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Die Erfindung betrifft eine Patientenliege mit zugeordneter Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Raumlage der Patientenliege und eine zugehörige medizinische Untersuchungs- und/oder Behandlungsvorrichtung.
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Häufig ist es erforderlich, einen Patienten mit einer medizinischen Untersuchungs- und/oder Behandlungsvorrichtung zu untersuchen oder zu therapieren. Hierzu weist die Untersuchungs- und/oder Behandlungsvorrichtung üblicherweise eine Patientenliege auf, auf der der Patient gelagert und mitunter fixiert ist. Die Patientenliege ist üblicherweise zumindest in der Horizontalebene verschiebbar, um den Patienten exakt bezüglich beispielsweise einer Bildaufnahmeeinrichtung oder einer Strahlenbehandlungseinrichtung und Ähnlichem positionieren zu können. Damit der Patient auch wie gewünscht untersucht bzw. behandelt werden kann, ist eine exakte Positionierung des Patientenbereichs, der beispielsweise mit einem Röntgenbild aufgenommen werden soll oder der zu bestrahlen oder Ähnliches ist, bezüglich des Untersuchungs- oder Behandlungsmittels der Vorrichtung erforderlich. D. h., dass seine Position vor Aufnahme der Behandlung oder Therapie bekannt sein respektiv verifiziert werden muss. Dies findet üblicherweise mittels eines bildgebenden Verfahrens statt. Hierzu wird ein Bild mit einer bildgebenden Modalität, beispielsweise der ohnehin vorgesehen Röntgeneinrichtung, aufgenommen wird, um seine Position zu verifizieren. D. h., dass der Patient hiermit zur Positionsbestimmung durchleuchtet wird. Ist nun die Position noch nicht exakt oder ist nach einer ersten Positionsverifikation eine Umpositionierung im Rahmen der Behandlung vorzunehmen, so ist hierfür eine weitere Bildaufnahme mit der entsprechenden Strahlungsbelastung des Patienten erforderlich. Denkbar wäre es in diesem Zusammenhang auch, durch eine extreme Verfahrgenauigkeit der Patientenliege dafür zu sorgen, dass der Patient weiterhin exakt im Fokus der Bestrahlung oder Ähnlichem ist.
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D. h., dass bisher entweder mindestens eine bildgebende Modalität direkt im Untersuchungs- und/oder Behandlungsraum vorgesehen sein muss, um die Position zur Verifikation durchzuführen, gegebenenfalls verbunden mit einer mehrfachen Durchleuchtung des Patienten beispielsweise im Falle einer Umpositionierung. Oder es ist eine entsprechende Verfahrgenauigkeit der Patientenliege zu realisieren, verbunden mit einer Positionsbestimmung der Patientenlage beispielsweise durch ein Kamerasystem oder Ähnliches.
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Die
DE 10 2006 021 681 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Überprüfung der Ausrichtung von Laserstrahlen zur Anzeige einer Position relativ zu einer Diagnose- und/oder Therapiemaschine, die ein Isozentrum aufweist.
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Die
DE 10 2009 030 883 A1 offenbart ein Positionsbestimmungssystem für beispielsweise einen Roboter oder Roboterarm, das hierzu eine Lichtquelle wie einen Laser verwendet.
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Die
DE 10 2006 021 632 A1 offenbart ein Verfahren zur Überprüfung der Positioniergenauigkeit eines Patiententisches in Bezug auf ein Isozentrum eines medizintechnischen Geräts.
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Die
DE 197 50 004 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Positionierung eines Patienten auf einer verstellbaren Unterlage.
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Die
US A 4 629 989 offenbart ein Patientenausrichtungssystem mit stationären und mobilen Lichtfächern.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Patientenliege mit einer einfachen Möglichkeit zur Positionserfassung anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Patientenliege mit zugeordneter Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Raumlage der Patientenliege erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Positionsmesseinrichtung mehrere seitlich an der Patientenliege angeordnete optische Sensoren sowie mehrere Lichquellen zum Erzeugen mehrerer, vorzugsweise senkrecht aufeinanderstehender, und sich in einem Punkt schneidender Lichtebenen umfasst, wobei anhand der über die Sensoren ermittelbaren relative Lage der Patientenliege zu den Lichtebenen die relative Lage der Patientenliege zu dem Schnittpunkt und daraus resultierend die Raumlage der Patientenliege ermittelbar ist.
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Die erfindungsgemäße Patientenliege umfasst bzw. ihr zugeordnet ist eine optische Positionsmesseinrichtung, die die Liegenposition, also ihre Raumkoordinaten, exakt erfassen kann, so dass eine zusätzliche Bildgebung zur Positionsverifikation oder eine entsprechend absolut genaue Tischverfahrbarkeit nicht erforderlich sind. Mittels mehrerer lagefester Lichtquellen, von denen jede eine Lichtebene aufspannt, wird ein lagefester Punkt im Raum markiert. Hierzu stehen die mehreren Lichtebenen unter einem definierten Winkel, bevorzugt stehen sie rechtwinklig aufeinander, so dass sie sich folglich in einem Punkt rechtwinklig schneiden. An der Patientenliege selbst befindet sich nun eine entsprechende Anzahl an optischen Sensoren, wobei je nach Liegenposition von den mehreren Lichtebenen jeweils ein bestimmter Sensor beleuchtet wird. Da die Sensoren lagefest an der Patientenliege sind, ergibt sich folglich aus der Information, welche Sensoren beleuchtet werden, zwangsläufig ein geometrischer Zusammenhang, da die Liegengeometrie und folglich die jeweilige Sensorposition bekannt ist. Mittels der Information, welche Sensoren bestrahlt werden, kann nun der Ort des Ebenenschnittpunkts bestimmt werden. Anhand des Orts des Ebenenschnittpunkts und den Informationen der jeweiligen Sensoren sind sodann mehrere Geraden definiert, die wiederum die Lichtquellenorte und damit die Relativlage der Liege zu diesen definieren. Hieraus, also letztlich aus Kenntnis der Lage der bestrahlten Sensoren und des Schnittpunktorts, ergibt sich sodann exakt die Liegenposition im Raum. Die durch Bestrahlung mit den Lichtebenen erzeugten Positionssignale der Sensoren werden folglich zur Positionsverifikation benutzt, was ohne Weiteres online, also während der Behandlung geschehen kann.
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Die erfindungsgemäße Patientenliege lässt folglich eine äußerst exakte Positionserfassung unter Verwendung eines einfach aufgebauten optischen Systems zu. Hierzu ist lediglich die Anordnung der Sensoren seitlich an der Liege sowie die entsprechende Anordnung mehrerer positionsfester Lichtquellen, die bevorzugt ebenfalls seitlich der Patientenliege positioniert sind und jeweils eine Lichtebene aufspannen, erforderlich. Aus der bekannten, einmal einzumessenden Liegengeometrie und der bekannten Position der jeweiligen Sensoren kann folglich auf einfache Weise über die Sensoren der Schwerpunkt des Schnittpunkts, also seine Raumlage, mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Die grundsätzliche Verwendung einer bildgebenden Modalität ist folglich nicht mehr erforderlich, wie auch hochgenaue Messsysteme zur Erfassung des Tischverfahrwegs nicht erforderlich sind.
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Die Anzahl der Lichtquellen und damit die Anzahl der aufspannbaren Lichtebenen entspricht zweckmäßigerweise der Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden der Liege. Ist die Liege z.B. nur in den drei Raumrichtungen translatorisch bewegbar, so sind drei Lichtquellen ausreichend. Ist die Liege darüber hinaus auch noch um jede Bewegungsachse drehbar, so sind sechs Lichtquellen vorzusehen. In diesem Fall liegen jeweils zwei Lichtquellen an gegenüber liegenden Seiten der Liege einander direkt gegenüber, so dass ihre Lichtebenen zusammenfallen. Dennoch werden insgesamt sechs Sensorsignale erfasst, die die Ermittlung des Ebenenschnittpunkts sowie der jeweiligen Geraden vom Schnittpunkt zum jeweils bestrahlten Sensor und damit die Relativstellung der Liege zu den Lichtquellen, also ihre Raumlage ermöglichen.
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Es ist zweckmäßig, wenn über die Lichtquellen eine horizontal und zwei vertikal verlaufende Lichtebenen erzeugbar sind, wobei bei mehr als drei verwendeten Lichtquellen jeweils zwei Lichtebenen zusammenfallen.
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Als Lichtquellen kommen besonders bevorzugt Linienlaser an, die entsprechend scharfe Lichtebenen erzeugen können.
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Die Sensoren selbst sind sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Ausrichtung angeordnet. D. h., dass die Sensoren senkrecht aufeinander stehen, um zu ermöglichen, dass jede der mehreren Lichtebenen jeweils wenigstens einen Sensor beleuchtet. Dabei können als Sensoren Einzelsensoren verwendet werden, die in möglichst dichter Reihung hintereinander bzw. überlappend in horizontaler und vertikaler Ausrichtung angeordnet sind. Die Reihung muss so dicht sein, dass gewährleistet ist, dass in jeder Tischposition jede Lichtebene auf mindestens einen Sensor trifft. Als Einzelsensoren können z.B. eindimensionale PSD-Sensoren (PSD = Position Sensitive Device)verwendet werden. Im Bereich der Belichtung des PSD-Sensors entsteht ein Photostrom, der je nach Position des Lichtpunkts oder Lage der Lichtebene in einem bestimmten Verhältnis über die an den Rändern liegenden Kontaktierungen abfließt. Aus den jeweils gemessenen Teilströmen kann der Ort der Belichtung bestimmt werden. Alternativ zur Verwendung von PSD-Sensoren ist auch die Verwendung von CCD-Sensoren (CCD = Charge-coupled Device) denkbar.
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Die Sensoren, insbesondere im Falle der Verwendung der flächigen Sensoren, sind bevorzugt länglich ausgeführt, d. h., dass im Falle von PSD-Sensoren diese bevorzugt streifenförmig ausgeführt sind, so dass sie in entsprechender horizontaler und vertikaler Ausrichtung seitlich an der Liege positioniert werden können.
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Dabei werden bevorzugt die in horizontaler Ausrichtung angeordneten Sensoren unmittelbar aneinander anschließend oder einander teilweise überlappend angeordnet. Hierüber wird sichergestellt, dass quasi ein um die gesamte Liegenseite umlaufendes, horizontal liegendes „Sensorband“ gegeben ist, mit dem in jedem Fall die beiden vertikalen Lichtebenen erfasst werden können. Kommen Einzelsensoren zum Einsatz, so werden diese entsprechend unmittelbar hintereinander gereiht angeordnet, so dass sich das umlaufende Band ergibt. Werden länglich-flächige, also große Sensoren wie die beschriebenen PSD-Sensoren verwendet, so können diese entweder ebenfalls unmittelbar hintereinander aneinandergereiht werden, oder mit einem leichten Überlapp, d. h., sie sind vertikal abwechselnd leicht versetzt zueinander. In jedem Fall kann auch hierüber ein geschlossenes umlaufendes „Sensorband“ erzeugt werden.
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Denkbar ist es, insbesondere bei Verwendung von nur drei Lichtquellen, jedoch zusätzlich gegebener Kippmöglichkeit der Liege um eine Horizontalachse, die in horizontaler Ausrichtung angeordneten Sensoren in zwei vertikal voneinander beabstandeten Reihen anzuordnen. Dies ermöglicht es, ein um eine Horizontalachse gegebenenfalls mögliches Verkippen der Patientenliege erfassen zu können, auch wenn die Anzahl der Lichtquellen nicht der Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden entspricht. Denn eine Lichtebene schneidet in diesem Fall zwei Sensoren, die dezidiert voneinander beabstandet sind, so dass aus dem Verlauf der Lichtebene respektive den erfassten Sensoresignalen auch ein etwaiger Kippwinkel ermittelt werden kann.
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Die in vertikaler Ausrichtung angeordneten Sensoren sind in horizontaler Richtung voneinander beabstandet angeordnet. Bei diesen Sensoren, die letztlich die bevorzugt horizontal liegende Lichtebene erfassen, ist es ausreichend, wenn nur einige wenige Sensoren seitlich verteilt vorgesehen sind, die also voneinander beabstandet sind. Auch hier ist es möglich, vertikal übereinander angeordnete Einzelsensorreihen zu bilden, oder jeweils einen länglichen PSD-Sensor anzuordnen.
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Um auch im Falle einer möglichen leichten Verkippung der Liege eine solche erfassen zu können, ist es, insbesondere bei Verwendung von weniger Lichtquellen als gegebenen Freiheitsgraden, zweckmäßig, wenn die vertikal ausgerichteten Sensoren derart angeordnet sind, dass bei einer Verkippung der Patientenliege aus der horizontal wenigstens zwei horizontal versetzt angeordnete Sensoren von der horizontal liegenden Lichtebene bestrahlt werden. Je enger der Abstand gewählt ist, umso größer kann der Verkippwinkel sein, der noch erfasst werden kann, bei dem also noch sichergestellt ist, dass die horizontale Lichtebene zwei benachbarte Vertikal-Sensoren beleuchtet.
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Neben der Patientenliege selbst betrifft die Erfindung ferner eine medizinische Untersuchungs- und/oder Behandlungsvorrichtung umfassend eine Patientenliege mit zugeordneter Positionsmesseinrichtung der beschriebenen Art. Als Lichtquellen können zweckmäßigerweise zur Markierung von Bildaufnahmeebenen dienende und ohnehin vorrichtungsseitig vorhandene Laserlichtquellen verwendet werden, d.h., dass zur Durchführung der erfindungsgemäßen Positionsbestimmung keine zusätzlichen Lichtquellen zu verwenden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Patientenliege,
- 2 die Patientenliege aus 1 in Teilansicht mit den zugeordneten Lichtquellen und den eingezeichneten Lichtebenen, und
- 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Messprinzips in zwei Dimensionen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Patientenliege 1, die auf einem Fuß 2 angeordnet ist bzw. einen solchen umfasst. Auf dem Fuß ist die Patientenliege zumindest in der Horizontalebene in den beiden Raumrichtungen sowie in vertikaler Raumrichtung verschiebbar, es ist also eine Bewegbarkeit mit drei Bewegungsfreiheitsgraden gegeben. Vorgesehen ist eine Positionserfassungseinrichtung 3, mittels der die exakte Raumposition der Patientenliege 1 bestimmt werden kann. Diese Positionserfassungseinrichtung umfasst an den Seiten 4 der Patientenliege 1 angeordnete Sensoren 5, 6, bei denen es sich bevorzugt um längliche, also streifenförmige PSD-Sensoren handelt, jedoch auch alternativ eine Vielzahl aneinandergereihter Einzelsensoren verwendet werden können.
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Die Sensoren 5 sind in horizontaler Ausrichtung an den Seiten 4 der Patientenliege angeordnet, wobei sich aufgrund der begrenzten Streifenlänge die Sensoren 5 auch teilweise etwas überlappen können. Insgesamt wird über die gereihten Sensoren 5 ein um die gesamte Patientenliegenseite umlaufendes Sensorband gebildet.
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Die Sensoren 6 sind demgegenüber vertikal ausgerichtet, sie sind ersichtlich in horizontaler Richtung gesehen voneinander beabstandet.
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Die Positionsmesseinrichtung 3 umfasst ferner drei Lichtquellen 7, 8, 9, die lagefest im Raum benachbart zur Patientenliege 1 angeordnet sind. Sie können beispielsweise an Bauteilen einer hier nicht näher gezeigten medizinischen Untersuchungs- und/oder Behandlungsvorrichtung angeordnet sein, beispielsweise einer Röntgeneinrichtung oder einer Strahlentherapieeinrichtung, welcher die Patientenliege 1 zugeordnet ist. In jedem Fall sind die Lichtquellen 7, 8, 9 lagefest, verglichen mit den relativ zu ihnen beweglichen Sensoren 5, 6. Die Anzahl der Lichtquellen 7, 8, 9 entspricht der Anzahl der drei Bewegungsfreiheitsgrade.
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Bei den Lichtquellen 7, 8, 9 handelt es sich vorzugsweise um Linienlaser, die in der Lage sind, relativ scharf begrenzte Lichtebenen aufzuspannen. Die Anordnung der Lichtquellen 7, 8, 9 respektive ihre Ausgestaltung ist derart, dass sie drei zueinander senkrecht stehende Lichtebenen aufspannen, wie in 2 gezeigt. Mittels der Lichtquelle 7 wird die Lichtebene 10, mittels der Lichtquelle 8 die Lichtebene 11 und mittels der Lichtquelle 9 die Lichtebene 12 erzeugt. Alle Lichtebenen schneiden sich in einem Punkt 13, der, da die Lichtquellen 7, 8, 9, lagefest sind, ebenfalls eine feste Raumlage besitzt.
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Wie 2 zeigt, stehen die beiden Lichtebenen 10 und 11 vertikal im Raum, während die Lichtebene 12 horizontal liegt. Jede Lichtebene 10, 11, 12 beleuchtet nun abhängig von der Relativposition der Patientenliege 1 zu den Lichtquellen 7, 8, 9 und damit zu den Lichtebenen 10, 11, 12 einen bestimmten Sensor 5, 6. Jeder Sensor 5, 6 liefert ein diskretes Positionssignal, aus dem exakt erfasst werden kann, an welcher Längenposition ein Sensor 5 mit einer der Lichtebenen 10, 11 bestrahlt wird respektive an welcher Höhenposition einer der Sensoren 6 bestrahlt wird. Die hier exemplarisch gezeigten Sensoren 5, 6 sind wie beschrieben als PSD-Sensoren ausgeführt, vorzugsweise solche in diskreter Bauart, also jeweils bestehend aus einer Matrix umfassend eine Vielzahl einzelner Sensorpixel. Deshalb kann ein großflächiger, streifenförmiger Sensor 5 oder 6 exakt erfassen respektive kann von ihm exakt abgegriffen werden, welcher oder welche Pixel von der jeweiligen Lichtebene 10, 11, 12 beleuchtet wird. Da die Position des jeweiligen Sensors 5, 6 an der Patientenliege fest und bekannt ist, kann aus der Kenntnis, welcher oder welche Pixel bestrahlt werden, exakt die Bestrahlungsposition der jeweiligen Lichtebene 10, 11, 12 an der Liege bestimmt werden.
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Aus der Kenntnis, welche Sensoren abhängig von der Liegenposition beleuchtet werden, kann nun eine hier nicht näher gezeigte Verarbeitungseinrichtung 14, die in 1 lediglich exemplarisch dargestellt ist, ermitteln, wo sich der Schnittpunkt 13 befindet. D. h., dass aus den Auftreffpunkten der Laserlichtebenen auf den Sensoren 5, 6 die Position des Schnittpunkts 13, also des Laserkreuzes berechnet wird. Die Lage des Schnittpunkts und die Lage der bestrahlten Sensoren definieren nun drei separate Geraden, die vom Schnittpunkt 13 zu den jeweiligen Lichtquellen 7, 8 und 9 laufen. Damit ist die Einstrahlrichtung bekannt, woraus sich wiederum die Relativlage der Liege zu den Lichtquellen und folglich ihre Raumlage ermitteln lässt.
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Wie ausgeführt entspricht vorzugsweise die Anzahl der verwendeten Lichtquellen der Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden der Liege. Ist also die Liege in den drei Raumrichtungen translatorisch bewegbar und zusätzlich um jede Raumachse drehbar, so sind sechs Freiheitsgrade gegeben, mithin also auch sechs Lichtquellen vorhanden. Davon liegen sich jeweils zwei Lichtquellen an verschiedenen. Liegenseiten direkt gegenüber, so dass ihre jeweils aufgespannten Lichtebenen zusammenfallen. Die Liege wird also an insgesamt sechs Punkten bestrahlt, d.h., dass die Sensoren 5, 6 insgesamt sechs diskrete Signale liefern. Bezogen auf das Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 würde also jeder Lichtquelle 7, 8 und 9 an der anderen Liegenseite jeweils eine weitere Lichtquelle 7', 8' und 9' gegenüber liegen. Diese sind - nachdem die dort beschriebene Patientenliege angenommener Maßen nur drei Bewegungsfreiheitsgrade aufweist - in 2 nur gestrichelt dargestellt.
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Hierüber kann jede translatorische und rotatorische Liegenposition exakt ermittelt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung zur Bestimmung des Schnittpunkts 13, wobei hier der Übersichtlichkeit halber lediglich das Messprinzip in zwei Dimensionen dargestellt ist. Ferner sei angenommen, dass jeweils zwei Lichtquellen einander gegenüberliegend an gegenüberliegenden Liegenseiten angeordnet sind und ihre jeweiligen Lichtebenen zusammenfallen, so dass sich bei vier Lichtquellen vier Sensorsignale ergeben.
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Die Patientenliege, die grundsätzlich in ihrer Geometrie einmalig eingemessen wird und folglich bekannt ist, ist hier vereinfacht als Rechteck mit der Kantenlänge lx und ly dargestellt. Gezeigt sind zwei Lichtebenen (von denen jede wie ausgeführt mittels zweier Lichtquellen erzeugt wird), es sei angenommen, dass es sich hier um die Lichtebenen 10 und 11 handelt. Diese schneiden ersichtlich die Liegenseiten an vier Punkten, die mit (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) und (x4, y4) benannt sind.
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Hieraus können nun die beiden Lichtebenen
10,
11, nachfolgend als „Geraden 10, 11“ benannt, wie folgt ermittelt werden:
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Wie ausgeführt entspricht vorzugsweise die Anzahl der Lichtquellen der Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden der Liege, um jede Liegenposition eindeutig erfassen zu können. Gleichwohl ist es auch mit weniger Lichtquellen als Bewegungsfreiheitsgraden möglich, rotatorische Verkippungen zu erfassen. Während 1 und 2 nur ein aus den Sensoren 5 umlaufendes „Sensorband“ zeigt, das im gezeigten Beispiel zum oberen Liegenrand hin angeordnet ist, ist es selbstverständlich auch denkbar, ein zweites, im Bereich des unteren Liegenrandes befindliches „Sensorband“ aus den Sensoren 5 anzuordnen, was im Falle einer gegebenenfalls vorgesehenen Verkippungsmöglichkeit der Patientenliege 1 relativ zum Fuß 2 um eine Horizontalachse zur Erfassung der Liegenposition zweckmäßig sein kann. Denn dann werden von jeder der vertikal liegenden Lichtebenen zwei Sensoren bestrahlt, also zwei Sensorsignale generiert, die diskrete zusätzliche Positionsinformationen liefern, anhand welcher die Bestimmung der Raumlage erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Patientenliege
- 2
- Fuß
- 3
- Positionserfassungseinrichtung
- 4
- Seite
- 5
- Sensor
- 6
- Sensor
- 7
- Lichtquelle
- 7'
- Lichtquelle
- 8
- Lichtquelle
- 8'
- Lichtquelle
- 9
- Lichtquelle
- 9'
- Lichtquelle
- 10
- Lichtebene
- 11
- Lichtebene
- 12
- Lichtebene
- 13
- Punkt
- 14
- Verarbeitungseinrichtung
