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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein invasive Verfahren, z.
B. chirurgische Verfahren. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung die bildgebend geführte
Chirurgie, die vielfältige
radiologische Bildgebungsmodalitäten
einsetzt.
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Nachdem
medizinische Bildgebungstechnologien ausgereift sind, ist es möglich, den
Einsatz medizinischer Bildgebungstechniken mit der Durchführung invasiver
Verfahren zu kombinieren. Beispielsweise können invasive Verfahren, z.
B. gewisse chirurgische Verfahren, Vorteile aus der Verwendung von
Bildgebungstechniken ziehen, die es einem klinischen Arzt ermöglichen,
die inneren oder verdeckten Strukturen in dem Bereich des chirurgischen
Eingriffs während
der Ausführung
des Verfahrens sichtbar zu machen. Auf diese Weise kann der klinische
Arzt das gewünschte
chirurgische Verfahren mit größerer Erfolgsaussicht
und ohne eine unnötige
Gewebeschädigung
durchführen.
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In
der Praxis verwenden derartige bildgebend geführten chirurgischen Techniken
gewöhnlich
eine zur Verfolgung dienende Referenzrahmenvorrichtung, die in unmittelbarer
Nähe der
interessierenden Anatomie angeordnet wird. Die Referenzvorrichtung
bewegt sich mit dem Patienten, um ein genaues und konsistentes Verfolgen
der interessierenden Anatomie zu ermöglichen. Typischerweise muss
die Referenzvorrichtung an der interessierenden Anatomie starr befestigt
sein. Die Referenzvorrichtung wird daher im Allgemeinen in Nähe der interessieren den
Anatomie an hartem Knochengewebe befestigt. Als Folge hiervon sind
derartige bildgebend geführten
chirurgischen Techniken im Allgemeinen auf Regionen im Körper beschränkt, die
durch Knochenanatomie begrenzt sind, z. B. kraniale neurochirurgische,
spinale, orthopädische
und Sinusverfahren.
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Während derartige
Techniken nützlich
sind, existieren selbstverständlich
auch andere Bereiche des Körpers,
die nicht durch knöcherne
Strukturen begrenzt sind und die ebenfalls Vorteile aus derartigen
bildgebend geführten
Techniken ziehen könnten.
Allerdings können
gegenwärtig
solche bildgebend geführten
Techniken aufgrund der Tatsache, dass ein Anbringen einer Referenzvorrichtung
in unmittelbarer Nähe
der interessierenden Anatomie nicht möglich ist, nicht für Regionen
des Körpers,
wie z. B. kardiale und abdominale Regionen, genutzt werden, die
nicht durch derartige knöcherne
Strukturen begrenzt sind. Darüber
hinaus bewegen sich viele innere Organe, für die bildgebend geführte chirurgische
Techniken von Vorteil wären,
möglicherweise,
z. B. aufgrund von Atmung, Schwerkraft, und so fort, und rufen daher
zusätzliche
Probleme für
den Eingriff hervor. Darüber
hinaus ist es gegebenenfalls auch in Regionen der Anatomie, wo sich
Knochengewebe in unmittelbarer Nähe
befindet, nicht erwünscht,
eine Referenzvorrichtung an dem Knochen anzubringen. Daher besteht
ein Bedarf, für
bildgebend geführte
chirurgische Verfahren eine Referenztechnik zu schaffen, die auf die
Befestigung einer Referenzvorrichtung an Skeletstrukturen verzichten
kann.
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KURZBESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die dynamische Referenzierung
eines inneren Organs oder Gewebes in einem bildgebend geführten invasiven
Verfahren. In einem Ausführungsbeispiel
ist ein Substrat mit drei oder mehr Sensorele menten versehen. In
einem solchen Ausführungsbeispiel
wird das Substrat, z. B. während
eines offenen oder laparoskopischen chirurgischen Verfahrens, an
einem inneren Organ angeordnet. Durch die Sensorelemente erzeugte
Signale oder Felder, z. B. elektromagnetische Signale oder Felder, können genutzt
werden, um die Positionen der Sensorelemente zu bestimmen. Die Positionen
der Sensorelemente können
anschließend
mit einem Satz von auf einem Bild basierenden Daten, die möglicherweise
die Sensorelemente kennzeichnende Bilddaten beinhalten oder auch
nicht, zur Deckung gebracht werden. In einem Ausführungsbeispiel
findet das Zurdeckungbringen automatisch statt. Sobald die durch
die Sensorelemente erzeugten Signale mit den Bildern oder volumetrischen
Darstellungen des inneren Organs zur Deckung gebracht sind, können die
von den Sensorelementen abgeleiteten Positions- und Orientierungsdaten
genutzt werden, um die visuelle Darstellung des inneren Organs zu
modifizieren oder einzustellen, um die Bewegung oder Verformung
des Organs widerzuspiegeln. Die modifizierte oder angepasste visuelle
Darstellung kann dann verwendet werden, um einem Chirurgen oder
einem sonstigen klinischen Arzt zu ermöglichen, basierend auf Bildern,
die die aktuelle Position und Gestalt des inneren Organs wiedergeben,
ein bildgebend geführtes invasives
Verfahren durchzuführen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein chirurgisches Referenzsystem
geschaffen. Das chirurgische Referenzsystem enthält ein Substrat, das dazu eingerichtet
ist, an einem inneren Organ oder Gewebe angebracht zu werden, so
dass das Substrat sich an das innere Organ oder Gewebe anpasst und sich
zusammen mit diesem bewegt. Auf dem Substrat sind drei oder mehr
Sensorelemente integriert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Verfolgen dynamischer Bewegungen eines Organs geschaffen. Zu dem
Verfahren gehört
der Schritt des Erzeugens eines ersten Satzes von Positionsdaten
für drei
oder mehr Sensorkomponenten, die auf einem Substrat integriert sind,
das an einem inneren Organ angeordnet ist. Der erste Satz von Positionsdaten
ist auf Signalen oder Feldern begründet, die durch die Sensorkomponenten
erzeugt sind. Ein zweiter Satz von Positionsdaten wird für die drei oder
mehr Sensorkomponenten basierend auf einer Identifizierung der drei
oder mehr Sensorkomponenten in einem oder mehreren radiologischen
Bildern oder volumetrischen Darstellungen des inneren Organs erzeugt. In
dem ersten Satz von Positionsdaten und in dem zweiten Satz von Positionsdaten
werden einander entsprechende Sensorkomponenten identifiziert. Der
erste Satz von Positionsdaten wird basierend auf der Identifizierung
entsprechender Sensorkomponenten in dem ersten Satz von Positionsdaten
und in dem zweiten Satz von Positionsdaten mit dem einen oder den
mehreren radiologischen Bildern oder volumetrischen Darstellungen zur
Deckung gebracht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Verfolgen dynamischer Bewegungen eines Organs geschaffen. Zu dem
Verfahren gehört
der Schritt des Erzeugens von Positions- und Orientierungsdaten
für eine
oder mehrere Sensorkomponenten, die auf einem Substrat vorgesehen sind,
das an einem inneren Organ angeordnet ist. Die Positions- und Orientierungsdaten
sind auf Signalen oder Feldern begründet, die durch die Sensorkomponenten
erzeugt sind. Basierend auf den Positions- und Orientierungsdaten
wird ein Formmodell des Substrats erzeugt. Darüber hinaus wird ein interessierender
Bereich in einem oder mehreren radiologischen Bildern oder volumetrischen
Darstellungen segmentiert. Der interessierende Bereich enthält wenigstens
das innere Organ, einen Abschnitt des inneren Organs oder einen zu
dem inneren Organ unmittelbar benachbarten oder damit verbundenen
Bereich. Ba sierend auf der Segmentation wird ein Formmodell des
interessierenden Bereichs erzeugt. Das Formmodell des Substrats
und das Formmodell des interessierenden Bereichs werden zur Deckung
gebracht.
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ZEICHNUNGEN
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Diese
und sonstige Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen verständlicher,
in denen gleichartige Elemente durchgängig mit ähnlichen Bezugszeichen versehen
sind:
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1 veranschaulicht
einen Streifen chirurgischer Gaze, die Sensorkomponenten aufweist,
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 veranschaulicht
einen Streifen chirurgischer Gaze mit auf einem Organ angeordneten
Sensorkomponenten, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 veranschaulicht
exemplarische Komponenten eines Bildgebungssystems und eines Positionsermittlungssystems,
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt
exemplarische Komponenten eines Computertomographie- oder 3D-Röntgenbildgebungssystems
und eines Positionsermittlungssystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 veranschaulicht
exemplarische Schritte zur Verwendung eines Positionsermittlungssystems, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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6 zeigt
exemplarische Schritte zur Verwendung eines Positionsermittlungssystems,
gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft dynamische Referenzierung innerer
Organe für
bildgebend geführte chirurgische
Verfahren. Insbesondere nutzt die vorliegende Erfindung ein anpassbares
oder anschmiegsames Element oder Substrat, z. B. Gaze oder einen
biokompatiblen Kunststoff, das mit einer oder mehreren Verfolgungsvorrichtungen
versehen ist. Das anpassbare Substrat ist dazu eingerichtet, auf
oder in der Nähe
eines inneren interessierenden Organs angebracht zu werden, so dass
sich eine Bewegung des Organs in Verbindung mit akquirierten Bildern
oder Bilddaten verfolgen lässt.
Insbesondere wird die Bewegung der Verfolgungsvorrichtungen in einem
Ausführungsbeispiel
unter Verzicht auf den Einsatz von anatomischen oder Bezugsmarkierungen
automatisch mit den Bilddaten zur Deckung gebracht. In dieser Weise
kann ein bildgebend geführter
chirurgischer Eingriff mittels der dynamischen Referenzdaten ausgeführt werden,
die unter Verwendung des Substrats akquiriert wurden. Da das Substrat
der interessierenden Anatomie zugeordnet werden kann, ohne an einem
Knochengewebe fixiert zu sein, kann sich die vorliegende Erfindung
für den
Einsatz in Zusammenhang mit perkutanen Verfahren eignen, die an
inneren Organen durchgeführt
werden, die sich möglicherweise
bewegen oder bewegt werden und sind nicht in der Nähe eines
geeigneten skeletalen Ankers befinden. Zu Beispielen solcher Organe
gehören,
jedoch ohne darauf beschränken
zu wollen, Leber, Lunge, Nieren, Pankreas, Blase, und so fort.
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Beispielsweise
ist mit Bezug auf 1 ein biokompatibles Substrat 10 dargestellt,
das für
die Anbringung in Nähe oder
an einem interessierenden Organ geeignet ist. In einem Ausführungsbeispiel
ist das Substrat 10 ein anpassbarer Streifen chirurgischer
Gaze 20, der beliebige Abmessungen oder Formen aufweisen kann.
Das Substrat 10 ist mit drei oder mehr Sensorelementen 16 versehen,
die in einem Ausführungsbeispiel genutzt
werden können,
um Positionsdaten zu akquirieren, die sich auf das Substrat 10 beziehen.
In der Tat ist es in gewissen Ausführungsbeispielen möglicherweise
erwünscht,
mehr als drei Sensorelemente 16 zu verwenden, da eine höhere Anzahl
von Sensorelementen 16 im Allgemeinen mehr Punkte vorsehen
wird, die die Fläche
eines Organs definieren, auf dem das Substrat angeordnet ist. Mit
anderen Worten, die Zahl von auf dem Substrat 10 vorgesehenen
Sensorelementen 16 ist im Allgemeinen proportional zu der
Größenordnung der
Fläche
oder von Anpassungsdetails, die durch das Substrat 10 nach
Anordnung auf einem Organ bereitgestellt werden.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist außerdem
ein leitendes Element 18 vorgesehen, das geeignet ist,
um in Anwendungen, bei denen die Sensorelemente elektrisch betrieben
werden, die Sensorelemente 16 mit Strom zu versorgen. In
einem Ausführungsbeispiel,
bei dem das Substrat 10 ein Streifen chirurgischer Gaze
ist, kann das leitende Element 18 durch das gewöhnlich an
chirurgischer Gaze vorhandene blaue Ende verlaufen. In solchen Ausführungsbeispielen
kann das blaue Ende mit Barium durchtränkt werden, so dass die Gaze
sich mittels auf Röntgenstrahlung
basierender Bildgebungstechniken ohne weiteres lokalisieren lässt.
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Das
exemplarische Substrat 10 ist in 2 gezeigt,
wie es an einem inneren Organ 24 (hier als eine Leber gezeigt)
angeordnet ist. Das Substrat 10 kann an dem inneren Organ 24 im
Rahmen eines offenen chirurgischen Verfahrens angebracht werden,
bei dem das innere Organ 24 freigelegt wird. In einer Ab wandlung kann
das Substrat 10 unter Einsatz eines mikroinvasiven Schnitts
mittels laparoskopischer chirurgischer Techniken an dem inneren
Organ 24 angebracht werden. Beispielsweise kann das Substrat 10 in
derartigen laparoskopischen Durchführungen unter Verwendung laparoskopischer
Techniken in aufgerollter oder gefalteter Gestalt durch einen geringfügigen Schnitt
eingeführt,
zu dem Ort des inneren Organs manövriert und an oder in Nähe des inneren
Organs 24 entrollt oder entfaltet werden. Beispielsweise
kann eine laparoskopische Beförderung
mittels eines zur Beförderung
eines Gazestreifens 20 geeigneten Katheters erreicht werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
gleicht sich das Substrat 10, unabhängig von der Art seiner Befestigung an
dem inneren Organs 24 oder in dessen Nähe, der Form des inneren Organs 24 dort
an, wo das Substrat 10 das innere Organ 24 bedeckt.
Beispielsweise kann das Substrat 10 in einem Ausführungsbeispiel
ein Streifen chirurgischer Gaze 20 sein, die an dem inneren
Organ 24 aufgrund der auf der Oberfläche des inneren Organs 24 vorhandenen
Oberflächenspannung
von Fluiden haftet. Eine solche Adhäsion kann unterstützt oder verbessert
werden, indem der Oberfläche
des inneren Organs 24 physiologische Kochsalzlösung oder
sonstige geeignete Fluide hinzugefügt werden. In Ausführungsbeispielen,
bei denen das Substrat 10 anpassbar ist, beispielsweise,
wo das Substrat 10 ein Gazestreifen 20 ist, entspricht
die durch das anpassbare Substrat 10 angenommene Form im
Allgemeinen der entsprechende Oberfläche des inneren Organs an jener
Position. Darüber
hinaus kann das anpassbare Substrat 10 in einem solchen
Ausführungsbeispiel
auf einem Bereich des inneren Organs 24 angeordnet sein,
der eine ausreichende Krümmung
aufweist, so dass sich der Bereich durch die Sensorelemente 16,
wie weiter unten erläutert,
eindeutig identifizieren lässt.
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In
Ausführungsbeispielen,
bei denen das innere Organ 24 (beispielsweise die dargestellte
Leber) sich während
der Atmung im Wesentlichen als ein starrer Körper bewegt, wird sich das
an dem inneren Organs 24 oder in dessen Nähe angeordnete
Substrat 10 mit dem inneren Organ 24 mitbewegen.
Darüber
hinaus wird das Substrat 10 in dem Maße, wie es sich an das innere
Organ 24 anpasst, Konformationsänderungen des inneren Organs 24 wiedergeben,
d. h., das Substrat 10 wird, falls das innere Organ seine
Form verändert,
sich an das innere Organ 24 anpassen und wird sich somit
hinsichtlich der veränderten
Gestalt des inneren Organs 24 verformen. Da sich das Substrat 10 mit
dem inneren Organ 24 mitbewegen und sich an dieses anpassen wird,
kann das Substrat 10 als ein dynamischer Bezugspunkt hinsichtlich
des inneren Organs 24 dienen. Daher kann ein chirurgisches
Verfahren, z. B. die (beispielsweise mit einer verfolgten Nadel 30 durchgeführte) chirurgische
Entfernung einer Läsion 26 unter
Verwendung laparoskopischer oder offener Operationstechniken mittels
bildgebend geführter
Navigation unter Verwendung von Positions- oder Bewegungsdaten ausgeführt werden,
die durch die auf dem Substrat 10 integrierten Sensorelemente 16 gewonnen
wurden.
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Typischerweise
sind die Sensorelemente 16 nicht in einer linearen oder
symmetrischen Anordnung vorgesehen, d. h. die Sensorelemente 16 bilden
nicht eine einzelne Zeile, so dass es möglich ist, die entsprechende
Sensorelemente 16 anhand ihrer bekannten räumlichen
Beziehungen voneinander zu unterscheiden. Beispielsweise sind in
dem dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispiele nach 1 und 2 die Sensorelemente 16 in
einer 3×5-Matrix
vorgesehen, so dass die Gesamtheit der von den Sensorelementen 16 empfangenen
Daten verwendet werden kann, um die entsprechenden Sensorelemente 16 voneinander
zu unterscheiden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
sind die Sensorelemente 16 als elektromagnetische (EM)
Mikrosensoren vorgesehen, die in dem Substrat 10 integriert
sind oder daran sicher haftend angebracht sind. Solche EM-Mikrosensoren
können
als entweder hohle oder kompakte Sensorspulen vorgesehen sein, die
elektromagnetische Felder erzeugen. Exemplarische kompakte elektromagnetische
Spulen können
mit einem Durchmesser von etwa 0,75 mm (oder größer) und einer Länge von
etwa 2 mm (oder größer) ausgebildet
sein. Desgleichen können
exemplarische hohle elektromagnetische Spulen einen Durchmesser
von etwa 2 mm (oder größer) und
eine Länge
von etwa 2 mm (oder größer) aufweisen.
Solche massiven oder hohlen elektromagnetischen Spulen können eine
Genauigkeit des räumlichen
Verfolgens mit einem Abweichungsfehler von weniger als etwa 1 mm
im quadratischen Mittel (QMW) aufweisen. Ferner lässt sich
jede Sensorspule hinsichtlich ihrer Position mit dieser Genauigkeit über ein
für das
hier beschriebene bildgebend geführte
Verfahren ausreichendes Volumen hinweg, d. h. innerhalb des Sichtfelds
eines medizinischen Bildgebungssystems, verfolgen.
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In
Ausführungsbeispielen,
die derartige elektromagnetische Spulen verwenden, kann jede EM-Sensorspule
Daten erzeugen, die die Orientierung der entsprechenden Spule in
zwei Richtungen kennzeichnen. In einem Ausführungsbeispiel ist eine einzelne
Spule jedoch nicht in der Lage, ausreichende Daten zu liefern, um
das Rollen der entsprechenden Spule zu bestimmen, da die Spulen
achsensymmetrisch sind. Daher weist jede Spule in einem solchen
Ausführungsbeispiel
fünf Freiheitsgrade
auf. Falls mindestens zwei derartige Spulen in einer Vorrichtung
wie dem Substrat 10 kombiniert sind oder darauf integriert
sind, so dass die Spulen eine bekannte und feststehende Beziehung
zueinander aufweisen, lassen sich sechs Freiheitsgrade (x, y, z, Rollen,
Nicken, Gieren) anhand der von den beiden oder mehreren Spulen gewonnenen,
gesammelten oder zusammenge führten
Daten bestimmen. Auf diese Weise können die durch die elektromagnetischen
Spulen erzeugten elektromagnetischen Felder somit genutzt werden,
um die Position und Orientierung des Substrats 10 zu bestimmen,
auf dem sie integriert sind. Beispielsweise ermöglichen in dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
die an dem Substrat 10 angebrachten Sensorelemente 16 (von
denen in diesem Beispiel angenommen wird, dass es elektromagnetische
Spulen sind) es, die Position, Orientierung und Konformation (d.
h. Form) des Substrats 10 auf der Grundlage der durch die
elektromagnetischen Spulen erzeugten elektromagnetischen Felder
zu ermitteln.
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Wie
oben beschrieben, kann ein Substrat 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung dafür
eingesetzt werden, bildgebend geführte invasive Verfahren zu
ermöglichen.
Es ist klar, dass in der vorliegenden Erfindung eine beliebige,
für den
Einsatz in einem bildgebend geführten
chirurgischen Verfahren geeignete Bildgebungsmodalität verwendet
werden kann. Zu Beispielen solcher Bildgebungsmodalitäten gehören auf
Röntgenstrahlung
basierende Bildgebungstechniken, die die unterschiedliche Schwächung von
Röntgenstrahlen
nutzen, um Bilder zu erzeugen (beispielsweise dreidimensionale Röntgendurchleuchtung,
Computertomographie (CT), Tomosynthesetechniken und sonstige auf
Röntgenstrahlung
basierende Bildgebungstechnologien). Zu anderen exemplarischen Bildgebungsmodalitäten, die
für bildgebend
geführte
chirurgische Verfahren geeignet sind, können Magnetresonanzbildgebung
(MRI), Ultraschall- oder thermoakustische Bildgebungstechniken und/oder
optische Bildgebungstechniken gehören. Desgleichen können auch
nuklearmedizinische Bildgebungstechniken (beispielsweise Positronenemissionstomographie
(PET) oder Einzelpositronenemissionscomputertomographie (SPECT)),
die Radiopharmazeutika nutzen, geeignete Bildgebungstechnologien
sein, um bildgebend geführte
chirurgische Verfahren durchzuführen.
In ähnlicher
Weise können
sich auch kombinierte Bildgebungssysteme, z. B. PET/CT-Systeme,
für die
Durchführung
bildgebend geführter
chirurgischer Verfahren, wie im Vorliegenden beschrieben, eignen.
Folglich sollte über
die gesamte vorliegende Erörterung hinweg
beachtet werden, dass die vorliegenden Techniken im Allgemeinen
von dem zur Akquisition der Bilddaten verwendeten System bzw. der
Bildgebungsmodalität
unabhängig
sind. D. h., die Technik kann auf gespeicherte unverarbeitete, verarbeitete
oder teilweise verarbeitete Bilddaten aus einer beliebigen geeigneten Quelle
angewandt werden.
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Indem
nun auf 3 eingegangen wird, ist beispielsweise
ein Überblick
eines exemplarischen verallgemeinerten Bildgebungssystems 34 dargestellt,
das stellvertretend für
vielfältige
Bildgebungsmodalitäten sein
kann. Das verallgemeinerte Bildgebungssystem 34 enthält gewöhnlich eine
beliebige Bauart eines Bildwandlers 36, der Signale erfasst
und diese in nützliche
Daten umwandelt. Wie weiter unten eingehender beschrieben, kann
der Bildwandler 36 zum Erzeugen der Bilddaten nach vielfältigen physikalischen
Prinzipien arbeiten. Im Allgemeinen werden jedoch durch den Bildwandler 36 Bilddaten,
die im Körper
eines Patienten 38 vorhandene interessierende Bereiche
kennzeichnen in einem digitalen Medium erzeugt, um in dem bildgebend
geführten
chirurgischen Verfahren genutzt zu werden.
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Der
Bildwandler 36 kann durch einen Systemsteuerungsschaltkreis 40 betrieben
werden, der vielfältige
Aspekte des Bildwandlerbetriebs und der Akquisition und Verarbeitung
der Bilddaten sowie der mittels der vorliegende Erfindungen akquirierten
dynamischen Referenzdaten steuert. In dem dargestellten verallgemeinerten
Ausführungsbeispiel
enthält
der Systemsteuerungsschaltkreis 40 einen für den Betrieb
des Bildwandlers 36 geeigneten Bewegungs- und Steuerschaltkreis 42. Beispielsweise
kann der Bewegungs- und Steuerschaltkreis 42 auf Strahlungsquellensteuerschaltkreisen,
Zeitsteuerschaltkreisen, Schaltkreisen zum Koordinieren der Relativbewegung
des Bildwandlers 36 (beispielsweise in Bezug auf einen
Patiententisch und/oder eine Detektoranordnung), und so fort basieren.
Der Bildwandler 36 kann nach dem Erfassen der Bilddaten
oder Signale die Signale, z. B. für eine Umwandlung in digitale
Werte, verarbeiten und er leitete die Daten an eine Datenakquisitionsschaltung 44 weiter.
Im Falle digitaler Systeme kann die Datenakquisitionsschaltung 44 vielfältige anfängliche
Verarbeitungsfunktionen durchführen,
z. B. Einstellen digitaler Dynamikbereiche, Glätten oder Schärfen von
Daten, sowie, wo gewünscht,
Kompilieren von Datenströmen
und Dateien. Die Daten werden anschließend zu einer Datenverarbeitungsschaltung 46 übertragen,
wo eine zusätzliche
Verarbeitung und Analyse durchgeführt werden. Für die verfügbaren unterschiedlichen
digitalen Bildgebungssysteme kann die Datenverarbeitungsschaltung 46 wesentliche
Rekonstruktionen und/oder Analysen von Daten, Klassierung von Daten,
Schärfen,
Glätten,
Merkmalerkennung, und so fort durchführen.
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Zusätzlich zur
Verarbeitung der Bilddaten kann die Verarbeitungsschaltung 46 außerdem Bewegungs- oder
Positionsdaten empfangen und verarbeiten, die einen anatomischen
interessierenden Bereich betreffen, z. B. das dargestellte innere
Organ 24 und/oder eine Läsion 26, die über eine
offene chirurgische Inzision 48 oder einen laparoskopischen
chirurgischen Eingang zugänglich
sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist an dem (hier als die Leber des Patienten 38 dargestellten)
inneren Organ 24 ein Substrat 10 angeordnet. Das
Substrat 10 ist, wie oben erörtert, mit zahlreichen (beispielsweise
drei oder mehr) Sensorelementen 16 (siehe 1 und 2)
versehen, die dazu eingerichtet sind, Positionsdaten zu liefern.
In einem Ausführungsbeispiel
sind die Sensorelemente 16 elektromag netische Spulen, die
sämtliche
dazu eingerichtet sind, ein deutlich abgegrenztes und unterscheidbares
elektromagnetisches Feld zu erzeugen. In speziellen Ausführungsbeispielen,
bei denen die Sensorelemente 16 mit Strom betrieben werden,
können
die Sensorelemente 16, z. B. über einen oder mehrere elektrisch
leitende Drähte 50,
mit einem geeigneten Kraftstromkreis 52, z. B. einer elektrischen
Spannungsquelle oder einem Spannungsausgang, oder einer geeigneten
Batterie, verbunden sein. Während
der Kraftstromkreis 52 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als von dem Systemsteuerungsschaltkreis 40 getrennt dargestellt
ist, kann der Kraftstromkreis 52 in weiteren Ausführungsbeispielen
Teil des Systemsteuerungsschaltkreises 40 sein.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die durch die Sensorelemente 16 erzeugten Signale oder
Felder durch eine oder mehrere Antennen 54 erfasst. Die
erfassten Positionsdaten werden an einen Empfängerschaltkreis 56 ausgegeben
oder von diesem akquiriert, der die Positionsdaten seinerseits an
die Verarbeitungsschaltung 46 ausgibt. Wie weiter unten
eingehender beschrieben, können
die Positionsdaten in Verbindung mit den Bilddaten genutzt werden,
um ein bildgebend geführtes
Verfahren zu erleichtern. In noch einem Ausführungsbeispiel werden die Antennen 54 nicht
zur Detektion sondern zur Übertragung
verwendet, d. h. die Antennen 54 sind Sender und erzeugen
elektromagnetische Felder, die durch die Sensorelemente 16 erfasst
werden. In beiden Ausführungsbeispielen
lassen sich Positionsdaten in einer ausreichenden Auflösung ermitteln,
um die Bewegung und/oder Stellung des zu verfolgenden Organs zu
erlauben.
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Die
verarbeiteten Bilddaten und/oder Positionsdaten können zu
einer Displayschaltung 60 weitergeleitet werden, um zur
Einsicht und Analyse auf einem Monitor 62 wiedergegeben
zu werden. Während
an den Bilddaten vor der Betrachtung Arbeitsschritte ausgeführt werden
können,
dient der Monitor 62 zu einem gewissen Zeitpunkt dazu,
um von den gesammelten Bilddaten abgeleitete, rekonstruierte Bilder
zu betrachten. Die Bilder können
auch in Kurz- oder Langzeitspeichereinrichtungen gespeichert werden,
die mit Blick auf das Bildgebungssystem 34 lokal sein können, z.
B. sich in dem Systemsteuerungsschaltkreis 40 befinden
können, oder
von dem Bildgebungssystem 34 entfernt, z. B. in Bildarchivierungskommunikationssystemen,
angeordnet sein können.
Die Bilddaten können
außerdem,
beispielsweise über
ein Netzwerk, zu entfernt angeordneten Orten übertragen werden.
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Zur
Vereinfachung der Darstellung sind gewisse Teile der oben erörterten
Schaltung, z. B. der Bewegungs- und Steuerschaltkreis 42,
die Datenakquisitionsschaltung 44, die Verarbeitungsschaltung 46 und
die Displayschaltung 60 als ein Teil des Systemsteuerungsschaltkreises 40 dargestellt
und erörtert.
Eine derartige Darstellung und Erörterung dient jedoch nur dem
Zweck der Veranschaulichung und soll lediglich eine von mehreren
möglichen
Anordnungen dieser Schaltung in einer leicht verständlichen
Weise beispielhaft darstellen. Dem Fachmann wird klar sein, dass
die dargestellte Schaltung in weiteren Ausführungsbeispielen in anderen
Anordnungen und/oder an anderen Positionen vorgesehen sein kann.
Beispielsweise können
gewisse Schaltkreise in verschiedenen prozessorgestützten Systemen
oder Workstations oder als integrale Bestandteile vorgesehen sein,
die anderen Strukturen, z. B. Bildgebungsworkstations, Systemsteuerungspaneelen, und
so fort hinzugefügt
sind, die funktionsmäßig Daten
austauschen, um die im Vorliegenden beschriebenen Techniken zu verwirklichen.
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Der
Betrieb des Bildgebungssystems 34 kann durch eine Bedienperson über eine
Benutzerschnittstelle 52 gesteuert wer den, die vielfältige Benutzereingabeeinrichtungen
aufweisen kann, beispielsweise eine Maus, eine Tastatur, einen Touch-Screen, und so fort.
Eine derartige Benutzerschnittstelle kann dazu eingerichtet sein,
wie dargestellt, Eingangssignale und Steuerbefehle an den Systemsteuerungsschaltkreis 40 auszugeben.
Darüber
hinaus ist zu beachten, dass mehr als nur eine Benutzerschnittstelle 52 vorgesehen
sein kann. Dementsprechend kann ein Bildgebungsscanner oder eine
Arbeitsstation eine Schnittstelle aufweisen, die ein Einstellen
der an dem Bilddatenakquisitionsverfahren beteiligten Parameter
erlaubt, wohingegen eine andere Benutzerschnittstelle für die Bearbeitung,
Verfeinerung und Betrachtung von sich ergebenden rekonstruierten
Bildern vorgesehen sein kann.
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Um
die Erfindung näher
zu erläutern,
ist in 4 eine im Allgemeinen auf der in 3 erläuterten
Architektur des Gesamtsystem basierende spezielle medizinische Bildgebungsmodalität dargestellt,
die im Wesentlichen ein auf Röntgenstrahlung
basierendes System 70 repräsentiert. Es ist zu beachten,
dass die vorliegende Erfindung, während in 4 auf
ein auf Röntgenstrahlung
basierendes System Bezug genommen wird, wie oben erörtert, auch
andere Bildgebungsmodalitäten
einschließt,
z. B. MRI, PET, SPECT, Ultraschall, und so fort.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
veranschaulicht 4 schematisch ein auf Röntgenstrahlung
basierendes Bildgebungssystem 70 zum Akquirieren und Verarbeiten
von Bilddaten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Bildgebungssystem 70 ein
Computertomographie-(CT)-System oder ein 3D-Röntgenbildgebungssystem, das
dazu eingerichtet ist, Röntgenprojektionsdaten
zu akquirieren, um die Projektionsdaten zu einem zwei- oder dreidimensionalen
Bild zu rekonstruieren und das Bild für eine Anzeige auf einem Display
und ein Analyse gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verarbeiten. In dem in 4 veranschaulichten
Ausführungsbeispiel,
enthält
das auf Röntgenstrahlung
basierende Bildgebungssystem 70 eine benachbart zu einem
Kollimator 74 angeordnete Röntgenstrahlenquelle 72.
Die Röntgenstrahlenquelle 72 kann auf
einer standardmäßigen Röntgenröhre oder
auf einer oder mehreren monolithischen Röntgenstrahlenquellen basieren.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
erlaubt der Kollimator 74 einem Strahlungsbündel 76 in
einen Bereich zu gelangen, in dem ein Patient, z. B. der Patient 38,
positioniert ist. Das Strahlungsbündel 76 kann in Abhängigkeit
von der Konfiguration der Detektormatrix sowie des gewünschten
Verfahrens der Datenakquisition im Wesentlichen fächerförmig oder
konusförmig
geformt sein. Ein Teil der Strahlung 78 durchquert den
Patienten 38 oder verläuft
an diesem vorbei und fällt
auf eine im Allgemeinen mit Bezugszeichen 80 dargestellte
Detektormatrix. Detektorelemente der Matrix erzeugen elektrische
Signale, die die Intensität
des einfallenden Röntgenstrahls
kennzeichnen. Die durch die Detektormatrix 80 erzeugten
Signale können
anschließend
verarbeitet werden, um eine visuelle Darstellung (d. h. ein Bild
oder eine volumetrische Darstellung) der Merkmale im Innern des
Patienten 38 zu rekonstruieren. Beispielsweise können Bilder
des inneren Organs 24 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
rekonstruiert werden.
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Vielfältige Konfigurationen
des Detektors 80 können
in Verbindung mit den hier beschriebenen Techniken verwendet werden.
Beispielsweise kann der Detektor 80 ein mehrzeiliger Detektor
sein, beispielsweise ein acht oder sechzehn Zeilen von Detektorelementen
aufweisender Detektor, der einen begrenzten longitudinalen Überstreichungsbereich
des gescannten Objekts bzw. des Patienten erreicht. In ähnlicher
Weise kann der Detektor 80 ein Flächendetektor sein, beispielsweise
ein Hunderte von Zeilen von Detektorelementen aufweisender, hochauflö sender radiographischer
Detektor, der ein Positionieren des abzubildenden gesamten Objekts
oder Organs innerhalb des Sichtfelds des Systems 70 ermöglicht.
Unabhängig
von der Konfiguration gestattet der Detektor 80 eine Akquisition
und/oder Messung der in der Bildrekonstruktion des inneren Organs 24 verwendeten
Daten.
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Die
Quelle 72 wird durch einen Systemcontroller 84 gesteuert,
der sowohl Leistungs- als auch Steuersignale für Untersuchungsvorgänge bereitstellt.
Darüber
hinaus ist der Detektor 80 an den Systemcontroller 84 angeschlossen,
der die Akquisition der in dem Detektor 80 erzeugten Signale
steuert. Der Systemcontroller 84 kann außerdem unterschiedliche
Signalverarbeitungs- und Filterfunktionen, z. B. für ein anfängliches
Einstellen von Dynamikbereichen, Verschachteln digitaler Bilddaten,
und so fort ausführen.
Im Allgemeinen steuert der Systemcontroller 84 den Betrieb
des Bildgebungssystems 70, um Untersuchungsprotokolle auszuführen, und
um akquirierte Daten zu verarbeiten. Im vorliegenden Zusammenhang
enthält
der Systemcontroller 84 ferner eine gewöhnlich auf einem universellen
oder anwendungsspezifischen digitalen Rechner basierende Signalverarbeitungsschaltung,
zugeordnete Speicherschaltungen zum Speichern von Programmen und
Routinen, die durch den Computer ausgeführt werden (beispielsweise
Programme und Routinen zur Durchführung der vorliegenden Erfindung),
sowie Konfigurationsparameter und Bilddaten, Interfaceschaltkreise,
und so fort.
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In
dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Systemcontroller 84 mit
einem Linearpositionierungssubsystem 86 und einem Rotationssubsystem 88 verbunden.
Das Rotationssubsystem 88 gestattet es, die Röntgenstrahlenquelle 72,
den Kollimator 74 und den Detektor 80 ein oder
mehrere Male um den Patienten 38 rotieren zu lassen. Es
ist zu beachten, dass das Rotationssubsystem 88 eine Gantry-
oder C-Arm-Vorrichtung enthalten könnte. Der Systemcontroller 84 kann
somit verwendet werden, um die Gantry oder den C-Arm zu steuern.
Das Linearpositionierungssubsystem 86 ermöglicht es
gewöhnlich,
eine Patientenstütze,
beispielsweise einen Tisch, auf dem der Patient ruht, linear zu
verschieben. Auf diese Weise kann der Patiententisch bezüglich der
Gantry oder des C-Arms linear bewegt werden, um Bilder von speziellen
Bereichen des Patienten 38 zu erzeugen.
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Darüber hinaus
kann die Strahlungsquelle 72, wie für den Fachmann ersichtlich,
durch einen in dem Systemcontroller 84 angeordneten Röntgenstrahlcontroller 90 geregelt/gesteuert
werden. Insbesondere kann der Röntgenstrahlcontroller 90 dazu
eingerichtet sein, Leistungs- und Zeittaktsignale an die Röntgenstrahlenquelle 72 auszugeben.
Ferner kann in dem Systemcontroller 84 ein Antriebscontroller 92 integriert
sein und dazu verwendet werden, die Bewegung des Rotationssubsystems 88 und
des Linearpositionierungssubsystems 86 zu steuern.
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Weiter
ist der Systemcontroller 84 außerdem unter Einbeziehung eines
Bilddatenakquisitionssystems 94 veranschaulicht. In diesem
Ausführungsbeispiel
ist der Detektor 80 an den Systemcontroller 84,
und insbesondere an das Bilddatenakquisitionssystem 94 angeschlossen.
Das Bilddatenakquisitionssystem 94 nimmt Daten auf, die
durch eine Ausleseelektronik des Detektors 80 gesammelt
sind. Das Bilddatenakquisitionssystem 94 nimmt gewöhnlich von
dem Detektor 90 stammende abgetastete analoge Signale auf
und wandelt die Daten in digitale Signale um, um diese anschließend durch
eine Verarbeitungsschaltung 96 zu verarbeiten, die beispielsweise
auf einem oder mehreren Prozessoren eines universellen oder anwendungsspezifischen
Computers basieren kann.
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Wie
dargestellt, enthält
der Systemcontroller 84 ferner ein Positions-/Orientierungsdatenakquisitionssystem 100,
das dazu eingerichtet ist, von einer oder mehreren Antennen 102 Positions-
und Orientierungsdaten zu akquirieren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
erfassen die eine oder die mehreren Antennen 102 Signale
und/oder Felder, die durch Sensorelemente 16 auf einem
Substrat 10 erzeugt werden, das an dem einer Bildgebung
unterworfenen inneren Organ 24 angeordnet ist. Das Positions-/Orientierungsdatenakquisitionssystem 100 verarbeitet
von den Antennen 102 her akquirierte Signale, um Positions-
und/oder Orientierungsdaten zu erzeugen, die das Substrat 10 betreffen,
das das innere Organ 24 repräsentiert. Die durch das Positions-/Orientierungsdatenakquisitionssystem 100 erzeugten
Positions- und/oder Orientierungsdaten können an die Verarbeitungsschaltung 96 und/oder
einen Arbeitsspeicher 98 zur anschließenden Verarbeitung ausgegeben
werden.
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Die
Verarbeitungsschaltung 96 ist gewöhnlich mit dem Systemcontroller 84 verbunden.
Die durch das Bilddatenakquisitionssystem 94 und/oder durch
das Positions-/Orientierungsdatenakquisitionssystem 100 gesammelten
Daten können
an die Verarbeitungsschaltung 96 übertragen werden, um anschließend verarbeitet und
visuell rekonstruiert zu werden. Die Verarbeitungsschaltung 96 kann
einen Arbeitsspeicher 98 enthalten (oder mit einem solchen
Daten austauschen), der in der Lage ist, durch die Verarbeitungsschaltung 96 verarbeitete
Daten oder durch die Verarbeitungsschaltung 96 zu verarbeitende
Daten zu speichern. Es ist selbstverständlich, dass ein derartiges
exemplarisches System 70 eine beliebige Bauart einer rechnerzugänglichen Speichereinrichtung
verwenden kann, die in der Lage ist, die gewünschte Menge von Daten und/oder
Programmcode zu speichern. Darüber
hinaus kann der Arbeitsspeicher 98 eine oder mehrere gegenüber dem System 70 möglicherweise
lokal und/oder entfernt angeordnete Speichereinrichtungen, z. B.
mag netische oder optische Vorrichtungen, ähnlicher oder unterschiedlicher
Bauarten enthalten. Der Arbeitsspeicher 98 kann Daten,
Verarbeitungsparameter und/oder Computerprogramme speichern, die
eine oder mehrere Programmroutinen beinhalten, um die hier beschriebenen
Prozesse durchzuführen.
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Die
Verarbeitungsschaltung 96 kann geeignet konstruiert sein,
um Merkmale, d. h. Scanvorgänge
und Datenakquisition, zu steuern, die durch den Systemcontroller 84 aktiviert
werden. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltung 96 dazu
eingerichtet sein, von einem Anwender Steuerbefehle und Scanparameter über eine
Bedienerschnittstelle 106 aufzunehmen, die gewöhnlich mit
einer Tastatur und sonstigen Eingabegeräten ausgerüstet ist (nicht gezeigt). Eine
Bedienperson kann dadurch das System 70 über die
Eingabegeräte
steuern. Ein mit der Bedienerschnittstelle 106 verbundenes
Display 108 kann verwendet werden, um eine rekonstruierte
visuelle Darstellung zu beobachten. Darüber hinaus kann das rekonstruierte
Bild auch auf einem möglicherweise
mit der Bedienerschnittstelle 106 verbundenen Drucker 110 ausgedruckt
werden. Es ist klar, dass mit dem System 70 eine oder mehrere
Bedienerschnittstellen 106 zum Ausgeben von Systemparametern,
Anfordern von Untersuchungen, Betrachten von Bildern, und so fort,
verbunden sein können.
Im Allgemeinen können
Anzeigeschirme, Drucker, Workstations und innerhalb des Systems
vorgesehene vergleichbare Vorrichtungen in der Nähe der Datenakquisitionskomponenten
angeordnet sein oder können
entfernt von diesen Komponenten, z. B. innerhalb einer Institution
oder Klinik an einer anderen Stelle, oder über ein oder mehrere konfigurierbare
Netzwerke, z. B. das Internet, virtuelle private Netze, und so fort,
mit dem Bildakquisitionssystem verbunden an einem vollkommen anderen
Ort angeordnet sein.
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Die
Verarbeitungsschaltung 96 kann auch mit einem Bildarchivierungs-
und Datenkommunikationssystem (PACS = Picture Archiving and Communications
System) 112 verbunden sein. Durch die Verarbeitungsschaltung 96 erzeugte
oder verarbeitete Bilddaten können
an das PACS 112 übertragen
und darauf gespeichert werden, um anschließend verarbeitet oder durchgesehen
zu werden. Es ist zu beachten, dass das PACS 112 mit einem
entfernt angeordneten Client 114, einem Informationssystem
einer radiologischen Abteilung (RIS = Radiology Department Information
System), einem klinischen Datenkommunikationssystem (HIS = Hospital
Information System) oder einem internen oder externen Netzwerk verbunden
sein könnte,
so dass weitere Personen an unterschiedlichen Orten auf die Bilddaten
zugreifen können.
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Die
oben beschriebenen Systeme und Vorrichtungen können, wie im Vorliegenden beschrieben,
verwendet werden, um eine dynamische Referenzierung für einen
Bereich eines Patienten vorzusehen, der einem invasiven Verfahren,
beispielsweise einem offenen oder laparoskopischen chirurgischen
Verfahren, unterworfen wird. In einem Ausführungsbeispiel können dynamisch
akquirierte Positions- und Orientierungsdaten unter Verwendung des
Substrats 10 und der zugeordneten Sensorelemente 16 für den Bereich
des Patienten akquiriert werden, und die Daten können automatisch mit parallel
oder zuvor akquirierten Bilddaten ohne den Einsatz von anatomischen
oder Bezugsmarkierungen zur Deckung gebracht werden. Somit kann
das chirurgische Verfahren auf der Grundlage der dynamisch referenzierten
visuellen Darstellung ausgeführt
oder geführt
werden.
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Beispielsweise
sind mit Bezug auf 5 exemplarische Schritte vorgesehen,
die einer Verwirklichung der vorliegenden Erfindung entsprechen.
In der in 5 dargestellten Ausführungsform
werden die Bilddaten 122 vor dem invasiven Verfahren akquiriert
(Block 120). Wie oben erwähnt, können die Bilddaten 122 mittels eines
oder mehrerer geeigneter Bildgebungsmodalitäten, z. B. dreidimensionaler
Röntgendurchleuchtung,
CT, MRI, und so fort, akquiriert werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die Bilddaten 122 verwendet, um eine oder mehrere
visuelle Zeichnungen, z. B. Bilder oder Volumina 126, des
inneren Organs 24 (siehe 2) oder
des interessierenden Bereichs zu erzeugen (Block 124).
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Die
Bilder oder Volumina 126 sind (Block 128) in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
segmentiert, um eine oder mehrere segmentierte Regionen 130 zu
schaffen. Ein derartiges Segmentierungsverfahren identifiziert gewöhnlich Pixel
oder jene Abschnitte eines Bildes, die gemeinsame Strukturen, z.
B. Organe oder Gewebe, repräsentieren.
Beispielsweise kann ein Segmentierungsverfahren (beispielsweise
durch Änderungen der
Intensität
oder sonstiger Schwellwertkriterien) Flächen oder Begrenzungen identifizieren,
die ein Organ oder Gewebe definieren. Auf diese Weise ist es möglich, sämtliche
jener Pixel, die entsprechende Organe oder Gewebe, Abschnitte solcher
Organe oder Gewebe, oder gegenüber
solchen Organen oder Geweben unmittelbar benachbarte oder damit
verbundene Regionen darstellen, zu identifizieren und voneinander
zu unterscheiden, was es erlaubt, lediglich diejenigen Abschnitte
eines Bildes zu verarbeiten oder zu analysieren, die den interessierenden
Organen oder Geweben zugeordnet sind.
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Die
Bilder oder Volumina 126 können mittels bekannter Segmentierungstechniken,
z. B. Intensitäts- und/oder
Volumenschwellwertoperation, Konnektivitätsgruppierung, und so fort,
segmentiert werden. In einem Ausführungsbeispiel erlaubt es die
Segmentation, das Organ, Gewebe oder den interessierenden Bereich
geometrisch nachzuahmen. In einem Ausführungsbeispiel entspricht der
segmentierte Bereich dem inneren Organ 24 oder einer sonstigen
Struktur, auf der das Substrat 10 (siehe 1 und 2)
für eine
dynamische Referenzierung angeordnet ist. Während die dargestellten Schritte
ein Ausführungsbeispiel
beschreiben, in dem anhand der akquirierten Bilddaten 122 erzeugte
Bilder oder Volumina 126 segmentiert werden, kann die Segmentation
in weiteren Ausführungsbeispielen
an den Bilddaten 122 selbst ausgeführt werden, wobei die segmentierten
Bilddaten anschließend
verwendet werden, um Bilder oder Volumina des inneren Organs 24 oder
des interessierenden Bereichs zu erzeugen. Basierend auf dem segmentierten
Bild oder Volumen des inneren Organs, d. h. dem segmentierten Bereich 130,
wird ein Modell 134 des Bereichs erzeugt (Block 132), das
dem inneren Organ 24 oder einem sonstigen interessierenden
Bereich, wie er sich anhand des Bildgebungsvorgangs bestimmen lässt, im
Wesentlichen entspricht.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
kann das Bereichsmodell 134 Bilddaten verkörpern, die
mittels mehr als einer Bildgebungsmodalität akquiriert wurden. Beispielsweise
kann es in einigen Ausführungsbeispielen
erwünscht
sein, Bilddaten zu verwenden, die sowohl von einem MRI-System als
auch von einem auf Röntgenstrahlung
basierenden Bildgebungssystem, beispielsweise einem dreidimensionalen
Röntgendurchleuchtungssystem,
abgeleitet sind. In einem solchen Ausführungsbeispiel können die
durch beide Systeme akquirierten Signale, wie weiter unten erläutert, zur
Deckung gebracht werden, so dass die zusammengeführten Bilder und/oder Volumina 126,
der segmentierte Bereich 130 und/oder das Bereichsmodell 134 die
durch die jeweilige Bildgebungsmodalität akquirierten Bilddaten enthalten/enthält oder
dafür kennzeichnend
sind/ist.
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Während des
an dem inneren Organ 24 (oder einem sonstigen interessierenden
Bereich) durchgeführten
invasiven Verfahrens wird das Substrat 10 an dem inneren
Organ 24 angeordnet (Block 140). Wie oben erwähnt, weist
das Substrat 10 wenigstens drei Sensorelemente 16 auf.
Die Sensorelemente 16 erzeugen entsprechende Signale (beispielsweise
entsprechende elektromagnetische Felder), die akquiriert (Block 142) oder
gemessen werden können,
um Positions- und/oder Orientierungsdaten 144 für jedes
entsprechende Sensorelement 16 abzuleiten. Die Positions- und/oder Orientierungsdaten 144 können genutzt
werden, um ein Referenzmodell 148 zu erzeugen (Block 146),
das die Oberfläche
des inneren Organs 24 repräsentiert.
-
Das
aus den Positions- und/oder Orientierungsdaten 144 abgeleitete
Referenzmodell 148 wird mit dem mittels des Bildgebungsvorgangs
erzeugten Bereichsmodell 134 zur Deckung gebracht (Block 150).
In einem Ausführungsbeispiel
wird das Zurdeckungbringen des Referenzmodells 148 und
des Bereichsmodells 134, z. B. mittels iterativer Techniken
größter Annäherung,
automatisch durchgeführt.
Auf diese Weise werden die Sensorelemente 16 des Substrats 10 automatisch
mit der Oberfläche
des inneren Organs 24, z. B. der Leber, zur Deckung gebracht.
Es ist klar, dass mit einem Wachsen der Anzahl der auf dem Substrat 10 vorhandenen
Sensorelemente 16 die Robustheit und Genauigkeit des automatischen
Zurdeckungbringens steigt. Darüber
hinaus kann in Ausführungsbeispielen,
bei denen die Sensorelemente 16 auf einem Substrat 10 integriert
sind, das sich an das innere Organ 24 anpasst, eine weiche
Gewebeverformung des inneren Organs 24, während sich
das Substrat 10 anpasst, um eine Bewegung oder Verformung
des inneren Organs 24 mitzumachen, durch die Sensorelemente 16 erfasst
werden. In einem solchen Ausführungsbeispiel
kann ein deformierbares Zurdeckungbringen verwendet werden, um zwischen
den Sensorelementen 16 auf dem sich bewegenden oder verformenden
inneren Organ 24 und den entsprechenden Bildern oder Volumina
Entsprechungen zu finden. Mit anderen Worten, es kann ein deformierbares
Zurdeckungbringen verwendet werden, um es zu ermöglichen, die Sensorelemente 16 mit
den entsprechenden Bildern oder Volumina selbst dann zur Deckung zubringen,
wenn sich das innere Organ 24 in dem Zeitraum zwischen
der Akquisition der Bilddaten 122 und der Akquisition der
Positions- und/oder Orientierungsdaten 144 möglicherweise
bewegt oder geringfügig
verformt hat.
-
Ein
bildgebend geführtes
invasives Verfahren kann unter Verwendung des zur Deckung gebrachten (auf
den Positions- und/oder
Orientierungsdaten basierenden) Referenzmodells 148 und
des (auf den Bilddaten basierenden) Bereichsmodells 134 ausgeführt werden.
Insbesondere können Änderungen
der Positions- und/oder Orientierungsdaten, wenn die zuvor akquirierten,
auf Bildgebung basierenden Daten bzw. das Modell mit den gemessenen
Positions- und/oder Orientierungsdaten zur Deckung gebracht sind,
genutzt werden, um Veränderungen
an dem auf Bildgebung basierenden Modell visuell anzuzeigen. Mit
anderen Worten, ein angezeigtes Bild des inneren Organs 24 kann
auf der Grundlage der von den an dem inneren Organ 24 angeordneten
Sensorelementen 16 gewonnenen, aktuellsten Positions- und/oder
Orientierungsdaten aktualisiert, modifiziert, abgeändert oder
in sonstiger Weise verändert
werden. Auf diese Weise können
die zuvor akquirierten Bilddaten, selbst wenn keine Bildgebungsvorgänge während der
Operation stattfinden, aktualisiert und bearbeitet werden, um eine
genaue und aktuelle Wiedergabe des dem Verfahren unterworfenen inneren
Organs (oder des sonstigen inneren Bereichs) zu erzeugen.
-
Basierend
auf diesem Zurdeckungbringen zwischen dem (von den Bilddaten abgeleiteten)
Bereichsmodell 134 und dem (von den Sensorelementdaten
abgeleiteten) Referenzmodell 148 kann ein chirurgisches Instrument
während
eines invasiven Verfahrens, beispielsweise eines offenen oder laparoskopischen
chirurgischen Verfahrens, verfolgt werden (Block 152).
Beispiele solcher chirurgischer Instrumente, die verfolgt werden
können,
sind Biopsienadeln, Katheter, Ablationsnadeln, Zangen, und so fort.
Gewöhnlich
weist das zu verfolgende chirurgische Instrument ebenfalls ein Sensorelement 16,
z. B. einen EM-Sensor, auf, so dass auch für das chirurgische Instrument
Positions- und/oder
Orientierungsdaten akquiriert werden, wodurch es ermöglicht wird,
die Position des chirurgischen Instruments in Verbindung mit dem
zur Deckung gebrachten Bild des sich bewegenden und/oder verformten
inneren Organs 24 auf einem Display wiederzugeben. Auf
diese Weise kann ein System, wie es hier beschrieben ist, einem
Benutzer die Position der chirurgischen Vorrichtung bezüglich des
bewegten und/oder verformten inneren Organs 24 in Echtzeit
oder weitgehend in Echtzeit auf einem Bildschirm wiedergeben.
-
Während im
Vorausgehenden ein Ausführungsbeispiel
beschrieben ist, bei dem das Bildgebungsverfahren vor dem chirurgischen
Verfahren durchgeführt
wird, wird das Bildgebungsverfahren in anderen Ausführungsbeispielen
zeitgleich mit dem chirurgischen Verfahren ausgeführt. Beispielsweise
sind mit Bezug auf 6 Schritte veranschaulicht,
die einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zugeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel
werden die auf einem Substrat 10 integrierten Sensorelemente 16, beispielsweise
mittels eines offenen chirurgischen oder laparoskopischen Verfahrens,
an dem interessierenden inneren Organ 24 angeordnet. Für die auf
der Oberfläche
des inneren Organs 24 angeordneten Sensorelemente 16 werden
Positions- und/oder Orientierungsdaten 158 akquiriert (Block 156).
Beispielsweise lassen sich in Ausführungsbeispielen, bei denen
die Sensorelemente 16 elektromagnetische Signale oder Felder
erzeugen, diese Signale oder Felder, z. B. mittels eines oder mehrerer
Antennenfelder, wie oben beschrieben, nachweisen und/oder messen,
um für
jedes entsprechende Sensorelement 16 eine Position und/oder
Orientierung abzuleiten.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
werden Bilddaten 122 akquiriert (Block 120) und
verwendet, um ein oder mehrere Bilder und/oder Volumina 126 zu
erzeugen (Block 124). Einige oder sämtliche Sensorelemente 16 werden
in den Bildern und/oder Volumina 126 angeordnet (Block 162),
so dass die Positionsdaten 164 für die entsprechenden Sensorelemente 16 relativ
zu den Bildern/Volumina 126 gewonnen werden. In einem Ausführungsbeispiel
werden die Sensorelemente 16 automatisch in den Bildern/Volumina 126 angeordnet.
Beispielsweise können
die Sensorelemente 16 unter Verwendung von Bildverarbeitungstechniken
wie Intensitäts-
und/oder Volumenschwellwertoperation, Konnektivitätsgruppierung,
Matrizenabgleich, und so fort automatisch angeordnet werden. Darüber hinaus
sind in einigen Ausführungsbeispielen
die Positionen der Sensorelemente 16 relativ zueinander
basierend auf den durch die Sensorelemente 16 erzeugten,
gemessenen Signalen oder Feldern bekannt. Diese von den Sensoren
abgeleiteten Positionsdaten 158 können genutzt werden, um die
Sensorelemente 16 in den Bildern und/oder Volumina 126 aufzufinden.
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Wenn
einige oder sämtliche
Sensorelemente 16 in den Bildern und/oder Volumina identifiziert
sind, können
die Positionen 164 der in den Bildern und/oder Volumina
angeordneten Sensorelemente 16 mit den entsprechenden Sensorelementpositionen,
wie sie anhand der Sensorpositionsdaten 158 ermittelt wurden, abgeglichen
werden (Block 166). Mit anderen Worten, die in den Bildern
und/oder Volumina angeordneten Sensorelemente 16 werden
mit den entsprechenden, durch die Sensorelemente 16 erzeugten
Sensorelementsignalen und/oder -feldern abgeglichen. In einem Ausführungsbeispiel
kann dies durch den Einsatz eines asymmetrischen Musters von Sensorelementen 16 auf
dem Substrat 10 erleichtert werden. In einer Abwandlung
können
in einem Ausführungsbeispiel
ausreichend viele (d. h. vier oder mehr) Sensorelemente 16 vorgesehen
sein, so dass sämtliche
möglichen Übereinstimmungen
permutiert werden können,
und diejenige Übereinstimmung,
die die geringste Überdeckungsabweichung
erzeugt, wird als die zutreffende Übereinstimmung oder Entsprechung
ausgewählt.
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Basierend
auf den errichteten oder möglichen
Entsprechungen werden die mittels der Sensordaten und der Bildgebungsdaten
abgeleiteten Sensorelementpositionen zur Deckung gebracht (Block 168).
Wie oben erwähnt,
können
in einigen Ausführungsbeispielen
das Zurdeckungbringen und die Errichtung der Entsprechungen in der
Tat voneinander abhängen,
d. h. die Überdeckungsabweichungen,
die verschiedenen möglichen Übereinstimmungen
zugeordnet sind, können
genutzt werden, um die zutreffende Entsprechung auszuwählen. In
einem Ausführungsbeispiel
wird der Flächenschwerpunkt
jedes Sensorelements 16, wie er in den Bildern und/oder
Volumina ermittelt wurde, mit dem entsprechenden Sensorelementsignal
in den von den Sensorelementen 16 abgeleiteten Positionsdaten
zur Deckung gebracht. In gewissen Ausführungsbeispielen kann das Zurdeckungbringen
mittels iterativer Optimierungstechniken oder einer geschlossenen
analytischen Lösung
erreicht werden. Um ein eindeutiges Zurdeckungbringen zu erzielen,
ist es in speziellen Ausführungsbeispielen,
wie oben erwähnt,
im Allgemeinen gewünscht,
dass die drei oder mehr Sensorelemente nicht auf oder in Nähe einer
Geraden angeordnet sind.
-
Wenn
die Sensorelemente 16 sowohl in dem Sensorraum (beispielsweise
elektromagnetischen Raum) als auch in dem Bildraum zur Deckung gebracht
sind, kann das interventionelle Verfahren mittels des dynamischen
Verfolgens des inneren Organs auf der Grundlage der von den Sensorelementen 16 stammenden
Signale ausgeführt
werden. Es wird beispielsweise möglicherweise
keine weitere Bildgebung ausgeführt, oder
es werden die Bilddaten lediglich sporadisch aktualisiert, wobei
andere Aktualisierun gen an den in dem interventionellen Verfahren
verwendeten Bildern auf der kontinuierlichen, im Wesentlichen in
Echtzeit durchgeführten
Verfolgung der Sensorelemente 16 begründet werden. Auf diese Weise
können
die angezeigten Bilder, selbst wenn während der Operation überhaupt
keine Bildgebung oder eine solche lediglich sporadisch durchgeführt wird,
aktualisiert und bearbeitet werden, um eine genaue und aktuelle
Wiedergabe des dem Verfahren unterworfenen inneren Organs 24 (oder
eines sonstigen inneren Bereichs) zu erzeugen.
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In
einer Verwirklichung kann ein chirurgisches Instrument während eines
invasiven Verfahrens, beispielsweise eines offenen oder laparoskopischen
chirurgischen Verfahrens, unter Verwendung von Bildern verfolgt
werden (Block 152), die auf der Grundlage der von den Sensorelementen
abgeleiteten Positionsdaten und des Zurdeckungbringens dieser Signale
mit dem Bild und/oder Volumina 126 aktualisiert sind. Zu
Beispielen solcher chirurgischer Instrumente, die verfolgt werden
können,
gehören
Biopsienadeln, Katheter, Ablationsnadeln, Zangen, und dergleichen.
Gewöhnlich
weist das zu verfolgende chirurgische Instrument ebenfalls ein Sensorelement 16 auf,
z. B. einen EM-Sensor, so dass auch für das chirurgische Instrument
Positions- und/oder
Orientierungsdaten akquiriert werden, wodurch ermöglicht wird,
die Position des chirurgischen Instruments in Verbindung mit dem
Bild, das mittels der für
die Sensorelemente 16 gewonnenen Positionsdaten aktualisiert
ist, auf einem Display wiederzugeben. Auf diese Weise kann ein System,
wie es hier beschrieben ist, einem Benutzer die Position des chirurgischen
Instruments bezüglich
des bewegten und/oder verformten inneren Organs 24 in Echtzeit
oder weitgehend in Echtzeit auf einem Bildschirm wiedergeben.
-
Während im
Vorliegenden lediglich spezielle Merkmale der Erfindung veranschaulicht
und beschrieben wurden, erschließen sich dem Fachmann viele
Abwandlungen und Veränderungen.
Es ist daher selbstverständlich,
dass die beigefügten
Patentansprüche
sämtliche
Abwandlungen und Veränderungen
abdecken sollen, die in den wahren Schutzbereich der Erfindung fallen.
-
Geschaffen
ist ein Substrat
10, das dazu eingerichtet ist, an einem
inneren Organ
24 oder Gewebe angebracht zu werden. In speziellen
Ausführungsbeispielen
passt sich das Substrat
10 an das innere Organ
24 oder
Gewebe an und bewegt sich mit diesem. Auf dem Substrat
10 sind
drei oder mehr Sensorelemente
16 integriert. In einem Ausführungsbeispiel
erzeugen das Substrat
10 und die zugeordneten Sensorelemente
16 eine
dynamische Referenzierung des inneren Organs
24 oder Gewebes,
nach einem Zurdeckungbringen der Sensordaten mit Bildern und/oder
volumetrischen Darstellungen
126 des inneren Organs
24 oder
Gewebes. ELEMENTELISTE
| 10 | Biokompatibles
Substrat |
| 16 | Sensorelemente |
| 18 | Elektrisch
leitfähiges
Element |
| 20 | Chirurgische
Gaze |
| 24 | Inneres
Organ |
| 26 | Läsion |
| 30 | Nadel |
| 34 | Bildgebungssystem |
| 36 | Bildwandler |
| 38 | Patient |
| 40 | Systemsteuerungsschaltkreis |
| 42 | Bewegungs-
und Steuerschaltkreis |
| 44 | Datenakquisitionsschaltung |
| 46 | Datenverarbeitungsschaltung |
| 48 | Chirurgische
Inzision |
| 50 | Elektrisch
leitende Drähte |
| 52 | Kraftstromkreis |
| 54 | Antennen |
| 56 | Empfängerschaltkreis |
| 60 | Displayschaltung |
| 62 | Monitor |
| 64 | Benutzerschnittstelle |
| 70 | Auf
Röntgenstrahlung
basierendes System |
| 72 | Röntgenstrahlungsquelle |
| 74 | Kollimator |
| 76 | Strahlungsbündel |
| 78 | Teil
der Strahlung |
| 80 | Detektor |
| 84 | Systemcontroller |
| 86 | Linearpositionierungssubsystem |
| 88 | Rotationssubsystem |
| 90 | Röntgenstrahlcontroller |
| 92 | Antriebscontroller |
| 94 | Bilddatenakquisitionssystem |
| 96 | Verarbeitungsschaltung |
| 98 | Arbeitsspeicher |
| 100 | Positions-/Orientierungsdatenakquisitionssystem |
| 102 | Antennen |
| 106 | Anwenderschnittstelle |
| 108 | Display |
| 110 | Drucker |
| 112 | PACS |
| 114 | Entfernt
angeordneter Client |
| 120 | Bilddaten |
| 122 | Akquisition
von Bilddaten |
| 124 | Erzeugung
von Bildern und Volumina |
| 126 | Bilder
und Volumina |
| 128 | Segmentierung
von interessierendem Bereich |
| 130 | Segmentierter
Bereich |
| 132 | Erzeugung
von Formmodell des Bereichs |
| 134 | Bereichsmodell |
| 140 | Anordnen
von Substrat auf innerem Organ |
| 142 | Akquisition
von Positions- und/oder Orientierungsdaten für Sensorelemente |
| 144 | Positions-/Orientierungsdaten |
| 146 | Erzeugung
eines Formmodells mit anpassbarem Bezug |
| 148 | Referenzmodell |
| 150 | Zurdeckungbringen
von Referenz- und Bereichsmodell |
| 152 | Verfolgung
von chirurgischem Instrument |
| 156 | Akquisition
von Positions- und/oder Orientierungsdaten für Sensorelemente |
| 158 | Positions-/Orientierungsdaten
(Sensor) |
| 162 | Lokalisierung
von Sensorelementen in den Bildern oder Volumina |
| 164 | Positionsdaten
(Bild) |
| 166 | Abgleich
von Sensorkomponenten innerhalb von bild- und sensorbegründeten Positionsdaten |
| 168 | Zurdeckungbringen
von Sensorkomponenten mit Bildern oder Volumina |