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Die Erfindung betrifft den Betrieb eines Positionierungsroboters, der ausgestaltet ist, einen Gegenstand (insbesondere eine Hohlnadel) so zu positionieren, dass er entlang einer geraden Linie in ein Objekt eingebracht werden kann, insbesondere die Hohlnadel 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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Eine Vorrichtung zur Ansteuerung körperlicher Strukturen, insbesondere zur Einführung von Punktionsnadeln oder Operationssonden, ist beispielsweise aus der
DE 20 2004 003 646 U1 bekannt.
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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 2004/023103 A2 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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In der oben genannten
DE 20 2004 003 646 U1 wird auch beschrieben, dass eine Halterung manuell voreingestellt werden kann und die Feinpositionierung der Instrumente durch fernsteuerbare Stellantriebe von einem anderen Raum aus erfolgen kann, um die Strahlenbelastung des Personals bei einer Strahlentherapie in vorteilhafter Weise zu reduzieren. Zur Vorjustierung der Zieleinrichtung wird ein Rahmen auf einer Grundplatte mittels Markierung vorpositioniert, dann z. B. eine Sonde in eine Führung eingeführt und anschließend die Sonde im virtuellen Raum herumgeführt, bis die Sondenspitze etwa am gewünschten Eintrittspunkt liegt und die Projektionslinie deckungsgleich mit der Vorschubrichtung ist, welche an einem Bildschirm ablesbar gezeigt ist. Es kann ein gerüstartiger Rahmen vorgesehen sein, der den Patienten überspannt. Vorab kann durch eine Simulation (ohne Patienten) die gesamte Zieleinrichtung in Relation zum Rahmen und damit zum Patienten exakt eingestellt werden. Beim Eingriff wird dann der Patient auf exakt gleiche Art und Weise in den Rahmen eingepasst, wie er zuvor durch Computertomographie gescannt wurde.
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DE 198 46 687 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Ausführen von medizinischen Eingriffen und Verfahren zum Erzeugen eines Bildes. Demnach werden im Verlaufe von Operationen, die beispielsweise mittels eines Operationsroboters durchgeführt werden, immer wieder Ultraschallbilder erzeugt, die mit vorhergehenden Ultraschallbildern verglichen werden. Vor der Operation wird ein 3D-Datensatz mit einem bildgebenden Verfahren hergestellt. Dieser Datensatz gilt als Referenzbildgebung für die weiteren Schritte. Während dieser Untersuchung wird dem Patient ein stereotaktischer Rahmen am Kopf befestigt. Dieser Rahmen enthält Landmarken, welche zur Eichung bzw. Koregistrierung des Systems zu Operationsbeginn verwendet werden können. Zum Zeitpunkt des Operationsbeginns wird der Operationsroboter in eine fest vorgegebene räumliche Beziehung zu dem montierten stereotaktischen Rahmen gebracht und fest montiert. Die Landmarkenpunkte können mit der Spitze des Operationsinstruments als Eichungsgerät angefahren werden, wodurch eine eindeutige Beziehung zwischen dem Arbeitsraum des Roboters und dem Raum der präoperativ hergestellten Bilder erzeugt wird.
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DE 102 49 786 A1 offenbart die Referenzierung eines Roboters zu einem Werkstück und eine Vorrichtung hierfür. Von einem Werkstück wird jeweils zumindest eine Aufnahme aus zumindest zwei Positionen mit zumindest einer Kamera aufgenommen, wobei die zumindest eine Kamera am Roboter befestigt ist. In zumindest einer Aufnahme wird ein Referenzpunkt des Werkstückes ausgewählt. Über die X-Y-Positionsdaten des Referenzpunktes wird der Referenzpunkt im dreidimensionalen Raum relationiert, wobei die Positionsdaten aus den zumindest zwei Aufnahmen gewonnen werden, und die Position des Roboters zum Werkstück wird korreliert.
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DE 295 19 103 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Ansteuerung körperlicher Strukturen.
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WO 03/041057 A2 offenbart ein System und ein Verfahren zur Zieleinstellung für einen Roboter unter Fluoroskopie.
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WO 02/22015 A2 beschreibt Verfahren und Systeme für bildgeführte chirurgische Eingriffe. Ein Bildgebungssystem weist eine Bildgebungsvorrichtung und ein medizinisches Instrument mit einem zugehörigen Bezugsobjekt auf, das in demselben Bild aufgenommen werden kann, wie ein Zielbereich des Patienten. Das Instrument kann in Bezug auf den Patienten unter Verwendung von Informationen aus dem Bild manipuliert werden.
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US 2005/0177054 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handhaben realer und virtueller Objekte in dreidimensionalen Räumen.
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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. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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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 den beigefügten Ansprüchen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Positionierungsroboters vorgeschlagen, wobei der Positionierungsroboter ausgestaltet ist, einen Gegenstand (insbesondere eine Hohlnadel) so zu positionieren, dass er entlang einer geraden Linie in ein Objekt eingebracht werden kann. 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 kann ein Computerprogramm einen Computer so 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). Das Computerprogramm kann auf einem Datenträger gespeichert sein.
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Wie bereits erwähnt, werden Marker (optional 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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Gemäß den Patentansprüchen 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, 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 Aufnahmeöffnungen 11 in dem rechts unten dargestellten Verbindungselement 9 mit Bezugszeichen bezeichnet. In die Aufnahmeöffnungen 11 kann jeweils ein Markerelement eingebracht werden. Da die Lage der Aufnahmeöffnungen 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 Aufnahmeöffnungen 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 einen Marker 20 zeigt 4. Der Marker 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 Gadolinium (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 Arme 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 Bildintensität, 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.
