DE102012209448A1

DE102012209448A1 - Bestimmung einer Lage eines medizinischen Instruments

Info

Publication number: DE102012209448A1
Application number: DE201210209448
Authority: DE
Inventors: Rainer Graumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: DE102012209448B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Lage eines medizinischen Instruments (11), das durch eine Positionierungsvorrichtung (12) neigbar an einem Ort (21) vorpositioniert ist. Um die Lage mit hoher Genauigkeit und geringer Fehleranfälligkeit zu bestimmen, wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend eine Kamera (3) zur Aufnahme eines Bildes (20) des medizinischen Instruments (11), wobei die Kamera (3) an der Positionierungsvorrichtung (12) derart befestigt ist, dass die Kamera (3) auf das medizinische Instrument (11) ausgerichtet ist, sowie eine Datenverarbeitungseinheit (50) mit einer Datenverbindung (53) zur Kamera (3) zur Bestimmung der Lage in Form einer Neigung des medizinischen Instruments (11) durch Erkennung des medizinischen Instruments (11) und Bestimmung seiner Orientierung in dem Bild (20) sowie durch eine Berechnung der Neigung des medizinischen Instruments (11) relativ zur Positionierungsvorrichtung (12) basierend auf der Orientierung in dem Bild (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Lage eines medizinischen Instruments, das durch eine Positionierungsvorrichtung neigbar an einem Ort vorpositioniert ist.
Bei medizinischen Verfahren ist eine präzise Positionierung medizinischer Geräte und Instrumente wünschenswert. Eine unpräzise Positionierung kann einen verminderten oder sogar ausbleibenden Erfolg des medizinischen Verfahrens sowie unerwünschte Nebenwirkungen nach sich ziehen. Medizinische Verfahren erfordern oft nicht nur das Positionieren eines Gegenstands, wie beispielsweise eines Implantats, relativ zum Körper des Patienten, sondern auch das korrekte Positionieren weiterer, weitaus beweglicherer Instrumente wie beispielsweise von Bohrern, Drähten oder Trokaren. Solche Instrumente müssen nicht nur korrekt positioniert, sondern auch korrekt während des Eingriffes bewegt werden. Die Führung solcher Instrumente erfolgt dabei von Hand. Zur Vorpositionierung werden lediglich Positionierungsvorrichtungen wie Bohrhülsen oder Schablonen verwendet.
Aus US 2008/0208041 A1 ist ein System zur optischen Positionsmessung und Führung eines tragbaren Werkzeuges relativ zu einem Körper bekannt. Dazu wird eine Kamera so an dem Werkzeug angebracht, das sich die Kamera mit dem Werkzeug bewegt und ein Teil des Werkzeugs in deren Sichtfeld liegt. Die Verarbeitung des Kamerabildes erlaubt dann die Bestimmung der Position des Werkzeuges relativ zu dem Körper.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Lage eines medizinischen Instrumentes mit hoher Genauigkeit und geringer Fehleranfälligkeit zu bestimmen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, durch eine Anordnung gemäß Anspruch 6, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10, durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 18 und durch ein computerlesbares Medium gemäß Anspruch 19. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in Bezug auf die beanspruchte Vorrichtung als auch in Bezug auf das beanspruchte Verfahren beschrieben. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände zu übertragen und umgekehrt. Mit anderen Worten können die gegenständlichen Ansprüche (die beispielsweise auf eine Anordnung gerichtet sind) auch mit den Merkmalen, die in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben oder beansprucht sind, weitergebildet sein. Die entsprechenden funktionalen Merkmale des Verfahrens werden dabei durch entsprechende gegenständliche Module ausgebildet.
Die Erfindung beruht auf der Idee, die Lage eines medizinischen Instruments zu bestimmen, indem eine Kamera, die an einer Positionierungsvorrichtung für das medizinische Instrument befestigt ist, ein Bild des medizinischen Instrumentes aufnimmt. Dadurch wird die perspektivische Verkürzung des Instruments im Bild der Kamera gegenüber dem Stand der Technik verringert, so dass eine Datenverarbeitungseinheit schneller, präziser und robuster das medizinische Instrument in dem Bild erkennen, dessen Orientierung in dem Bild bestimmen und letztendlich dessen Neigung berechnen kann. Die neigbare Vorpositionierung des medizinischen Instruments mit der Positionierungsvorrichtung sowie das seitliche Erfassen des medizinischen Instruments durch die Kamera erlauben also die Lage mit hoher Genauigkeit und geringer Fehleranfälligkeit zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform umschließt die Positionierungsvorrichtung das medizinische Instrument zumindest teilweise an dem Ort der Vorpositionierung, so dass das medizinische Instrument in seiner Bewegungsfreiheit eingeschränkt und sichererer, insbesondere für ein Verrutschen weniger anfällig, vorpositioniert wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Positionierungsvorrichtung an einem Implantat anordenbar, so dass eine höhere Präzision bei der Befestigung des Implantats und bei der Positionierung der Befestigungsmittel wie z.B. Schrauben ermöglicht wird; die erhöhte Präzision ist maßgeblich für die Stabilität und Funktion eines Implantats.
In einer weiteren Ausführungsform weist das medizinischen Instrument einen Marker auf, der das Erkennen des medizinischen Instruments in dem Bild der Kamera sowie die Bestimmung der Lage des medizinischen Instruments erleichtert, da sich ein Marker vom Hintergrund und dem medizinischen Instrument abhebt und sich nicht relativ zu dem medizinischen Instrument bewegt.
In einer weiteren Ausführungsform weist das medizinische Instrument zumindest zwei, insbesondere für die Kamera unterscheidbare, Marker auf, wodurch zumindest eine Gerade definiert ist, dessen Orientierung in dem Bild der Kamera besonders leicht in eine Neigung umgerechnet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Erkennung des medizinischen Instruments in dem Bild durch Segmentierung, wodurch das Erkennen von Strukturen in dem Bild vereinfacht und ein schnelles, zuverlässiges Erkennen des medizinischen Instruments ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Achse entlang des medizinischen Instruments ermittelt, die typischer Weise durch die längliche Geometrie medizinischer Instrumente, z.B. von Bohrern, gegeben ist, wodurch die Bestimmung der Orientierung sowie die Berechnung der Lage in Form einer Neigung vereinfacht wird.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Berechnung der Lage des medizinischen Instruments in Form einer Position entlang der Achse, so dass die Eindringtiefe des medizinischen Instruments, beispielsweise in den Körper des Patienten oder in ein Implantat oder Implantierungshilfsmittel, ermittelt wird.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Berechnung der Lage durch eine Transformation der Orientierung des medizinischen Instruments in dem Bild in ein Koordinatensystem der Positionierungsvorrichtung unter Berücksichtigung der Abbildungsgeometrie der Kamera, so dass eine realistische Umrechnung der Orientierung in eine räumliche Lage ermöglicht wird, insbesondere eine Umrechnung von einer zweidimensionalen Orientierung in eine dreidimensionale Lage.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Lage des medizinischen Instruments auf einer Ausgabeeinheit, z.B. einem Bildschirm, ausgegeben, so dass die behandelnde Person über die Lage des Instrumentes informiert ist, was insbesondere Bedeutung erlangt, wenn die Lage nicht direkt ersichtlich ist, z.B. weil die Sicht durch ein Implantat, die Positionierungsvorrichtung, Blut, Schläuche, etc. behindert ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Lage zusammen mit einer Soll-Lage des medizinischen Instruments auf einer graphischen Ausgabeeinheit angezeigt, so dass es der behandelnden Person möglich ist, die Anpassung der Lage des medizinischen Instrumentes an seine Soll-Lage schnell und auf intuitive Art und Weise vorzunehmen. Dies ermöglicht eine präzisere und schnellere Korrektur der Lage des medizinischen Instruments.
Eine weitere Ausführungsform umfasst ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, aufrufbar in den internen Speicher eines Computers, zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen der Lage eines medizinischen Instruments, so dass die bildverarbeitenden Schritte des Verfahrens schnell, identisch wiederholbar und robust ausgeführt werden können.
Eine weitere Ausführungsform umfasst ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogrammprodukt ausführbar gespeichert ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments
2 Bild der Kamera, ausgerichtet auf das medizinische Instrument
3 Flussdiagram des Verfahrens zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments
4 Verbindung der Kamera mit Datenverarbeitungs- und Ausgabeeinheit
1 zeigt ein medizinisches Instrument 11, bestehend aus einem Bohrer 9 mit einem Bohraufsatz 10 sowie einem an der Vorderseite des Bohrers 9 befestigten Marker 13, das durch eine Positionierungsvorrichtung 12, bestehend aus einer Bohrhülse 5 und einem seitlich an der Bohrhülse 5 angeordneten Griff 4, so neigbar vorpositioniert ist, dass die Spitze des Bohraufsatzes 10 die Bohrhülse 5 durchdringt. Weiterhin zeigt 1 eine Kamera 3, die so mit einem Befestigungsmittel 6 am Griff 4 der Bohrhülse 5 befestigt ist, dass ein Teil des medizinischen Instruments 11 mit dem Marker 13 im Sichtbereich der Kamera 3 liegt. Das Bild 20 des medizinischen Instruments 11 wird an eine Datenverarbeitungseinheit 50 über eine Datenverbindung 53 weitergeleitet. Die Datenverarbeitungseinheit 50 erkennt das medizinische Instrument 11 mit Hilfe des Markers 13 und bestimmt dessen Achse 1 und anhand der Achse 1 die Orientierung in dem Bild 20 der Kamera 3, die dann in eine räumliche Lage in Form einer Neigung relativ zur Positionierungsvorrichtung 11 umgerechnet wird. Die Neigung wird beispielsweise als Winkel zwischen der Achse 1 und der Senkrechten 2 durch den Mittelpunkt der Öffnung der Bohrhülse 5 berechnet.
Die neigbare Vorpositionierung des medizinischen Instruments 11 mit der Positionierungsvorrichtung 12 sowie das seitliche Erfassen des medizinischen Instruments 11 und die daraus resultierende geringe perspektivische Verkürzung ermöglichen die Lage mit hoher Genauigkeit und geringer Fehleranfälligkeit zu bestimmen.
Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Fixierung eines Implantats 7. Denn die genaue Lage der Befestigungsmittels für das Implantat 7 bedingt auch die Position und Funktionalität des Implantats 7, insbesondere, wenn diese hohen mechanischen Kräften ausgesetzt sind, beispielsweise bei Gelenksimplantaten, oder, wenn Implantate nur durch eine einzelne Schraube befestigt werden, beispielsweise bei Zahnimplantaten.
Bei dem medizinischen Instrument 11 kann es sich beispielsweise auch um einen Draht, ein Trokar, ein Endoskop, eine Säge oder einen Nagel handeln.
Bei der Positionierungsvorrichtung 12 kann es sich beispielsweise auch um eine Sägeschablone handeln. Die Positionierungsvorrichtung 12 kann auch fest mit dem Implantat 7 verbunden werden, beispielsweise kann die Positionierungsvorrichtung 12 in ein Loch 8 mit Gewinde im Implantat 7 geschraubt werden.
Bei dem Marker 13 handelt es sich um eine farbliche und/oder in seiner Form deutlich erkennbare geometrische Struktur, beispielsweise eine Licht emittierende Diode (LED).
Die Kamera 3 weist beispielsweise einen CCD- oder einen CMOS Sensor auf und/oder kann Bilder in Videorate aufnehmen und übertragen. Die Kamera 3 wird beispielsweise mit Hilfe eines Magneten, einer Klammer, einer Schelle, einer Schiene, einer Steck- oder Klick-Verbindung oder einer Schraubverbindung an der Positionierungsvorrichtung 12 befestigt.
Eine weitere Ausführungsform umfasst die Positionierungsvorrichtung 12. Dies hat den Vorteil, dass die Positionierungsvorrichtung 12 so gestaltet werden kann, dass die Ausrichtung auf das medizinische Instrument 11 in besonders bedienfreundlicher Form sicher gestellt wird. Beispielsweise wird die Positionierungsvorrichtung 12 so gestaltet, dass die befestigte Kamera 3 auf den Ort der Vorpositionierung 21, also beispielsweise auf eine Öffnung der Bohrhülse 5, ausgerichtet ist.
Eine weitere Ausführungsform umfasst das medizinische Instrument 11, wodurch das medizinische Instrument 11 so gestaltet werden kann, dass es besonders einfach für die Kamera 3 zu erkennen ist, sowie, dass die Lage des medizinischen Instruments 11 besonders einfach in dem Bild 20 der Kamera 3 zu berechnen ist. Dies wird beispielsweise durch eine bestimmte Farbgebung des medizinischen Instruments 11 erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Positionierungsvorrichtung 12 und/oder das Implantat 7 oder ein Implantierungshilfsmittel mit Hilfe eines konventionellen medizinischen Navigationssystems ausgerichtet. Solche Navigationssysteme beruhen auf einer im Raum angebrachten Navigationskamera 14, die sich in deutlichem Abstand, oft von Metern, vom zu navigierenden Gegenstand befindet. Beispielsweise wird die Kamera auf einem Dreibein 16 aufgestellt oder an der Decke oder Wand des Behandlungszimmers fest installiert. Weiterhin ist für Navigationssysteme eine Markerstruktur 15 notwendig, die an einem Implantat 7 oder der Positionierungsvorrichtung 12 befestigt werden muss. Bei entsprechender Gestaltung und Anordnung der Markerstruktur 15 ist ihre Ortung in allen drei Raumdimensionen möglich. Eine anfängliche Ausrichtung der Positionierungsvorrichtung 12 mit einem Navigationssystem ist hilfreich, um die durch das angegebene Verfahren berechnete Lage des medizinischen Instruments 12 relativ zu der Positionierungsvorrichtung 11 in eine Lage relativ zu einem anderen Bezugspunkt, z.B. relativ zu einem Knochen oder einem Organ des Patienten umzurechnen. In diesem Sinne stellt das hier angegebene Verfahren eine Möglichkeit dar die Limitationen konventioneller Navigationssysteme zu überwinden.
Der Einsatz konventioneller Navigationssysteme zur genauen Positionierung und Führung von Hand bedienter Instrumente ist unter praktischen Aspekten nicht möglich. Konventionelle Navigationsgeräte weisen eine große apparative Komplexität auf und müssen vor der Benutzung aufwendig kalibriert werden. Weiterhin wird die Sichtbarkeit der Markerstruktur 15 für die Navigationskamera 14 durch eine behandelnde Person oder andere Instrumente eingeschränkt oder ganz verhindert. Dies gilt insbesondere, wenn verschiedene Instrumente zeitgleich zum Einsatz kommen. Denn dies würde mehrere Navigationskameras, mehrere Markerstrukturen und damit ein noch größeres Sichtfeld für die Navigationskameras erfordern. In dem hier angegebenen Verfahren befindet die an der Positionierungsvorrichtung 12 befestigte Kamera 3 typischer Weise in unmittelbarer Nähe des medizinischen Instrumentes 11, so dass eine Einschränkung des Sichtfeldes der Kamera 3 durch die behandelnde Person oder andere Instrumente unwahrscheinlich ist.
2 zeigt die Ausgabe des Bildes 20 der Kamera 3 durch einen Bildschirm 52, das das medizinischen Instrument 11, die Bohrhülse 5, den seitlich an der Bohrhülse 5 angeordneten Griff 4, das medizinische Instrument 11 in Form eines Bohrers 9 mit einem Bohraufsatz 10 sowie einen an der Vorderseite des Bohrers 9 angebrachten Marker 13 und das Implantat 7 zeigt.
Das Bild 20 der am Griff 4 der Bohrhülse 5 befestigten Kamera 3 ist auf den Ort der Vorpositionierung 21, also auf das Zentrum der Bohrhülse 5, ausgerichtet. Außerdem wird die Ist-Lage 22 der Achse 1 des medizinischen Instruments 11 zusammen mit der Ist-Lage 23 des an der Vorderseite des Bohrers 9 angebrachten Markers 13 angezeigt, wodurch die Orientierung des medizinischen Instruments 11 bestimmt wird. Die Soll-Lage 25 der Achse 1 des medizinischen Instruments 11 wird zusammen mit der Soll-Lage 26 des Markers 13 ebenfalls angezeigt. Die Angabe der Soll-Lage 26 der Achse 1 des medizinischen Instruments 11 ermöglicht der behandelnden Person, die Anpassung der Lage des medizinischen Instrumentes 11 an seine Soll-Lage schnell und auf intuitive Art und Weise vorzunehmen. Insbesondere kann die Ist-Lage 22 der Achse 1 des medizinischen Instruments 11 zusammen mit der Ist-Lage 23 des Markers 13 mit Videorate angezeigt werden, so dass die behandelnde Person die Veränderung der Lage des medizinischen Instruments 11 unmittelbar sehen kann. Dies ermöglicht eine präzisere und schnellere Korrektur der Lage des medizinischen Instruments 11 und damit eine größere Sicherheit für den Patienten.
Zur Vereinfachung der graphischen Darstellung wird beispielsweise nur ein virtuelles Bild, bestehend aus der Ist-Lage 22 der Achse 1 des medizinischen Instrumentes 11 und/oder der Ist-Lage 23 des Markers 13 sowie der Soll-Lage 25 der Achse 1 des medizinischen Instruments 11 und/oder der Soll-Lage 26 des Markers 13 angezeigt werden. Die graphische Darstellung kann also ohne Anzeige des realen Bildes 20 von dem medizinischen Instrument 11, dem Griff 4 der Bohrhülse 5 sowie der Bohrhülse 5 selbst und dem Implantat 7 erfolgen. Diese vereinfachte graphische Darstellung ermöglicht es der behandelnden Person die Ist- und Soll-Lage des medizinischen Instruments 11 noch schneller zu erfassen.
Weiterhin kann eine graphische Darstellung der Lage des medizinischen Instruments 11 auch die Angabe der Neigung des medizinischen Instruments als Winkel, beispielsweise in Grad, umfassen. Dabei können grundsätzlich verschiedene Koordinatensysteme zur Berechnung des Winkels verwendet werden; besonders intuitiv erfassbar ist ein Winkel in und ein Winkel senkrecht zu der Ebene, die durch den Ort der Vorpositionierung 21, die Kamera 3 und einen Punkt auf der Soll-Lage 25 der Achse 1 des medizinischen Instruments 11, beispielsweise durch die Soll-Lage 26 des Markers 13, gegeben ist.
Weiterhin kann ein Bereich der Übereinstimmung zwischen Ist- und Soll-Lage des medizinischen Instrumentes direkt wahrnehmbar durch ein Signal, beispielsweise einen Ton oder einem grün leuchtenden Bereich des Bildschirms, angezeigt werden.
3 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments 11, umfassend

– den Verfahrensschritt 34: die Erkennung des medizinischen Instruments 11 in dem Bild 20 der Kamera 3,
– den Verfahrensschritt 35: die Bestimmung der Orientierung des medizinischen Instruments 11 in dem Bild 20 der Kamera 3,
– den Verfahrensschritt 36: die Berechnung der Neigung des medizinischen Instruments 11.

Weiterhin kann das Verfahren zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments 11 einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen:

– Die Befestigung der Kamera 3 an der Positionierungsvorrichtung 12,
– das verneigbare Vorpositionieren des medizinischen Instruments 11,
– das Aufnehmen eines Bildes 20 von zumindest einem Teil des medizinischen Instruments 11,
– die Übertragung des Kamerabildes an eine Datenverarbeitungseinheit 50,
– die Berechnung der Position entlang der Achse 1 des medizinischen Instruments 11,
– die, insbesondere graphische, Ausgabe der Lage des medizinischen Instruments 11,
– die Anzeige der Soll-Lage des medizinischen Instruments 11.

Weiterhin ist eine Segmentierung des Bildes 20 von Vorteil, um eine schnelle und effektive Erkennung des medizinischen Instruments 11 zu gewährleisten; beispielsweise erfolgt die Segmentierung durch ein Schwellwertverfahren oder durch ein regionenorientiertes Verfahren wie das sogenannte Region Growing oder das sogenannte Region Splitting oder mit Hilfe von Kantenextraktion.
Für eine schnelle und effektive Erkennung des medizinischen Instruments 11 kann es hilfreich sein, wenn bestimmte Informationen über die Gestaltung des medizinischen Instruments 11 sowie der Aufnahmebedingungen der Datenverarbeitungseinheit 50 bekannt sind. Beispielsweise kann eine Segmentierung durch ein Schwellwertverfahren schneller und zuverlässiger durchgeführt werden, wenn die zu erwartenden Werte wie Helligkeit oder Farbe in der Aufnahme des zu segmentierenden Objekts, bekannt sind. Auch ein Vorabinformation über die Orientierung des medizinischen Instruments 11 in dem Bild, beispielsweise entlang der vertikalen Achse, kann die Erkennung des medizinischen Instruments 11 vereinfachen.
Weiterhin kann ein an dem medizinischen Instrument 11 befestigter Marker 13 zur schnellen und effektiven Erkennung des medizinischen Instruments 11 benutzt werden. Die Verwendung zumindest eines Markers 13 kann mit der Segmentierung des Bildes 20 kombiniert werden, beispielsweise um den oder die Marker 13 durch Segmentieren zu erkennen.
Die Bestimmung der Orientierung des medizinischen Instruments 11 in dem Bild 20 der Kamera 3 kann erfolgen durch das Bestimmen der Achse 1 des medizinischen Instruments 11. Insbesondere kann die Achse 1 des medizinischen Instruments 11 mit Hilfe von zumindest einem Marker 13 und/oder Segmentierung bestimmt werden. Weiterhin kann das medizinische Instrument 11 auch mehr als einen Marker 13 aufweisen. Insbesondere kann das medizinische Instrument 11 drei Marker 13 zur räumlichen Bestimmung der Position aufweisen.
Um die Lage des medizinischen Instruments 11 zu berechnen, ist es hilfreich und oft, beispielsweise bei der Berechnung einer dreidimensionalen Lage, sogar notwendig eine Transformation der Bildkoordinaten in räumliche Koordinaten vorzunehmen. Da die Lage relativ zur Positionierungsvorrichtung 11 berechnet werden soll, ist es effizient eine direkte Transformation in das Koordinatensystem der Positionierungsvorrichtung 11 durchzuführen. Weiterhin muss die Transformation die Abbildungsgeometrie der Kamera 3 berücksichtigt werden, um die Lage korrekt berechnen zu können. Die Abbildungsgeometrie umfasst dabei die genaue Position der Kamera 3 an der Positionierungsvorrichtung sowie die Eigenschaften des optischen Systems der Kamera 3, also insbesondere durch die Linse der Kamera 3 eingeführte Verzerrungen. Bei der Transformation handelt es sich typischer Weise um eine lineare Abbildung, umfassend Rotation und Translation.
Eine solche Transformation wird durch Kalibrierung bestimmt. Zur Kalibrierung wird ein Objekt bekannter Struktur, ein sogenanntes Kalibrierungsphantom, in bekannter Lage relativ zur Positionierungsvorrichtung 11 mit der an der Positionierungsvorrichtung 11 befestigten Kamera 3 aufgenommen. Nach Erkennung und Berechnung der Orientierung des Objektes in dem Bild 20 der Kamera 3 kann die Transformation zwischen dem gewählten Koordinatensystem der Positionierungsvorrichtung und den Bildkoordinaten berechnet werden. Diese Berechnung erfolgt durch Lösen eines Gleichungssystems. Im Falle einer linearen Abbildung können die Rotations- und Translationsparameter durch Lösen eines linearen Gleichungssystems bestimmt werden.
Zur Berechnung der Lage des medizinischen Instruments 11 kann es hilfreich sein, wenn bestimmte Informationen über die Gestalt des medizinischen Instruments 11 der Datenverarbeitungseinheit 50 bekannt sind. Um beispielsweise die Lage in Form einer Position entlang der Achse 1 des medizinischen Instruments 11 zu berechnen, muss die Länge des medizinischen Instruments 11 entlang der Achse 1 bekannt sein. Beispielsweise lässt sich aus der bekannten Position eines an einem Bohrer 9 befestigten Markers 13 sowie der Länge von Bohrer 9 und Bohraufsatz 10 die Eindringtiefe des Bohraufsatzes 10 in den Körper des Patienten ermitteln.
4 zeigt eine Datenverbindung 53 der an dem Griff 4 der Positionierungsvorrichtung 12 befestigten Kamera 3 mit einer Datenverarbeitungseinheit 50 in Form eines Computers und eine Ausgabeeinheit 52 in Form eines Bildschirms sowie ein computerlesbares Medium 51 in Form einer CD, wobei ein Computerprogrammprodukt, umfassend ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens zur Bestimmung der Lage des medizinischen Instruments 11, auf dem computerlesbaren Medium 51 ausführbar gespeichert ist. Die Datenverbindung 53 kann kabelgebunden oder auch kabellos sein, wobei die kabellose Datenverbindung 53 eine größere Bewegungsfreiheit der Kamera 3 bedingt. Die Datenverarbeitungseinheit 50 kann lokal im Behandlungsraum untergebracht sein, beispielsweise in Form eines transportablen Computers, oder auch in einem anderen Raum. Die Ausgabeeinheit 52 kann auch mehrere Bildschirme umfassen, beispielsweise um sowohl virtuelle Bilder der Ist- und Soll-Lage des medizinischen Instruments als auch das reale Kamerabild 20 separat anzuzeigen.
Bei dem computerlesbaren Medium 51 kann es sich beispielsweise auch um eine DVD, einen USB-Stick, eine Festplatte oder eine Diskette handeln.
Grundsätzlich kann jedes medizinische Instrument mit bekannter Position als Positionierungsvorrichtung und damit als Kameraträger dienen. Weiterhin kann es sich bei dem medizinischen Instrument, dessen Lage bestimmt werden soll, auch um ein Implantat oder ein Implantierungshilfsmittel handeln. Unter einem Implantierungshilfsmittel sind insbesondere Bohrer, Schrauben, Nägel und andere Befestigungsmittel für Implantate zu verstehen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele 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. Insbesondere können Verfahrensschritte in einer anderen als den angegebenen Reihenfolgen durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/0208041 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Lage eines medizinischen Instruments (11), das durch eine Positionierungsvorrichtung (12) neigbar an einem Ort (21) vorpositioniert ist, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten umfasst: – eine Kamera (3) zur Aufnahme eines Bildes (20) des medizinischen Instruments (11), – ein Mittel zum Befestigen (6) der Kamera (3) an der Positionierungsvorrichtung (12), derart dass die Kamera (3) auf das medizinische Instrument (11) ausgerichtet ist, – eine Datenverarbeitungseinheit (50) mit einer Datenverbindung (53) zur Kamera (3) zur Bestimmung der Lage in Form einer Neigung des medizinischen Instruments (11) durch Erkennung des medizinischen Instruments (11) und Bestimmung seiner Orientierung in dem Bild (20) sowie durch eine Berechnung der Neigung des medizinischen Instruments (11) relativ zur Positionierungsvorrichtung (12) basierend auf der Orientierung in dem Bild (20).
Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend die Positionierungsvorrichtung (12).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Positionierungsvorrichtung (12) das medizinische Instrument (11) dadurch neigbar vorpositioniert, dass die Positionierungsvorrichtung (12) das medizinische Instrument (11) am dem Ort der Vorpositionierung (21) zumindest teilweise umschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Positionierungsvorrichtung (12) an einem Implantat (7) anordenbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Ausgabeeinheit (52) zur Ausgabe der Lage des medizinischen Instruments (11).
Anordnung mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und mit dem medizinischen Instrument (11).
Anordnung nach Anspruch 6, wobei das medizinische Instrument (11) einen für die Kamera (3) sichtbaren Marker (13) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei das medizinische Instrument (11) zumindest zwei, insbesondere für die Kamera (3) unterscheidbare, Marker (13) aufweist.
Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder Verfahren zur Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend die folgenden Schritte: – Befestigen der Kamera (3) an der Positionierungsvorrichtung (12), – Verneigbares Vorpositionieren des medizinischen Instrumentes (11) mit Hilfe der Positionierungsvorrichtung (12), – Aufnehmen eines Bildes (20) des medizinischen Instruments (11) mit der Kamera (3), – Übertragung des Kamerabildes (20) an die Datenverarbeitungseinheit (50).
Verfahren zur Bestimmung einer Lage eines medizinischen Instruments (11), neigbar an einem Ort (21) vorpositioniert durch eine Positionierungsvorrichtung (12), anhand eines Bildes (20) des medizinischen Instruments (11), aufgenommen durch eine an der Positionierungsvorrichtung (12) befestigten Kamera (3), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Erkennung des medizinischen Instruments (11) in dem Bild (20), – Bestimmung der Orientierung des medizinischen Instrumentes (11) in dem Bild (20), – Berechnung der Lage in Form einer Neigung des medizinischen Instruments (11) relativ zur Positionierungsvorrichtung (12) basierend auf der Orientierung in dem Bild (20).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Erkennung des medizinischen Instruments (11) in dem Bild durch Segmentierung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Bestimmung der Orientierung des medizinischen Instrumentes (11) in dem Bild die Bestimmung einer Achse (1) entlang des medizinischen Instrumentes (11) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Berechnung der Lage des medizinischen Instruments (11) in Form einer Position entlang der Achse (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Erkennung des medizinischen Instruments (11) in dem Bild (20) und/oder die Bestimmung der Orientierung mit Hilfe eines für die Kamera (3) sichtbaren, an dem medizinischen Instrument (11) angeordneten Markers (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Berechnung der Lage durch eine Transformation der Orientierung des medizinischen Instruments (11) in dem Bild (20) in ein Koordinatensystem der Positionierungsvorrichtung (12) unter Berücksichtigung der Abbildungsgeometrie der Kamera (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, umfassend folgenden Schritt: – Ausgabe der Lage des medizinischen Instruments (11) auf einem Bildschirm (52).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Ausgabe durch eine grafische Darstellung der Lage erfolgt und eine Soll-Lage des medizinischen Instruments (11) angezeigt wird.
Computerprogrammprodukt, aufrufbar in den internen Speicher eines Computers (50), umfassend ein Computerprogramm zur Durchführung der Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 17.
Computerlesbares Medium (51), auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 18 ausführbar gespeichert ist.