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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Abweichung eines medizinischen Instruments von einer Zielposition.
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Bei der chirurgischen Behandlung beispielsweise von Frakturen eines Knochens werden Implantate eingesetzt, die an den einzelnen zu behandelnden Knochenfragmenten fixiert werden müssen, so dass diese in einer gewünschten Relativlage miteinander verheilen können. Die Fixierung des Implantats an den einzelnen Knochenfragmenten geschieht mit geeigneten Befestigungsmitteln, beispielsweise Schrauben. Diese müssen anhand der Anatomie des Knochens und der Geometrie des Implantats bestimmte geometrische Vorgaben erfüllen. Insbesondere handelt es sich bei Schrauben dabei um deren Länge und deren Winkel, in dem diese in das Implantat bzw. den Knochen eingebracht werden muss. Derartige geometrische Parameter können intra-operativ mittels eines Planungsverfahrens und hierfür geeigneten Planungstools bestimmt werden.
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Problematisch ist allerdings die Umsetzung der durch das Planungsverfahren gewonnenen Planungsdaten, also der Soll-Werte in die Realität, beispielsweise die Einhaltung des geplanten Winkels beim Einbringen einer Schraube in das Implantat. Hier ist man auf die geschickte Umsetzung durch das medizinische Personal angewiesen. Um die Umsetzung zu erleichtern, verwendet man sogenannte Bohrhülsen, die den Winkelbereich auf ca. +/–20° im Koordinatensystem des Implantats einschränken. Dieser Winkelbereich stellt jedoch nur einen äußeren Rahmen für die Umsetzung der Planungsdaten dar. Es liegt somit dennoch im Geschick des medizinischen Personals, den genauen Soll-Wert einzuhalten. Je nach Erfahrung des medizinischen Personals gibt es deshalb größere Abweichungen vom Soll-Wert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem das medizinische Personal bei einer oben genannten medizinischen Maßnahme unterstütz wird, so dass ein Soll-Wert besser eingehalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Demnach umfasst das Verfahren zum Ermitteln einer Abweichung eines medizinischen Instruments von einer Zielposition die folgenden Schritte:
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In Schritt a) wird zunächst in ein mit einem Bildgebungssystem erzeugtes Bild eines im Körper eines Patienten befindlichen Implantats ein virtuelles Modell des Implantats ortsrichtig eingepasst und somit dessen Lage im Bildgebungssystem ermittelt.
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In Schritt b) wird dann anhand der Lage des virtuellen Modells im Bildgebungssystem und einer relativ zum virtuellen Modell fest gewählten Zielposition für ein Instrument die Lage der Zielposition im Bildgebungssystem ermittelt.
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In Schritt c) wird mittels der Aufnahmeeinrichtung ein Videobild des Instruments erzeugt und daraus dessen Lage bezüglich der Aufnahmeeinrichtung ermittelt.
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In Schritt d) wird schließlich mittels einer bekannten geometrischen Beziehung zwischen Aufnahmeeinrichtung und Bildgebungssystem eine Abweichung ermittelt.
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Durch die ortsrichtige Einpassung des virtuellen Modells des Implantats in das erzeugte Bild ist zunächst die Lage des Modells im Koordinatensystem des Bildgebungssystems bekannt. Als Zielposition für ein Instrument, beispielsweise ein Werkzeug wie ein Schraubendreher, wird die Position angesehen, in die das Instrument gebracht werden muss, um eine geometrische Vorgabe zu erfüllen. Beispielsweise kann das die Position sein, in der das Instrument mit einem Befestigungsmittel für das Implantat so im Eingriff steht, dass das Befestigungsmittel eine gewünschte Lage einnimmt. Da die Zielposition für das Instrument zunächst lediglich in Bezug auf das Implantat, also im Koordinatensystem des Implantats bekannt ist, kann in Schritt b) anhand dieser Information und der in Schritt a) ermittelten Lage des virtuellen Modells im Bildgebungssystem die Lage der Zielposition im Bildgebungssystem ermittelt werden. Dass die Zielposition relativ zum virtuellen Modell fest gewählt ist bedeutet, dass die Zielposition zwar zunächst beispielsweise anhand der anatomischen Gegebenheiten und einer Auswahl eines Befestigungsmittels für das Implantat grundsätzlich beliebig wählbar ist, jedoch nach dessen Auswahl in Bezug auf das Implantat fest ist, also im Koordinatensystem des Implantats eindeutig definierte Koordinaten aufweist. Somit ist also nach Schritt b) sowohl die Lage des virtuellen Modells des Implantats als auch die Lage der Zielposition im Bildgebungssystem bekannt.
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In Schritt c) wird dann mittels einer Aufnahmeeinrichtung ein Videobild des Instruments erzeugt. Hierzu ist das Instrument mittels optischen Markern ausgestattet, so dass das Instrument im Videobild registriert werden kann. Dadurch kann dessen aktuelle Lage bezüglich der Aufnahmeeinrichtung ermittelt werden. Da das Videobild mit einer bestimmten Frequenz erneuert wird, kann also auch während einer Operationsmaßnahme die jeweilige aktuelle Lage wiederholt ermittelt werden.
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Da ferner auch zwischen dem Bildgebungssystem und der Aufnahmeeinrichtung für das Videobild die geometrische Beziehung bekannt ist, kann dann in Schritt d) eine Abweichung des Instruments von der Zielposition ermittelt werden. Mit anderen Worten: Es ist die Beziehung zwischen dem Koordinatensystem des Bildgebungssystems und dem Koordinatensystem der Aufnahmeeinrichtung bekannt, so dass die in Schritt a) ermittelten Koordinaten des virtuellen Modells im Bildgebungssystem und in Schritt b) ermittelten Koordinaten der Lage der Zielposition im Bildgebungssystem jeweils in Koordinaten des Koordinatensystem der Aufnahmeeinrichtung umgerechnet werden können. Damit sind also sowohl die Koordinaten des virtuellen Modells als auch der Zielposition im Koordinatensystem der Aufnahmeeinrichtung bekannt. Da auch die Koordinaten des Instruments bezüglich der Aufnahmeeinrichtung ermittelt wurden, kann daraus die Abweichung von der Zielposition ermittelt werden. Anhand dieser Abweichung kann dann das Instrument korrekt positioniert werden.
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Auf diese Art und Weise ist es also möglich, ein Instrument exakt zu positionieren und somit beispielsweise Schrauben zur Fixierung des Implantats in einem bestimmten Winkel in dieses einzubringen. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist, dass dafür keinerlei zusätzliche Röntgenstrahlung notwendig ist, da das Positionieren des Instruments vollständig unter optischer Bildkontrolle geschieht.
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Bevorzugt wird anhand der Abweichung ein Korrekturparameter ermittelt, der mittels einer Benutzerschnittstelle visualisiert wird. Dies kann beispielsweise anhand eines Fadenkreuzes oder Pfeilen, die in die entsprechende Richtung deuten, geschehen.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Lage der Zielposition relativ zum virtuellen Modell fest gewählt, in dem diese anhand des mit dem Bildgebungssystems erzeugten Bildes und des in dieses eingepassten virtuellen Modells geplant wird. Dazu kann wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein Planungstool verwendet werden. Mit einem derartigen Planungstool kann zunächst das geeignete Befestigungsmittel, beispielsweise eine Schraube mit einem bestimmten Durchmesser und einer optimalen Länge geplant werden. Danach wird der Winkel gewählt und somit festgelegt, unter welchem das Befestigungsmittel in das Implantat eingebracht werden muss.
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Üblicherweise wird in Schritt a) als Bildgebungssystem ein Röntgensystem verwendet. D.h. das erzeugte Bild liegt als 2D-Röntgenprojektionsbild vor und dient somit als Grundlage für die Einpassung beispielsweise eines in 3D-Form vorliegenden Modells des Implantats, was durch eine bekannte 2D-/3D-Registrierung durchgeführt werden kann. Auch eine derartige Einpassung in das Bild kann mit dem Planungstool erfolgen.
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Wenn das Videobild mit einem CAMC-System (Camera Augmented Mobile C-Arm) erzeugt wird, entsprechen die Koordinaten des Bildgebungssystems den Koordinaten der Aufnahmeeinrichtung. Dies bedeutet, dass in Schritt d) eine Transformation der Koordinaten des Bildgebungssystems in die Koordinaten der Aufnahmeeinrichtung nicht mehr erforderlich ist, so dass also bereits in Schritt a) die Lage des virtuellen Modells des Implantats und in Schritt b) die Lage der Zielposition bereits im Koordinatensystem der Aufnahmeeinrichtung bekannt sind. Somit ist eine Abweichung des Instruments von der Zielposition noch einfacher ermittelbar.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere, auf einer Führungskurve liegende Zielpositionen fest gewählt. Auf diese Art und Weise wird gewährleistet, dass ein Befestigungsmittel, wie beispielsweise eine Schraube auf einem gewünschten Weg mittels des Instruments in das Implantat bzw. den Knochen eingebracht werden können. Insbesondere beschreibt die Führungskurve beim Einbringen einer Schraube eine Gerade.
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Um eine weitere Verbesserung der Führung des Instruments zu ermöglichen, werden in das Videobild neben der aktuellen Position des mit einem optischen Marker versehenen Instruments auch das virtuelle Modell des Implantats und die Zielposition ortsrichtig eingeblendet. Somit kann von einem Benutzer leicht erkannt werden, ob eine Abweichung einer Ist-Position des Instruments von der Soll-, also der Zielposition vorliegt.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 eine Bildgebungseinrichtung und Aufnahmeeinrichtung zum Erzeugen eines Videobildes eines in dem Körper eines Patienten befindlichen Implantats,
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2 ein mit dem Bildgebungssystem erzeugtes Bild,
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3 ein virtuelles Modell eines Implantats,
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4 ein mit der Aufnahmeeinrichtung erzeugtes Videobild,
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5 ein mittels eines Monitors dargestellter Korrekturparameter.
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In 1 ist eine Ausgangssituation zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es wurde im Rahmen einer Operation in den Körper eines Patienten ein Implantat 4 eingebracht, welches im Ausführungsbeispiel zur Behandlung eines Knochens 6 dient. Zur Fixierung des Implantats 4 an dem Knochen 6 weist dieses mehrere Löcher 8 auf, durch welche geeignete Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben in den Knochen 6 eingebracht werden können. Um einen ausreichenden Halt des Implantats 6 am Knochen zu gewährleisten, müssen die Befestigungsmittel eine bestimmte Länge aufweisen und in einem bestimmten Winkel in das Implantat 4 bzw. in den Knochen 6 eingebracht werden. Um Letzteres mit einer hinreichenden Genauigkeit zu gewährleisten wird das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt.
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Dabei wird in einem Schritt a) mittels eines Bildgebungssystems 10, welches durch ein eine Röntgenquelle 12 und einen Röntgendetektor 14 umfassendes Röntgensystem 16 gebildet wird, ein Bild 18 erzeugt, welches in 2 dargestellt ist. Röntgenquelle 12 und der Röntgendetektor 14 sind beispielsweise an einem nicht dargestellten C-Bogen fixiert. Des Weiteren ist in 1 eine Aufnahmeeinrichtung 20 dargestellt, welche aus einer Videokamera 22 und aus einem Spiegel 24 gebildet wird. Die Aufnahmeeinrichtung 20 ist dabei ebenfalls an dem nicht dargestellten C-Bogen fixiert und weist die gleiche Aufnahmegeometrie A auf, wie das Röntgensystem 16. Dies bedeutet, dass das Koordinatensystem der Aufnahmeeinrichtung 20 und des Bildgebungssystems 10 identisch sind. Somit hat ein in der Aufnahmegeometrie A befindlicher Gegenstand sowohl im Koordinatensystem des Bildgebungssystems 10 als auch im Koordinatensystem der Aufnahmeeinrichtung 20 dieselben Koordinaten.
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In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahren wird beispielsweise mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten 2D-/3D-Registrierungsverfahrens ein virtuelles Modell 26 des Implantats 4, welches in dreidimensionaler Form vorliegt, ortsrichtig in das Bild 18 eingepasst, wie es in 2 dargestellt ist. Das heißt, das virtuelle Modell 26 wird anhand der Informationen des Bildes 18 virtuell so bewegt, dass es die gleiche Lage aufweist, wie es das reale Implantat 4 im Bildgebungssystem 10 hat. Anhand dieser Lage des virtuellen Modells 26 nach dessen Einpassung in das Bild 18 und der bekannten Aufnahmegeometrie A des Bildgebungssystems kann somit dessen Lage im Bildgebungssystem 10 ermittelt werden.
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Danach wird anhand des virtuellen Modells 26 des Implantats 4 die Zielposition 28 in Bezug auf das virtuelle Modell 26 fest gewählt, wie es in 3 dargestellt ist. Dies bedeutet also, dass die Zielposition 28 im Koordinatensystem des Implantats 28 ermittelt wird. Diese Zielposition 28 ist zunächst frei wählbar und wird anhand der Geometrie des Implantats 4 und des Knochens 6 bestimmt und ist dann im Bezug auf das Implantat 4 und somit dessen Koordinatensystem fest. Eine derartige Festlegung kann beispielsweise von vornherein durch Auswahl eines bestimmten Befestigungsmittels, das nur in einem vorgegebenen Winkel in das Implantat eingebracht werden kann, geschehen. Die Festlegung kann aber auch anhand des mit dem Bildgebungssystem 10 erzeugten Bildes und des in dieses eingepassten virtuellen Modells 26 anhand eines Planungstools intra-operativ geplant werden. Mittels dieses Planungstools werden sowohl die Längen der benötigten Befestigungsmittel als auch deren Winkel in dem sie in das Implantat 4 eingebracht werden müssen, bestimmt, also fest gewählt. Ergebnis der Planung sind dann Soll-Werte einer Führungskurve 30 entlang derer das Befestigungsmittel in das Implantat 4 bzw. den Knochen 6 eingebracht werden muss. Diese Soll-Werte entsprechen den Zielpositionen 28, so dass in diesem Fall mehrere auf einer Führungskurve 30 liegende Zielpositionen 28 geplant werden. In diesem Fall beschreibt die Führungskurve 30 eine Gerade, da das Befestigungsmittel entlang der Geraden in das Implantat 4 bzw. den Knochen 6 eingebracht werden muss. Es sind aber auch alle weiteren Kurvenvarianten möglich, anhand derer Befestigungsmittel in ein Implantat 4 einzubringen sind.
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In Schritt b) wird nun anhand der Lage des virtuellen Modells 26 im Bildgebungssystem 10 und der relativ zum virtuellen Modell 26 fest gewählten, in diesem Fall geplanten Zielposition 28 die Lage der Zielposition 28 im Bildgebungssystem 10 ermittelt.
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In 4 ist nun ein mit der Aufnahmeeinrichtung 20 erzeugtes Videobild 32 eines medizinischen Instruments 34, hier ein Schraubendreher, dargestellt. Das Instrument weist zur Erkennbarkeit im Videobild 32 zwei optische Marker 36 auf, so dass in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Videobildes 32 die aktuelle Lage La des Instruments 34 bezüglich der Aufnahmeeinrichtung 20 ermittelt werden kann. Da in dem Ausführungsbeispiel als Aufnahmeeinrichtung 20 ein CAMC-System dient, was bedeutet, dass die Aufnahmegeometrie A von Bildgebungssystem 10 und Aufnahmeeinrichtung 20 identisch sind, stehen somit automatisch nach dem Ermitteln der jeweiligen Koordinaten von virtuellem Modell 26 und Zielposition 28 im Bildgebungssystem 10 gleichzeitig auch deren Koordinaten bezüglich der Aufnahmeeinrichtung 20 fest.
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In Schritt d) kann dann durch eine bekannte geometrische Beziehung, hier also die Identität zwischen den Koordinatensystemen des Bildgebungssystems 10 und der Aufnahmeeinrichtung 20, eine Abweichung der aktuellen Lage La des Instruments 34 von der Zielposition 28 ermittelt werden.
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Anhand der Abweichung kann dann ein Korrekturparameter 38 ermittelt werden, der mittels einer Benutzerschnittstelle 40, beispielsweise auf einem Monitor visualisiert wird (5). Dieser Korrekturparameter 38 kann beispielsweise in mittels eines Fadenkreuzes dargestellt werden. Es wäre aber auch möglich, diesen Korrekturparameter 38 in Form von Pfeilen darzustellen, die angeben, in welche Richtung das Instrument 34 bewegt werden soll.
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Somit kann nun ein Benutzer, unterstützt durch das erfindungsgemäße Verfahren, das medizinische Instrument 34, beispielsweise einen Schraubendreher zum Eindrehen der Schrauben in das Implantat 4 bzw. in den Knochen 6 in die ermittelte Zielposition 28 führen. Dadurch, dass die mehreren fest gewählten Zielpositionen 28 eine eine Gerade bildende Führungskurve 30 darstellen, kann das Instrument 34 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens so von einer Zielposition 28 in die nächste Zielposition 28 geführt werden, dass das in das Implantat 4 einzubringende Befestigungsmittel in dem vorgesehenen fest gewählten, also in diesem Fall geplanten Winkel eingebracht wird. Zur weiteren Verbesserung der Führung des Instruments 34 kann auch das Videobild 32 herangezogen werden, in das auch das virtuelle Modelle 26 des Implantats 4 und die Zielpositionen 28 eingeblendet werden, wie es in 4 dargestellt ist. Zusätzlich könnten auch Modelle der Befestigungsmittel und weitere markante geometrische Parameter wie etwa eine Längsachse eines Befestigungsmittels und deren Verlängerung in das Videobild 32 eingeblendet werden.
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Insbesondere bei Vorhandensein einer CAMC-Funktionalität ist somit ein sehr einfaches Verfahren zur exakten Umsetzung der Planungsergebnisse zum korrekten Einbringen der Befestigungsmittel gegeben. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass dafür keinerlei zusätzliche Röntgenstrahlung erforderlich ist. Das Ausrichten des Instruments geschieht vollständig unter optischer Bildkontrolle.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Körper
- 4
- Implantat
- 6
- Knochen
- 8
- Loch
- 10
- Bildgebungssystem
- 12
- Röntgenquelle
- 14
- Röntgendetektor
- 16
- Röntgensystem
- 18
- Bild
- 20
- Aufnahmeeinrichtung
- 22
- Videokamera
- 24
- Spiegel
- 26
- Modell
- 28
- Zielposition
- 30
- Führungskurve
- 32
- Videobild
- 34
- Instrument
- 36
- Marker
- 38
- Korrekturparameter
- 40
- Benutzerschnittstelle
- A
- Aufnahmegeometrie
- La
- aktuelle Lage
