DE102012223418B4

DE102012223418B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments

Info

Publication number: DE102012223418B4
Application number: DE102012223418.7A
Authority: DE
Inventors: Karl Barth
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: US10674934B2; DE102012223418A1; US20140171789A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments (10),- mit einer Verarbeitungseinheit (13),- mit einer Anzahl erster Komponenten (2, 16), ausgebildet zum Erzeugen von elektromagnetischen Feldern, und- mit einer Anzahl zweiter Komponenten (11, 17), ausgebildet zum Messen der erzeugten elektromagnetischen Felder und zum Übertragen der Messergebnisse an die Verarbeitungseinheit (13) , dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl zweiter Komponenten (11, 17) zum Messen relativer Feldstärken der erzeugten elektromagnetischen Felder ausgebildet ist und dass die Verarbeitungseinheit (13) ausgebildet ist zum- Ermitteln von Richtungsinformationen (20) durch Peilung auf der Grundlage der Messergebnisse, und- Bestimmen von Position und/oder Orientierung wenigstens einer ersten Komponente (2, 16) oder wenigstens einer zweiten Komponente (11, 17) unter Verwendung der ermittelten Richtungsinformationen (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments, insbesondere zum Zweck der medizinischen Navigation.
Aus dem Stand der Technik sind bildgeführte Interventionen bekannt. Diese sind heute Teil der klinischen Routine. Im Gegensatz zu einer invasiven chirurgischen Behandlung ermöglichen minimalinvasive bildgeführte Interventionen dem Anwender eine Arbeit mit minimalen Verletzungen des Patienten und schnellerer Heilung. Dies verringert auch die Gefahr von Komplikationen, besitzt einen positiven kosmetischen Effekt und senkt die klinischen Kosten.
Zur Durchführung bildgeführter Interventionen ist es vielfach erforderlich, medizinische Instrumente im Inneren des Körpers des Patienten zu navigieren. Unter dem Begriff „medizinische Navigation“ wird dabei das Bestimmen der Position durch Ortung, das Planen des Zugangsweges zum Zielpunkt sowie das Führen eines medizinischen Instrumentes zu diesem Zielpunkt auf dem geplanten Zugangsweg verstanden. Es ist bekannt, zu diesem Zweck an dem Körper des Patienten bzw. an dem medizinischen Instrument Referenzmarkierungen anzubringen. Dabei kann es sich beispielsweise um optische Markierungen, beispielsweise um von einer Stereokamera erfassbare dreidimensionale Marker, oder aber um elektromagnetische Markierungen handeln, beispielsweise um in einem elektromagnetischen Feld anregbare Spulen. Mit Hilfe der Referenzmarkierungen kann dann die Lage des medizinischen Instrumentes relativ zu dem Körper des Patienten bestimmt und für die Navigation genutzt werden.
Bei elektromagnetischen Systemen wird mit Hilfe einer Spulenanordnung ein exakt definiertes elektromagnetisches Feld am Ort des Instrumentes erzeugt. Ein Empfänger am Instrument nimmt das Feld mit Hilfe von Sensorspulen auf und überträgt die Feldstärke an eine Verarbeitungseinheit. Die Verarbeitungseinheit berechnet aus der Feldstärke die Position und die Orientierung des Instruments, in dem sie den Abstand des Instruments zu der das elektromagnetische Feld erzeugenden Spulenanordnung ermittelt. Zu diesem Zweck sind einerseits hochgenaue Sensorspulen und andererseits ein hochpräzises und konstantes Magnetfeld erforderlich, welches einen definierten, bekannten Feldverlauf aufweist. Bereits kleinste Störungen des Magnetfeldes, beispielsweise durch unzureichend abgeschirmte Drittgeräte, führen zu einer unbekannten Veränderung des Feldverlaufes und damit zu Fehlern bei der Lagebestimmung des Instruments. Die Bereitstellung der hochgenauen Sensorspulen sowie des definierten elektromagnetischen Feldes und die Vermeidung von Störeinflüssen sind aufwendig und teuer.
Aus US 2006/0025668 A1 ist ein System bekannt, bei dem Magnetfeldstörungen dadurch verringert werden, dass Sender/Empfänger einer Vorrichtung zur Lagebestimmung eines medizinischen Instruments in einer genau definierten Anordnung in den Patiententisch integriert sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln eine weniger störempfindliche und preiswertere Technik zur Lagebestimmung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt.
Eine Kernidee der Erfindung ist es, zur Bestimmung der Lage, das heißt zur Bestimmung von Position und/oder Orientierung des medizinischen Instruments relativ zu einem Bezugssystem, keine Abstandsmessung mehr vorzunehmen. Stattdessen erfolgt die Bestimmung der Position und/oder der Orientierung des Instruments auf der Grundlage von Peilungen. Hierzu werden zunächst elektromagnetische Felder gemessen und es wird auf der Grundlage der Ergebnisse von relativen Feldstärkemessungen die Richtung einer Linie von einem Sender zu einem Empfänger ermittelt. Nachdem diese Richtungsinformationen bekannt sind, wird daraus die Lage des medizinischen Instruments bestimmt. Zu diesem Zweck wird, auf dem Fachmann grundsätzlich bekannte Art und Weise, der Schnittpunkt der Peillinien ermittelt.
Da lediglich Peilungen und keine Abstandsmessungen erforderlich sind, sind die Anforderungen an das ausgesendete Feld vergleichsweise gering. Die Feldstärke muss weder konstant sein, noch muss der örtliche Feldverlauf bekannt sein. Es ist lediglich notwendig, dass die zum Zweck der Peilung gemessenen Feldstärken groß genug sind, um ein auswertbares Messsignal zu erhalten. Störungen können hingenommen werden, solange irgendein auswertbares Signal messbar bleibt. Das vorgeschlagene Verfahren weist daher eine hohe Störsicherheit auf.
Insgesamt ist der Aufwand zur Bereitstellung des zu messenden Feldes deutlich geringer als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Gleichzeitig muss das Feld nicht mehr über einen längeren Messzeitraum aufrechterhalten werden. Die Aussendung zeitlich begrenzter Feldpulse bzw. Feldpulssequenzen ist ausreichend. Mit anderen Worten besteht das Feld nicht kontinuierlich, sondern wird in einem bestimmten Rhythmus an- und abgeschaltet. Üblicherweise ist die Aussendung eines einzelnen kurzen Pulses für eine Peilung ausreichend. Darüber hinaus ist auch der Einsatz hochgenauer Empfänger nicht mehr erforderlich. Statt dessen können einfache und damit preiswerte Empfänger verwendet werden.
Die Lagebestimmung erfolgt relativ zu einem Bezugssystem. Das Bezugssystem wird durch die ortsfesten Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung festgelegt. Bei dem Bezugssystem handelt es sich vorzugsweise um einen Navigationsraum, also um einen örtlichen Bereich, in dem die medizinische Navigation erfolgt. Die ortsfesten Komponenten werden vorteilhafterweise so platziert, dass sie den Navigationsraum distal begrenzen und den Messbereich umschließen.
Das dem Navigationsraum zugeordnete Koordinatensystem kann beispielsweise relativ zu der Tischebene eines Operationstisches definiert sein. Der Navigationsraum umgreift dabei einen definierten lokalen Bereich oberhalb des Operationstisches. Die Lage des medizinischen Instruments kann in diesem Beispiel relativ zu dem Operationstisch bestimmt werden. Durch Hinzunahme weiterer Koordinatensysteme kann bei Kenntnis der Beziehungen der Systeme zueinander die Lage des Instruments zu einem beliebigen anderen Bezugssystem bestimmt werden. So kann beispielsweise die Lage des Instruments relativ zu einem Objekt bestimmt werden, welches sich auf dem Operationstisch befindet, wenn die Lage des Objektes zu dem Operationstisch bekannt ist.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als Teil eines Systems zur medizinischen Navigation eingesetzt. Die einzelnen Komponenten können zu diesem Zweck dauerhaft oder zeitweise mit medizinischen Instrumenten und sonstigen medizinischen Einrichtungen, wie beispielsweise einem Operationstisch, verbunden und/oder in einem Raum angeordnet sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als Teil eines medizinischen Navigationssystems vorteilhafterweise mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden, mit deren Hilfe die Position und/oder Orientierung des medizinischen Instruments dargestellt wird.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung kommen mindestens zwei ortsfeste Senderanordnungen (Sendergruppen) sowie eine Anzahl am Instrument angeordneter Empfängeranordnungen (Empfängergruppen) zum Einsatz. Jede Senderanordnung bildet dabei einen Quellort, jede Empfängeranordnung einen Empfangsort. Die Lage des Instruments wird dabei relativ zu einem Bezugssystem bestimmt, das durch die ortsfesten Sender der Senderanordnungen festgelegt ist.
Die mindestens eine Empfängeranordnung ist in einer festen räumlichen Beziehung zu dem medizinischen Instrument platziert, insbesondere in oder an dem Instrument angeordnet. Die Empfängeranordnung ist als Gruppierung von Empfängern zu verstehen und umfasst mindestens zwei Empfänger, insbesondere Sensorspulen zum Aufnehmen des Magnetfeldes. Zur Ausführung der Erfindung ist mindestens eine Empfängeranordnung notwendig. Werden mehrere Empfängeranordnungen pro Instrument eingesetzt, insbesondere voneinander entfernt an verschiedenen Teilen des Instruments, lässt sich die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Lagebestimmung erhöhen und/oder es ist möglich, entsprechend der Platzierung der Empfängeranordnungen, die Lage verschiedener Teile des medizinischen Instruments unabhängig voneinander zu bestimmen.
Jede Empfängeranordnung ist nicht nur zum Messen der erzeugten Magnetfelder, sondern auch zum Übertragen der Messergebnisse an die Verarbeitungseinheit ausgebildet. Die Übertragung der Messergebnisse kann dabei, je nach Ausführung, kabelgebunden oder drahtlos erfolgen.
Zum Erzeugen der Magnetfelder sind mindestens zwei voneinander beabstandete Senderanordnungen vorgesehen. Jede Senderanordnung ist als Gruppierung von Sendern zu verstehen und umfasst eine Anzahl von Sendern. Die Sender sind an definierten Orten angeordnet und zum Erzeugen von Magnetpulsen, also Signalen in bestimmten Abständen, ausgebildet. Vorzugsweise ist jeder Sender hierfür einzeln ansteuerbar. Jeder Sender ist dabei zum Erzeugen eines Feldes mit bekannter, definierter Orientierung ausgebildet. Die Ansteuerung eines Senders erfolgt dabei derart, dass er Magnetpulse in bestimmten Abständen erzeugt. Sind mehrere Sender vorgesehen, so werden diese vorzugsweise derart angesteuert, dass sie nacheinander Magnetpulse erzeugen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass mehrere Sender gleichzeitig Magnetpulse erzeugen.
Zur Durchführung der Lagebestimmung werden in zeitlicher Abfolge Magnetpulse von verschiedenen Orten aus gesendet. Die Feldstärke dieser Magnetpulse wird von mindestens zwei Empfängern einer Empfängeranordnung gemessen. Da die relative Feldstärke von der Richtung des Empfängers zu dem Sender abhängt, werden in der Verarbeitungseinheit durch gemeinsame vektorielle Betrachtung der Messsignale die Richtung oder zumindest eine Richtungskomponente von dem Empfänger zu dem jeweiligen Sender ermittelt. Aus dem gemeinsamen Schnittpunkt dieser Richtungsgeraden wird die Position des Empfängers ermittelt. Auf der Grundlage einer Peilung erfolgt mit anderen Worten eine Ortung bzw. Lagebestimmung, das heißt die Bestimmung von Position und/oder Orientierung des Empfängers. Aus der Position und/oder Orientierung der mindestens zwei Empfänger einer Empfängeranordnung bestimmt die Verarbeitungseinheit die Position und/oder die Orientierung der Empfängeranordnung und damit die Lage des Empfangsortes. Da die Empfängeranordnung in einer bekannten und definierten Art und Weise in oder an dem Instrument platziert ist, bestimmt sie damit auch Position und/oder Orientierung des medizinischen Instruments selbst.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens eine bewegliche Senderanordnung (Sendergruppe) zusammen mit mehreren ortsfesten Empfängeranordnungen (Empfängergruppen) eingesetzt. Jede Senderanordnung bildet dabei wiederum einen Quellort, jede Empfängeranordnung einen Empfangsort. Die Lage des Instruments wird dabei relativ zu einem Bezugssystem bestimmt, das durch die ortsfesten Empfänger der Empfängeranordnungen festgelegt ist.
Da in diesem Fall die Lage der mindestens einen Senderanordnung bestimmt werden soll, ist diese in einer festen räumlichen Beziehung zu dem medizinischen Instrument platziert, insbesondere in oder an dem Instrument angeordnet. Die Senderanordnung umfasst einen oder mehrere Sender, die wiederum zum Erzeugen von Magnetpulsen ansteuerbar sind. Vorzugsweise ist wieder jeder Sender einzeln ansteuerbar. Die Ansteuerung eines Senders erfolgt dabei derart, dass er in bestimmten Abständen Magnetpulse erzeugt. Sind mehrere Sender vorgesehen, so werden diese wiederum vorzugsweise derart angesteuert, dass sie nacheinander Magnetpulse erzeugen. Werden mehrere Senderanordnungen pro Instrument eingesetzt, insbesondere voneinander entfernt an verschiedenen Teilen des Instruments, lässt sich die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Lagebestimmung erhöhen und/oder es ist möglich, entsprechend der Platzierung der Senderanordnungen, die Lage verschiedener Teile des medizinischen Instruments unabhängig voneinander zu bestimmen.
Es kommen mindestens zwei voneinander beabstandete, an definierten Orten angeordnete Empfängeranordnungen zum Einsatz, die jeweils eine Anzahl von Empfängern umfassen. Position und Orientierung jedes Empfängers sind dabei bekannt. Wiederum ist jede Empfängeranordnung nicht nur zum Messen der erzeugten Magnetfelder, sondern auch zum Übertragen der Messergebnisse an die Verarbeitungseinheit ausgebildet.
Mit Hilfe der Sender wird eine Abfolge von Magnetpulsen erzeugt. Die Feldstärke jedes von verschiedenen Orten aus gesendeten Magnetpulses wird zeitgleich von mindestens zwei Empfängeranordnungen und somit von räumlich beabstandeten Empfängern gemessen. In der Verarbeitungseinheit werden durch gemeinsame vektorielle Betrachtung der gleichzeitig induzierten Messsignale in den Empfängern die Richtung oder zumindest eine Richtungskomponente der Position der jeweiligen Sender von jeder Empfängerposition aus berechnet. Aus dem gemeinsamen Schnittpunkt dieser Richtungsgeraden wird die Position des jeweiligen Senders ermittelt. Mit anderen Worten erfolgt auf der Grundlage der Peilung eine Ortung bzw. Lagebestimmung, das heißt die Bestimmung von Position und/oder Orientierung des Senders. Hieraus bestimmt die Verarbeitungseinheit die Position und/oder die Orientierung der Senderanordnung, damit die Lage des Quellortes und damit auch Position und/oder Orientierung des medizinischen Instruments selbst.
Unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise dann, wenn die dem Instrument zugeordnete Senderanordnung stets in einer Ebene, zum Beispiel auf gleicher Höhe, bewegt wird, ist es ausreichend, wenn die Senderanordnung einen einzelnen Sender umfasst. Mit zwei oder mehr Sendern je Senderanordnung kann hingegen eine vollständige Lagebestimmung erfolgen.
Sowohl bei der ersten, als auch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Sender der Senderanordnungen vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander angeordnet, so dass jede Senderanordnung eine möglichst geringe räumliche Ausdehnung aufweist. Damit soll ein im Idealfall punktförmiger Quellort geschaffen werden. Die Sender dürfen dabei eine bestimmte Größe nicht übersteigen, um ab einem bestimmten Messabstand eine hinreichende Winkelgenauigkeit für die Peilung zu gewährleisten.
Als Sender dienen vorzugsweise Generatorspulen. Die Verwendung sehr kleiner Spulen, beispielsweise von Spulen mit einer Länge bzw. einem Durchmesser deutlich unter 1 cm, kann genügen. In diesen Fällen kommen bevorzugt Spulen mit einer hohen Windungszahl zum Einsatz. Die Generatorspulen sind vorzugsweise derart angeordnet, dass die Spulenachsen der Generatorspulen unterschiedlicher Spulenanordnungen zumindest teilweise nicht parallel zueinander liegen. Werden pro Senderanordnung mehrere Sender verwendet, sind die Generatorspulen innerhalb einer Senderanordnung vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet und die Generatorspulen unterschiedlicher Senderanordnungen sind vorzugsweise parallel oder orthogonal zueinander angeordnet. Eine parallele oder orthogonale Anordnung erleichtert die spätere Berechnung und Ermittlung der Lageinformationen.
Sowohl bei der ersten, als auch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung dienen Sensorspulen als Empfänger der Empfängeranordnung. Bei den Empfängern kann die Verwendung von Spulen mit einer geringen Windungszahl genügen. So kann im Fall der Anordnung der Sensorspule an dem medizinischen Instrument beispielsweise eine Spule mit nur einer einzigen, das Instrument umgreifenden Windung ausreichend sein. Die Sensorspulen einer Empfängeranordnung sind wiederum vorzugsweise derart angeordnet, dass ihre Spulenachsen nicht parallel zueinander liegen. Vorzugsweise sind auch hier die Sensorspulen innerhalb einer Empfängeranordnung vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet und die Sensorspulen unterschiedlicher Empfängeranordnungen parallel oder orthogonal zueinander angeordnet. Eine parallele oder orthogonale Anordnung erleichtert wiederum die spätere Berechnung und Ermittlung der Lageinformationen.
Werden bei der ersten Ausführungsform der Erfindung mehr als die unbedingt benötigten Senderanordnungen bzw. bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung mehr als die benötigten Empfängeranordnungen verwendet, so können Störungen im Magnetfeld erkannt und kompensiert werden. Darüber hinaus kann durch einen derartigen Einsatz redundanter Komponenten die Genauigkeit der Lagebestimmung erhöht werden, zum Beispiel durch Mittelung der Ergebnisse, statistische Verrechnung, Fehlerquadrat-Minimierung und/oder durch Plausibilitätsbetrachtungen und den Verwurf nicht plausibler Ausreißer. Hierfür ist die Verarbeitungseinheit entsprechend ausgebildet.
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. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung mit ortsfesten Sendern,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit ortsfesten Empfängern,
3 eine erste schematische Darstellung zur Peilung,
4 eine zweite schematische Darstellung zur Peilung.

Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 umfasst, wie in 1 dargestellt, drei Senderanordnungen 2, die an den Ecken eines Bereichs 3 eines Patiententisches positioniert sind und einen Navigationsraum 4 oberhalb des Bereichs 3 umfassen. Bei dem Bereich 3 handelt es sich um einen beliebigen, für die Navigation geeigneten, hier beispielhaft rechteckigen Arbeitsbereich des Patiententisches. Der Bereich kann jedoch auch eine andere Form aufweisen. Die Senderanordnungen 2 müssen auch nicht in der Ebene des Patiententisches liegen. Beispielsweise kann eine Anzahl Senderanordnungen 2 in der Tischebene und/oder eine Anzahl Senderanordnungen 2 oberhalb oder unterhalb des Patiententisches angeordnet sein.
Jede Senderanordnung 2 definiert einen Quellort. Die Senderanordnungen 2 weisen einen Mindestabstand zueinander auf, durch den die gewünschte Genauigkeit der späteren Lagebestimmung beeinflusst wird. Jede Senderanordnung 2 umfasst zwei unmittelbar benachbart und orthogonal zueinander angeordnete Sender in Gestalt kleiner Generatorspulen 5. Jede dieser Generatorspulen 5 dient als Magnetfeldgenerator und ist ausgebildet zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes. Position und Orientierung der Generatorspulen 5 sind bekannt. Die Generatorspulen 5 sind über Anschlussleitungen 6 mit einer Ansteuereinheit 7 verbunden. Statt zwei können die Senderanordnungen 2 beispielsweise auch drei Generatorspulen 5 aufweisen. Diese sind dann vorzugsweise wiederum orthogonal, jedenfalls aber in einer in definierten Weise zueinander angeordnet.
An einem frei beweglichen medizinischen Instrument 10, das navigiert werden soll, ist eine Empfängeranordnung 11 positioniert. Die Empfängeranordnung 11 definiert einen Empfangsort und umfasst zwei unmittelbar benachbart und orthogonal zueinander angeordnete Empfänger in Gestalt kleiner Sensorspulen 12. Jede Sensorspule 12 ist ausgebildet zum Messen eines elektromagnetischen Feldes und zum Übertragen der Messergebnisse an eine Verarbeitungseinheit 13. Hierzu sind die Sensorspulen 12 über eine drahtlose Verbindung 14 mit der Verarbeitungseinheit 13 verbunden. Statt zwei können die Empfängeranordnungen 11 beispielsweise auch drei Sensorspulen 12 aufweisen. Diese sind dann vorzugsweise wiederum orthogonal, jedenfalls aber in einer in definierten Weise zueinander angeordnet.
Das Instrument 10 kann in einer abgewandelten Ausführung (nicht dargestellt) mehr als eine Empfängeranordnung 11 aufweisen, um die Genauigkeit der Lagebestimmung zu erhöhen.
Zur Bestimmung der Lage des Instruments 10 werden nacheinander die Generatorspulen 5 der drei Senderanordnungen 2 von der Ansteuereinheit 7 angesteuert derart, dass sie kurze Magnetpulse erzeugen. Dabei kann es sich um Einzelpulse oder Pulsfolgen, beispielsweise periodische Pulsfolgen, handeln. Die Generatorspulen 5 können auch in einer anderen Reihenfolge angesteuert werden, solange diese Reihenfolge bekannt ist. In der Regel wird zur Lagebestimmung einmal oder mehrfach von jeder Senderanordnung 2 ein Puls abgegeben. Sind in einer Senderanordnung 2 mehrere Generatorspulen 5 vorgesehen, wird vorzugsweise von jeder Generatorspule 5 der Senderanordnung 2 einmal oder mehrfach ein Puls abgegeben.
Die so erzeugte Abfolge von kurzen Pulsen wird von den beiden in definierter Lage zueinander angeordneten Sensorspulen 12 der Empfängeranordnung 11 empfangen. Die Messergebnisse dieser Feldstärkemessung werden von den Sensorspulen 12 an die Verarbeitungseinheit 13 übertragen. Die Verarbeitungseinheit 13, der die Position und Orientierung der Generatorspulen 5 bekannt ist, ermittelt aus den Messergebnissen Richtungsvektoren zu den jeweiligen Quellorten. Es erfolgt mit anderen Worten ein sequentielles Anpeilen von Quellorten eines magnetischen Feldes. Aus wenigstens zwei dieser Richtungsvektoren bestimmt die Verarbeitungseinheit 13 den Ort und die Orientierung der jeweiligen Sensorspule 12, damit der Empfängeranordnung 11 und des Instruments 10. Die Bestimmung der Lage durch die Verarbeitungseinheit 13 beruht dabei auf der Tatsache, dass bei beliebiger Orientierung im Raum das von einer Sensorspule 12 empfangene Signal jeweils proportional zum Richtungskosinus ihrer Spulenachse mit dem lokalen Feldlinienverlauf ist. Es gilt S = alpha * cos (B), wobei S das empfangene Signal, B die Feldstärke und alpha den Winkel zwischen der Spulenachse der Sensorspule 12 und der Feldlinie bezeichnen. Das Verhältnis der Kosinusse der Signalstärken zweier zum Beispiel orthogonaler Sensorspulen 12 zeigt somit eine Richtung zur Feldlinie an. Da lediglich relative Feldstärkenmessungen bezüglich lokal benachbarter Sensorspulen 12 vorgenommen werden, muss der Absolutwert der von den Generatorspulen 5 generierten Feldstärke keinen besonderen Genauigkeitsanforderungen genügen. Damit werden eine erhöhte Stabilität und Zuverlässigkeit des Verfahrens bei geringerem Aufwand und geringeren Kosten erreicht.
Unter kurzen Magnetpulsen werden dabei Pulse mit einer Dauer von deutlich unter einer Sekunde verstanden. Vorzugsweise sind die verwendeten Magnetpulse so kurz, dass die Sender jeder Senderanordnungen 2 mehrmals in einer Sekunde Magnetpulse erzeugen. Mit anderen Worten sollen von jedem Quellort aus mehrmals pro Sekunde Magnetpulse ausgehen. Damit ist ein sicheres Bestimmen der Lage des Instruments auch dann möglich, wenn das Instrument bewegt wird. Die erzeugten Magnetpulse weisen beispielsweise eine Pulsdauer von 10 Millisekunden auf.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst, wie in 2 dargestellt, drei Empfängeranordnungen 17, die an den Kanten eines Bereichs 3 eines Patiententisches positioniert sind. Im übrigen gilt für die Anordnung der Empfängeranordnungen in diesem zweiten Ausführungsbeispiel im wesentlichen das gleiche wie für die Anordnung der Senderanordnungen in dem ersten Ausführungsbeispiel.
Jede Empfängeranordnung 17 definiert einen Empfangsort. Die Empfängeranordnungen 17 weisen einen Mindestabstand zueinander auf, durch den die gewünschte Genauigkeit der späteren Lagebestimmung beeinflusst wird. Jede Empfängeranordnung 17 umfasst drei unmittelbar benachbart und orthogonal zueinander angeordnete Empfänger in Gestalt kleiner Sensorspulen 12. Position und Orientierung der Sensorspulen 12 sind bekannt. Jede Sensorspule 12 ist ausgebildet zum Messen eines elektromagnetischen Feldes und zum Übertragen der Messergebnisse an eine Verarbeitungseinheit 13. Hierzu sind die Sensorspulen 12 mit der Verarbeitungseinheit (in 2 nicht dargestellt) verbunden.
An einem frei beweglichen medizinischen Instrument 10, das navigiert werden soll, ist eine Senderanordnung 16 positioniert. Die Senderanordnung 16 definiert einen Quellort und umfasst zwei unmittelbar benachbart und orthogonal zueinander angeordnete Sender in Gestalt kleiner Generatorspulen 5, 8. Jede dieser Generatorspulen 5, 8 dient als Magnetfeldgenerator und ist ausgebildet zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes. Die Generatorspulen 5, 8 sind mit einer Ansteuereinheit (in 2 nicht dargestellt) verbunden, die auch in oder an dem Instrument 10 angeordnet sein kann.
Die Senderanordnung 16 kann statt zwei wiederum drei Generatorspulen 5, 8 aufweisen. Auch kann das Instrument 10 wieder mehr als eine Senderanordnung 16 aufweisen.
Zur Bestimmung der Lage des Instruments 10 werden die Generatorspulen 5 der Senderanordnung 16 von der Ansteuereinheit 7 angesteuert derart, dass sie nacheinander kurze Magnetpulse erzeugen. Dabei kann es sich um Einzelpulse oder Pulsfolgen, beispielsweise periodische Pulsfolgen, handeln. Was unter einem kurzen Magnetpuls verstanden wird, wurde bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert.
Das Senden der Magnetpulse erfolgt dabei zyklisch. In der Regel wird zur Lagebestimmung einmal oder mehrfach von jeder Senderanordnung 16 ein Puls abgegeben. Die so erzeugte Abfolge von Pulsen wird gleichzeitig von allen Sensorspulen 12 der Empfängeranordnungen 17 empfangen. Die Messergebnisse dieser Feldstärkemessungen werden von den Sensorspulen 12 an die Verarbeitungseinheit 13 übertragen. Die Verarbeitungseinheit 13, der die Position und Orientierung der Sensorspulen bekannt ist, ermittelt aus den Messergebnissen durch Peilung Richtungsvektoren zu dem Quellort. Aus wenigstens zwei dieser Richtungsvektoren bestimmt die Verarbeitungseinheit 13 den Ort und die Orientierung der jeweiligen Generatorspule 5, 8, damit der Senderanordnung 16 und des Instruments 10.
Mit den zwei orthogonalen Generatorspulen 5, 8 und den drei simultan empfangenden, orthogonal zueinander angeordneten Sensorspulen 12 einer der drei Empfängeranordnungen 17 ist die Orientierung einer Generatorspule 5, 8 im Raum bereits definiert und eine Peilrichtung bekannt. Mit Hilfe von Messergebnissen weiterer Empfängeranordnungen 17 wird dann durch die Verarbeitungseinheit 13 die Position der Generatorspulen 5, 8 bestimmt. Grundsätzlich gilt, dass die Sensorspulen 12 gegeneinander definiert verdreht sind, um alle drei Raumrichtungen abzudecken. Vorzugsweise sind sie, wie im vorliegenden Beispiel, orthogonal zueinander angeordnet.
Die Feldlinien der beiden Generatorspulen 5, 8 in der an dem Instrument 10 angebrachten Senderanordnung 16 schneiden sich an jedem Ort rechtwinklig, selbst in einer identischen Ausbreitungsrichtung, wie in 3 gezeigt. Für jede an einem beliebigen Ort 18 relativ zu dem Quellort 19 angeordnete Sensorspule 12 ermittelt die Verarbeitungseinheit 13 bei einem Puls aus der ersten, in 3 senkrecht angeordneten Generatorspule 5 durch komponentenweise Vektorbetrachtung deren Feldlinienrichtung 21. Die durch den in 3 punktförmig dargestellten Ort 18 der Sensorspule 12 verlaufende Gerade 21 hat die Eigenschaft, dass sie auch durch das Zentrum 23 der durch die Sensorspule 12 am Ort 18 verlaufenden Feldlinie der zweiten, in 3 waagerecht angeordneten Generatorspule 8 verläuft. Nach dem Empfangen des von dieser zweiten Generatorspule 8 ausgesandten weiteren Pulses ermittelt die Verarbeitungseinheit 13 die Feldlinienrichtung 22 am Ort 18 der Sensorspule 12, die von dort aus auf das mathematische Zentrum 24 der zuvor gemessenen Feldlinie zeigt.
Bei den registrierten Pulsen wird von den Sensorspulen 12 auch die jeweilige Feldstärke ermittelt und von der Verarbeitungseinheit 13 daraus das Verhältnis der Abstände 25, 26 des Ortes 18 der Sensorspule 12 zu den Zentren 23, 24 der Feldlinien bestimmt.
Diese Abstände 25, 26 werden von der Verarbeitungseinheit 13 auf den Schenkeln eines rechten Winkels abgetragen, so dass sich, wie in 4 gezeigt, ein Dreieck mit Katheten 25 und 26 sowie Hypotenuse 27 ergibt, welches demjenigen rechtwinkeligen Dreieck ähnlich ist, das durch die Punkte 18, 23 und 24 gebildet wird. Die Höhe in diesem rechtwinkligen Dreieck verläuft in der gesuchten Richtung 20, unter welcher der Quellort 19 von dem Ort 18 der aktuell betrachteten Sensorspule 12 aus gesehen wird, wenn die Feldlinien in einer Ebene verlaufen. Diese Berechnung kann durch die Verarbeitungseinheit 13 in einer Ebene erfolgen.
Die Darstellungen in 3 und 4 illustrieren den Sachverhalt vereinfacht und lediglich beispielhaft für den Fall, dass die Feldlinien in einer Ebene verlaufen. In einem allgemeinen Fall kann beispielsweise die Feldlinie um das Zentrum 23 auch beliebig um die Sehne 20 aus der Zeichenebene heraus oder in die Zeichenebene hinein gedreht sein. Grundsätzlich kann die Richtung 20 mit Hilfe von zwei Winkeln beschrieben werden, nämlich dem Winkel zwischen der Kathete 25 und dem Höhenstrahl 20 sowie dem Winkel zwischen der Kathete 26 und dem Höhenstrahl 20. Für die Interpretation dieser beiden Winkel durch die Verarbeitungseinheit 13 muss in dem allgemeinen Fall nicht in einer Ebene liegender Feldlinien jedoch noch ein Winkel („Knickwinkel“) zwischen den Feldlinien mit einbezogen werden, mit dessen Hilfe die Rotation der Feldlinien um die als Rotationsachse dienende Sehne 20 beschrieben werden kann. Damit ist das Ziel der Peilung im Raum erreicht.
Von Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, dass nur die Richtungen der Katheten 21 und 22 sowie das Verhältnis der Abstände 25, 26 zueinander ermittelt werden muss.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist ausgebildet zur Durchführung des beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments 10 zum Zweck der medizinischen Navigation. Vorzugsweise handelt es sich bei der Verarbeitungseinheit 13 der Vorrichtung um eine Datenverarbeitungseinheit, ausgebildet zur Durchführung aller Schritte entsprechend des hier beschriebenen Verfahrens, die in einem Zusammenhang mit der Verarbeitung von Daten stehen. Die Verarbeitungseinheit weist vorzugsweise eine Anzahl von Funktionsmodulen auf, wobei jedes Funktionsmodul ausgebildet ist zur Durchführung einer bestimmten Funktion oder einer Anzahl bestimmter Funktionen gemäß dem beschriebenen Verfahren. Bei den Funktionsmodulen kann es sich um Hardwaremodule oder Softwaremodule handeln. Mit anderen Worten kann die Erfindung, soweit es die Verarbeitungseinheit betrifft, entweder in Form von Computerhardware oder in Form von Computersoftware oder in einer Kombination aus Hardware und Software verwirklicht werden. Soweit die Erfindung in Form von Software, also als Computerprogramm, verwirklicht ist, werden sämtliche beschriebenen Funktionen durch Computerprogrammanweisungen realisiert, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner mit einem Prozessor ausgeführt wird. Die Computerprogrammanweisungen sind dabei auf an sich bekannte Art und Weise in einer beliebigen Programmiersprache verwirklicht und können dem Rechner in beliebiger Form bereitgestellt werden, beispielsweise in Form von Datenpaketen, die über ein Rechnernetz übertragen werden, oder in Form eines auf einer Diskette, einer CD-ROM oder einem anderen Datenträger gespeicherten Computerprogramms.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Senderanordnung
3: Patiententisch
4: Navigationsraum
5: Generatorspule
6: Anschlussleitung
7: Ansteuereinheit
8: Generatorspule
9: (frei)
10: medizinisches Instrument
11: Empfängeranordnung
12: Sensorspule
13: Verarbeitungseinheit
14: drahtlose Verbindung
15: (frei)
16: Senderanordnung
17: Empfängeranordnung
18: Ort der Sensorspule
19: Quellort
20: Richtung
21: Feldlinienrichtung
22: Feldlinienrichtung
23: Zentrum
24: Zentrum
25: Abstand
26: Abstand
27: Hypothenuse

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments (10), - mit einer Verarbeitungseinheit (13), - mit einer Anzahl erster Komponenten (2, 16), ausgebildet zum Erzeugen von elektromagnetischen Feldern, und - mit einer Anzahl zweiter Komponenten (11, 17), ausgebildet zum Messen der erzeugten elektromagnetischen Felder und zum Übertragen der Messergebnisse an die Verarbeitungseinheit (13) , dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl zweiter Komponenten (11, 17) zum Messen relativer Feldstärken der erzeugten elektromagnetischen Felder ausgebildet ist und dass die Verarbeitungseinheit (13) ausgebildet ist zum - Ermitteln von Richtungsinformationen (20) durch Peilung auf der Grundlage der Messergebnisse, und - Bestimmen von Position und/oder Orientierung wenigstens einer ersten Komponente (2, 16) oder wenigstens einer zweiten Komponente (11, 17) unter Verwendung der ermittelten Richtungsinformationen (20).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - mindestens zwei voneinander beabstandete, an definierten Orten eines Bezugssystems (3) platzierbare Senderanordnungen (2) als erste Komponenten, wobei jede der Senderanordnungen (2) eine Anzahl von Sendern (5) umfasst, wobei jeder Sender (5) zum Erzeugen eines gepulsten elektromagnetischen Feldes ansteuerbar ist, - mindestens eine dem medizinischen Instrument (10) zugeordnete Empfängeranordnung (11) als zweite Komponente, wobei die mindestens eine Empfängeranordnung (11) mindestens zwei Empfänger (12) umfasst, wobei die Verarbeitungseinheit (13) zum Bestimmen von Position und/oder Orientierung der mindestens einen Empfängeranordnung (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - mindestens eine dem medizinischen Instrument (10) zugeordnete Senderanordnung (16) als erste Komponente, wobei die mindestens eine Senderanordnung (16) eine Anzahl von Sendern (5) umfasst, wobei jeder Sender (5) zum Erzeugen eines gepulsten elektromagnetischen Feldes ansteuerbar ist, - mindestens zwei voneinander beabstandete, an definierten Orten eines Bezugssystems (3) platzierbare Empfängeranordnungen (17) als zweite Komponenten, wobei jede der Empfängeranordnungen (17) eine Anzahl von Empfängern (12) umfasst, wobei die Verarbeitungseinheit (13) zum Bestimmen von Position und/oder Orientierung der mindestens einen Senderanordnung (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (5) einer Anzahl von Senderanordnungen (2, 16) und/oder die Empfänger (12) einer Anzahl von Empfängeranordnungen (11, 17) in einer definierten Lage zueinander, dabei insbesondere unmittelbar benachbart zueinander, angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Senderanordnungen (2, 16) mindestens zwei Sender (5) umfasst, welche Sender (5) vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Empfängeranordnungen (11, 17) mindestens zwei Empfänger (12) umfasst, welche Empfänger (12) vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderanordnungen (2) oder Empfängeranordnungen (17) in dem medizinischen Instrument integriert und/oder an definierten Punkten des Bezugssystems (3) beabstandet voneinander angeordnet sind.
Verfahren zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments (10), mit den Schritten: - Erzeugen von elektromagnetischen Feldern mit Hilfe einer Anzahl erster Komponenten (2, 16), und - Messen der erzeugten elektromagnetischen Felder mit Hilfe einer Anzahl zweiter Komponenten (11, 17) und Übertragen der Messergebnisse an eine Verarbeitungseinheit (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der erzeugten elektromagnetischen Felder mit Hilfe der Anzahl zweiter Komponenten (11, 17) das Messen der relativen Feldstärken der erzeugten elektromagnetischen Felder umfasst, und weiter gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: - Ermitteln von Richtungsinformationen (20) durch Peilung auf der Grundlage der Messergebnisse, und - Bestimmen von Position und/oder Orientierung wenigstens einer ersten Komponente (2, 16) oder wenigstens einer zweiten Komponente (11, 17) unter Verwendung der ermittelten Richtungsinformationen (20).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - mit Hilfe einer Anzahl von Sendern (5) mindestens zweier voneinander beabstandeter, an definierten Orten eines Bezugssystems (3) platzierbarer Senderanordnungen (2) gepulste elektromagnetische Felder erzeugt werden, - mit Hilfe mindestens zweier Empfänger (12) mindestens einer dem medizinischen Instrument (10) zugeordneten Empfängeranordnung (11) die Feldstärke dieser gepulsten elektromagnetischen Felder gemessen wird, und - Position und/oder Orientierung der mindestens einen Empfängeranordnung (11) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - mit Hilfe einer Anzahl von Sendern (5) mindestens einer dem medizinischen Instrument (10) zugeordneten Senderanordnung (16) ein gepulstes elektromagnetisches Feld erzeugt wird, - mit Hilfe einer Anzahl von Empfängern (12) mindestens zweier voneinander beabstandeter, an definierten Orten eines Bezugssystems (3) platzierbare Empfängerordnungen (17) die Feldstärke dieses gepulsten elektromagnetischen Feldes gemessen wird, und - Position und/oder Orientierung der mindestens einen Senderanordnung (16) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Richtungsinformationen (20) auf der Grundlage der Abhängigkeit der relativen Feldstärke von der Richtung des Empfängers (12) zu dem Sender (5) erfolgt, der das jeweils gemessene gepulste elektromagnetische Feld erzeugt.
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Sender (5) einer Senderanordnung (2) und/oder die Anzahl der Sender (5) verschiedener Senderanordnungen (2) nacheinander betrieben werden.
Computerprogramm zur Bestimmung der Lage eines medizinischen Instruments (10), bei welchem Verfahren mit Hilfe einer Anzahl erster Komponenten (2, 16) elektromagnetische Felder erzeugt werden und die relativen Feldstärken der erzeugten elektromagnetischen Felder mit Hilfe einer Anzahl zweiter Komponenten (11, 17) gemessen und die Messergebnisse an eine Verarbeitungseinheit (13) übertragen werden, - mit Computeranweisungen zum Ermitteln von Richtungsinformationen (20) durch Peilung auf der Grundlage der Messergebnisse, und - mit Computeranweisungen zum Bestimmen von Position und/oder Orientierung wenigstens einer ersten Komponente (2, 16) oder wenigstens einer zweiten Komponente (11, 17) unter Verwendung der ermittelten Richtungsinformationen (20), wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.