DE102009035948A1

DE102009035948A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung in der Medizin

Info

Publication number: DE102009035948A1
Application number: DE102009035948A
Authority: DE
Inventors: Thomas Engel; Oliver Dr. Hornung; Johannes Dr. Reinschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2010-09-16

Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Positionsbestimmung in der Medizin, beispielsweise bei einer Reposition, an. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen elektromagnetischen Feldgenerator (1), der an einem Objekt (3), beispielsweise an einem Knochenbruchfragment, lösbar fest angeordnet ist und der elektromagnetische Strahlung abgibt. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Positionsbestimmungseinheit (2), welche die von dem Feldgenerator (1) abgegebene elektromagnetische Strahlung aufnimmt und aus der aufgenommenen Strahlung die Position des Feldgenerators (1) ermittelt. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Positionen von Körperteilen, Implantaten und Instrumenten und deren Lageänderung exakt und steril ermittelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine im Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung und ein im Patentanspruch 9 angegebenes Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts in der Medizin, beispielsweise bei einer Reposition.
Unter einer Reposition bzw. unter Reponieren wird in der Medizin das Zurückbringen von Körperteilen in eine (annähernde) Normallage oder Normalstellung bezeichnet. Bei Knochenbrüchen wird unter Reponieren das Einrichten von Knochenbrüchen verstanden, bei denen Bruchfragmente nicht in der richtigen Stellung stehen. Es werden unterschieden:

– die geschlossene Reposition, bei der die Fehlstellung des Knochens durch Drücken und Ziehen ohne Operation korrigiert wird und
– die offene Reposition, bei der die Fehlstellung im Rahmen einer Operation beseitigt wird. Dabei wird die Stellung oft mittels Schrauben, Platten, Drähten, etc. fixiert.

In der Regel erfolgt eine Kontrolle der Reposition visuell mit Augenschein oder unter Zuhilfenahme einer Röntgenbildkontrollaufnahme. Spätere Fehlstellungen der reponierten Knochen sind häufig mangels einer besseren Kontrollmöglichkeit unvermeidlich. In der medizinischen Praxis kommen auch optische Triangulationsverfahren mit außerhalb des Körpers liegenden Messpunkten zum Einsatz. Nachteilig daran sind die aus dem Körper herausragenden Messpunkte sowie die schwierige Sterilität.
In dem Patentdokument US 2008/0231264 A1 wird ein magnetisches Zielverfolgungssystem („tracking system”) für Anwendungen in der Medizintechnik offenbart, bei dem ein oder mehrere Magnetfeldsensoren lokale magnetische Felder derart detektieren können, dass die Positionen der Sensoren bestimmbar sind.
Die Magnetfeldsensoren können auf Objekten, beispielsweise chirurgischen Instrumenten, angeordnet sein. Damit ist eine 6DOF („six degrees of freedom”) Zielverfolgung möglich. Dabei handelt es sich um drei Positionsparameter (XYZ) und drei Orientierungswinkel (Nick-, Roll- und Gierwinkel). Die Gesamtheit der sechs Parameter bildet das Prinzip der sechs Freiheitsgrade (6DOF).
Die nordamerikanische Firma Northern Digital Inc. (www.ndigital.com) bietet beispielsweise 6DOF-Zielverfolgungssysteme auf elektromagnetischer Basis an, deren Sensoren nur etwa so groß wie eine Bleistiftspitze sind. In 1 ist ein derartiger Sensor 30 im Größenvergleich mit einem Bleistift 32 dargestellt. Der Sensor 30 liefert Messdaten, die für eine Positionsbestimmung über eine Anschlussleitung 31 an eine nicht dargestellte Zentraleinheit abgegeben werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur verbesserten Positionsbestimmung in der Medizin anzugeben.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vorrichtung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und dem Verfahren des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst.
Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung in der Medizin mit mindestens einem elektromagnetischen Feldgenerator, der an einem Objekt lösbar fest angeordnet ist und elektromagnetische Strahlung abgibt, und mit einer Positionsbestimmungseinheit, welche die von dem Feldgenerator abgegebene elektromagnetische Strahlung aufnimmt und aus der aufgenommenen Strahlung die Position des Feldgenerators ermittelt. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Positionen von Objekten in der Medizin und deren Lageänderung exakt und steril ermittelbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung eine erste Sendespule im Feldgenerator umfassen. Dadurch ist eine 5DOF Positionsbestimmung möglich.
In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung eine zweite Sendespule im Feldgenerator umfassen. Vorteilhaft daran ist die 6DOF Positionsbestimmung.
Des Weiteren kann die zweite Sendespule senkrecht zur ersten Sendespule angeordnet sein.
Außerdem können die erste und die zweite Sendespule unterschiedliche Frequenzen abgeben. So wird eine gegenseitige Störung vermieden.
Die zweite Sendespule ermöglicht die 6DOF Auswertung.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Feldgenerator eine (wieder aufladbare) Batterie umfassen.
In einer Weiterbildung kann die Positionsbestimmungseinheit ein Spulenarray zur Bestimmung der Position des Feldgenerators umfassen. Dies bietet den Vorteil, dass Störungen durch elektrisch leitfähige Fremdkörper kompensierbar sind.
Außerdem kann das Objekt ein zu reponierendes Körperteil, ein Implantat oder ein Instrument sein.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts in der Medizin an. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– lösbar festes Anordnen mindestens eines elektromagnetischen Feldgenerators an dem Objekt,
– Abgeben von elektromagnetische Strahlung durch den Feldgenerator,
– Aufnehmen der von dem Feldgenerator abgegebenen elektromagnetischen Strahlung durch eine Positionsbestimmungseinheit und
– Ermittlung einer Position des Feldgenerators aus der aufgenommenen Strahlung.

In einer Weiterbildung des Verfahrens kann vom Feldgenerator Strahlung mit zwei unterschiedlichen Frequenzen alternierend abgegeben werden. Dadurch ist die Kenntnis eines Umschaltzeitpunkts nicht erforderlich.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Objekt ein zu reponierendes Körperteil, ein Implantat oder ein Instrument sein.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: eine Zielverfolgungssensoreinheit gemäß Stand der Technik,
2: eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung bei einer Reposition von Knochenfragmenten,
3: eine Spulenanordnung eines Feldgenerators und
4: ein Ablaufdiagramm einer Positionsbestimmung bei einer Reposition in der Medizin.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Dargestellt ist ein Teil einer Patientenliege 5, auf der ein Patient mit einem gebrochenen Oberschenkelknochen gelagert ist. Zu sehen sind lediglich das bebrochene Bein 4 des Patienten sowie zwei zu reponierende Knochenbruchfragmente 3, die sogenannten Objekte. Um die Knochenfragmente 3 optimal reponieren zu können, werden diese kurzzeitig jeweils mit einem Feldgenerator 1 als Marker versehen. Die Feldgeneratoren 1 sind daher lösbar fest mit den Knochenbruchfragmenten 3 verbunden.
Die Feldgeneratoren 1 geben elektromagnetische Strahlungen ab, die von einem Spulenarray 21 einer Positionsbestimmungs einheit 2 empfangen werden. Die vom Spulenarray 21 empfangenen Messsignale werden an eine Auswerteeinheit 22 abgegeben. In der Auswerteeinheit 22 werden die Messsignale ausgewertet und die x, y, z-Positionen der Feldgeneratoren 1 sowie ihre Orientierung/Ausrichtung in einem vorgebbaren Bezugskoordinatensystem ermittelt. Mit Hilfe der ermittelten Positionen lässt jede Veränderung der Lage der Knochenbruchfragmente 3 exakt bestimmen, wodurch das Reponieren vorteilhaft unterstützt wird. Die Änderung der Lage der Knochenbruchfragmente kann beispielsweise auf einem Bildschirm dargestellt werden.
Die Genauigkeit der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Positionsbestimmung wird durch elektrisch leitfähige Fremdkörper, beispielsweise Implantate, Instrumente oder Metallteile in der Patientenliege, beeinflusst. Durch den Einsatz eines Spulenarrays 21 werden aber redundante Messgrößen bestimmt, die eine Kompensation der Störungen durch leitfähige Fremdkörper ermöglichen und dadurch die Genauigkeit der Positionsbestimmung verbessern.
Infolge der räumlichen Ausdehnung des Spulenarrays 21 kann ermittelt werden, ob die erfassten Messwerte zum Sendefeld eines Feldgenerators 1 gehören, oder ob das Sendefeld eines Feldgenerators 1 durch andere Sender (induzierte Wirbelströme in den leitfähigen Fremdkörpern) gestört ist. Aufgrund der Eigenschaften des Spulenarrays 21, d. h. der Anzahl der verwendeten Empfangsspulen und ihrer geometrischen Anordnung, sowie der Empfindlichkeit und der Rauschzahl eines nachgeschalteten Vorverstärkers kann ein Modell des Störsenders errechnet und für eine Korrektur verwendet werden.
Für eine 5DOF Positionsbestimmung reicht eine Sendespule im Feldgenerator aus. 3 zeigt einen Feldgenerator 1, der für eine 6DOF Positionsbestimmung geeignet ist. Der Feldgenerator 1 umfasst dazu eine erste und eine zweite Sendespule 11, 12, welche zueinander senkrecht stehen. Im Zentrum der Anordnung befindet sich eine Batterie 13 zur Stromversorgung eines nicht dargestellten Funk-Generators. Vorteilhaft werden die beiden Sendespulen 11, 12 nicht gleichzeitig sondern alternierend betrieben. Um den Umschaltzeitpunkt nicht kennen zu müssen, werden die erste und die zweite Sendespule 11, 12 mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben. Die entsprechenden Resonanzfrequenzen der Sendespulen 11, 12 liegen in der Praxis zwischen einigen hundert Hertz und einigen zehn Kilohertz.
Alternativ können 5DOF oder 6DOF Sensoren 30 gemäß 1 mit den Knochenbruchfragmenten 3 verbunden werden. Die Sensoren 30 werden mit einem Funksender ausgestattet, der Messsignale drahtlos an eine Auswerteeinheit abgibt. Die Messsignale werden durch von einem Funksender einer Zentraleinheit abgegebene elektromagnetische Strahlung erzeugt.
4 zeigt das Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung. Im Schritt 100 wird ein zu behandelnder Patient mit Knochenbruch auf eine Patientenliege gebettet und narkotisiert. Im darauffolgenden Schritt 101 werden die Knochenbruchfragmente 3, die sogenannten Objekte, jeweils mit einem Feldgenerator 1, der elektromagnetische Strahlung aussenden kann, versehen. Im Schritt 102 geben die Feldgeneratoren 1 Strahlung ab, die im Schritt 103 von einer Positionsbestimmungseinheit empfangen wird. In der Positionsbestimmungseinheit werden im Schritt 104 die räumlichen Positionen der Feldgeneratoren 1 ermittelt und auf einer Anzeigeeinheit dargestellt. Beim Reponieren der Knochenbruchfragmente 3 werden die Schritte 102 bis 104 wiederholt, bis die Reposition der Knochenbruchfragmente abgeschlossen ist.
Optional können an ein Knochenbruchfragment 3 auch mehrere Feldgeneratoren 1 angebracht werden.
Die beschriebene erfindungsgemäße Positionsbestimmung kann auch für Implantate und für Instrumente der Medizin verwendet werden.

1: Feldgenerator
2: Positionsbestimmungseinheit
3: Objekt/Knochenbruchfragment
4: Bein
5: Patientenliege
11: erste Sendespule
12: zweite Sendespule
13: Batterie
21: Spulenarray
22: Auswerteeinheit
30: 6DOF Sensor
31: Anschlussleitung
32: Bleistift
100: Lagern eines Patienten
101: Verbinden mit einem Feldgenerator 1
102: Abgeben von Strahlung
103: Aufnehmen von Strahlung
104: Positionsermittlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2008/0231264 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Positionsbestimmung mindestens eines Objekts (3) in der Medizin, gekennzeichnet durch – mindestens einen elektromagnetischen Feldgenerator (1), der an dem Objekt (3) lösbar fest angeordnet ist und elektromagnetische Strahlung abgibt, und – eine Positionsbestimmungseinheit (2), welche die von dem Feldgenerator (1) abgegebene elektromagnetische Strahlung aufnimmt und aus der aufgenommenen Strahlung die Position des Feldgenerators (1) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, – eine erste Sendespule (11) im Feldgenerator (1).
Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch, – eine zweite Sendespule (12) im Feldgenerator (1).
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sendespule (12) senkrecht zur ersten Sendespule (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (11) und die zweite (12) Sendespule Strahlungen unterschiedlicher Frequenz abgeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch: – eine Batterie (13) im Feldgenerator (1).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – mindestens ein Spulenarray (21) in der Positionsbestimmungseinheit (2) zur Bestimmung der Position des Feldgenerators (1).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (3) ein zu reponierendes Körperteil, ein Implantat oder ein Instrument ist.
Verfahren zur Positionsbestimmung mindestens eines Objekts in der Medizin, gekennzeichnet durch – lösbar festes Anordnen (101) mindestens eines elektromagnetischen Feldgenerators (1) an dem Obejekt (3), – Abgeben (102) von elektromagnetischer Strahlung durch den Feldgenerator (1), – Aufnehmen (103) der von dem Feldgenerator (1) abgegebenen elektromagnetischen Strahlung durch eine Positionsbestimmungseinheit (2) und – Ermittlung (104) einer Position des Feldgenerators (1) aus der aufgenommenen Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Feldgenerator (1) Strahlung mit zwei unterschiedlichen Frequenzen alternierend abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (3) ein zu reponierendes Körperteil, ein Implantat oder ein Instrument ist.