DE102014118962A1

DE102014118962A1 - Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes

Info

Publication number: DE102014118962A1
Application number: DE102014118962.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Schwarz; Klaus M. Irion; Johannes Fallert; Florus Lowag
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes (2, 20) für das Einbringen in einen Körper, insbesondere in einen menschlichen Körper. Die Anordnung (1) weist einen Trokar (3) auf, durch den das minimalinvasive Instrument (2), das als starres Endoskop (20) ausgebildet ist, in einen Körper eingebracht wird. Der Trokar (3) weist eine Sensoranordnung (4) zur Bestimmung der Einführtiefe des starren Endoskops (20) in den Trokar (3) sowie eine optische Sensoranordnung (9) zur Erfassung der Rotationslage des starren Endoskops (20) im Trokar (3) auf. Das starre Endoskop (20) zeigt in seinem proximalen Endbereich (21) verschiedene Sensoren, einen 3D-Accelerometer (5) und einen 3D-Gyrometer (6) sowie einen Bildsensor (12) zur Bestimmung des Bildflusses. Anhand der Sensorinformationen der Sensoren (5, 6, 12) und der Sensoreinheiten (4, 9) gelingt es, eine sehr verlässliche Information zur räumlichen Lage des starren Endoskops (20) zu gewinnen und dem Benutzer zur Verfügung zu stellen. Die Auswertung der Sensorsignale erfolgt mithilfe einer Prozessoreinheit (8) im proximalen Endbereich (21) des starren Endoskops (20). Mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung (1) gelingt es auf kostengünstige und sichere Weise, die räumliche Lage des starren Endoskops (20) zu erfassen, ohne dass aufwendige und kostenintensive optische oder elektromagnetische Tracking-Verfahren notwendig sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes für das Einbringen in einen Körper, insbesondere in einen menschlichen Körper und ein Verfahren hierzu.
Hintergrund der Erfindung
Aus der US-Patentanmeldung US 2012/0323520 A1 ist eine Bewegungserkennung für ein Handy bekannt, die geeignet ist, zu erkennen, ob das Handy sich in Bewegung befindet oder in einem Ruhezustand. Das Handy ist dazu mit Gyrometern, Accelerometern und Magnetometern, die gemäß der MEMS-Technologie ausgestattet. Das Handy ist nicht für einen Einsatz in einem medizinischen Umfeld geeignet.
Aus dem deutschen Patent DE 10 2004 008 164 B3 ist eine Vorrichtung zum Erstellen eines Ausschnittes eines virtuellen 3D-Modells eines Körperinnenraums bekannt. Bei dieser wird zum Erstellen eines virtuellen 3D-Modells eines Hohlorgans der Abstand des distalen Endes des Endoskops zu dem Hohlorgan erfasst und mithilfe dieser Abstandsinformation das bestehende 3D-Modell ergänzt oder ein neues 3D-Modell geschaffen. Mithilfe des erstellten 3D-Modells kann in einem nachfolgenden Schritt die Operation nachvollzogen werden.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 060 522 A1 ist ein Simulationssystem für das Training endoskopischer Operationen bekannt. Bei diesem ist im proximalen Bereich des flexiblen Endoskops ein Sensor zur Erfassung der Bewegung eines in das flexible Endoskop eingebrachten medizinischen Instrumentes zu entnehmen. Dieser Sensor ist als optischer Sensor ausgebildet und ist geeignet, eine Bewegung des in ein anderes medizinisches Instrument eingebrachten Instrumentes zu erfassen und auszuwerten. Dieses Simulationssystem ist mit seinen Komponenten nicht geeignet für einen Einsatz im Rahmen einer minimalinvasiven chirurgischen Operation. Es dient ausschließlich für Trainingszwecke und ist entsprechend auch ausschließlich hierfür geeignet.
Weiterhin ist aus der US-Patentanmeldung US 2011/0032347 A1 ein endoskopisches System mit Bewegungssensor bekannt. Diese Bewegungssensoren sind in einem Trokar angeordnet, der zur Einführung eines Endoskops verwendet wird. Mithilfe der Bewegungssensoren lässt sich die Einführtiefe des Endoskops in den Trokar bestimmen. Diese Information wird zur besseren Handhabung des endoskopischen Systems verwendet. Dieses System erweist sich als wenig verlässlich. Insbesondere ist diese Sensoranordnung nicht geeignet, eine verlässliche Lageinformation des Endoskops, insbesondere des distalen Endes des Endoskops zu vermitteln, die für eine verlässliche Navigation erforderlich ist, um eine Gefährdung eines zu behandelnden Patienten weitgehend auszuschließen.
Weiterhin ist aus dem US-Patent US 8,419,717 B2 ein medizinisches Robotersystem bekannt, das an seinem distalen Ende verschiedene Sensoren, insbesondere Inertialsensoren und Accelerometer zur Erfassung der Bewegung des Strahlenendes des Roboters aufweist. Mithilfe der Sensorinformation wird der Roboter so bewegungsgesteuert, dass er voll- oder teilautomatisiert eine Operation an einem Patienten durchführen kann. Dieses Robotersystem erweist sich als extrem aufwendig und als sehr kostenintensiv sowie anfällig.
Aus dem europäischen Patent EP 1 502 544 B1 ist ein magnetisches Trackingsystem für einen medizinischen Katheter bekannt, der an seinem distalen Ende mehrere elektromagnetische Sensorspulen aufweist, die ein künstliches äußeres, elektromagnetisches Feld erfassen und aus den detektierten elektromagnetischen Sensorsignalen einen Rückschluss auf die Lage des distalen Endes des medizinischen Katheters erlauben. Dieses magnetische Trackingsystem erweist sich als wenig verlässlich und sehr aufwendig, da durch das künstlich erzeugte äußere elektromagnetische Feld mit variabler Frequenz ein komplexes und störanfälliges System gegeben ist. Sind im Umfeld des medizinischen Katheters metallische Gegenstände angeordnet, beispielsweise durch Implantate zur Versteifung von Knochen, so führt dies zu einer Störung des für die Lageerfassung bzw. Navigation notwendigen Magnetfelds, was ein sicheres und verlässliches Tracking verhindert.
Weiterhin ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 657 678 A1 eine Vorrichtung zur videobildunterstützenden Patientenregistrierung sowie ein Verfahren zur Zuordnung eines Körperteils eines Patienten bekannt, bei denen mittels mehrerer Videokameras Trackingreferenzen, die einen Referenzstern mit passiv reflektierenden Markern darstellen, erfasst und räumlich in ihrer Lage erfasst werden. Da die Trackingreferenzen mit dem Patienten bzw. den Videokameras oder den medizinischen invasiven Instrumenten verbunden sind, lässt sich die Raumposition des Patienten oder eines Körperteils bzw. ein medizinisches Instrument bzw. eine Videokamera erfassen und verfolgen. Diese Vorrichtung erweist sich als sehr kostenintensiv und in ihrem Aufbau als sehr komplex, da bereits bei einer üblichen operativen Handhabung die zu lokalisierenden Instrumente immer wieder verdeckt werden und dadurch eine einfache videobasierte Erfassung mit wenigen Videokameras nicht oder nur schwer möglich ist. Um eine sichere Lagebestimmung zu ermöglichen, ist eine komplexe Vernetzung von einer Mehrzahl an Videokameras notwendig, die sich als kostenintensiv und anfällig erweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes für das Einbringen in einen Körper sowie ein Verfahren hierzu zu schaffen, die eine einfache und verlässliche und insbesondere kostengünstige Lagestimmung ermöglichen.
Diese erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes für das Einbringen in einen Körper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes für das Einbringen in einen Körper, insbesondere in einen menschlichen Körper weist einen Trokar auf, durch den das minimalinvasive Instrument in einen Körper eingebracht wird. Der Trokar wird dabei in eine Öffnung des Körpers eingebracht, der nicht notwendigerweise ein menschlicher oder tierischer Körper sein muss, sondern vielmehr auch einen technischen Körper darstellen kann. Der Trokar ist erfindungsgemäß mit einer Sensoranordnung zur Bestimmung der Einführtiefe des minimalinvasiven Instrumentes in den Trokar versehen. Mithilfe dieser Sensoranordnung kann bestimmt werden, wie weit das Instrument in den Trokar eingeführt wurde und damit wie weit es über den Trokar hinausragt. Wird der Trokar aufgabengemäß in die Öffnung des zu untersuchenden Körpers eingebracht, so entspricht die gemessene Einführtiefe des invasiven Instrumentes in den Trokar weitgehend der Einbringtiefe des minimalinvasiven Instrumentes in den Körper. Der Unterschied zwischen der Einführtiefe in den Trokar und der Einbringtiefe in den Körper ist sehr begrenzt und kann gegebenenfalls bei der Lagebestimmung des minimalinvasiven Instrumentes in den Körper unberücksichtigt bleiben. Gegebenenfalls kann dieser aber auch durch die Berücksichtigung eines vorgegebenen Offsets, der die typische Distanz zwischen der Messposition für die Einführtiefe und dem Oberflächenbereich des zu untersuchenden Körpers mit der Öffnung gebildet ist, berücksichtigt werden. Dieser Offset ist für eine erfindungsgemäße Anordnung fest definiert und kann daher auf einfache und verlässliche Weise bei der Auswertung der räumlichen Lage des Instrumentes berücksichtigt werden.
Mithilfe der erfindungsgemäß an oder im minimalinvasiven Instrument angeordneten Accelerometer, Gyrometer und/oder Magnetometer, von denen jeweils ein oder mehrere oder insbesondere alle Stücke in oder am minimalinvasiven Instrument angeordnet sind und damit geeignet sind, eine entsprechende Information zu bestimmen, an die Prozessoreinheit zur Weiterverarbeitung weiterzuleiten, gelingt es erfindungsgemäß mithilfe der Prozessoreinheit der Anordnung die räumliche Lage des minimalinvasiven Instrumentes unter Verwendung der Einführtiefe in den Trokar zu bestimmen. Je mehr unterschiedliche Accelerometer, Gyrometer oder Magnetometer in der erfindungsgemäßen Anordnung verwendet werden, desto genauer lässt sich die Lage in Verbindung mit der Bestimmung der Einführtiefe, die repräsentativ ist für die Einbringtiefe des minimalinvasiven Instrumentes in den Körper, die Lage des minimalinvasiven Instrumentes bestimmen. Da die erfindungsgemäß verwendeten Komponenten sehr robust und verlässlich sowie kostengünstig sind, lässt sich eine sehr sichere, einfache und verlässliche sowie kostengünstige Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes und damit insbesondere eine medizinische Navigation bei einer Operation eines medizinischen Instrumentes ermöglichen. Derartige Navigationen von chirurgischen Instrumenten finden Einsatz in verschiedenen Applikationen wie zum Beispiel in der Neurochirurgie oder auch der Hals-, Nasen-, Ohrenchirurgie.
Gerade die Kombination von Accelerometern, Gyrometern und Magnetometern in bzw. am Instrument ermöglicht eine sehr verlässliche Lagebestimmung bei geringen Kosten.
Erfindungsgemäß kann auf aufwändige videobasierte oder elektromagnetische Trackingsysteme kann dabei verzichtet werden. Durch eine räumliche Integration der Accelerometer, Gyrometer und der Magnetometer in das Instrument ist zudem ein Einsatz im medizinischen Umfeld durch die gute Reinigbarkeit und Sterilisierbarkeit des Instrumentes gewährleistet.
Durch die erfindungsgemäße Kombination der Sensoren, wie die Gyrometer, die die Winkelgeschwindigkeit des zu sensierenden Objektes bestimmen, die Accelerometer, die die Neigung relativ zur Gravitationsrichtung erfassen bzw. die Magnetometer, die die Neigung relativ zur Achse der Erdmagnetfeldes bestimmen, gelingt es, die Zuverlässigkeit der Daten durch die Integration deutlich zu erhöhen und dadurch in Verbindung mit der Information der Einführtiefe sehr verlässlich und kostengünstig und sicher die Lage im Raum einschließlich der Orientierung des Instrumentes, d.h. auch der Translationsfreiheitsgrade mit für den medizinischen oder technischen Anwendungsbereich ausreichender Genauigkeit zu bestimmen. Die erreichte Genauigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung der Lage eines minimalinvasiven Instrumentes reicht überraschenderweise trotz der kostengünstigen und einfachen Komponenten aus, eine sichere Navigation eines medizinischen invasiven Instrumentes bei einer Operation beispielsweise bei einer minimalinvasiven Blasenoperation zu erreichen und dadurch die Sicherheit einer solchen Operation erheblich zu steigern. Aufwendige und kostenintensive medizinische Navigationsverfahren mittels optischem oder elektromagnetischem Tracking sind somit nicht mehr notwendig.
Erst durch die erfindungsgemäße Kombination der Sensoren mit der Information der Einführtiefe durch die Sensoreinheit gelingt es, eine Lagebestimmung zu ermöglichen, da diese Sensoren wie ein Accelerometer, ein Gyrometer oder auch ein Magnetometer nur Rotationsfreiheitsgrade, das heißt Informationen, unter welchen drei Raumwinkeln das Instrument geneigt ist, liefern können und keine Information für die Ortsbestimmung notwendigen Translationsfreiheitsgrade liefern können. Dieser Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Kombination zur Einführtiefe in dem Trokar aufgehoben. Durch diese Kombination kann die über die genannten Sensoren bestimmte Orientierung (Rotationsfreiheitsgrade) des Systems die Position des Instrumentes in Relation zu der Position des Trokars und damit die räumliche Lage des Instrumentes verlässlich bestimmt werden. Vor der erfindungsgemäßen Kombination wurden derartige Sensoren als ungeeignet für eine räumliche Lagebestimmung eines medizinischen minimalinvasiven Instrumentes, insbesondere im Rahmen einer Navigation betrachtet. Überraschenderweise zeigt die erfinderische Kombination, dass dies mit ausreichender Qualität dennoch möglich ist.
Neben der bevorzugten Möglichkeit, die Prozessoreinheit als einen Prozessor auszubilden, hat sich auch die Möglichkeit bewährt, die Prozessoreinheit aus mehreren Prozessoren zu realisieren. Dabei werden die verschiedenen Prozessoren räumlich voneinander getrennt und über die erfindungsgemäße Anordnung verteilt angeordnet. Dabei werden einzelne Prozessoren bevorzugt in einem Bereich der den Prozessoren zugeordneten Komponenten der Anordnung zum Beispiel im Bereich der Sensoren angeordnet, um eine aufwendige Übertragung von Informationen zu beschränken und dadurch negative Einflüsse durch Fehlübertragungen zu vermeiden. Darüber hinaus können die räumlichen Gegebenheiten der Anordnung durch ein Aufgliedern in mehrere kleinere Prozessoren effizienter genutzt werden. Ist beispielsweise ein Bildsensor am distalen Ende des Instrumentes angeordnet, so sind bevorzugt ein oder mehrere Prozessoren der Prozessoreinheit, die eine Auswertung der Bilddaten im Hinblick auf eine Lagebestimmung vornehmen, ebenso im distalen Endbereich nahe dem Bildsensor angeordnet. Andere Prozessoren hingegen sind aufgrund der einfachen Anordnung im proximalen Endbereich des Instrumentes angeordnet, wobei diese Prozessoren die Integration der Daten der verschiedenen Sensoren bzw. Sensoreinheiten im Hinblick auf die Lagebestimmung des Instrumentes vornehmen. Hierdurch ist eine sehr effiziente, raumorientierte und datenstromoptimierte Anordnung geschaffen.
Es hat sich besonders bewährt, eine Sensoreinheit zur Erfassung der Rotationslage des minimalinvasiven Instrumentes im Trokar vorzusehen und diese Sensorinformation bei der Lagebestimmung des minimalinvasiven Instrumentes durch die Prozessoreinheit zu verwenden. Dies wird besonders relevant, wenn das minimalinvasive Instrument gekrümmt ist aber auch als wenn das Endoskop kein Geradeausblick-Endoskop mit einem Blickwinkel von 0 Grad ist und damit der Blickwinkel außerhalb der Achse ausgerichtet ist. Mithilfe der erfassten Rotationsinformation des minimalinvasiven Instrumentes gelingt es eine zusätzliche Information über die räumliche Lage des distalen Endes des Instrumentes bzw. dessen Ausrichtung bzw. Orientierung im Raum zu erhalten und dem Nutzer der erfindungsgemäßen Anordnung zur Verfügung zu stellen. Dies erweitert den Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Anordnung für eine Vielzahl von minimalinvasiven Instrumenten.
Vorzugsweise sind die Sensoreinheit zur Erfassung der Einführtiefe und die Sensoranordnung zur Erfassung der Rotation des minimalinvasiven Instrumentes beide im Trokar integriert angeordnet und vorzugsweise zu einer einzigen Sensoreinheit ausgebildet. Dadurch lässt sich eine sehr kompakte Sensorintegration in den Trokar der erfindungsgemäßen Anordnung gewährleisten und dadurch die Verlässlichkeit der Anordnung erhöhen bzw. die Fehleranfälligkeit reduzieren. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Sensoreinheit zur Bestimmung der Einführtiefe bzw. die Sensoreinheit zur Erfassung der Rotationslage des minimalinvasiven Instrumentes als optische Sensoreinheiten auszubilden, die berührungslos das minimalinvasive Instrument im Trokar erfassen und beispielsweise in der Art einer optischen Maus Oberflächenunebeneinheiten oder Oberflächenstrukturen am minimalinvasiven Instrument erfassen und auswerten und daraus eine Information über die Einführtiefe oder die Rotationslage des invasiven Instrumentes ermitteln und der Prozessoreinheit zur Auswertung für die Lagebestimmung des minimalinvasiven Instrumentes zur Verfügung stellen.
Neben der Möglichkeit die Sensoreinheiten zur Erfassung der Einführtiefe bzw. der Rotationslage des minimalinvasiven Instrumentes des Trokars mit der Prozessoreinheit über optische oder elektrische Kabel zu verbinden, hat es sich besonders bewährt, eine kabellose, insbesondere funkbasierte Kopplung vorzusehen, da zusätzliche Kabel sich insbesondere im Operationsumfeld störend auswirken können.
Bevorzugt ist die Prozessoreinheit in dem proximalen Ende des minimalinvasiven Instrumentes angeordnet. Dadurch entsteht eine funktionell aufeinander abgestimmte erfindungsgemäße Anordnung zur Lagebestimmung aus Trokar und minimalinvasivem Instrument, die sowohl mechanisch wie elektrotechnisch so aufeinander abgestimmt sind, dass die minimalinvasive Funktionalität des Instrumentes gewährleistet ist und dabei die Lage des Instrumentes für eine verbesserte Handhabung des minimalinvasiven Instrumentes verlässlich und kostengünstig auf einfache Weise ermittelt werden kann.
Nach einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist das minimalinvasive Instrument mit einem oder mehreren Bildsensoren versehen, die Bilddaten erfassen und diese der Prozessoreinheit zur Bestimmung der Lage zuführen. Anhand der erfassten Bilddaten kann die Lage des minimalinvasiven Instrumentes im Rahmen eines Integrationsprozesses mit den anderen Sensordaten verbessert werden und die Lage des minimalinvasiven Instrumentes mit höherer Genauigkeit und/oder mit zusätzlichem Informationsgehalt versehen werden. Beispielsweise kann anhand des Bildflusses der erfassten Videobilddaten eine Information über die Bewegung und damit die Lageveränderung des minimalinvasiven Instrumentes, das beispielsweise ein Videoendoskop darstellt, gewonnen werden und damit eine Lagebestimmung durch integrierende Berücksichtigung dieser Bewegungsinformation verbessert werden. Alternativ oder ergänzend hat es sich bewährt, die erfassten Bilddaten einer Bilderkennung zu unterziehen, die erfasste charakteristische Strukturen in den Bilddaten erkennt. Diese erkannten charakteristischen Bereichen zugeordneten Lageinformationen z.B. aus einem 3D-Datenmodell es zu untersuchenden Körpers können dann bei der Lagebestimmung des minimalinvasiven Instrumentes berücksichtig werden. Beispielsweise hat es sich bewährt, bei einer Lagebestimmung eines technischen Endoskops, auch Boroskop genannt, in einem Rohr die Stoßstellen der zu einem Gesamtrohr verbundenen Rohrsegmente zu erkennen und in Kenntnis der Länge der einzelnen Rohrsegmente eine Längenkorrektur der Einführtiefe in den Trokar bzw. die Einbringtiefe den als Rohrsystem ausgebildeten technischen Körper zu berücksichtigen und daraus die Lagebestimmung, insbesondere des distalen Endes des minimalinvasiven Instrumentes zu verbessern.
Um eine verlässliche Lagestimmung des minimalinvasiven Instrumentes auch bei einer reduzierten Anzahl an Sensoren, insbesondere Accelerometer, Gyrometer und/oder Magnetometer zu gewährleisten, hat es sich besonders bewährt, die Prozessoreinheit so auszubilden, dass die Lage des minimalinvasiven Instrumentes durch eine Integration der Sensorinformationen der wenigen Sensoren und/oder durch eine Integration der mithilfe der Sensoren ermittelten Lageänderungen ermittelt wird. Durch diese Integration gelingt es auf einfache Weise, die durch die Accelerometer bzw. Magnetometer oder Gyrometer detektierten Veränderungen der verschiedenen Orientierungen und die ermittelten Orientierungsveränderungen zu einer Lagebestimmung aufzuintegrieren und erfindungsgemäß mithilfe der erfassten Einführtiefe eine ausreichende Genauigkeit bei der räumlichen Lageermittlung zu erreichen. Damit wird es erfindungsgemäß möglich, auch bei einer geringen Anzahl an Sensoren diese Sensorinformation zu einer Lageinformation mit ausreichender Genauigkeit aufzuintegrieren, wobei mit zunehmender Anzahl an Sensoren, insbesondere unterschiedlicher Sensoren der Bedarf an Integration der Orientierungsänderungen bzw. Lageänderungen reduziert wird und dadurch eine Aufintegration von Einzelfehlern bei der Bestimmung der Orientierungsänderung vermieden werden kann. Dies führt zu einer weiter verbesserten, genaueren Lageinformation des invasiven Instrumentes.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Einheit zur Erfassung des Abstandes des distalen Endes des minimalinvasiven Instrumentes zu dem Körper in der erfindungsgemäßen Anordnung vorzusehen und die Prozessoreinheit so auszubilden, dass unter Verwendung der Sensordaten der Sensoreinheit zur Erfassung des Abstandes die Lage des minimalinvasiven Instrumentes, insbesondere dessen distalen Endes ermittelt wird. Gerade durch die Information des Abstandes des distalen Endes zu dem Körper in Verbindung mit einem 3D-Modell des Körpers lässt sich die durch die erfindungsgemäße Anordnung ermittelte Lageinformation unter Mitwirkung der anderen Sensoren verifizieren und dadurch die Lagebestimmung des minimalinvasiven Instrumentes noch verlässlicher gestalten. Dabei werden die Lageinformationen aus dem 3D-Modell des zu untersuchenden Körpers mit den reellen Lageinformationen und Abstandsinformationen verknüpft und dadurch eine integrierte bessere Lageinformation gewonnen. Alternativ oder ergänzend lässt sich auch mithilfe der gewonnenen Informationen ein Rückschluss auf die Qualität und Plausibilität des 3D-Modells gewinnen und dieses gegebenenfalls anpassen. Dadurch gelingt es, das 3D-Modell des Körpers, das beispielsweise für eine navigierte Operation verwendet werden soll, stets aktuell und verlässlich zu halten.
Bevorzugt ist die Sensoreinheit zur Erfassung des Abstandes im distalen Endbereich des minimalinvasiven Instrumentes angeordnet, so dass die Informationen zum Abstand des distalen Endes zum Körper ohne aufwendige Übertragung und Störung erfolgen kann. Das erfasste Sensorsignal oder die daraus abgeleitete Information zum Abstand wird dann der Prozessoreinheit zugeführt, die die Information der Sensoreinheit zur Erfassung des Abstandes in der beschriebenen Weise auswertet.
Als bevorzugte Sensoreinheit zur Erfassung des Abstandes haben sich Systeme mit einer Laserdistanzmessung oder auch über strukturierte Beleuchtung beziehungsweise nach einem optischen Time-Of-Flight-Verfahren besonders bewährt. Diese haben ihre Einsatztauglichkeit in endoskopischen Systemen gezeigt und sind geeignet, in die erfindungsgemäße Anordnung integriert zu werden und ermöglichen dadurch eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Anordnung.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes ist nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung mit einer Steuerung für eine robotergesteuerte Bewegung des minimalinvasiven Instrumentes so verbunden, dass die Steuerung der Bewegung des minimalinvasiven Instrumentes unter Verwendung der Sensorsignale der Anordnung, insbesondere auf Basis der bestimmten Lageinformation des minimalinvasiven Instrumentes erfolgt. Durch die erfindungsgemäß einfache, verlässliche und kostengünstige Realisierung der Lagebestimmung gelingt es, auf verlässliche und kostengünstige Weise eine automatisierte bzw. teilautomatisierte Bewegung des minimalinvasiven Instrumentes als robotergesteuerte Bewegung zu realisieren und dadurch insbesondere eine automatisierte oder teilautomatisierte Operationstätigkeit mittels einer solchen erfindungsgemäßen, medizinischen Anordnung zu ermöglichen. Dadurch kann die Belastung der Operateure, insbesondere bei langen Operationen, reduziert werden und das Fehlerrisiko beschränkt werden, ohne dass besonders aufwendige und kostenintensive Anordnungen zur Lagestimmung und zur Steuerung von robotergesteuerten Bewegungen eines minimalinvasiven Instrumentes notwendig sind.
Darüber hinaus hat es sich bewährt, die Prozessoreinheit so auszubilden, dass sie einen Ruhezustand des minimalinvasiven Instrumentes erfasst, also in der Lage ist, eine Nicht-Bewegung bzw. eine Bewegung unterhalb einer vorgegebenen Bewegungsschwelle zu erfassen. Liegt ein solcher Ruhezustand des minimalinvasiven Instrumentes vor, so wird die Anordnung bevorzugt so gesteuert, dass einzelne elektronische bzw. optoelektronische Komponenten deaktiviert werden und beim Vorliegen eines Nicht-Ruhezustandes wieder aktiviert werden, um die erfindungsgemäße Funktionalität der Lagebestimmung sicherzustellen. Diese Ausbildung der Erfindung erweist sich als sehr energieeffizient.
Weiterhin wird während eines detektierten Ruhezustandes die Anordnung bevorzugt so gesteuert, dass ergänzend oder alternativ die Drift der Accelerometer bzw. Gyrometer und/oder der Magnetometer erfasst wird und mithilfe einer Kalibrierung, insbesondere während des Ruhezustandes diese Drift korrigiert wird. Dadurch gelingt es, die Genauigkeit der Sensorsignale und der daraus abgeleiteten Lagebestimmung deutlich zu verbessern. Eine Drift der genannten Sensoren ist sehr häufig gegeben und bewirkt gerade bei einer integrierenden Auswertung eines Sensorsignals eine Aufsummierung der durch die Drift verursachten Fehler, was sich negativ auf die Qualität der Lagebestimmung auswirkt. Insofern wird deutlich, dass die Korrektur der Drift gerade während eines detektierten Ruhezustandes sehr wirkungsvoll ist, wobei dies erfindungsgemäß ohne Behinderung der Lagebestimmung erfolgen kann, zumal die durch das Deaktivieren einzelner Komponenten der Anordnung während des Ruhezustandes geschaffene zusätzliche freie Leistungsfähigkeit der Prozessoreinheit im besondere Maße eine Erfassung und Korrektur der Drift gewährleistet. Dies führt insgesamt zu einer sehr sicheren und verlässlichen Lagebestimmung eins minimalinvasiven Instrumentes.
Eine besonders bevorzugte erfinderische Anordnung zur Lagebestimmung zeigt eine Prozessoreinheit, die so ausgebildet ist, dass mittels der erfassten Daten der Sensoren und/oder der ermittelten Informationen, insbesondere der Lageinformationen bzw. der ermittelten Abstandsinformationen ein 3D-Modell des Körpers erstellt, ergänzt oder insbesondere zur Verifizierung verglichen wird. Durch diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung lässt sich ein 3D-Modell des Körpers erstellen oder in seiner Qualität optimieren, so dass das Modell für eine spätere Nutzung besser geeignet ist. Insbesondere wird dadurch im Fall eines 3D-Modells eines Körpers oder Körperteils die Möglichkeit geschaffen, verlässlicher und sicherer eine Operation, insbesondere auf Basis einer medizinischen Navigationsführung mithilfe eines minimalinvasiven Instrumentes durchzuführen. Darüber hinaus hat es sich besonders bewährt, zusätzlich oder alternativ die Prozessoreinheit so ausbilden, dass ein existierendes 3D-Modell des Körpers dahin gehend überprüft wird, ob durch das minimalinvasive Instrument, dessen Lagebestimmung mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt, das 3D-Modell des Körpers vollständig erfasst und dadurch vollständig bearbeitet wurde. Dabei werden bevorzugt die mithilfe des minimalinvasiven Instrumentes erfassten Bereiche mittels eines zusätzlichen Datums im 3D-Modell des zu untersuchenden Körpers als „erfasst“ gekennzeichnet, so dass nicht erfasste und dadurch nicht bearbeitete Bereiche des 3D-Modells, insbesondere eines Hohlorgans, wie z.B. einer Harnblase, als nicht erfasst markiert und dargestellt werden können, damit diese Bereiche einer Bearbeitung unterzogen werden und nicht vergessen werden. Mithilfe dieser Unterscheidung und Darstellbarkeit der erfassten bzw. nicht erfassten Bereiche des 3D-Modells lässt sich die Qualität der Bearbeitung des Körpers mittels des minimalinvasiven Instrumentes, insbesondere bei einer chirurgischen Operation, deutlich erhöhen und dadurch Fehler durch die erfindungsgemäße Anordnung effektiver verhindern.
Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Prozessoreinheit so auszubilden, dass sie eine Dokumentation der erfassten Daten und/oder der ermittelten Informationen insbesondere die Lageinformationen sicherstellen kann, indem diese gestartet, gestoppt und inhaltlich gesteuert wird. Die Dokumentation erfolgt dabei bevorzugt mittels einer Aufzeichnungseinheit, die über Funk oder Kabel mit der Anordnung verbunden ist und von dieser getrennt ausgebildet ist. Die Dokumentation erfolgt insbesondere auf in der Informationstechnologie gängigen Speichermedien. Durch diesen Dokumentationsvorgang lassen sich die Handhabung und die Qualität der Nutzung des minimalinvasiven Instrumentes einschließlich der Qualität der Lagebestimmung dokumentieren und zu einem späteren Zeitpunkt Wege zur Optimierung der Auswertung, insbesondere der Lagebestimmung oder der Optimierung von 3D-Modellen und Ähnliches verbessern. Dadurch wird die Qualität der Lagebestimmung der erfindungsgemäßen Anordnung weiter optimiert.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenigstens einen Accelerometer, Gyrometer und/oder Magnetometer, insbesondere alle als MEMS auszubilden. Die Ausbildung der Sensoren als MEMS, das sind mikromechanische Systeme, die auch als mikrooptoelektromechanische Systeme ausgebildet sein können, führt dazu, dass diese Sensoren sehr kompakt, störungsunanfällig und kostengünstig zu realisieren sind. Die MEMS basieren auf der Halbleiterelektronik, deren Substrat bzw. Grundmaterial in der Regel Silizium oder Galliumarsenid ist. Die Struktur der MEMS wird dabei mittels halbleitertechnologischer Prozesse realisiert, was zu sehr kompakten, leistungsfähigen und kostengünstigen Systemen führt. Neben den klassischen Halbleitermaterialien als Substrate haben sich teilweise auch Kunststoffmaterialien als geeignete, insbesondere ergänzende Materialien für MEMS erwiesen. Die als MEMS realisierten Sensoren zeigen erfindungsgemäß zusätzlich eine besondere Energieeffizienz, was ihren Einsatz in einem minimalinvasiven Instrument besonders vorteilhaft prägt. Durch die Verwendung der MEMS lässt sich die erfindungsgemäße Anordnung besonders kostengünstig und sicher und effizient realisieren.
Eine besonders bevorzugte Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes, das als starres Instrument, insbesondere als starres Endoskop ausgebildet ist, ermöglicht es, auf sehr einfache Weise aus der mittels der Sensoranordnung im Trokar erfassten Einführtiefe und aus den drei Rotationsfreiheitsgraden, die mithilfe von Accelerometern, Gyrometern oder Magnetometern im starren Instrument erfasst wurden, die relative Raumposition und damit Lageposition bezüglich des Trokars zu bestimmen und damit die Lage des minimalinvasiven starren Instrumentes verlässlich zu bestimmen. Dies ist erst durch die Erkenntnis und Nutzung der unveränderlichen und bekannten Form des starren Instrumentes möglich, was erfindungsgemäß genutzt wird. Gerade bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung erweist sich die erfindungsgemäße Lagebestimmung als sehr einfach und verlässlich. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Accelerometer, Gyrometer bzw. die Magnetometer bevorzugt insbesondere alle im proximalen Endbereich des starren Instruments anzuordnen und dadurch die Auflösung der Sensorik hinsichtlich der Rotationsfreiheitsgrade zu verbessern, da in dem Trokar die Bewegungsfreiheit des starren Instrumentes im Gegensatz zum distalen oder proximalen Endbereich des Instrumentes eingeschränkt ist und dadurch Messfehler stärker zum Tragen kommen.
Daneben hat es sich besonders bewährt, die Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes dahin gehend weiterzubilden, dass das minimalinvasive Instrument ein flexibles Instrument, insbesondere ein flexibles Endoskop darstellt, das bevorzugt den oder die Accelerometer, Gyrometer und/oder Magnetometer und/oder Bilderfassungseinheiten im distalen Endbereich des flexiblen Instrumentes aufweist und dass dadurch eine Bewegungserfassung und Lageveränderung des distalen Endes des minimalinvasiven Instrumentes erfasst werden können und bei der Lagebestimmung berücksichtigt werden können. Erfindungsgemäß wird damit nicht nur die Lageveränderung aufgrund der transversalen und rotatorischen Bewegung des flexiblen Instrumentes im Trokar, sondern erfindungsgemäß auch zusätzlich die Veränderung der Form des flexiblen Instrumentes und hier insbesondere die Auswirkung auf das distale Ende bei der Bestimmung der Lage berücksichtigt. Gerade wenn die Veränderung kontinuierlich erfasst wird und aufsummiert wird, lässt sich die Orientierung bzw. die Lage in Verbindung mit der erfassten Einführtiefe sicher und verlässlich bestimmen und damit eine wichtige Information für die Handhabung des minimalinvasiven flexiblen Instrumentes gewinnen. Dies fördert die sichere und verlässliche Handhabung des Instrumentes der erfindungsgemäßen Anordnung.
In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Bildausgabe vorgesehen, die mit der Anordnung verbunden ist und mittels derer die gegebenenfalls durch die Bilderfassung des minimalinvasiven Instrumentes erfassten Bilddaten wiedergegeben werden können. Erfindungsgemäß können zusätzlich oder auch alternativ Informationen zur Lage des Instruments, insbesondere die Rotationslage und/oder die Ausrichtung und/oder die Blickrichtung des minimalinvasiven Instrumentes ausgegeben werden. Durch diese Ausgabe der zusätzlichen oder alternativen Informationen, die mittels der Anordnung erfasst bzw. ausgewertet wurden, lässt sich die Handhabung des minimalinvasiven Instrumentes wesentlich verbessern, da dem Benutzer konkrete und wichtige Informationen, die für die Interpretation und Handhabung des minimalinvasiven Instrumentes wichtig sind, wie Rotationslage, die Ausrichtung des Instrumentes, was gerade bei gekrümmten Instrumenten wichtig ist, und/oder die Blickrichtung, was bei nicht geraden Blickrichtungen, z.B. 45°-Optiken eines Endoskops sehr wichtig ist, geliefert werden und dem Benutzer dadurch die Interpretation der erfassten und widergegebenen Bilddaten wesentlich erleichtert. Gerade bei wenig routinierten Benutzern sind diese zusätzlichen Informationen, die beispielsweise durch unterschiedlich farbige und unterschiedlich orientierte Pfeile differenziert dargestellt werden können, sehr hilfreich und verhindern schädliche Fehlinterpretationen zur Lage beziehungsweise zur Orientierung oder Blickrichtung des Instrumentes. Dies sorgt für eine wesentlich verbesserte und sicherere Handhabung der minimalinvasiven Instrumente der erfindungsgemäßen Anordnung.
Neben der erfindungsgemäßen Anordnung zur Lagebestimmung zeigt die Erfindung zusätzlich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes für das Einbringen in einen Körper, insbesondere in einen menschlichen Körper, bei dem die Einführtiefe des minimalinvasiven Instrumentes in einen Trokar bestimmt wird und mittels einer Prozessoreinheit die Lage des minimalinvasiven Instrumentes anhand der bestimmten Einführtiefe des minimalinvasiven Instrumentes in einen Trokar sowie anhand von Signalen wenigstens eines Accelerometers und/oder wenigstens eines Gyrometers und/oder wenigstens eines Magnetometer am oder im minimalinvasiven Instrument ermittelt wird und bei Bedarf mittels einer fakultativ angeschlossenen Ausgabeeinheit, insbesondere einer Bildausgabe, optisch ausgegeben wird. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine sehr einfache, sichere und verlässliche und wenig kostspielige Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes geschaffen. Aufwendige und kostenintensive medizinische Navigationsverfahren mittels optischem oder elektromagnetischem Tracking sind somit nicht mehr notwendig.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen in den Figuren beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine beispielhafte, erfindungsgemäße Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes mit einem starren Endoskop,
2 eine andere beispielhafte, erfindungsgemäße Anordnung zur Lagebestimmung eines starren Endoskops
und
3 eine beispielhafte, erfinderische Anordnung zur Lagebestimmung eines flexiblen Endoskops.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die in 1 beispielhaft dargestellte Anordnung 1 zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes 2, das als starres Endoskop 20 ausgebildet ist, zeigt im proximalen Endbereich 21 drei unterschiedliche Sensoren, einen 3D-Accelerometer 5, einen 3D-Gyrometer sowie einen Bildsensor 12, der das über den Schaft des starren Endoskops 20 zugeführte optische Bild in elektrische bzw. elektromagnetische Signale wandelt. Darüber hinaus zeigt das starre Endoskop 20 im proximalen Endbereich eine Prozessoreinheit 8, die mit dem Bildsensor 12, dem 3D-Accelerometer 5 und dem 3D-Gyrometer 6 so verbunden ist, dass die Sensordaten der Prozessoreinheit 8 zugeführt werden und durch diese verarbeitet werden.
Der Schaft des starren Endoskops 20 ist durch einen Trokar 3 geführt, der in den Öffnungsbereich des zu untersuchenden Körpers in einer Inzision der Oberfläche des Körpers eingebracht ist. Der Trokar 3 zeigt eine Sensoranordnung 4 zur Bestimmung der Einführtiefe t₀ sowie eine Sensoreinheit 9 zur Erfassung der Rotationslage α₀ des starren Endoskops 20 in den Trokar 3. Die Sensoreinheiten 4, 9 sind zu einer gemeinsamen Sensoreinheit integriert ausgebildet und basieren auf einem optischen Messprinzip, das in der Art einer optischen Maus die Oberfläche des Schaftes des starren Endoskops 20 abtastet und die Veränderung der Rotationslage bzw. die Veränderung der Einführtiefe optisch anhand von detektierten Oberflächenveränderungen bestimmt. Die Sensorsignale bzw. die Informationen zur Einführtiefe t₀ bzw. Rotationslage α₀ des starren Endoskops 20 im Trokar 3 werden mittels Funk und damit drahtlos an die Prozessoreinheit 8 weitergeleitet, die diese Information aufnimmt und zusammen mit den Informationen der Sensoren 5, 6, 12 gemeinsam auswertet und daraus eine Information zur räumlichen Lage des starren Endoskops 20 ableitet. Diese Information zur bestimmten Lage des starren Endoskops 20 wird von der Prozessoreinheit 8 an eine nicht dargestellte Bildausgabeeinheit weitergeleitet, die die mittels des Bildsensors 12 erfassten Bilddaten und die ausgewerteten Informationen der Anordnung 1 optisch dem Benutzer zur Verfügung stellt.
Der 3D-Accelerometer 5 sensiert dabei Beschleunigungen in die Raumrichtungen x, y und z, der 3D-Gyrometer sensiert Drehgeschwindigkeiten um die x,- y- und z-Raumachse und diese liefern Beschleunigungswerte x_a, y_a und z_a bzw. Drehgeschwindigkeitswerte x_G, y_G und z_G. Der Bildsensor 12 liefert in Verbindung mit der Prozessoreinheit 8, die hier als Einprozessorlösung ausgebildet ist aber auch als Mehrprozessorlösung realisiert sein kann, Daten zur horizontalen und vertikalen Bewegung u_B und v_B, die anhand des erfassten optischen Flusses der Bilddaten gewonnen worden sind. Durch die erfindungsgemäße integrative Auswertung der Beschleunigungen, der Drehgeschwindigkeiten sowie der Informationen aus dem optischen Fluss gemeinsam mit der Einführtiefe t₀ und dem Drehwinkel α₀ gelingt es, die räumliche Lage des Endoskops auf verlässliche und einfache Weise zu bestimmen.
Dabei wird erfindungsgemäß die Einführtiefe t₀ des starren Endoskops 20 in dem Trokar 3 erfasst und mit der Einbringtiefe in dem Körper gleichgesetzt, da hier die Anordnung der optischen Sensoreinheiten 4, 9 im Trokar 3 so angeordnet ist, dass ihr Erfassungsbereich im Oberflächenbereich 10 des Körpers und damit im Bereich der Grenze zwischen dem Körperinneren und dem Körperäußeren zum Liegen kommt. In diesem Fall können die genannten Informationen der verschiedenen Sensoren 4, 5, 6, 9, 12 gemeinsam mithilfe eines 3D-Modells des zu untersuchenden Körpers dahin gehend ausgewertet werden, dass die verschiedenen Informationen gemeinsam, integrierend und wechselseitig korrigierend und verbessernd ausgewertet werden, um die räumliche Lage des starren Endoskops 20 zu bestimmen. Mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung 1 ist es auch möglich, das 3D-Modell des Körpers anhand der erfassten Daten und ermittelten Informationen, insbesondere Lageinformationen, zu verifizieren und gegebenenfalls zu korrigieren bzw. anzupassen.
Erfindungsgemäß sind der 3D-Accelerometer 5 und der 3D-Gyrometer 6 als MEMS realisiert, wodurch eine Integration in den proximalen Endbereich 21 sehr verlässlich ermöglicht ist und dadurch das Instrument mit den Sensoren 5, 6, 7 einer üblichen Sterilisierung zugänglich gemacht ist. Entsprechendes gilt für den Bildsensor 12, der ebenso in dem proximalen Endbereich 21 zusammen mit der Prozessoreinheit 8 integriert ist. Durch die Verwendung der MEMS-Sensoren 5, 6 und der anderen optischen Sensoren 4, 9, 12 wird eine sehr verlässliche, kostengünstige und einfache wie sichere Lagebestimmung des starren Endoskops 20 ermöglicht. Eine Verwendung von aufwendigen optischen oder elektromagnetischen Tracking-Verfahren ist für die Lagestimmung durch die erfindungsgemäße Anordnung 1 nicht notwendig.
Die Prozessoreinheit 8 ist dabei so ausgebildet, dass sie anhand der Sensorsignale eines oder mehrerer Sensoren 5, 6, 12, 4, 9 einen Ruhezustand des starren Endoskops, also das Nicht-Vorhandensein einer relevanten Bewegung im Körper, erfasst und detektiert und abhängig davon die Bilderfassung und Weiterleitung der Informationen an eine abgesetzte Bildausgabe deaktiviert bzw. nach Wegfall des Ruhezustandes, also bei Vorliegen einer Bewegung des minimalinvasiven starren Endoskops 20, diese wieder aktiviert. Dadurch lassen sich erhebliche Energien und Ressourcen der erfindungsgemäßen Anordnung 1 sparen. Insbesondere können Ressourcen der Prozessoreinheit 8 dafür genutzt werden, die Drift des 3D-Accelerometers 5 und des 3D-Gyrometers 6 zu bestimmen und diese neu zu kalibrieren bzw. die Sensorsignale entsprechend zu korrigieren. Dadurch wird die Qualität der Lagebestimmung der strukturell einfachen und kostengünstigen, erfindungsgemäßen Anordnung 1 so verbessert, dass nach einer solchen Ruhephase ein sehr verlässliches Lageergebnis des minimalinvasiven starren Endoskops 20 vorliegt.
Darüber hinaus ist die Prozessoreinheit 8 dazu geeignet, eine Dokumentation und damit eine Sicherung der erfassten Daten bzw. der ermittelten Informationen, insbesondere der Lageinformationen sicherzustellen und die angeschlossene Dokumentationseinheit entsprechend anzusteuern. Dadurch wird es möglich, den Verlauf der Lagebestimmungen und die Bewegungen des minimalinvasiven Instrumentes nachträglich auszuwerten und gegebenenfalls die Prozesse zur Auswertung der Sensorsignale mittels der Prozessoreinheit 8 anzupassen, um die Lagebestimmung noch exakter zu gestalten.
In 2 ist eine andere beispielhafte Anordnung 1 zur Lagebestimmung eines starren Endoskops 20 dargestellt. Um Wiederholungen zur 1 zu verhindern, werden im Folgenden nur die wesentlichen Unterschiede zu der erfindungsgemäßen Anordnung 1 aus 1 näher beschrieben.
Im proximalen Endbereich 21 des starren Endoskops 20 der erfindungsgemäßen Anordnung 1 sind drei MEMS-Sensoren angeordnet, ein 3D-Accelerometer 5, ein 3D-Gyrometer 6 und ein 3D-Magnetometer 7. Das 3D-Magnetometer 7 liefert die Magnetfeldstärke in den drei Raumrichtungen x, y und z und liefert die Magnetfeldstärkewerte x_M, y und z_M. Die Sensorsignale der drei MEMS-Sensoren 5, 6, 7 werden der Prozessoreinheit 8 gemeinsam mit den Informationen der Sensoreinheiten 4, 9 betreffend die Einführtiefe t₀ und dem Drehwinkel α₀ als Rotationslageninformation des starren Endoskops 20 in den Trokar 3 zugeführt, die aus diesen Informationen die Lage des starren Endoskops 20 bestimmt.
Dabei ist hier die Bestimmung aufgrund der geraden, linearen Ausbildung des starren Endoskops 20 besonders einfach, da aus den mithilfe der Sensorsignale der MEMS-Sensoren 5, 6, 7 ermittelten drei Raumrichtungen und den Informationen der Sensoreinheiten 4, 9 eine sehr einfache und verlässliche Bestimmung der räumlichen Lage des Endoskops oder eines Teils des starren Endoskops 20 ermöglicht ist.
Diese erfindungsgemäße Anordnung 1 zeigt einen Bildsensor 12 im distalen Endbereich 23 des starren Endoskops 20. Dieser Bildsensor 12 ist geeignet, den optischen Bildfluss zu erfassen und daraus im Zusammenspiel mit der Prozessoreinheit 8 die vertikale und die horizontale Bewegung v_B bzw. u_B zu bestimmen und diese Informationen zur Korrektur der Lagebestimmung mithilfe der Prozessoreinheit zu verwenden.
Der Bildsensor 12 zeigt zusätzlich eine integrierte Sensoreinheit 13 zur Erfassung des Abstandes des distalen Endbereichs 23 vom Körper. Diese Abstandsinformationen werden gemeinsam mit der Lageinformation dazu verwendet, das existierende 3D-Modell des Körpers zu verifizieren, indem die 3D-Daten mit den Messdaten verglichen werden und das 3D-Modell bei Vorliegen von relevanten Abweichungen angepasst wird. Mithilfe dieses korrigierten, aktualisierten 3D-Modells wird die Handhabung der erfindungsgemäßen Anordnung mit dem minimalinvasiven Instrument, das hier als starres Endoskop 20 ausgebildet ist, noch verlässlicher und sicherer möglich.
Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung 1 mit einem flexiblen Endoskop 22 als minimalinvasives Instrument 2 ist in 3 dargestellt. Im distalen Endbereich 23 des flexiblen Endoskops 22 sind ein Bildsensor 12, ein 3D-Accelerometer 5 und ein 3D-Gyrometer 6 angeordnet. Diese liefern ihre Informationen als Sensorsignale an die Prozessoreinheit 8 im proximalen Endbereich 21 des flexiblen Endoskops 22. Dort werden diese Informationen dieser Sensoren 5, 6, 12 gemeinsam mit den Informationen bzw. Sensorsignalen der optischen Sensoreinheiten 4, 9 zur Erfassung der Einführtiefe t₀ und der Rotationslage α₀ gemeinsam ausgewertet und daraus eine Lageinformation des flexiblen Endoskops 22 bestimmt. Dabei werden die Sensorinformationen der Sensoren 5, 6, 12 kontinuierlich erfasst und ausgewertet, so dass die Veränderung der Form des flexiblen Endoskops 22, insbesondere seine laterale Auslenkung des distalen Endbereichs 23 integrierend erfasst und daraus eine Information zur veränderten Gestalt und damit zur räumlichen Lage des distalen Endbereichs 23 des flexiblen Endoskops 22 gewonnen wird. Damit wird nicht nur die räumliche Lage des Instrumentes 2, 22 als Ganzes sondern auch die Lage der Bestandteile insbesondere die Lage des distalen Endbereiches 23 des flexiblen Instrumentes 22 erfasst und dem Benutzer zur Verfügung gestellt. In diesem Zusammenhang wird auch die Blickrichtung des distalen Endbereichs 23 des flexiblen Endoskops 22 erfasst sowie mithilfe der optischen Sensoranordnung 9 zur Erfassung der Rotationslage α₀ die Ausrichtung und damit die endgültige Blickrichtung des distalen Endbereichs 23 des flexiblen Endoskops 22 mithilfe der Prozessoreinheit 8 bestimmt und gemeinsam mit den Bildinformationen des Bildsensors 12 mittels einer abgesetzten, nicht dargestellten Bildausgabe dem Benutzer zur Verfügung gestellt. Die zusätzliche Information zur Blickrichtung bzw. zur Rotationslage wird dabei mittels farblich differenzierter Pfeile räumlich in der Bilddarstellung neben den Bilddaten dargestellt. Die Lageinformation wird bevorzugt in einem 3D-Modell in der Art einer Kartendarstellung optisch wiedergegeben.
Insgesamt erweist sich die erfindungsgemäße Anordnung 1 in den verschiedenen dargestellten Ausbildungen als sehr verlässlich und kostengünstig in ihrer Realisierung. Sie ermöglicht eine sehr verlässliche und ausreichend genaue Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes. Zudem erweist sich die erfindungsgemäße Anordnung 1 sowohl in ihrer Struktur und im Aufbau als einfach und insbesondere aufgrund der Verwendung von einfachen und kostengünstigen Sensoren, wie die MEMS-Sensoren 5, 6, 7 sowie die optischen Sensoren 4, 9, die in der Art einer optischen Maus realisiert sind, als sehr kostengünstig.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes
2: Minimalinvasives Instrument
3: Trokar
4: Sensoranordnung zur Bestimmung der Einführtiefe
5: Accelerometer
6: Gyrometer
7: Magnetometer
8: Prozessoreinheit
9: Sensoreinheit zur Erfassung der Rotationslage
10: Oberflächenbereich des Körpers
11: Sensoreinheit zur Erfassung des Abstandes
12: Bildsensor
20: Starres Endoskop
21: Proximaler Endbereich des minimalinvasiven Instrumentes
22: Flexibles Endoskop
23: Distaler Endbereich des minimalinvasiven Instrumentes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004008164 B3 [0003]
DE 102009060522 A1 [0004]
US 8419717 B2 [0006]
EP 1502544 B1 [0007]
EP 1657678 A1 [0008]

Claims

Anordnung (1) zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes (2) für das Einbringen in einen Körper, insbesondere in einen menschlichen Körper, mit einem Trokar (3), durch den das minimalinvasive Instrument (2) in einen Körper eingebracht wird, der eine Sensoranordnung (4) zur Bestimmung der Einführtiefe des minimalinvasiven Instrumentes (2) in den Trokar (3) aufweist, mit wenigstens einem mit dem minimalinvasiven Instrument (2) verbundenen Accelerometer (5) und/oder mit wenigstens einem mit dem minimalinvasiven Instrument (2) verbundenen Gyrometer (6) und/oder mit wenigstens einem mit dem minimalinvasiven Instrument (2) verbundenen Magnetometer (7) und mit einer Prozessoreinheit (8), die die Lage des minimalinvasiven Instrumentes (2) anhand von Signalen der Sensoren (5, 6, 7) des minimalinvasiven Instrumentes sowie der Einführtiefe ermittelt.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (8) ausgebildet ist, zusätzlich anhand von Sensordaten einer Sensoreinheit (9) zur Erfassung der Rotationslage des minimalinvasiven Instrumentes (2) im Trokar (3) die Lage des minimalinvasiven Instrumentes (2) zu ermitteln.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) zur Bestimmung der Einführtiefe des minimalinvasiven Instrumentes (2) in den Trokar (3) und/oder die Sensoreinheit (9) zur Erfassung der Rotationslage des minimalinvasiven Instrumentes (2) im Trokar (3) als optische Sensoreinheiten insbesondere als eine einzige optische Sensoreinheit (4, 9) ausgebildet ist.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) zur Bestimmung der Einführtiefe des minimalinvasiven Instrumentes (2) in den Trokar (3) und/oder die Sensoreinheit (9) zur Erfassung der Rotationslage des minimalinvasiven Instrumentes (2) im Trokar (3) so angeordnet sind, dass ihr Erfassungsbereich den Oberflächenbereich (10) des Körpers umfasst.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (8) ausgebildet ist, zusätzlich anhand von durch die Anordnung (1) erfassten Bilddaten die Lage des minimalinvasiven Instrumentes (2) zu ermitteln.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (8) ausgebildet ist, die Lage des minimalinvasiven Instrumentes (2) durch eine Integration der Sensorinformationen des wenigstens einen Accelerometers (5) und/oder des wenigstens einen Gyrometers (6) und/oder des wenigstens einen Magnetometers (7) insbesondere aller und/oder der Lageänderungen zu ermitteln.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (8) ausgebildet ist, zusätzlich anhand von Sensordaten einer Sensoreinheit (11) zur Erfassung des Abstandes des distalen Endes (23) des minimalinvasiven Instrumentes (2, 20) zu dem Körper die Lage des minimalinvasiven Instrumentes zu ermitteln.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Steuerung zur robotergesteuerten Bewegung des minimalinvasiven Instrumentes verbunden ist und diese Steuerung der Bewegung unter Verwendung der Sensorsignale der Anordnung erfolgt.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (8) ausgebildet ist, einen Ruhezustand des minimalinvasiven Instrumentes (2) zu erfassen und abhängig davon die Anordnung (1) zu steuern, insbesondere die Aufnahme von Bilddaten und/oder die Bildübertragung zu aktivieren oder zu deaktivieren und/oder die Drift eines Accelerometers (5) und/oder eines Gyrometers (6) und/oder eines Magnetometers (7) während des Ruhezustandes zu erfassen und insbesondere zu korrigieren.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (8) ausgebildet ist, ein 3D-Modell eines Körpers mittels der erfassten Daten und/oder der ermittelten Informationen insbesondere der Lageinformationen zu ergänzen, zu vergleichen und/ oder zu erstellen und insbesondere ein 3D-Modell auf vollständige Erfassung mittels des minimalinvasiven Instrumentes (2) zu überprüfen.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessoreinheit (8) ausgebildet ist, eine Dokumentation der erfassten Daten und/oder der ermittelten Informationen insbesondere der Lageinformationen zu steuern.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Accelerometer (5) und/oder wenigstens ein Gyrometer (6) und/oder wenigstens ein Magnetometer (7) insbesondere alle als MEMS ausgebildet ist oder sind.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das minimalinvasive Instrument (2) ein starres Instrument insbesondere ein starres Endoskop (20) darstellt, das insbesondere wenigstens ein Accelerometer (5) und/oder wenigstens ein Gyrometer (6) und/oder wenigstens ein Magnetometer (7) insbesondere alle im proximalen Endbereich (21) des Instrumentes (2) aufweist.
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das minimalinvasive Instrument (2) ein flexibles Instrument insbesondere ein flexibles Endoskop (22) darstellt, das insbesondere wenigstens ein Accelerometer (5) und/oder wenigstens ein Gyrometer (6) und/oder wenigstens ein Magnetometer (7) und/oder eine Bilderfassung (12) insbesondere alle im distalen Endbereich (23) des Instrumentes (2, 22) aufweist
Anordnung zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) mit einer Bildausgabe verbunden ist, die erfasste Bilddaten und Informationen zur Lage des Instrumentes (2) insbesondere die Rotationslage und/oder die Ausrichtung und/oder die Blickrichtung des minimalinvasiven Instrumentes (2) ausgibt.
Verfahren zur Lagebestimmung eines minimalinvasiven Instrumentes (2) für das Einbringen in einen Körper insbesondere in einen menschlichen Körper, insbesondere mittels einer Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführtiefe des minimalinvasiven Instrumentes (2) in einen Trokar (3) bestimmt wird und dass eine Prozessoreinheit (8) die Lage des minimalinvasiven Instrumentes (2) anhand der Einführtiefe des minimalinvasiven Instrumentes (2) in einen Trokar (3) sowie von Signalen wenigstens eines Accelerometers (5) und/oder wenigstens eines Gyrometers (6) und/oder wenigstens eines Magnetometer (7) des minimalinvasiven Instrumentes (2) ermittelt.