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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausrichtung einer stereoskopischen Bildgebungseinrichtung eines optischen Trackingsystems für invasive Eingriffe auf ein durch einen Zielpunkt beschriebenes Zielgebiet, welche Bildgebungseinrichtung auf einem wenigstens eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung erlaubenden Stativ gehaltert ist. Daneben betrifft die Erfindung ein optisches Trackingsystem sowie ein medizinisches Behandlungssystem.
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Optische Trackingsysteme (häufig auch als Nachverfolgungssysteme bezeichnet) für invasive Eingriffe sind im Stand der Technik bereits bekannt. Sie werden häufig in medizinischen Behandlungssystemen eingesetzt, die neben einem medizinischen Instrument, mit dem der Eingriff durchgeführt werden soll, eine Bildaufnahmeeinrichtung zur Überwachung des Eingriffsfortschritts durch kontinuierliche oder intermittierende Bildaufnahme, eine Eingabe- und Anzeigevorrichtung (Mensch-Maschine-Interface, MMI) und ein solches Trackingsystem umfassen. An dem Instrument und/oder dem Patienten und/oder der Bildaufnahmeeinrichtung werden üblicherweise eine Mehrzahl optischer Marker angebracht, die von einem stereoskopischen Bildgebungssystem, insbesondere einer stereoskopischen Kamera, aufgenommen werden. Häufig umfasst die Kamera oder das Trackingsystem benachbart der Kamera bereits eine Recheneinrichtung oder Steuereinrichtung, die die von der Bildgebungseinrichtung aufgenommenen Bilder analysiert und die Marker darin zu lokalisieren sucht. Da Bilder unter verschiedenen Winkeln aufgenommen werden (Stereoskopie), lässt sich eine dreidimensionale Position der Marker bestimmen. Bei mehreren Markern folgt zudem noch eine Orientierung de jeweils mit Markern versehenen Komponente, wobei meist eine größere Zahl von Markern bereits aus dem Grund verwendet wird, dass ein Teil der Marker abgedeckt ist, beispielsweise durch die entsprechende Komponente selber oder durch an dem Eingriff beteiligte Personen.
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Auf diese Weise können durch Bildverarbeitung beispielsweise die Position des Instruments, des Patienten und der Bildaufnahmeeinrichtung (meist eine mobile Röntgeneinrichtung mit einem C-Arm) bzw. von Komponenten hiervon bestimmt werden. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, die bekannte örtliche Beziehung zwischen den Einrichtungen/Komponenten zu nutzen, um auf dem MMI ein Bild der Bildaufnahmeeinrichtung anzuzeigen, in das das auf diese Art nachverfolgte medizinische Instrument eingeblendet wird.
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Es können hierbei verschiedene Arten von optischen Trackingsystemen realisiert werden, beispielsweise im sichtbaren Bereich wirkende optische Trackingsysteme oder auch Infrarot-Trackingsysteme, die häufig auch eine Infrarot-Lichtquelle umfassen.
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Beim Einsatz derartiger optischer Trackingsysteme im medizinischen Bereich ist es sehr wichtig, dass die verwendete, stereoskopische Bildgebungseinrichtung optimal zum Untersuchungsgegenstand (in der Regel dem Patienten), also dem tatsächlich interessierenden Bereich, ausgerichtet wird, um das verfügbare Trackingvolumen möglichst optimal zu nutzen und eine zuverlässige Erkennung von Markern, die beispielsweise am Instrument angeordnet sein können, im Bereich des geringsten mittleren quadratischen Fehlers (RMS) zu gewährleisten, der in der Regel im Zentrum des Sichtvolumens der Bildgebungseinrichtung gegeben ist und der in den Randbereichen und mit zunehmender Entfernung zunimmt. Zur Beschreibung dieses interessierenden Gebiets, in dem Marker aufgefunden werden sollen, kann ein Zielpunkt verwendet werden, so dass beispielsweise eine bestimmte Position am Instrument oder dergleichen anvisiert wird.
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Das Problem der optimalen Kameraausrichtung wird aktuell durch manuelle Positionierung relativ zur Eingriffsszenerie gelöst. Da bei den handelsüblichen Trackingsystemen meist eine Infrarottechnologie verwendet wird, existiert kein leicht verständliches „live”-Videobild als Rückmeldung für die optimale Positionierung, vergleichbar mit dem Blick durch den Sucher einer Kamera, weshalb die Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung oft suboptimal eingestellt wird und ein häufiges manuelles Nachführen während des Eingriffs nötig ist. Außerdem befindet sich der interessierende Zielpunkt oft nicht im zentralen Sichtbereich der Kameras der Bildgebungseinrichtung, so dass die Gefahr besteht, dass eine erhöhte Erkennungsungenauigkeit (erhöhter RMS) auftritt, was dem Anwender aber verborgen bleibt.
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Weiterhin haben diese Systeme den Nachteil, dass eine automatische Nachführung während des Eingriffs nicht möglich ist. Es wäre allenfalls ein manuelles Nachführen denkbar, welches allerdings denselben, schon beschriebenen Nachteilen unterworfen wäre.
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Es wurden im Stand der Technik automatische Positionierungsansätze vorgeschlagen, die auf der Triangulation einer optischen Signalquelle oder der Triangulation einer Ultraschallquelle beruhen. Diese Ansätze zur Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung haben den Nachteil, dass sie nur bei direktem Sichtkontakt zwischen der Quelle und der Empfangseinheit funktionsfähig sind. Beim Ultraschall kann es zusätzlich durch Abschattungen, Schallreflexionen und Interferenzeffekte im Operationsraum zu starken Störeffekten kommen, die eine sinnvolle Lokalisierung des interessierenden Zielpunkts möglich machen. Beide Ansätze sind zudem dem Nachteil unterworfen, dass eine dynamische Nachführung der Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung während des Eingriffs nur in Ausnahmefällen sinnvoll möglich ist, da es häufig zu Verdeckungseffekten kommt.
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Ein weiterer Nachteil bei bekannten Trackingsystemen ist es, dass die Verwendung der in einem deutlichen Abstand zur Eingriffsszenerie vorzusehenden Bildgebungseinrichtung (üblicherweise ist die hinreichende Lokalisierungsgenauigkeit für die optischen Marker in einem Abstand von 1–3 m gegeben) die Verwendung zusätzlicher Kabel zur Übertragung der ermittelten Tracking-Daten (Positionsdaten) bzw. zur Stromversorgung der an dem Stativ, an dem auch die Bildgebungseinrichtung befestigt ist, vorgesehenen elektrischen und elektronischen Komponenten nötig macht. Die steigende Kabelzahl im Operationsraum führt zu zunehmenden Störungen.
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WO 2005/076033 A1 betrifft eine Vorrichtung zur kontrollierten Bewegung einer Kamera. Dabei wird ein auf einem Stativ angeordneter optischer Sensor mit zwei Empfängern verwendet, um das Licht von als Sendern dienenden Referenzelementen aufnehmen zu können, wobei die Empfänger insbesondere Kameras sind. Die Referenzelemente können beispielsweise Marker, vorzugsweise LEDs, sein. Durch Empfang des Lichts lässt sich die Position der Marker und mithin der Referenzelemente bestimmen, wonach ein automatisches Nachführen des Sensors mittels einer Schwenk-Neige-Vorrichtung erfolgen kann.
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Eine chirurgische Nachweisvorrichtung und ein chirurgisches Navigationssystem werden durch
DE 10 2008 014 270 A1 offenbart. Dabei werden zum Erfassen von Positionsdaten chirurgische Markerelemente und/oder chirurgische Referenzierungseinheiten verwendet, deren Licht oder deren Ultraschall von einer Detektionseinrichtung empfangen werden kann. Die Detektionseinrichtung kann dabei eine Stereokamera sein. Optional ist auch eine Ultraschalldetektionseinrichtung denkbar. Eine Einstelleinrichtung gestattet es, die Detektionseinrichtung nachzuführen.
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US 2008/0162046 A1 betrifft ein Verfahren und ein System zum Tracken einer Anordnung von medizinischen Vorrichtungen. Ein Positionsüberwachungssensor soll dabei ein Signal erzeugen, welches die Position wenigstens einer mobilen Vorrichtung relativ zu einem Referenzpunkt angibt. Der Positionsüberwachungssensor kann dabei ein Paar von Kameras umfassen.
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US 2007/0034731 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Detektion einer Drift in kalibrierten Trackingsystemen. Hierbei wird ein Bewegungsdetektor verwendet, um wenigstens eine, bevorzugt alle Translations- oder Rotationskomponenten des Ortes und der Orientierung des Trackingsystems zu verwenden. Wird eine Veränderung der Position und/oder Orientierung detektiert, kann eine Kompensation im Trackingsystem stattfinden.
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US 2005/0107808 A1 betrifft die Durchführung einer Herzoperation ohne Herzstillstand (Kardioplegie). Darin soll ein auf einem Roboterarm montierter Endeffektor so bewegt werden, dass die Bewegung der Operationsstelle nachvollzogen wird. Eine stereoskopische Kamera kann verwendet werden, um die Operationsstelle zu beobachten. Zusätzlich oder alternativ kann eine Positions/Orientierungs-Vorrichtung verwendet werden. Die Kameras oder die Einrichtung detektieren die Bewegungen von Zielen, die an dem Operations-Arbeitsplatz befestigt sind.
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Ein System zur Erzeugung eines Anregungsfeldes für die Anregung einer zuleitungslosen Markeranordnung ist in
US 2003/0117269 A1 beschrieben. Über eine Quellspule wird ein ausgewähltes magnetisches Anregungssignal erzeugt. Dieses kann hinreichende Energie auf der Resonanzfrequenz eines ausgewählten zuleitungsfreien Markers aufweisen, um dem Marker Energie zuzuführen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Ausrichtung einer Bildgebungseinrichtung anzugeben, mit der möglichst genau und ohne Probleme mit Verdeckungen eine Ausrichtung auf ein Zielgebiet und insbesondere auch eine dynamische Nachführung während des Eingriffs ermöglicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens eine an dem Zielpunkt oder in fester räumlicher Beziehung zu dem Zielpunkt angeordnete Sendeeinrichtung Funksignale aussendet, welche Funksignale von wenigstens drei in fester räumlicher Beziehung zu der stereoskopischen Bildgebungseinrichtung angeordneten Empfangseinrichtungen empfangen werden, wonach die Bildgebungseinrichtung aufgrund der empfangenen Funksignale automatisch auf den Zielpunkt ausgerichtet wird.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, Funksignale zu nutzen, um die Position des das Zielgebiet beschreibenden Zielpunktes relativ zur aktuellen Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung wenigstens in dem Maße zu erfahren, dass durch eine Vorabberechnung oder ein schrittweises Optimierungsverfahren eine optimale Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung ermittelt werden kann. Die dafür nötige Auswertung der Funksignale kann beispielsweise durch eine Steuereinrichtung erfolgen. Diese kann dann an dem Stativ vorgesehene Antriebsmittel, die für die entsprechenden translatorischen und/oder rotatorischen Freiheitsgrade an dem Stativ vorgesehen sind, entsprechend ansteuern, um die automatische Ausrichtung aufgrund der empfangenen Funksignale zu ermöglichen. Der Vorteil in der Verwendung von Funksignalen, also spezieller elektromagnetischer Wellen, ist es, dass keine direkte Sichtverbindung zwischen dem Zielpunkt bzw. Sendeeinrichtungen und der Bildgebungseinrichtung für eine Lokalisation bestehen muss.
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Dabei sind wenigstens drei Empfangseinrichtungen vorgesehen, da vier „Knoten” benötigt werden, um einen Punkt im dreidimensionalen Raum „anzupeilen” bzw. zu triangulieren. Selbstverständlich können jedoch auch mehr Knoten verwendet werden, da hierdurch die Robustheit und die Lokalisierungsgenauigkeit erhöht werden kann.
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Auf diese Weise wird folglich die automatische Ausrichtung und dynamische Nachführung eines optischen Trackingsystems in einem Behandlungssystem ermöglicht, die verbesserte Trackingergebnisse mit möglichst geringem RMS-Fehler erlaubt. Zudem werden durch den automatischen Betrieb Bedienaufwand und Bedienfehler vermieden.
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Das Stativ bzw. die Aufhängung für die Bildgebungseinrichtung besitzt dabei alle nötigen translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade, um die Bildgebungseinrichtung dynamisch im Raum auf einen bestimmten Punkt, nämlich den Zielpunkt (häufig auch als „Point of Interest” – POI bezeichnet) auszurichten. Denkbar wäre beispielsweise die Verwendung einer Hexapod-Plattform, wobei je nach Raumgeometrie und nötiger Beweglichkeit auch einfachere Stative denkbar sind, die beispielsweise lediglich eine Kipp- und Drehbewegung des Trackingsystems erlauben.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders wichtig, eine möglichst störungsfreie und robuste Form der Funksignale bzw. der Funksignalübertragung zu wählen. Ansätze, übliche Wireless-Technologien, beispielsweise WLAN oder Bluetooth in solchen Eingriffsumgebungen zu nutzen, sind häufig an der Störanfälligkeit dieser Funktechnologien gescheitert, so dass sie nicht in den medizinischen Einsatz gelangt sind.
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Daher kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass als Funksignale Chirp-Spread-Spectrum-Funksignale (im Folgenden auch CSS-Funksignale) verwendet werden. Der Begriff Chirp-Spread-Spectrum (CSS) bzw. auf Deutsch Zirpenfrequenzspreizung bezeichnet eine Modulationstechnik, welche zur Frequenzspreizung Chirp-Impulse verwendet. Ein solcher Chirp-Impuls kann beispielsweise durch einen sinusförmigen Signalverlauf gekennzeichnet werden, welcher über die Zeit in der Frequenz kontinuierlich ansteigt bzw. abfällt. Auf diese Weise nutzen CSS-Funksignale einen breiten Frequenzbereich, so dass störende Signale in festgelegten Bändern nur einen geringen Einfluss auf die Übertragungssicherheit haben. Das Verfahren ist somit robust gegenüber Störungen, insbesondere auch Störungen infolge des Dopplereffekts, da nur die Frequenzänderung über die Zeit eines Chirp-Impulses von Bedeutung ist und die absolute Frequenz in gewissen Grenzen keine Rolle spielt. Durch ihre Robustheit ist die CSS-Technik ideal geeignet, um auch in einer medizinischen Behandlungsumgebung für die Ausrichtung eines Trackingsystems eingesetzt werden zu können. Beispielsweise kann im erfindungsgemäßen Verfahren eine CSS-Technologie verwendet werden, die im 2,4 GHz-ISM-Band operiert.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens drei in einer zur Mittenachse der Bildgebungseinrichtung senkrechten Ebene befindliche Empfangseinrichtungen verwendet werden und eine Optimierung bezüglich der Ankunftszeiten der Funksignale an den verschiedenen Empfangseinrichtungen erfolgt. In diesem Fall wird also mit in einer zur Mittenachse der Bildgebungseinrichtung, die sich als Winkelhalbierende der beiden Mittelachsen der einzelnen Kameras der Bildgebungseinrichtung ergibt, senkrechten Ebene angeordneten Empfangseinrichtungen gearbeitet. Dies ist vorteilhaft, da es ja letztlich darum geht, den Zielpunkt möglichst auf diese Mittenachse zu legen. Bei den bekannten geometrischen Verhältnissen ist es dann möglich, letztlich zu ermitteln, welche Signallaufzeitunterschiede an den verschiedenen Empfangseinrichtungen gemessen werden dürfen und dahingehend zu optimieren. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Mittenachse der Bildgebungseinrichtung den Mittelpunkt der Empfangseinrichtungen, die insbesondere in der Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, in der Ebene schneidet, wobei die Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung so optimiert wird, dass die Funksignale einer am Zielpunkt angeordneten Sendeeinrichtung alle Empfangseinrichtungen gleichzeitig erreichen. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen denkbar, in denen die Empfangseinrichtungen letztlich auf einem Kreis mit einem vordefinierten Radius um den Schnittpunkt der Mittenachse mit der Ebene, in der die Empfangseinrichtungen angeordnet sind, befestigt werden. Befindet sich eine Sendeeinrichtung am Zielpunkt, so kann ein einfaches Optimierungsverfahren dahingehend eingesetzt werden, dass die Funksignale von allen Empfangseinrichtungen gleichzeitig empfangen werden. Es sei angemerkt, dass ein derartiges Optimierungsverfahren selbstverständlich auch dann verwendet werden kann, wenn die Empfangseinrichtungen unterschiedliche Abstände zur Mittenachse der Bildgebungseinrichtung aufweisen, indem bestimmte „Offsets” je nach dem Abstand des Zielpunktes eingestellt werden können. Idealerweise ist jedoch die hier beschriebene Anordnung gleicher Abstände zur Mittenachse gegeben, die es erlaubt, unabhängig vom tatsächlichen Abstand des Zielpunkts von der Bildgebungseinrichtung eine Optimierung dahingehend vorzunehmen, dass die Signale gleichzeitig eintreffen. In dieser Ausführungsform kann sogar eine tatsächliche Berechnung der Position des Zielpunktes entfallen.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die vorliegende Erfindung, wie im Folgenden noch näher dargelegt werden wird, auch Fälle erlaubt, in denen die Sendeeinrichtung nicht am Zielpunkt selbst angeordnet ist, sondern aufgrund einer festen räumlichen Beziehung lediglich auf den Zielpunkt gefolgert wird. In diesem Fall ist die oben genannte Bedingung so zu verstehen, dass die Funksignale einer am Zielpunkt angeordneten virtuellen Sendeeinrichtung alle Empfangseinrichtungen gleichzeitig erreichen soll.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei in ihrer geometrischen Anordnung den Zielpunkt beschreibende Sendeeinrichtungen verwendet werden, insbesondere eine an einem Detektor und eine an einem Röntgenstrahler eines C-Bogens einer zur Bildüberwachung des Eingriffs eingesetzten Röntgeneinrichtung angeordnete Sendeeinrichtung. In einer solchen Ausgestaltung können die Positionen der Sendeeinrichtungen beispielsweise so gewählt werden, dass ihr Mittelpunkt den Zielpunkt beschreibt. Dies ist bei der erwähnten Ausgestaltung der Anordnung der Sendeeinrichtungen sich gegenüberliegend am C-Bogen möglich, da der C-Bogen bei dem Eingriff so positioniert wird, dass sich das Eingriffsgebiet – mithin also das interessierende Zielgebiet – im Zentrum zwischen Röntgenstrahler und Röntgendetektor befindet. Mithin kann dann der Zielpunkt als Mittelpunkt zwischen den beiden Sendeeinrichtungen angenommen werden. Solche weiteren Zielpunkte können beispielsweise als Hilfs-Zielpunkte betrachtet werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Abstände der Empfangseinrichtung zu der Sendeeinrichtung und/oder dem Zielpunkt unter Berücksichtigung der Signalankunftszeiten und/oder der Zeitunterschiede der Signalankunftszeiten ermittelt werden, welche Abstände bei der Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung berücksichtigt werden. Sind die Uhren der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtungen bzw. der die Signale der Empfangseinrichtungen auswertenden Steuereinrichtung synchronisiert, so kann eine Ortsinformation über den Zielpunkt in Form von Abständen zwischen der Sendeeinrichtung und den Empfangseinrichtungen leicht aus der Signallaufzeit ermittelt werden. Dabei wird lediglich die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in Luft berücksichtigt. Mittels dieser Abstände ist es dann möglich, die Position des Zielpunkts zu triangulieren und eine entsprechende Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung vorzunehmen. Dieses Verfahren wird häufig auch TOA-Verfahren (time of arrival) genannt. Liegt eine derartige Synchronisierung nicht vor, so kann auch mit Laufzeitunterschieden, also letztlich mit Unterschieden in der Ankunftszeit, gearbeitet werden (sogenanntes TDOA-Verfahren – time difference of arrival). Dabei wird üblicherweise eine Empfangseinrichtung mehr benötigt, im vorliegenden Fall also vier Empfangseinrichtungen.
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Zweckmäßigerweise kann ferner unter Berücksichtigung der Abstände eine Information darüber ermittelt werden, ob die Bildgebungseinrichtung durch automatische Bewegungen ausgerichtet werden kann und/oder der Abstand der Bildgebungseinrichtung zum Zielpunkt innerhalb eines erlauten Bereichs liegt, wobei bei einer nicht möglichen automatischen optimalen Ausrichtung und/oder einem außerhalb des Bereichs liegenden Abstand zwischen Bildgebungseinrichtung und Zielpunkt eine Warnung ausgegeben wird. Es kann also zum einen ermittelt werden, ob die Bewegungsmöglichkeiten, die das Stativ bietet, ausreichend sind, um die optimale Position überhaupt zu erreichen. Ist dies nicht der Fall, so kann die Warnung ausgegeben werden und es kann beispielsweise eine Nachjustierung von Hand erfolgen. Gleichzeitig bieten die Abstände aber auch die Möglichkeit, den Abstand des Zielpunkts vom Mittelpunkt der Bildgebungseinrichtung zu überprüfen. Häufig werden gute Werte für die optische nachfolgende Positionsbestimmung nur in einem bestimmten erlaubten Bereich, beispielsweise zwischen 1 und 3 m, erhalten. Es kann eine Warnung ausgegeben werden, falls dieser Abstand nicht eingehalten ist. Auch dann kann beispielsweise eine manuelle Nachjustierung erfolgen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung einer Kollisionswahrscheinlichkeit bei der automatischen Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung die Messsignale wenigstens eines an der Bildgebungseinrichtung und/oder dem Stativ angeordneten Kollisionssensors ausgewertet werden, wobei insbesondere eine Bewegung bei Überschreitung eines Grenzwerts für die Kollisionsgefahr angehalten wird. Gerade in Behandlungsräumen kommt es häufig vor, dass andere Gegenstände und dergleichen einer automatischen Bewegung bzw. Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung im Wege stehen können. Daher wird vorgeschlagen, Kollisionssensoren vorzusehen, die beispielsweise als Ultraschallsensoren oder sonstige Näherungssensoren ausgebildet sein können, um jegliche Bewegungen sofort zu stoppen, wenn eine Kollision droht. Besonders vorteilhaft können diese Kollisionssensoren an der Bildgebungseinrichtung selber bzw. ihrem Gehäuse angeordnet werden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Tracking-Daten des Trackingsystems über den Funksignalen zur Ausrichtung gleichartige Funksignale, insbesondere Chirp-Spread-Spectrum-Funksignale, übertragen werden. Auf diese Weise kann das bereits beschriebene Funknetzwerk zusätzlich zur drahtlosen Übertragung der Tracking-Daten (Markerkoordinaten/-Geometrien) genutzt werden. Durch die Nutzung der CSS-Funktechnologie ist eine extrem störunempfindliche, abhörsichere und vor allem drahtlose Übertragungstechnologie möglich, die Datenraten bis zu 2 MBit pro Sekunde erreicht und damit für die Übertragung der Trackings-Daten ideal geeignet ist. Insbesondere gegenüber den üblichen WLAN- und Bluetoothgeräten ist dieses Übertragungsverfahren betriebsbedingt sehr robust und von diesen praktisch nicht störbar. Die drahtlose Übertragung der Tracking-Daten hat den weiteren Vorteil, dass ein Kabel zur Übertragung der Tracking-Daten nicht mehr erforderlich ist. Dieses stört dann nicht im Behandlungsraum und ermöglicht insbesondere eine höhere Flexibilität der Bildgebungseinrichtungspositionierung im Behandlungsraum.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass auch unabhängig von einer möglichen Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung eine alleinige Fortbildung bekannter Trackingsysteme, indem die Tracking-Daten mittels Funksignalen, insbesondere CSS-Funksignalen, übertragen werden, vorteilhaft ist. Die hier vorgeschlagene Funkübertragung kann mithin auch unabhängig von der Verwendung des Verfahrens zur Ausrichtung realisiert und vorteilhaft eingesetzt werden.
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Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass bei Speisung der elektronischen und elektrischen Komponenten am Stativ durch einen aufladbaren Energiespeicher ermöglicht wird, gänzlich auf Kabel zwischen der Eingabe- und Anzeigevorrichtung bzw. anderen Komponenten des Behandlungssystems und dem Kamerasystem zu verzichten, was die Flexibilität des Trackingsystems bzw. die freie Positionierbarkeit der Bildgebungseinrichtung im Behandlungsraum weiter erhöht.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine dynamische Nachführung der Bildgebungseinrichtung während des Eingriffs durch kontinuierliche Auswertung der Funksignale erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es mithin erstmals auf sinnvolle Weise, auch während des gesamten Eingriffs, in dem die Sendeeinrichtungen gegebenenfalls durch Personal oder dergleichen verdeckt werden, dennoch weiterhin die Position der Bildgebungseinrichtung so nachzuführen, dass das interessierende Zielgebiet sich immer im Zentrum des Aufnahmebereichs befindet und so eine möglichst genaue und fehlerfreie Positionsbestimmung anhand der optischen Marker erfolgen kann.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung auch ein Trackingsystem für invasive Eingriffe, umfassend eine optische stereoskopische Bildgebungseinrichtung, welche Bildgebungseinrichtung auf einem wenigstens eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung mittels ansteuerbarer Antriebsmittel erlaubenden Stativ gehaltert ist, wenigstens drei in fester räumlicher Beziehung zu der stereoskopischen Bildgebungseinrichtung angeordnete Empfangsvorrichtungen für von einer Senuoreinrichtung ausgesendete Funksignale und eine zur Auswertung empfangender Funksignale und zur Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung auf ein durch einen Zielpunkt beschriebenes Zielgebiet durch Ansteuerung der Antriebsmittel aufgrund der Funksignale ausgebildete Steuereinrichtung. Insbesondere ist das Trackingsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, so dass sich sämtliche bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens getätigten Ausführungen analog auf das erfindungsgemäße Trackingsystem ausweiten lassen.
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Insbesondere werden auch hier mit besonderem Vorteil CSS-Funksignale verwendet, das bedeutet, die Empfangseinrichtungen sind zum Empfang von CSS-Funksignalen ausgebildet und die Steuereinrichtung entsprechend zur Auswertung von CSS-Funksignalen. Die Vorteile dieses äußerst robusten und wenig störanfälligen Funkverfahrens wurden bereits ausführlich erläutert.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Trackingsystems kann vorgesehen sein, dass drei in einer Ebene nach Art eines gleichseitigen Dreiecks angeordnete Empfangseinrichtungen verwendet werden, wobei die Mittenachse der Bildgebungseinrichtung den Mittelpunkt des Dreiecks schneidet. Allgemeiner gesagt können die Empfangseinrichtungen so in einer zur Mittenachse der Bildgebungseinrichtung senkrechten Ebene angeordnet sein, dass sie alle gleich beabstandet vom Schnittpunkt der Mittenachse mit dieser Ebene sind. Auf diese Weise lassen sich die Funksignale besonders einfach und zielführend im Hinblick auf nötige Bewegungen im Stativ auswerten, wie dies bereits bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wurde.
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Um eine möglichst genaue Bestimmung der idealen Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung bezüglich des Zielpunkts zu ermöglichen, müssen die Empfangseinrichtungen einen hinreichend großen Abstand voneinander aufweisen, beispielsweise etwa einen Meter. Eine solche Erweiterung am Stativ kann sich als sperrig erweisen. Daher kann vorgesehen sein, dass die Empfangseinrichtungen auf zum Transport des Stativs einklappbaren Halterungen angeordnet sind. So ist auch weiterhin ein kompakter Transport des Stativs mit der Bildgebungseinrichtung möglich.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Kollisionssensor an dem Stativ und/oder der Bildgebungseinrichtung angeordnet ist und die Steuereinrichtung zur Auswertung der Messsignale des Kollisionssensores bezüglich einer Kollisionswahrscheinlichkeit ausgebildet ist. Solche Kollisionssensoren können beispielsweise Ultraschallsensoren oder andere Annäherungssensoren sein. Wird eine Kollisionsgefahr detektiert, können sämtliche Bewegungen angehalten werden oder es kann eine Warnung an einen Benutzer ausgegeben werden.
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Das Trackingsystem kann mit besonderem Vorteil ferner eine Sendeeinrichtung zum Senden von Tracking-Daten durch Chirp-Spread-Spectrum-Funksignale umfassen. Das verwendete Funksystem wird mithin erweitert, um auch die Übertragung der aus den Bildern der Kameras der Bildgebungseinrichtung abgeleiteten Tracking-Daten mittels CSS-Funksignalen zu erlauben. Ein Datenübertragungskabel ist mithin nicht mehr notwendig.
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Zweckmäßigerweise kann wenigstens eine Batterie zum Betrieb der an dem Stativ vorgesehenen elektrischen und elektronischen Komponenten vorgesehen sein. Insbesondere die Bildgebungseinrichtung, die Steuereinrichtung und die Antriebsmittel werden mithin von einer Batterie gespeist, so dass auch ein der Stromversorgung dienendes Kabel zum Stativ nicht länger erforderlich ist. Damit ist, wie bereits erwähnt, eine größere Flexibilität der Positionierung des Stativs bzw. der Bildgebungseinrichtung gegeben und es sind weniger Kabel im Behandlungsraum erforderlich.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein medizinisches Behandlungssystem, umfassend ein erfindungsgemäßes Trackingsystem sowie ein medizinisches Instrument zur Durchführung eines Eingriffs und/oder eine Bildaufnahmeeinrichtung, insbesondere eine Röntgeneinrichtung mit einem C-Bogen, wobei an dem medizinischen Instrument und/oder einer Komponente der Bildaufnahmeeinrichtung wenigstens eine Sendeeinrichtung zum Aussenden von von den Empfangseinrichtungen des Trackingsystems zu empfangenen Funksignalen angeordnet ist, insbesondere an einem Detektor und einem Strahler des C-Bogens jeweils eine Sendeeinrichtung angeordnet ist. Auch auf das erfindungsgemäße Behandlungssystem lassen sich die bisher getätigten Ausführungen selbstverständlich analog übertragen.
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Selbstverständlich kann ein solches Behandlungssystem auch zusätzlich eine Eingabe- und Anzeigevorrichtung umfassen, in der im Übrigen auch eine zentrale Datenverarbeitungseinrichtung angeordnet sein kann. Diese Eingabe- und Anzeigevorrichtung kann sowohl zum Entgegennehmen von Einnahmen zum Betrieb des Behandlungssystems dienen, wie auch zur Anzeige von Informationen, beispielsweise von mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Bildern, die aufgrund der Tracking-Daten mit Informationen über den aktuellen Ort des Instruments, beispielsweise durch Überlagerung, versehen wurden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Behandlungssystem,
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2 ein erfindungsgemäßes Trackingsystem,
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3 eine Prinzipskizze des Trackingsystems,
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4 eine mögliche Geometrie von Empfangseinrichtungen bezüglich eines Zielpunkts, und
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5 eine weitere mögliche Geometrie mit an einem C-Bogen angeordneten Sendeeinrichtungen.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Behandlungssystems 1, wie es in einem Behandlungsraum, beispielsweise einem Operationsraum, untergebracht werden kann. Auf einem Patiententisch 2 kann ein Patient gelagert werden, an dem ein Eingriff vorgenommen werden soll. Dieser wird mittels eines Instruments 3, hier beispielhaft als eine Punktionsnadel dargestellt, durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl das Instrument in 1 an einem Haltearm gezeigt ist, es häufig auch vorkommen wird, dass ein Arzt das Instrument frei in der Hand führt. Eine mobile Röntgeneinrichtung 4 mit einem C-Bogen 5, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler 7 sowie ein Röntgendetektor 6 angeordnet sind, dient als eine Bildaufnahmeeinrichtung zur Überwachung des Behandlungsfortschritts. Ferner umfasst das medizinische Behandlungssystem 1 ein Trackingsystem 8, das in 2 näher dargestellt ist. An einem im vorliegenden Beispiel 2 rotatorische Freiheitsgrade aufweisenden Stativ 9 ist eine stereoskopische Bildgebungseinrichtung 10 mit zwei Infrarotkameras 11 angeordnet, so dass in einem Zielgebiet 12, welches durch einen Zielpunkt 13 beschrieben werden kann, angeordnete, hier nicht näher dargestellte Infrarot-Marker, die beispielsweise an dem Instrument 3 oder einem Patienten angeordnet werden können, unter verschiedenen Winkeln aufgenommen werden können.
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Das Trackingsystem 8 ist nun dazu ausgebildet, von den Kameras 11 aufgenommene Bilder auszuwerten und die Positionen verschiedener Marker im dreidimensionalen Raum im Zielgebiet 12 genau zu bestimmen. Diese Tracking-Daten werden im erfindungsgemäßen medizinischen Behandlungssystem 1 auf im Weiteren noch näher erläuterte Weise über Chirp-Spread-Spectrum-Funksignale (CSS-Funksignale) an eine Eingabe- und Anzeigevorrichtung 16 übertragen, die auch eine zentrale Datenverarbeitungseinrichtung 14 aufweist. So können beispielsweise Darstellungen erzeugt werden, in denen das getrackte/nachverfolgte Instrument 3 mit von der Röntgeneinrichtung 4 aufgenommenen Bildern überlagert dargestellt wird, welche dann auf einem Monitor 15 dargestellt werden können. Andere Einsatzmöglichkeiten eines solchen Nachverfolgungssystems bzw. Trackingsystems 8 sind weithin bekannt und sollen hier nicht näher dargelegt werden.
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Das Trackingsystem 8 ist in der Lage, sich selbst automatisch auf den Zielpunkt 13, mithin das Zielgebiet 12, auszurichten. Das bedeutet, idealerweise verläuft die Mittenachse der Bildgebungseinrichtung 10 durch den Zielpunkt 13. Hierzu ist nun ein Funksystem vorgesehen, welches eine am Zielpunkt 13, hier am Instrument 3, befestigte Sendeeinrichtung 17 umfasst, die in regelmäßigen Abständen ein CSS-Funksignal, mithin einen Chirp-Puls, aussendet. Zum Empfang dieser CSS-Funksignale sind an einer Halterung 18 am Stativ 9 benachbart der Bildgebungseinrichtung 10 drei Empfangseinrichtungen 19 in bestimmter Weise angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Empfangseinrichtungen 19 an den Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks derart angeordnet, dass sie sich in einer Ebene senkrecht zur bei 20 angedeuteten Mittenachse der Bildgebungseinrichtung 10 befinden, wobei die Mittenachse 20 die Ebene im Mittelpunkt 21 des gleichseitigen Dreiecks schneidet. Das bedeutet, dass alle Empfangseinrichtungen 19 von der Mittenachse 20 gleich weit entfernt sind. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich diese bevorzugte Ausgestaltung auch auf mehrere Empfangseinrichtungen 19 übertragen lässt, die in einer senkrecht zur Mittenachse 20 stehenden Ebene gleich beabstandet zur Mittenachse 20 angeordnet sind, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
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Diese Geometrie wird durch 4 nochmals deutlicher erläutert. Dort ist auch die angestrebte ideale Ausrichtung gezeigt. Idealerweise verläuft nämlich die Mittenachse 20 bei optimaler Ausrichtung durch den Zielpunkt 13.
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Im Trackingsystem 8 kann nun durch Auswertung der durch die Empfangseinrichtungen 19 empfangenen CSS-Funksignale die automatische Ausrichtung erfolgen. Dazu sind verschiedene Vorgehensweisen denkbar. Zunächst soll eine in der gezeigten Geometrie mögliche, besonders einfache Realisierung beschrieben werden. In dieser ersten Möglichkeit wird letztlich lediglich bestimmt, ob die Funksignale der am Zielpunkt 13 befindlichen Sendeeinrichtung 17 die Empfangseinrichtungen 19 zum selben Zeitpunkt erreichen. In der in 4 gezeigten gewollten Ausrichtung sind nämlich die Strecken d1, d2 und d3 zu den verschiedenen Empfangseinrichtungen 19 genau gleich groß. Mithin kann über ein einfaches Optimierungsverfahren eine schrittweise Veränderung der Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung 10 erfolgen.
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Es ist jedoch auch denkbar, die Abstände d1, d2 und d3 aus den Laufzeiten des CSS-Funksignals zu ermitteln, um daraus die Position des Zielpunkts 13 zu bestimmen und im Rahmen eines Optimierungsverfahrens oder unmittelbar rechnerisch zu ermitteln, wie die Bildgebungseinrichtung 10 mittels der am Stativ 9 möglichen Freiheitsgrade bewegt werden muss, um eine bestmögliche Ausrichtung auf den Zielpunkt 13 und mithin das Zielgebiet 12 zu erreichen. Hierzu muss allerdings der genaue Zeitpunkt des Absendens des Funksignals bekannt sein, d. h., die Uhren des Trackingsystems 8 und der Sendeeinrichtung 17 müssen synchronisiert sein. Doch auch bei nicht synchronisierten Uhren ist es möglich, die Position des Zielpunkts 13 zu ermitteln, wenn nämlich bei vier Empfangseinrichtungen 19 die Unterschiede in der Ankunftszeit (time difference of arrival, TDOA) bestimmt werden. Hieraus können auf bekannte Art und Weise die Abstände d1, d2 und d3 ebenso ermittelt werden.
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Die Auswertung erfolgt dabei über eine in 3 dargestellte Steuereinrichtung 22, wobei diese Steuereinrichtung 22 auch ausgebildet sein kann, die Tracking-Daten aus den Bildern der Kameras 11 zu bestimmen. Die automatische Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung 10 jedoch wird durch Ansteuerung entsprechender Antriebsmittel 23 (angedeutet in 2) erreicht. Beispielsweise können zur Verstellung ein Drehteller 24 und ein Gelenk 25 vorhanden sein, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass je nach den Anforderungen das Stativ auch eine größere Anzahl von translatorischen und rotatorischen Freiheitsgraden unterstützen kann, beispielsweise als ein Hexapod ausgebildet sein kann.
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Um bei dieser automatischen Bewegung zur Ausrichtung auf das Zielgebiet 12 Kollisionen zu vermeiden, umfasst das Trackingsystem 8 ferner mehrere Kollisionssensoren 26, die hier als Ultraschall-Sensoren ausgebildet sind. Auch deren Signale werden durch die Steuereinrichtung 22 ausgewertet, so dass, wenn eine ermittelte Kollisionswahrscheinlichkeit einen Grenzwert überschreitet, eine Warnung, beispielsweise mittels eines akustischen Ausgabemittels, ausgegeben werden kann und sämtliche Bewegungen angehalten werden können. Weitere Kollisionssensoren 26 können beispielsweise an der Halterung 18 oder an Armen des Stativs 9 angeordnet werden.
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Im vorliegenden Fall ist das Stativ 9 im Übrigen als Aufhängung an der Decke befestigt; bereits auf diese Weise werden viele Kollisionsmöglichkeiten beseitigt. Selbstverständlich kann das Stativ 9 jedoch auch ein mobiles Stativ sein oder am Boden oder einer Wand des Behandlungsraums befestigt werden.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass, falls im Rahmen der Auswertung der von der Sendeeinrichtung 17 gesendeten Funksignale auch Abstände bestimmt werden, durch die Steuereinrichtung 22 überprüft werden kann, ob der Abstand der Bildgebungseinrichtung 10 geeignet ist, um ein optisches Tracking mit einem möglichst kleinen Fehler zu erlauben. Hierfür kann ein erlaubter Bereich definiert werden. Auch dieser Parameter kann in die Optimierung der Ausrichtung einfließen, wenn das Stativ 9 auch translatorische Freiheitsgrade erlaubt. Insgesamt gilt jedoch, dass, wenn die Bewegungsmöglichkeiten des Stativs 9 es nicht erlauben, die Bildgebungseinrichtung 10 auf das Zielgebiet 12 in hinreichend guter Weise auszurichten oder den erlaubten Bereich für den Abstand einzuhalten, eine Warnung generiert wird, so dass gegebenenfalls von Hand eine neue Grobeinstellung vorgenommen werden kann.
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Das Trackingsystem 8 umfasst ferner eine eigene Sendeeinrichtung 27, über die die Tracking-Daten von der Steuereinrichtung 22 drahtlos mittels ebenso CSS-Funksignalen an andere Komponenten, insbesondere die Datenverarbeitungseinrichtung 14, übertragen werden können. Die Sendeeinrichtung 27 kann im Übrigen auch zum Empfang von Daten und/oder Anweisungen enthaltenden CSS-Funksignalen, die beispielsweise von der Datenverarbeitungseinrichtung 14 ausgesendet werden, ausgebildet sein, wenn eine Zweiwege-Kommunikation bestehen soll. Die CSS-Funktechnologie ist besonders robust und wenig störanfällig.
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Innerhalb des Gehäuses der Bildgebungseinrichtung 10 ist ferner eine Batterie 28 vorgesehen, die zur Energieversorgung der elektrischen und elektronischen Komponenten des Trackingsystems 8 dient, hier der Steuereinrichtung 22, der Empfangseinrichtungen 19, der Kameras 11, der Kollisionssensoren 26, der Sendeeinrichtung 27 und der Antriebsmittel 23.
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5 zeigt schließlich eine Möglichkeit zur Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung 10 in einem Fall, in dem am Zielpunkt 13 keine Sendeeinrichtung 17 vorgesehen ist. Im dort vorgesehenen Fall sind zwei Sendeeinrichtungen 29 am C-Bogen 5 der Röntgeneinrichtung 4 angeordnet, nämlich eine am Röntgenstrahler 7 und eine am Röntgendetektor 6. Auf die beschriebene Weise können dann die Abstände d1, d2 und d3 sowie d11, d22 und d33 zu den Sendeeinrichtungen 29 bestimmt werden. Es wird dann für die Zwecke der Ausrichtung angenommen, dass sich der Zielpunkt 13 in der Mitte zwischen den Sendeeinrichtungen 29 befindet, hier durch den gleichen Abstand r angezeigt. Dies ist möglich, da, insbesondere während des Eingriffs, der C-Bogen 5 immer so positioniert wird, dass das Eingriffsgebiet am Patienten und mithin das interessierende Zielgebiet 12 sich zentral zwischen dem Röntgenstrahler 7 und dem Röntgendetektor 6 befinden.
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Es sei abschließend noch angemerkt, dass die Steuereinrichtung 22 insbesondere auch dazu ausgebildet ist, während des Eingriffs eine kontinuierliche Nachführung der Ausrichtung der Bildgebungseinrichtung 10 durchzuführen, was problemlos möglich ist, da die Sendeeinrichtungen 17, 29 von Verdeckungen unabhängig sind und das Aussenden von Signalen durch die Sendeeinrichtungen 17, 29 kontinuierlich oder intermittierend erfolgen kann.
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Obwohl im hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Röntgeneinrichtung als Bildaufnahmeeinrichtung vorgesehen ist, sind selbstverständlich auch andere Bildaufnahmeeinrichtungen zur Überwachung eines Eingriffs denkbar, beispielsweise eine Ultraschallbildaufnahmeeinrichtung oder dergleichen.
