mit Röntgenstrahlung) aufweisende
Flüssigkeit,
z. B. eine Lösung
oder Suspension mit einem Oxid des oder der genannten Materialien.
Wenn die Flüssigkeit beide
Materialien aufweist, kann der Marker mit verschiedenen bildgebenden
Verfahren erfasst werden.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Das Ausführungsbeispiel
betrifft das Einführen
einer Biopsienadel in einen Patienten.
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Zunächst wird
der Patient auf einer Unterlage platziert und immobilisiert. Anschließend wird
der Positionierungsroboter über
einem Zielgebiet des Patienten platziert und relativ zu dem Patienten
fixiert. Beispielsweise kann an dem in 1 dargestellten
Roboter 1 ein beweglicher Haltearm angebracht sein. Durch
geeignete Bewegung des Haltearms wird der in 1 dargestellte
Teil des Roboters 1 in der gewünschten Weise vorpositioniert
und dann wird der Haltearm fixiert, so dass keine weitere Bewegung
mehr möglich
ist. Geeignete Haltearme können
beispielsweise bei Medical Intelligence, Feyerabendstrasse 13-15,
D-86830 Schwabmünchen, Deutschland
bezogen werden.
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Nun
wird eine Aufnahme der Anordnung aus vorpositioniertem Roboter und
Patient aufgenommen, wobei die Aufnahme aus einer Vielzahl von Einzelaufnahmen
bestehen kann, die durch CT zu einem dreidimensionalen Bilddatensatz
der Anordnung weiterverarbeitet werden.
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In
dem dreidimensionalen Bilddatensatz sind nun Teile des Roboters,
insbesondere die Verbindungselemente 9, 10, die
Arme 2, 3, die Marker und der Zielbereich des
Patienten enthalten. Unter Verwendung eines Models mit den Positionen
der Marker und der Roboterarme 2, 3 im Koordinatensystem des
Roboters wird nun ermittelt, wie die beiden Koordinatensysteme des
Roboters und des Patienten zu registrieren sind. Als Ergebnis erhält man eine
Transformationsmatrix.
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Der
Bereich A (1), in dem der Zielpunkt U liegen
kann, ist beispielsweise vorab im Koordinatensystem des Roboters
in Form von insgesamt zumindest Ebenengleichungen definiert, wobei
jede der Ebenengleichungen die Ebene einer der sechs in 1 dargestellten
ebenen Außenflächen des
Bereichs A, mit Ausnahme der unteren Begrenzungsfläche, die
allein abhängig
von der möglichen
eindringt tiefe des Gegenstandes ist, definiert. Diese Ebenengleichungen
werden nun mit der ermittelten Transformationsmatrix in das Patientenkoordinatensystem transformiert.
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Anschließend werden
geeignete zweidimensionale und dreidimensionale Bilddarstellungen
des Zielgebiets mit den Grenzflächen
des Bereichs A (d. h. mit dem Bereich A oder Teilen davon) bildlich
dargestellt.
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Da
Roboterteile, insbesondere die Verbindungselemente mit den Markern,
aber vorzugsweise auch die Arme 2, 3, die die
Nadel oder die Hülse
halten, erkennbar sind, kann der Benutzer sofort und auf einfache
Weise überprüfen, ob
der Roboter in geeigneter Weise vorpositioniert worden ist. Gegebenenfalls
kann die Vorpositionierung korrigiert werden und erneut eine CT-Aufnahme
der Anordnung gemacht werden.
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Der
Benutzer (Arzt) wählt
nun zunächst
den gewünschten
Zielpunkt U aus, beispielsweise durch Anklicken mit Hilfe einer
Computermaus oder eines Trackballs in den verschiedenen zweidimensionalen Bilddarstellungen
auf einem Bildschirm oder Display.
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Liegt
der Zielpunkt U außerhalb
von dem Bereich A wird dies sofort in geeigneter Weise signalisiert,
z. B. durch farbliches Hervorheben des Zielpunktes oder des Bereichs
A.
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Sobald
der Zielpunkt U festgelegt ist, wird automatisch der Bereich B berechnet.
Dabei können die
entsprechenden Bewegungsgrenzen berücksichtigt werden. Im Fall
des Roboters und des Zielpunktes U gemäß 1 ergibt
sich der Bereich B zunächst
auf einfache Weise durch Verbinden des Zielpunkts U und der Eckpunkte
der oberen Grenzfläche des
Bereichs A durch gerade Linien und Bildung der entsprechenden durch
die geraden Linien definierten ebenen Grenzflächen der Pyramide.
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Es
gibt jedoch auch Fälle,
in denen die obere Grenzfläche
des Bereichs B kleiner ist als die obere Grenzfläche des Bereichs A. Einen solchen
Fall veranschaulicht 6. Die Art der Darstellung gleicht derjenigen
von 3. Der Zielpunkt U kann lediglich über eine
der drei eingezeichneten diagonal nach unten verlaufenden Linien
I, II, III erreicht werden. Linie I stellt keinen möglichen
Weg zum Einführen
des Gegenstandes in das Objekt bis zu dem Zielpunkt U dar, weil
sie außerhalb
des Bereichs [-x1; +x1] verläuft,
in dem die untere Bewegungseinrichtung in Ebene E1 bewegt werden
kann. Linie II stellt einen möglichen Weg
dar. Linie III stellt wiederum keinen möglichen Weg dar, weil der Schnittpunkt
der Linie III außerhalb der
Grenzen des Bereichs [-D; +D] liegt, in dem die obere Bewegungseinrichtung
in Ebene E2 bewegt werden kann, wenn die untere Bewegungseinrichtung
bei dem Wert +x1 positioniert ist.
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Die
seitlichen Grenzflächen
des Bereichs B können
wiederum durch Bestimmung von Ebenengleichungen definiert werden.
Die Ebenengleichungen können
durch Bestimmung der Randlinien bzw. Randflächen ermittelt werden, die
durch die jeweils engere Grenze der möglichen Bewegungsbereiche der
unteren und oberen Bewegungseinrichtung definiert sind.
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Anschließend wählt der
Benutzer einen zweiten Punkt auf der geraden Linie aus, entlang
der die Nadel in das Objekt eingeführt werden soll. Liegt dieser
zweite Punkt so, dass die gerade Linie nicht von oben durch die
obere Grenzfläche
der Pyramide in den Bereich B eintritt, wird dies wiederum sofort
signalisiert, beispielsweise durch Einfärben der geraden Linie in roter
Farbe.
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Ist
eine zulässige
gerade Linie ausgewählt worden,
stellt der Roboter automatisch die entsprechende Position und Orientierung
ein und es kann nun mit der Einführung
der Nadel begonnen werden.
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Bei
einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Bewegung des Roboters von dem Benutzer gesteuert, beispielsweise
mit einem Joystick. Dabei wird dem Benutzer wiederum nach Vorpositionierung
und Registrierung in vorzugsweise verschiedenen zweidimensionalen
und dreidimensionalen Darstellungen angezeigt wie die gerade Linie
in dem Objekt verläuft,
die zu einer momentan eingestellten Position und Orientierung des
Roboters gehört.
Optional kann zusätzlich
bildlich dargestellt werden welchen Bereich die Spitze der Nadel
in dem Objekt sehen würde,
wenn der Blick der Nadel geradeaus in Richtung der geraden Linie
gerichtet ist. Außer dem
Gebiet unmittelbar in gerader Richtung wird auch ein darum herumliegendes
Gebiet gemäß einem
vordefinierten Sichtöffnungswinkel
dargestellt. Dementsprechend wird für eine gegebene Position und
Orientierung des Roboters berechnet, welches Gebiet die Spitze der
Nadel sehen würde.
Dabei kann die Darstellung des Gebiets in der Art einer Durchsicht
erfolgen, wobei auch hinter einer obersten bzw. am dichtesten an
der Nadelspitze liegenden Schicht des Objekts liegende Teilgebiete
mit dargestellt werden. Beispielsweise kann in der obersten Schicht
ein Organ liegen und darunter ein zweites Organ liegen. Dann wird
vorzugsweise auch das untere Organ dargestellt, z. B. mit verminderter
Bild-Intensität, so dass
erkennbar wird, dass das Organ darunter bzw. dahinter liegt. Ferner
kann die Bewegung der Nadel entlang der geraden Linie simuliert
werden. Dabei wird für
eine Vielzahl aufeinanderfolgender Zeitpunkte der Linearbewegung
der Nadel entlang der geraden Linie jeweils die zugehörige Ansicht
des Zielgebiets (optional wiederum in Durchsichtdarstellung) dargestellt.
Der Benutzer kann somit für
eine eingestellte Position und Orientierung des Roboters zunächst durch
Betrachtung der Simulation überprüfen, ob
die Bewegung der Nadel tatsächlich
so ausgeführt
werden soll. Außerdem
kann er in den bereits zuvor beschriebenen zweidimensionalen Schnittdarstellungen
und dreidimensionalen Darstellungen den Verlauf der geraden Linie überprüfen. Bei
der Simulation oder bei der Darstellung der Ansicht vom Ort der
Nadelspitze aus kann ebenfalls kenntlich gemacht werden, welche
Wege für
die Nadel bei der eingestellten Vorpositionierung des Roboters möglich sind
und welche nicht.
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In
allen Fällen
können
vorher segmentierte Teilvolumina des Objekts, die in dem bildlich
dargestellten Zielgebiet liegen, besonders kenntlich gemacht werden,
z. B. pathologische Veränderungen von
Organen. Dies erleichtert es dem Arzt, den Zielpunkt festzulegen.
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Insbesondere
kann eine konkrete Ausgestaltung einer Software, die das erfindungsgemäße Verfahren
ausführt,
zwei Modi enthalten. Im ersten Modus wird die von dem Benutzer vorgegebene
(anhand der dargestellten Bilder ausgewählte, Position und Orientierung
der Nadel bzw. der Nadelhülse
von dem Roboter automatisch eingestellt. Im zweiten Modus wird,
wie z. B. vorher beschrieben, die Position und Orientierung des
Roboters unmittelbar von dem Benutzer gesteuert.
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Folgende
Vorteile der Erfindung, die sich nicht nur auf die konkreten Ausführungsformen
beziehen, welche anhand der Figuren erläutert wurden, sollen im Folgenden
erwähnt
werden:
Der Roboter kann mit dem bildgebenden Verfahren erfasst
werden und ist daher in die dreidimensionalen Bilddaten integriert.
Im Gegensatz zu anderen Systemen, die den Roboter (z.B. optisch)
verfolgen und in Relation zu dem Objekt setzen, kann die Genauigkeit steigert
werden. Es kann eine automatische Registrierung erfolgen. Die Registrierung
ist daher einfach zu erzielen und außerdem wesentlich kostengünstiger.
Ferner kann der Benutzer in einem frühen Stadium überprüfen, ob
der Roboter richtig vorpositioniert wurde.
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Der
Roboter hat insbesondere nur vier Freiheitsgrade für die Positionierung
der geraden Linie zum Einführen
der Nadel. Z. B. kann die Nadel nur in X-Richtung und in Y-Richtung
bewegt werden oder um Rotationsachsen in der oder parallel zu der X-/Y-Ebene gekippt
werden. Wenn die X-/Y-Ebene des Roboters parallel zu der Körperoberfläche platziert
wird, ist eine Verletzung des Patienten unmöglich, weil der Roboter selbst
dann nicht auf die Körperoberfläche einwirken
kann, wenn er außer
Kontrolle gerät.
Dies erleichtert auch die Zulassung des Roboters und des Verfahrens
zum Betreiben des Roboters für
medizinische Anwendungen.
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Außerdem kann – bedingt
durch die beschränkten
Freiheitsgrade des Roboters – das
mögliche
und medizinisch sinnvoll erreichbare Volumen (wie es bei den oben
beschriebenen Bereichen A und B der Fall ist) graphisch dargestellt
werden. Insbesondere kann die entsprechende Software, die das Verfahren
ausführt,
die begrenzten Freiheitsgrade des Roboters berücksichtigen. Dies ist eine
sehr wirkungsvolle Hilfestellung für den Benutzer.