DE102011003981A1

DE102011003981A1 - Verfahren zur Kontrolle eines bei einer Durchführung einer medizinischen Maßnahme verwendeten elektromagnetisch arbeitenden Navigationssystems und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102011003981A1
Application number: DE102011003981A
Authority: DE
Inventors: Rainer Graumann; Gerhard Kleinszig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle eines bei einer Durchführung einer medizinischen Maßnahme verwendeten elektromagnetisch arbeitenden Navigationssystems (8) mit folgenden Schritten:
a) mittels des Navigationssystems (8) wird eine aktuelle Relativlage (P_a) eines ersten Positionsmarkers (14) zu einem zweiten Positionsmarker (14a) ermittelt, wobei sich der erste Positionsmarker (14) in einer festen Lage relativ zu dem zweiten Positionsmarker (14a) befindet,
b) die aktuelle Relativlage (P_a) wird mit einer bekannten Relativlage (P_b) zwischen dem ersten Positionsmarker (14) und dem zweiten Positionsmarker (14a) verglichen,
c) es wird eine Abweichung (ΔP) der bekannten Relativlage (P_b) von der aktuellen Relativlage (P_a) ermittelt und zur Kontrolle der korrekten Funktion des Navigationssystems (8) herangezogen.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle eines bei einer Durchführung einer medizinischen Maßnahme verwendeten elektromagnetisch arbeitenden Navigationssystems und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Unterstützung von medizinischen Maßnahmen werden elektromagnetisch arbeitende Navigationssysteme verwendet, um beispielsweise medizinische Instrumente oder Implantate an einem definierten Ort zu platzieren. Für eine derartige Navigation sind die entsprechenden Instrumente bzw. Implantate mit einem Positionsmarker versehen, mit deren Hilfe diese in einem elektromagnetischen Feld geortet werden können, so dass eine Bestimmung der aktuellen Lage, also sowohl der Position als auch der Orientierung, ermöglicht wird. Das für die Ortung benötigte, durch das Navigationssystem erzeugte elektromagnetische Feld kann jedoch von ferromagnetischen Materialien beeinflusst werden, die sich im Navigationsumfeld befinden können. Eine derartige Beeinflussung kann dann wiederum zu Fehlern in der Positions- und Orientierungsbestimmung der Positionsmarker führen. Dadurch wird eine korrekte Navigation verhindert, wodurch das gewünschte Ergebnis der medizinischen Maßnahme gefährdet werden kann. Hinzu kommt, dass die durch die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes und die damit verbundene fehlerhafte Navigation vom Benutzer unbemerkt bleiben kann.
Um derartige Probleme zu vermeiden, muss das Navigationsumfeld daher weitestgehend frei von ferromagnetischen Materialien gehalten werden, so dass eine Störung des elektromagnetischen Feldes vermieden wird. Dies gelingt jedoch nicht in jedem Fall, da bei der Durchführung von einigen medizinischen Maßnahmen zwingend ferromagnetische Materialien verwendet werden müssen. Insbesondere im Bereich der Unfallchirurgie bzw. der chirurgischen Orthopädie kann oft nicht auf ferromagnetische Materialien enthaltende Instrumente, wie beispielsweise Bohrmaschinen, verzichtet werden. Auch chirurgischer Stahl kann eine gewisse Restmagnetisierung aufweisen und daher ein elektromagnetisches Feld beeinflussen. Somit ist auf diesem Anwendungsgebiet eine stets korrekte Navigation mittels eines elektromagnetisch arbeitenden Navigationssystems nicht immer möglich. Es wird daher hier statt der elektromagnetischen Navigation, falls möglich, die optische Navigation verwendet.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Kontrolle eines elektromagnetisch arbeitenden Navigationssystems anzugeben, mit dessen Hilfe die Kontrolle auf einfache Weise auch während der Durchführung einer medizinischen Maßnahme ermöglicht wird. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren zur Kontrolle eines bei einer Durchführung einer medizinischen Maßnahme verwendeten elektromagnetisch arbeitenden Navigationssystems gemäß Patentanspruch 1.
Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) mittels des Navigationssystems wird eine aktuelle Relativlage eines ersten Positionsmarkers zu einem zweiten Positionsmarker ermittelt, wobei sich der erste Positionsmarker in einer festen Lage relativ zu dem zweiten Positionsmarker befindet,
b) die aktuelle Relativlage wird mit einer bekannten Relativlage zwischen dem ersten Positionsmarker und dem zweiten Positionsmarker verglichen,
c) es wird eine Abweichung der bekannten Relativlage von der aktuellen Relativlage ermittelt und zur Kontrolle der korrekten Funktion des Navigationssystems herangezogen.

Eine Lage eines Positionsmarkers umfasst jeweils sowohl dessen Position als auch dessen Orientierung in einem Koordinatensystem.
Eine Kontrolle der korrekten Funktion des Navigationssystems wird also dadurch erreicht, dass im Navigationssystem eine bekannte Relativlage von den zwei Positionsmarkern, die in einer festen Lage relativ zueinander angeordnet sind, gespeichert ist. Da diese Lage fest, also unveränderlich ist, muss die aktuell durch das Navigationssystem ermittelte Relativlage der beiden Positionsmarker während der gesamten Dauer der durchzuführenden medizinischen Maßnahme mit dieser bekannten Relativlage übereinstimmen. Ist dies nicht der Fall, also wird eine Abweichung der aktuellen ermittelten Relativlage zu der bekannten Relativlage festgestellt, so lässt dies den Schluss zu, dass das durch das Navigationssystem erzeugte elektromagnetische Feld durch weitere externe Magnetfelder oder die Anwesenheit von ferromagnetischen Materialien beeinflusst wird und somit eine verfälschte Positions- und Orientierungsbestimmung erfolgt. Das Verfahren verwendet somit eine notwendige Bedingung, die für eine störungsfreie Positions- und Orientierungsbestimmung Voraussetzung ist. Auf diese Art wird somit eine einfache Kontrolle des Navigationssystems auch während der Durchführung einer medizinischen Maßnahme erreicht.
Unter einer festen Lage des ersten Positionsmarkers relativ zu dem zweiten Positionsmarker ist zu verstehen, dass der zweite Positionsmarker in Bezug auf ein Koordinatensystem, das an dem ersten Positionsmarker fixiert ist, eine feste, also unveränderliche Lage, also sowohl Position als auch Orientierung, aufweist. Der erste Positionsmarker weist somit diesem Koordinatensystem immer dieselben Koordinaten auf, auch wenn sich die Lage des ersten bzw. zweiten Positionsmarkers in dem Navigationsumfeld ändert. Dies gilt dann im Umkehrschluss auch für den ersten Positionsmarker in Bezug auf ein an dem zweiten Positionsmarker fixiertes Koordinatensystem. Die beiden Positionsmarker haben somit einen definierten und festen Abstand und eine definierte und feste Orientierung und stehen in einem festen geometrischen Verhältnis zueinander. Dies dient als Qualitätsmaß für die Genauigkeit der Lagebestimmung.
Liegt eine Abweichung der bekannten Relativlage von der aktuellen Relativlage vor, sind also die Positions- und Orientierungsbestimmungen gestört, sollte die Navigation mittels des Navigationssystems abgebrochen werden bzw. die mit Fehlern behaftete Navigation seitens des Benutzers nur unter besonderer Vorsicht weitergeführt werden. Der Benutzer kann dadurch kontrollieren, ob eine korrekte Funktion des Navigationssystems gewährleistet ist.
Die bekannte Relativlage kann bspw. im Navigationssystem aus einer Datenbank bekannt sein. Ohne Zugriff auf eine Datenbank oder vordefinierte Werte kann die bekannte Relativlage in einem ersten Schritt vor Schritt a) mittels des Navigationssystems selbst ermittelt werden. Dazu werden die beiden Positionsmarker in der festen Relativlage in das Navigationsumfeld eingebracht, und es erfolgt eine erste Messung zur Bestimmung der jeweiligen Lagen des ersten sowie des zweiten Positionsmarkers zu einem Zeitpunkt, in dem das elektromagnetische Feld des Navigationssystems nicht bspw. durch ferromagnetische Materialien beeinflusst ist. Diese Messung dient somit als Referenzmessung und zur Ermittlung der bekannten Relativlage, welche dann im Verlauf des späteren Verfahrens als Vergleichsmaßstab dient.
Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die aktuelle Relativlage der beiden Positionsmarker mehrfach zeitlich nacheinander ermittelt und diese jeweils mit der bekannten Relativlage verglichen. Somit wird im zeitlichen Verlauf stets eine Kontrolle des Navigationssystems durchgeführt. Die Schritte werden beispielsweise während der medizinischen Maßnahme, wie einer Operationsmaßnahme in kurzen Zeitabständen mehrfach, also fortlaufend durchgeführt, sodass fortlaufend eine Kontrolle erfolgt, ob eine korrekte Funktion des Navigationssystems gewährleistet ist. Somit wird auch eine Änderung der Abweichung während einer medizinischen Maßnahme erfasst. Bei einer ermittelten Abweichung können somit sofort Gegenmaßnahmen getroffen werden, wie z. B. die Entfernung eines ferromagnetischen Gegenstandes aus dem Navigationsumfeld. Durch die nach einer derartigen Maßnahme wiederholte Durchführung der o. g. Schritte kann dann beurteilt werden, ob durch diese Maßnahme das Navigationssystem wieder fehlerfrei arbeitet.
Die ersten und zweiten Positionsmarkers können beispielsweise an einem Werkzeug oder Implantat befestigt oder in einem solchen integriert werden. An diesen Objekten ist, um sie zur herkömmlichen Navigation verwenden zu können, bereits ein erster Positionsmarker befestigt. Es muss daher lediglich ein weiterer zweiter Positionsmarker in einer festen Lage relativ zum ersten Positionsmarker befestigt werden. Beide Positionsmarker können aber auch an einem Referenzsystem befestigt oder integriert werden, was ausschließlich dazu dient, die Positionsmarker aufzunehmen. Dieses Referenzsystem kann dann beispielsweise während der Durchführung der medizinischen Maßnahme innerhalb des Navigationsumfeldes dorthin gelegt werden, wo das elektromagnetische Feld überwacht werden soll. Beispielsweise kann es nahe einer Operationsstelle auf den Patienten gelegt werden. Das Referenzsystem kann aber auch beispielsweise in einem Patiententisch integriert werden und befindet sich somit automatisch im Navigationsumfeld. Durch die Platzierung der Positionsmarker nahe des Operationsgebietes wird auch gewährleistet, dass eine Kontrolle des Navigationssystems bzw. des elektromagnetischen Feldes dort erfolgt, wo die chirurgischen Handlungen vorgenommen werden und somit an diesem Ort eine besonders hohe Genauigkeit der Navigation gewährleistet wird.
Auf eine einfache Art und Weise kann ein Positionsmarker durch eine oder mehrere Sensorspulen, also Sensorspulensysteme gebildet werden. Bevorzugterweise werden. Sensorspulensysteme verwendet, die fünf oder sechs Freiheitsgrade aufweisen.
Um dem Benutzer, wie bspw. einem Chirurgen eine Abweichung der aktuellen Relativlage von der bekannten Relativlage, also eine Störung in der Navigation zu signalisieren, wird ein optisches oder akustisches Signal erzeugt, wenn die Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Die Größe der tolerierbaren Abweichung in Lage, also Position und Orientierung kann vor Durchführung der medizinischen Maßnahme in Bezug auf diese festgelegt werden, je nachdem welche Abweichungen im Einzelfall tolerierbar sind. Das optische Signal kann bspw. in Form einer Ampel dargestellt werden, wobei grün eine ungestörte Lagebestimmung, gelb eine leicht gestörte Lagebestimmung, die jedoch noch tolerabel ist und rot eine nicht mehr zu tolerierende Lagebestimmung anzeigt.
Bei dem Verfahren können auch mehr als zwei zweite Positionsmarker zum Einsatz kommen, die in einer festen Lage relativ zum ersten Positionsmarker angeordnet werden. Damit ist es unter bestimmten Bedingungen auch möglich, grobe Aussagen über die Größe, Lage und Orientierung von Störfeldern zu treffen.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8. Die Erläuterung der Vorteile erfolgte bereits oben mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 ein Navigationssystem,
2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist eine Situation dargestellt, in der sich in einem Navigationsumfeld ein Patient 2 zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme auf einem Behandlungstisch 4 befindet. Im Ausführungsbeispiel muss in den Patienten 2 an eine vorgesehene Stelle ein Implantat 6 platziert werden. Um eine korrekte Platzierung zu ermöglichen, wird das Implantat 6 mittels eines elektromagnetisch arbeitenden Navigationssystems 8 navigiert. Durch einen an das Navigationssystem 8 angeschlossenen Feldgenerators 10, der unter dem Behandlungstisch 4 angebracht ist, wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, indem zu navigierende Werkzeuge oder bspw. das Implantat 6 geortet werden können. Desweiteren ist an das Navigationssystem 8 eine Recheneinheit 12 angeschlossen, in dem eine Software implementiert ist, mit der das erfindungsgemäße Verfahren gesteuert wird.
Um das Implantat 6 in dem elektromagnetischen Feld orten zu können, ist jeweils an einem Ende des Implantats 6 ein erster Positionsmarker 14 und ein zweiter Positionsmarker 14a befestigt, die jeweils als Sensorspulensystem ausgestaltet sind. Dabei befindet sich der erste Positionsmarker 14 in einer festen Lage relativ zu dem zweiten Positionsmarker 14a. Die beiden Positionsmarker 14, 14a haben somit eine feste relative Orientierung und einen festen Abstand D zueinander.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nun näher in 2 erläutert.
Als Voraussetzung zur Durchführung des Verfahrens muss im Navigationssystem 8 eine bekannte Relativlage P_b zwischen dem ersten Positionsmarker 14 und dem zweiten Positionsmarker 14a vorhanden sein. Diese bekannte Relativlage P_b kann bspw. aus einer Datenbank entnommen werden, in der die schon bei der Herstellung des Implantats 6 bekannte Relativlage P_b zwischen dem ersten Positionsmarker 14 und dem zweiten Positionsmarker 14a bereits vom Hersteller eingepflegt wurde. Die bekannte Relativlage kann aber auch vor Durchführung der medizinischen Maßnahme von einem Benutzer in das Navigationssystem 8 eingegeben werden. Auch dabei können bspw. Herstellerangaben oder auch eigene Messdaten verwendet werden. Alternativ ist es jedoch auch auf einfache Weise möglich, die bekannte Relativlage P_b zu ermitteln, indem das Implantat 6 und somit die beiden Positionsmarker 14, 14a in das Navigationsumfeld des Navigationssystems 8 eingebracht werden und die jeweilige Lage des ersten Positionsmarkers 14 und des zweiten Positionsmarkers 14a bestimmt wird, woraus im Navigationssystem 8 und der Recheneinheit 12 die bekannte Relativlage P_b berechnet werden kann.
In einem ersten Schritt a) wird mittels des Navigationssystems 8 eine aktuelle Relativlage P_a des ersten Positionsmarkers 14 zu dem zweiten Positionsmarker 14a ermittelt.
In einem zweiten Schritt b) wird dann die aktuelle Relativlage P_a mit der bekannten Relativlage P_b zwischen dem ersten Positionsmarker 14 und dem zweiten Positionsmarker 14a verglichen.
Im Schritt c) wird dann eine Abweichung ΔP der bekannten Relativlage P_b von der aktuellen Relativlage P_a ermittelt und zur Kontrolle der korrekten Funktion des Navigationssystems herangezogen. Ist die Abweichung ΔP kleiner als ein vorgegebener Schwellwert S, so ist dies ein Zeichen, dass das Navigationssystem 8 ordnungsgemäß arbeitet. Die oben beschriebenen Schritte a)–c) werden dann zur weiteren Kontrolle der korrekten Funktion des Navigationssystems 8 mehrfach nacheinander durchgeführt.
Überschreitet jedoch während eines beliebigen Durchlaufs der oben beschriebenen Schritte a)–c) die Abweichung ΔP den vorgegebenen Schwellwert S, dann ist dies ein Maß dafür, dass das elektromagnetische Feld des Navigationssystems 8 derart durch externe Magnetfelder oder durch die Anwesenheit von ferromagnetischen Materialien beeinflusst ist, dass eine korrekte Navigation nicht mehr durchgeführt werden kann. Dem Bediener wird dann ein optisches Signal angezeigt, dass eine korrekte Navigation nicht mehr möglich ist. Die Navigation kann bspw. auch völlig gestoppt werden oder bei geringen Abweichungen ist zumindest der Bediener darauf hinzuweisen, dass er sich auf die Navigationsdaten des Navigationssystems 8 nicht mehr verlassen kann.
Somit läuft der Bediener nicht Gefahr, dass eine verfälschte Navigation, die durch Störung des elektromagnetischen Feldes hervorgerufen wird, unbemerkt bleibt. Der Bediener hat also während der gesamten Dauer der medizinischen Maßnahme eine Kontrolle darüber, ob das Navigationssystem korrekt arbeitet.
Bezugszeichenliste

2: Patient
4: Behandlungstisch
6: Implantat
8: Navigationssystem
10: Feldgenerator
12: Recheneinheit
14: erster Positionsmarker
14a: zweiter Positionsmarker
D: Abstand
P_a: aktuelle Relativposition
P_b: bekannte Relativposition
ΔP: Abweichung
S: Schwellwert

Claims

Verfahren zur Kontrolle eines bei einer Durchführung einer medizinischen Maßnahme verwendeten elektromagnetisch arbeitenden Navigationssystems (8) mit folgenden Schritten: a) mittels des Navigationssystems (8) wird eine aktuelle Relativlage (P_a) eines ersten Positionsmarkers (14) zu einem zweiten Positionsmarker (14a) ermittelt, wobei sich der erste Positionsmarker (14) in einer festen Lage relativ zu dem zweiten Positionsmarker (14a) befindet, b) die aktuelle Relativlage (P_a) wird mit einer bekannten Relativlage (P_b) zwischen dem ersten Positionsmarker (14) und dem zweiten Positionsmarker (14a) verglichen, c) es wird eine Abweichung (ΔP) der bekannten Relativlage (P_b) von der aktuellen Relativlage (P_a) ermittelt und zur Kontrolle der korrekten Funktion des Navigationssystems (8) herangezogen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die bekannte Relativlage (P_b) in einem ersten Schritt vor Schritt a) mittels des Navigationssystems (8) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die aktuelle Relativlage (P_a) mehrfach nacheinander ermittelt wird und diese jeweils mit der bekannten Relativlage (P_b) verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Positionsmarker (14, 14a) an einem Werkzeug, Implantat (6) oder einem Referenzsystem befestigt oder in einem solchen integriert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Positionsmarker (14, 14a) eine Sensorspule oder ein Sensorspulensystem verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein optisches oder akustisches Signal erzeugt wird, wenn die Abweichung (ΔP) einen vorgegebenen Schwellwert (S) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens zwei zweite Positionsmarker (14a) in einer festen Lage relativ zum ersten Positionsmarker (14) angeordnet werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–7, mit einem elektromagnetisch arbeitenden Navigationssystem (8), einem ersten Positionsmarker (14), einem zweiten Positionsmarker (14a), wobei sich der erste Positionsmarker (14) in einer festen Lage relativ zu dem zweiten Positionsmarker (14a) befindet und einer Recheneinheit (12), in der eine Software implementiert ist, die das Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7 steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Positionsmarker (14, 14a) Sensorspulen oder Sensorspulensysteme sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der mindestens zwei zweite Positionsmarker (14a) in einer festen Lage relativ zum ersten Positionsmarker (14) angeordnet sind.