DE102014204702A1

DE102014204702A1 - Navigationshilfe für das Einbringen eines länglichen medizinischen Penetrationselements in einen Patienten

Info

Publication number: DE102014204702A1
Application number: DE102014204702.1A
Authority: DE
Inventors: Karl Barth; Rainer Graumann; Gerhard Kleinszig; Wei Wei
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-09-17
Also published as: US10278726B2; US20150257849A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Navigationshilfe für das Einbringen eines länglichen medizinischen Penetrationselements (1) in einen Patienten (2). Hierbei wird zumindest ein Röntgenbild (3), enthaltend mindestens einen Zielbereich (4) des Penetrationselements (1) in Soll-Zielposition (5) in einem Patienten (2), mit Videosequenzbildern (6), enthaltend mindestens teilweise das Penetrationselement (1), zu einer Kombinations-Bildsequenz (7) fluchtend überlagert. Weiterhin wird das Penetrationselement (1) in einer Startposition (8) erfasst und von dieser aus, ein Soll-Penetrationsverlauf (9) des Penetrationselements (1) zumindest hin bis zu dem Zielbereich (4) des Penetrationselements (1) in Soll-Zielposition (5), in der Kombinations-Bildsequenz (7) visuell angezeigt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Penetrationselement (1), insbesondere medizinisches Implantat und/oder Instrument, insbesondere K-Draht (Kirschnerdraht). Auf und/oder an und/oder in dem Penetrationselement (1) befindet sich eine Anzahl eine Lichtreflexion verändernder Marker (12), insbesondere in Form von Zusatzkörpern und/oder Beschichtungen und/oder Erhebungen und/oder Vertiefungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Navigationshilfe zum Einbringen eines länglichen medizinischen Penetrationselements in einen Patienten. Weiterhin beinhaltet die Erfindung ein längliches medizinisches Penetrationselement, insbesondere medizinisches Implantat und/oder Instrument, insbesondere einen K-Draht (sog. Kirschnerdraht). Weiterhin beinhaltet die Erfindung eine Rechen- und Steuereinheit sowie eine Röntgenbild-Erfassungs- und -Darstellungseinheit für die Navigationshilfe.
Bei unfallchirurgischen Eingriffen werden K-Drähte zumeist verwendet, um Knochenfragmente eines Patienten zu verbinden und zu stabilisieren. Eine bekannte K-Draht-Applikation kann diesen K-Draht in einem Röntgenbild detektieren und dessen Soll-Penetrationsverlauf im Röntgenbild visualisieren. Chirurgen können dann anhand des Detektionsergebnisses die Orientierung am Eintrittspunkt verändern und bestimmen, sodass ein optimaler Pfad zur Soll-Zielposition gefunden werden kann. Wegen des beschränkten Aufnahme-Bereichs eines C-Bogen-Röntgengerätes, ist es oft schwierig, die zu fixierenden Knochenstrukturen und den K-Draht gleichzeitig in eine Röntgenaufnahme einzuschließen, speziell am Hauteintrittspunkt des Patienten. Zudem muss nach jeder Ist-Zielposition oder Richtungskorrektur während des Penetrationsvorganges die Röntgenaufnahme erneut wiederholt werden, um die Soll-Zielposition des K-Drahts zu aktualisieren.
Außer der klassischen Navigation mit einem Trackingsystem besteht derzeit kein Zielhilfsmittel bei der Platzierung von K-Drähten. Der Chirurg schätzt den Eintrittspunkt in den Patienten und die Orientierung des K-Drahtes anhand einer Röntgenaufnahme ab. Anschließend setzt er den K-Draht nach seiner Erfahrung in die Knochen des Patienten ein und kontrolliert das Ergebnis, d.h. er vergleicht die Ist-Zielposition mit der Soll-Zielposition. Bei nicht-erfolgreicher Platzierung wird der K-Draht wieder über den Penetrationskanal entfernt und neu platziert. Dieses iterative Verfahren hat zur Folge, dass bei mehreren Versuchen Knochenmaterial zerstört wird, dadurch Implantate keinen ausreichenden Halt finden und das Operationsergebnis nicht optimal ist.
Beim oben beschriebenen Stand der Technik erfolgt also eine Erkennung der Lage und Ausrichtung der medizinischen Implantate und/oder Instrumente ausschließlich im Röntgenbild, ebenso wie die Anzeige des Penetrationsverlaufs der Implantate und/oder Instrumente.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Navigationshilfe für längliche medizinische Penetrationselemente, insbesondere medizinische Implantate und/oder Instrumente, so weiter zu bilden, dass diese mit möglichst hoher Qualität, d.h. mit möglichst geringer Abweichung von einer geplanten Soll-Zielposition in den Patienten einsetzbar bzw. implantierbar sind.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe dient das Verfahren nach dem unabhängigen Patentanspruch 1, die Vorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 10, das Penetrationselement nach Anspruch 11, eine Rechen- und Steuerungseinheit nach Anspruch 13 und eine Röntgenbild-Erfassungs- und -Darstellungseinheit nach Anspruch 14.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Navigationshilfe für das Einbringen eines länglichen medizinischen Penetrationselements in einen Patienten kennzeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Röntgenbild, enthaltend mindestens einen Zielbereich des Penetrationselements in Soll-Zielposition in einem Patienten, mit 2D-/3D-Videosequenzbildern, enthaltend mindestens teilweise das Penetrationselement, zu einer Kombinations-Bildsequenz fluchtend, insbesondere in Echtzeit oder Quasi-Echtzeit überlagert wird, wobei das Penetrationselement in einer eine Startposition erfasst wird und von dieser aus, ein Soll-Penetrationsverlauf (auch als Trajektorie oder Bahnkurve bezeichnet, als eine sogenannte „Augmented Reality“ (AR)) des Penetrationselements zumindest hin bis zu dem Zielbereich des Penetrationselements in Soll-Zielposition, in der Kombinations-Bildsequenz visuell angezeigt wird.
Mit dem Begriff „Erfassen des Penetrationselements“ ist hierbei das Detektieren der 2D- oder 3D-Längserstreckung des Penetrationselements, insbesondere dessen gedachte Mittellinie gemeint.
Als „Startposition“ des Penetrationselements kann dabei eine beliebige Position vor dem Einbringen des Penetrationselements in den Patienten, oder beim Kontakt des Penetrationselements mit der Haut des Patienten, oder nach dem Einbringen des Penetrationselements in den Patienten gewählt werden. Das Penetrationselement kann daher in der Startposition noch nicht oder aber bereits ein Stück in den Patienten penetriert sein. In Startposition muss aber das Penetrationselement sich mindestens teilweise im Bereich der Videosequenzbilder befinden.
Unter den Begriffen „Soll-Penetrationsverlauf“ und „Ist-Penetrationsverlauf“ wird Folgendes verstanden:
In einem ersten Fall kann der Soll-Penetrationsverlauf anfangs des Verfahrens einmal prognostisch festgelegt werden und danach nicht mehr oder nur einige wenige Male (z.B. zwei, drei vier Mal) verändert werden. Damit könnte der Soll-Penetrationsverlauf einem medizinischen idealen Penetrationsverlauf entsprechen, dem das Penetrationselement mit möglichst hoher Genauigkeit folgen soll. Wird dann von diesem prognostizierten idealen Penetrationsverlauf nicht oder nur in einem zulässigen Maß abgewichen, dann entspricht der Ist-Penetrationsverlauf etwa dem Soll-Penetrationsverlauf. Wird jedoch von diesem prognostizierten idealen Penetrationsverlauf unzulässig abgewichen, dann können Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wie z.B. ein Alarm ausgegeben werden, die später noch näher beschrieben werden. Der Soll-Penetrationsverlauf wird in diesem ersten Fall also zu Beginn des Verfahrens nur einmal festgelegt und danach nicht mehr oder nur noch wenige weitere Male leicht geändert.
In einem zweiten Fall kann der Soll-Penetrationsverlauf sich mehr oder weniger ständig ändern und in einer beliebigen Frequenz, die z.B. der Bildwiederholfrequenz der Videosequenzbilder entspricht, ständig aktualisiert werden. Damit könnte anfangs des Verfahrens der Soll-Penetrationsverlauf einem medizinischen idealen Penetrationsverlauf entsprechen, dem das Penetrationselement mit möglichst hoher Genauigkeit folgen soll. Während des Einbringens des Penetrationselementes in den Patienten wird dann der Soll-Penetrationsverlauf ständig an den Ist-Penetrationsverlauf angepasst, so dass der Ist-Penetrationsverlauf immer etwa dem Soll-Penetrationsverlauf in einem zulässigen Maße entspricht. Nur bei einer geringen Aktualisierungsfrequenz des Soll-Penetrationsverlaufs bzw. bei einer geringen Bildwiederholfrequenz der Videosequenzbilder von z.B. weniger als 1 Hz (1 Bild pro Sekunde), wäre es dann möglich, dass der Ist-Penetrationsverlauf dann in einem unzulässigen Maß von dem gerade aktuellen sich ständig aktualisierenden Soll-Penetrationsverlauf abweicht. Dann können wiederum Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wie z.B. ein Alarm ausgegeben werden, die später noch näher beschrieben werden. Der Soll-Penetrationsverlauf wird in diesem zweiten Fall also anfangs des Verfahrens festgelegt und danach ständig weitere Male mittels des Ist-Penetrationsverlaufs aktualisiert. Wird daher eine relativ hohe, z.B. übliche Bildwiederholfrequenz von 24, 48, 50 oder 100 Hz eingesetzt, dann könnte sich der Soll-Penetrationsverlauf z.B. ebenfalls 24, 48, 50 oder 100 Mal in der Sekunde aktualisieren, so dass damit eine harmonische Bewegung des Ist- und Soll-Penetrationsverlaufs ermöglicht wird sowie eine unzulässige Abweichung des Ist-Penetrationsverlaufs vom Soll-Penetrationsverlauf nahezu ausgeschlossen ist. Falls der Ist-Penetrationsverlauf im Vergleich zum alten Soll-Penetrationsverlauf also verändert wird, ändert sich auch der neue aktualisierte Soll-Penetrationsverlauf.
Natürlich kann auch eine beliebige Kombination der zuvor erwähnten beiden Fälle in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.
Unter „Videosequenzbildern“ sind dabei beliebige Bildfolgen zu verstehen, mit denen eine Bewegung eines von den Videobildern erfassten Objekts detektierbar ist, unabhängig davon, wie viele Bilder pro Zeiteinheit gemacht bzw. dargestellt werden. Also beispielsweise kann es sich hier auch um eine Folge von einzelnen Standbildern handeln. Bevorzugt ist die Bildfolge aber so schnell, dass eine Echtzeitbeobachtung des bewegten Objekts möglich ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können entsprechende Bilddaten auch dann zur Verfügung gestellt werden, wenn mehrere längliche medizinische Penetrationselemente auf einmal in den Patienten eingeführt werden, wobei diese parallel und/oder seriell zueinander in den Patienten eingeführt werden können.
Die Penetrationselemente können als Implantate für eine längere Zeit oder gar für immer im Patienten verbleiben oder aber als Instrument nur relativ kurz zu Diagnose- und/oder Therapiezwecken in den Patienten eingeführt und wieder entfernt zu werden.
Ein erstes Röntgenbild wird vor der Penetration des Penetrationselementes in den Patienten erstellt. Ein oder mehrere weitere Röntgenbilder können dann während der Penetration und/oder in der Zielposition des Penetrationselementes erstellt werden, um den Ist-Penetrationsverlauf zu kontrollieren und ggfs. des Soll-Penetrationsverlauf des Penetrationselementes neu zu definieren.
Die Kombinations-Bildsequenz kann eine reine überlagernde Addition des Röntgenbildes mit den Videosequenzbildern darstellen, oder aber eine überlagernde Addition des Röntgenbildes mit nur dem Bildausschnitt der Videosequenzbilder, die sich nicht mit dem Röntgenbild überschneiden, also außerhalb des Röntgenbildes liegen.
Erfindungsgemäß erfolgt daher die Erkennung der Lage und Ausrichtung (2D- oder 3D-Vektor) der medizinischen Implantate und/oder Instrumente, insbesondere K-Drähte, in den Videosequenzbildern, wobei die Anzeige des Penetrationsverlaufs der Implantate und/oder Instrumente mindestens im interessierenden Bereich des Röntgenbildes, ggfs. im ganzen Röntgenbild und/oder zusätzlich auch in den Videosequenzbildern des Kombinationsbildes, erfolgt.
Vorteil dabei ist, dass zur Implantation der Implantate und/oder Instrumente wesentlich weniger (idealer Weise ein, max. zwei) Röntgenbilder erstellt werden müssen und daher eine im Vergleich zum Stand der Technik geringere Strahlendosis in Patienten eingebracht wird. Die Navigationshilfe ist auch einsetzbar, wenn ein Bildbereich eines Röntgenbildes, beinhaltend einen Bereich einer Zielposition der Implantate und/oder Instrumente im Patienten, außerhalb eines Penetrations-Eintrittsbereichs der Implantate und/oder Instrumente in den Patienten liegt, wie dies z.B. bei C-Bogen-Röntgengeräten der Fall sein kann.
Zudem kann durch das Einblenden des Soll-Penetrationsverlaufs in die Kombinations-Bildsequenz, sehr einfach und schnell eine unzulässige Abweichung des Ist-Penetrationsverlaufs des Penetrationselements vom Soll-Penetrationsverlauf erkannt werden. Dies kann den Operateur animieren ggfs. Korrekturen durch zumindest teilweises Zurückfahren des Penetrationselements und Neudefinieren des Soll-Penetrationsverlaufs vorzunehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Navigationshilfe für das Einbringen eines länglichen medizinischen Penetrationselements in einen Patienten umfasst:

– eine erste Darstelleinheit zur visuellen Anzeige einer Kombinations-Bildsequenz aus zumindest einem Röntgenbild und Videosequenzbildern, wobei das zumindest eine Röntgenbild, enthaltend mindestens einen Zielbereich des Penetrationselements in Soll-Zielposition in einem Patienten, mit Videosequenzbildern, enthaltend mindestens teilweise das Penetrationselement, zu einer Kombinations-Bildsequenz fluchtend überlagert wird,
– eine Erfassungseinheit zur Erfassung des Penetrationselements in einer Startposition, umfassend z.B. eine CCD-Kamera,
– eine Berechnungseinheit zur Berechnung eines Soll-Penetrationsverlaufs des Penetrationselements von der Startposition aus zumindest hin bis zu einem Zielbereich des Penetrationselements in einer Soll-Zielposition,
– eine zweite Darstelleinheit zur visuellen Anzeige des Soll-Penetrationsverlaufs des Penetrationselements von der Startposition aus zumindest hin bis zu dem Zielbereich des Penetrationselements in Soll-Zielposition, in der durch die erste Darstelleinheit angezeigten Kombinations-Bildsequenz.

Die erste Darstelleinheit zur Anzeige einer Kombinations-Bildsequenz und die zweite Darstelleinheit zur visuellen Anzeige des Soll-Penetrationsverlaufs des Penetrationselements nutzen dabei das gleiche Anzeigeelement, z.B. den ohnehin vorhandenen Monitor des C-Bogen-Röntgengerätes, oder aber einen separaten Monitor in der Nähe des Patiententisches.
Das erfindungsgemäße Penetrationselement ist insbesondere als medizinisches Implantat und/oder Instrument, insbesondere als K-Draht ausgebildet, wobei sich auf und/oder an und/oder in dem Penetrationselement eine Anzahl eine Lichtreflexion verändernder Marker befindet, insbesondere in Form von Beschichtungen und/oder Erhebungen und/oder Vertiefungen und/oder Zusatzkörpern. Natürlich können die Zusatzkörper selbst ebenfalls Beschichtungen und/oder Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen. Auch sind sämtliche Kombinationen der zuvor erwähnten Ausführungsformen der Marker im Rahmen der vorliegenden Erfindung geschützt.
Der mindestens auf der Außenseite aus Metall bestehende K-Draht soll im Videobild insbesondere in Echtzeit detektiert werden. Anschließend wird die Trajektorie des K-Drahtes in Röntgenbild visualisiert. Die Detektion des K-Drahtes kann aber durch die Umgebungsbeleuchtung gestört werden. Deswegen kommen bevorzugt optische Marker-Kugeln zum Einsatz, um die Detektion des K-Drahts zu stabilisieren. Die Kugeln können beispielsweise so angebracht (insbesondere nicht fixiert) werden, dass die gedachte Längsachse des K-Drahts durch die Mitte aller Kugeln läuft. Die Marker-Kugeln sollten nur in der Videobildsequenz gut sichtbar sein.
Weiterhin ist eine Rechen- und Steuerungseinheit für den Einsatz in dem Verfahren geschützt, zur Berechnung und teilautomatisierten Steuerung des Soll-Penetrationsverlaufs des Penetrationselements vor und/oder während der Penetration des Penetrationselements in den Patienten. Dies kann z.B. mittels einem CNC-gesteuerten Manipulator erfolgen, wobei vorzugsweise mindestens einer der Parameter, Penetrationsrichtung, Penetrationsvorschub oder Penetrationstiefe des Penetrationselements durch die Steuerung nicht automatisiert ist.
Die abhängigen Ansprüche und die weitere Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die Ansprüche einer Kategorie auch analog den Ansprüchen einer der anderen Kategorien weitergebildet sein können und auch Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen untereinander kombiniert werden können, um neue Varianten der Erfindung zu bilden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet, dass auch die Soll-Zielposition in der Kombinations-Bildsequenz visuell angezeigt wird. Somit kann sehr einfach und schnell eine unzulässige Abweichung der Ist-Zielposition des Penetrationselements von der Soll-Zielposition erkannt werden und so ggfs. eine Korrektur durch zumindest teilweises Zurückfahren des Penetrationselements und Neudefinieren der Soll-Zielposition angeregt werden.
Hierbei können sich das Röntgenbild und die Videosequenzbilder mindestens teilweise überdecken oder aneinander angrenzen. Im Extremfall müssen das Röntgenbild und die Videosequenzbilder sich sogar überhaupt nicht überschneiden, auch wenn dies ein Ausnahmefall sein sollte.
Insbesondere liegt, durch passende Ausrichtung des Röntgenbilds bzw. des Röntgenaufnahmegeräts, der Eintrittspunkt des Penetrationselements in die Haut des Patienten in den Videosequenzbildern und der Eintrittspunkt des Penetrationselements in den Knochen bzw. das erste Knochenfragment im Röntgenbild. Somit kann der Operateur auf dem Monitor den Hauteintrittspunkt des Penetrationselements anfahren und dann das Penetrationselement bis zum ersten Knochenfragment einfahren und auf dem Monitor eine etwaige Auslenkung des Penetrationselements beim Eindrehen in das erste Knochenfragment beobachten und ggfs. eine Korrektur vornehmen. Alternativ können aber auch beide Eintrittspunkte des Penetrationselements in die Haut und in den Knochen sowohl in den Videosequenzbildern als auch im Röntgenbild liegen. Das Penetrationselement ist aber für den Operateur immer nur in den Videosequenzbildern zu sehen, nicht aber im eingangs der Operation erstellten Röntgenbild. Nur falls dann während des Einbringens des Penetrationselements in den Patienten oder in seiner Ist-Zielposition erneut ein oder mehrere Röntgenbilder erstellt werden müssen, wäre dann das Penetrationselement auch dort zu sehen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform beinhaltet, dass bei unzulässiger Abweichung eines Ist-Penetrationsverlaufs bzw. einer Ist-Zielposition des Penetrationselements vom Soll-Penetrationsverlauf bzw. von der Soll-Zielposition, der Ist-Penetrationsverlauf bzw. die Ist-Zielposition in der Kombinations-Bildsequenz angezeigt und/oder ein akustischer und/oder optischer Alarm ausgegeben wird. Somit kann der Operateur ggfs. rechtzeitig eine Kurskorrektur oder Endlagenkorrektur des Penetrationselements vornehmen, ohne dass weitere Röntgenbilder des interessierenden Bereichs im Patienten nötig sind.
Eine alternative Ausführungsform beinhaltet, dass eine teilautomatisierte Generierung von Steuerbefehlen für einen Manipulator zur Steuerung des Penetrationselements vor und/oder während der Penetration des Penetrationselements in den Patienten erfolgt. Somit kann einer oder zwei oder mehr der Parameter, Richtung, Vorschub oder Tiefe der Penetration des Penetrationselements maschinengesteuert z.B. mittels CNC-Steuerung eines Manipulators erfolgen, wobei vorzugsweise immer einer der Parameter durch den Operateur selbst erfolgt.
Insbesondere kann das Penetrationselement zumindest ein medizinisches Implantat und/oder Instrument umfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Bildunterstützung für einen K-Draht (Kirschnerdraht) als Penetrationselement geeignet, da mit diesem eine schnelle Versorgung, z.B. eines Trümmerbruches nach einem Unfall, mit möglichst hoher Präzision durchgeführt werden muss, ohne dass eine zu hohe Röntgenstrahlenbelastung für den Patienten entstehen sollte.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist deswegen insbesondere für ein C-Bogen-Röntgengerät geeignet, da mit dessen Röntgenquellenanordnung nur sehr kleine Ausschnitte eines Röntgenbildes erstellt werden können. Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren aber auch in CT-Geräten und/oder anderen 2D- oder 3D-Röntgengeräten eingesetzt werden, falls nötig.
Die Videosequenzbilder werden hierbei mit einer Videokamera, insbesondere CCD-Videokamera erstellt, die an dem C-Bogen-Röntgengerät und/oder CT-Gerät und/oder anderen 2D- oder 3D-Röntgengerät angeordnet ist und mit der Röntgenquellenanordnung, z.B. gemäß der Patentschrift DE 10049103 B4 , registriert ist, d.h. die Bilddaten des Röntgengeräts und die Videosequenzbilder sind aufeinander registriert.
Insbesondere falls ein auf der Oberfläche metallisch glänzendes Penetrationselement eingesetzt wird, bietet sich als bevorzugte Ausführungsformen für das Penetrationselement an, dass sich auf und/oder an und/oder in dem Penetrationselement eine Anzahl zumindest im Videosequenzbild sichtbarer, Lichtreflexion verändernder Marker befindet, insbesondere in Form von Beschichtungen und/oder Erhebungen und/oder Vertiefungen und/oder Zusatzkörpern. Hiermit kann die Lichtreflexion des Penetrationselements derart verändert werden, dass das Penetrationselement für die Videokamera besser zu erkennen und damit eine präzisere Ortung und Navigation des Penetrationselements vollzogen werden kann. Natürlich können Beschichtungen und/oder Erhebungen und/oder Vertiefungen alternativ oder zusätzlich auch auf den Zusatzkörpern vorhanden sein. Als Zusatzkörper kommen insbesondere Regelkörper wie z.B. Kugeln, Würfel, Pyramiden etc. in Frage, da diese aus mehreren Raumrichtungen gleich zu erkennen sind und eine einfache und sehr genaue Berechnung der Lage, Ausrichtung sowie Bewegung des Penetrationselements mit sich bringen.
Damit das Penetrationselement möglichst kurz gehalten werden kann, liegen bevorzugt die Zusatzkörper stoff- und/oder formschlüssig fest oder kraft-/reibschlüssig axial zumindest entgegen der Penetrationsrichtung verschiebbar auf und/oder an und/oder in dem Penetrationselement. Somit werden die Zusatzkörper beim Einbringen des Penetrationselements in den Körper des Patienten auf der Oberfläche des Patienten nach hinten gestreift, verbleiben aber noch für weitere Positionierungs- und Navigationsaufgaben auf dem Penetrationselement. Es können aber auch einige oder alle der Zusatzkörper im Laufe des Penetrierens völlig von dem Penetrationselement abgestreift werden. Sind die Marker innerhalb des Penetrationselements aufgenommen, so muss natürlich das Penetrationselement zumindest an diesen Stellen transparent oder transluzent ausgebildet sein, damit die Marker auch durch die Videokamera erkannt werden können. Ein Abstreifen der inneren Marker vom Penetrationselement ist aber dann eher nicht nötig, aber durchaus auch möglich, falls das Penetrationselement als Hohlkörper ausgebildet sein sollte, wie z.B. bei einem Katheter, einem Endoskop oder einer Hohlnadel.
Insbesondere sind aber zumindest zwei zueinander beabstandete Marker auf dem Penetrationselement vorhanden und mindestens einer der Marker im Bereich des proximalen Endes des Penetrationselements angeordnet, wohingegen der andere Marker zumindest vor dem Einführen in den Patienten möglichst weit weg vom ersten Marker angeordnet ist oder wird.
In einer Weiterbildung könnte das Penetrationselement selbst als Marker mit aktiv leuchtenden Elementen, wie z.B. LEDs, ausgestattet sein, die nach erfolgter Implantation, wieder aus dem Patienten entfernt werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügte Figur anhand eines Ausführungsbeispiels noch einmal näher erläutert. Die Figur ist in der Regel nicht maßstäblich.
Die Figur zeigt die erfindungsgemäße Navigationshilfe für das Einbringen eines länglichen medizinischen Penetrationselements in einen Patienten.
Dabei ist ein Teil eines Beins eines Patienten 1 dargestellt, welcher auf einem nicht dargestellten Operationstisch für eine Operation an defekten Knochen liegt.
Ein an sich bekannter optischer AR-Marker 16 ist oder wird auf die Hautoberfläche des Patienten 2 angebracht, z.B. dort aufgeklebt. Dieser AR-Marker 16 kann durch eine Video-Bildsequenz erkannt und somit eine Patientenbewegung „getrackt“ werden. Weicht die Bewegung des Patienten 2 unzulässig von einem vordefinierten Betrag eines Patientenparameters ab, kann dies über den AR-Marker 16 erkannt und an eine Steuereinheit für eine Alarmierung übergeben werden.
Zunächst wird ein Röntgenbild 3 eines Patienten 2, z.B. kurz vor dem operativen Eingriff, z.B. mittels C-Bogen-Röntgengerät, hergestellt, wobei das Röntgenbild 3 mindestens einen interessierenden Zielbereich 4 im Patienten 2 enthält. In diesen Zielbereich 4 im Patienten 2 soll dann schließlich nach erfolgter Applizierung eine Soll-Zielposition 5 eines in den Patienten 2 penetrierten K-Drahtes 1‘ liegen.
Danach werden Videosequenzbilder 6 beispielsweise mittels einer nicht dargestellten (CCD-)Videokamera erstellt, welche mindestens teilweise den K-Draht 1 z.B. in seiner Startposition 8 beinhalten.
Die Bezugslinie der Startposition 8 ist zwar auf die Spitze des K-Drahtes 1 gerichtet, soll aber die Startposition des gesamten K-Drahtes 1 darstellen, also zumindest Informationen über eine gedachte Längsgerade (insbesondere Mittellinie) durch mindestens zwei Punkte auf dem K-Draht 1 beinhalten, so dass damit die 2D- oder 3D-Längserstreckung (Richtung bzw. Orientierung) des K-Drahtes erkannt wird.
Der K-Draht 1 in Startposition 8 muss nicht zwingend völlig außerhalb des Patienten 2 liegen, sondern kann sich bereits am oder teilweise im Patienten 2 befinden, z.B. in Position 10 oder 11. Die Startposition 8 kann daher beliebig gewählt werden, wobei sich aber der K-Draht 1 immer mindestens teilweise im Bereich der Videosequenzbilder 6 befinden muss, damit er durch die Videokamera detektiert werden kann.
Die Kamera für die Videosequenzbilder 6 kann z.B. nach dem Starten einer Navigationssoftware aktiviert werden.
Danach werden das Röntgenbild 3 und die Videosequenzbilder 6 überlagert als Kombinations-Bildsequenz 7 auf einem Monitor des C-Bogen-Röntgengeräts oder auf einem separaten Display dargestellt.
Weil der K-Draht 1 mindestens auf der Oberfläche zumeist aus Metall besteht, kann dieser unter der nötigen starken OP-Beleuchtung wegen der ungünstigen Lichtreflexion nur sehr schwer durch die Kamera erkannt werden, was zu Ungenauigkeiten in der Ermittlung der Ist-Position und der Berechnung des Soll-Penetrationsverlaufes 9 des K-Drahts 1 führen würde.
Um diesen Nachteil zu verbessern, sind auf dem K-Draht 1 hier drei kugelförmige Marker 12 reibschlüssig aufgeschoben, so dass ein erster Marker 12 distal, ein zweiter Marker 12 etwa medial, und ein dritter Marker 12 proximal in Bezug auf die Penetrationsrichtung 13 des K-Drahtes 1 zu liegen kommt. Die Marker 12 können aber auch entfallen oder es können weniger oder mehr als drei Marker 12 verwendet werden. Falls Marker 12 nötig sein sollten, werden im Idealfall nur zwei Marker 12 am Anfang und am Ende des K-Drahtes 1 nötig sein.
Die kugelförmigen Marker 12 haben Oberflächen, die aus allen Raumrichtungen gleich aussehen. Zudem haben die Marker 12 eine die Lichtreflexion verändernde Wirkung, so dass sie für die Videokamera besser sichtbar sind. Dies kann mit geeigneten Beschichtungen und/oder Erhebungen und/oder Vertiefungen der Marker 12 selbst erfolgen, oder aber bei Weglassen der Zusatzkörper als Marker 12, durch geeignete Beschichtungen und/oder Erhebungen und/oder Vertiefungen der K-Drähte 1 selbst. Auch sind beliebige Kombinationen davon möglich.
Die Navigationssoftware berechnet nun auf Basis der, mit Hilfe der Marker 12, ermittelten Startposition 8 des K-Drahtes 1 dessen Soll-Penetrationsverlauf 9 und ggfs. auch dessen Soll-Zielposition 5 und zeigt diese in der Kombinations-Bildsequenz 7 in Echtzeit oder Quasi-Echtzeit an. Die Quasi-Echtzeit kann eine Zeitverzögerung von einigen ns, µs, ms, Sekunden oder gar Minuten im Vergleich zur Echtzeit selbst aufweisen. Natürlich kann die Kombinations-Bildsequenz 7 ggfs. auch mit dem eingeblendeten Soll-Penetrationsverlauf 9 und ggfs. auch dessen Soll-Zielposition 5 des K-Drahtes 1 in einem Speicher z.B. einer Rechen- und Steuereinheit des C-Bogen-Röntgengerätes gespeichert und bei Bedarf wieder abgerufen werden.
Anhand der Figur soll nun ein Applizierungsvorgang des K-Drahtes 1 kurz näher beschrieben werden, welcher durch die Erfindung bildunterstützend begleitet werden kann.
Ausgangslage ist die erstellte Kombinations-Bildsequenz 7 mit eingeblendetem Soll-Penetrationsverlauf 9 und ggfs. auch dessen Soll-Zielposition 5 des K-Drahtes 1.
Der K-Draht 1 befindet sich bereits an der Startposition 8 oder aber wird dort manuell oder mittels ggfs. CNC-gesteuertem Manipulator hinbewegt. Auf dem K-Draht 1 befinden sich drei in Penetrationsrichtung 13 sequenziell voneinander beabstandete Markerkugeln 12.
Von dieser Startposition 8 aus wird nun der K-Draht 1 entlang der simulierten, in der Kombinations-Bildsequenz 7 angezeigten Linie des Soll-Penetrationsverlaufes 9 in Richtung Körperoberfläche des Patienten 2 gefahren, bis die Spitze des K-Drahtes 1 auf der Haut des Patienten 2 einen Eintrittspunkt 10 erreicht. Von diesem Eintrittspunkt 10 aus wird dann der K-Draht 1 unter etwas erhöhtem Kraftaufwand weiter entlang der Linie des Soll-Penetrationsverlaufes 9 durch das Gewebe des Patienten 2 bis zu einem Eintrittspunkt 11 eines ersten Knochens oder Knochenfragments gefahren. Hierbei bleibt der vorderste Marker 12 außen auf der Haut des Patienten hängen und schiebt sich auf dem K-Draht 1 entgegen der Penetrationsrichtung 13 in Richtung mittlerer Marker 12.
Ab dem Knochen-Eintrittspunkt 11 wird dann der K-Draht 1 mittels außerhalb des Patienten befindlichem Drehantrieb weiter in den Knochen geschraubt, möglichst ohne die Linie des Soll-Penetrationsverlaufes 9 zu verlassen. Natürlich kann der K-Draht 1 auch schon außerhalb und im Weichteilgewebe des Patienten 2 gedreht werden.
Hierbei bleibt auch der mittlere Marker 12 außen auf der Haut des Patienten hängen und schiebt sich auf dem K-Draht 1 entgegen der Penetrationsrichtung 13 in Richtung des hinteren Markers 12 am Ende des K-Drahts 1. Alle drei Marker 12 kommen dann außen an der Hautoberfläche des Patienten 2 hintereinander zu liegen, womit eine Bestimmung des Ist-Penetrationsverlaufs 14 sowie der Ist-Zielposition 15 des K-Drahtes 1‘‘ in der Kombinations-Bildsequenz 7 möglich ist.
Idealer Weise weicht der K-Draht 1 auf seiner Wanderung durch die Knochen bzw. Knochenfragmente des Patienten 2 nicht allzu sehr vom idealen Soll-Penetrationsverlauf 9 ab, so dass der K-Draht 1 dann mit genügend geringer Toleranz seine Soll-Zielposition 5 im Zielbereich 4 findet und dort in der Figur mit dem Bezugszeichen 1‘ versehen ist. Abschließend wird ggfs. noch ein letztes (ggfs. zweites) Röntgenbild 3 zur Endkontrolle erstellt.
Falls der K-Draht 1 auf seinem Ist-Penetrationsverlauf 14 jedoch unerwünscht weit von der Ideallinie 9 abweicht, wie z.B. mit der Ist-Zielposition 15 und dem K-Draht 1‘‘ mit strichlierten Linien angedeutet, dann kann zeitlich vor oder spätestens mit Erreichen der Ist-Zielposition 15 ein akustischer und/oder optischer Alarm ausgegeben werden, so dass der Nutzer dann den K-Draht ein Stück zurück fahren und die Richtung des K-Drahtes 1 und damit des Soll-Penetrationsverlaufes 9 leicht nachjustieren kann. Damit müssen weder auf dem Ist-Penetrationsverlauf 14, noch in der Ist-Zielposition 15 weitere Röntgenbilder erstellt werden, was zu einer sehr geringen Gesamt-Strahlendosis für den Patienten 2 während der Operation führt.
Insgesamt müssen dann im Normalfall lediglich zwei Röntgenbilder 3 angefertigt werden, eines vor (zur Ermittlung des Soll-Penetrationsverlaufes 9) und eines nach (zur Endkontrolle der Ist-Zielposition 15) der Applizierung des K-Drahtes 1 in den Patienten 2.
Sämtliche oben genannten Positionen und Verläufe können natürlich auch als 3D-Daten aus 2D-Rohdaten einer Mehrzahl von Röntgen- und/oder Videosequenzbildern aus unterschiedlichen Raumrichtungen ermittelt und berechnet werden, je nach Bedarf. Im Regelfall genügen aber 2D-Röntgenbilder und 2D-Videosequenzbilder zur Erzeugung der Kombinations-Bildsequenz 7 und des simulierten Soll-Penetrationsverlaufes 9 des K-Drahtes 1.
Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Penetrationselement in Startposition
1‘: Penetrationselement in Soll-Zielposition
1‘‘: Penetrationselement in Ist-Zielposition
2: Patient
3: Röntgenbild
4: Zielbereich
5: Soll-Zielposition
6: Videosequenzbilder
7: Kombinations-Bildsequenz
8: Startposition
9: Soll-Penetrationsverlauf
10: Eintrittspunkt in die Haut des Patienten
11: Eintrittspunkt in den ersten Knochen des Patienten
12: Marker
13: Penetrationsrichtung
14: Ist-Penetrationsverlauf
15: Ist-Zielposition
16: AR-Marker für Patiententracking

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10049103 B4 [0034]

Claims

Verfahren zur Navigationshilfe für das Einbringen eines länglichen medizinischen Penetrationselements (1) in einen Patienten (2), wobei zumindest ein Röntgenbild (3), enthaltend mindestens einen Zielbereich (4) des Penetrationselements (1) in Soll-Zielposition (5) in einem Patienten (2), mit Videosequenzbildern (6), enthaltend mindestens teilweise das Penetrationselement (1), zu einer Kombinations-Bildsequenz (7) fluchtend überlagert wird, wobei das Penetrationselement (1) in einer Startposition (8) erfasst wird und von dieser aus, ein Soll-Penetrationsverlauf (9) des Penetrationselements (1) zumindest hin bis zu dem Zielbereich (4) des Penetrationselements (1) in Soll-Zielposition (5), in der Kombinations-Bildsequenz (7) visuell angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei auch die Soll-Zielposition (5) des Penetrationselements (1) in der Kombinations-Bildsequenz (7) visuell angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Röntgenbild (3) und die Videosequenzbilder (6) sich mindestens teilweise überdecken oder aneinander angrenzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei unzulässiger Abweichung eines Ist-Penetrationsverlaufs (14) bzw. einer Ist-Zielposition (15) des Penetrationselements (1) vom Soll-Penetrationsverlauf (9) bzw. von der Soll-Zielposition (5), der Ist-Penetrationsverlauf (14) bzw. die Ist-Zielposition (15) in der Kombinations-Bildsequenz (7) angezeigt wird und/oder ein akustischer und/oder optischer Alarm ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Steuerung und/oder Regelung des Penetrationselements (1) vor und/oder während der Penetration des Penetrationselements (1) in den Patienten (2) teilautomatisiert erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Penetrationselement (1) zumindest ein medizinisches Implantat und/oder Instrument umfasst, insbesondere einen K-Draht (Kirschnerdraht).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Röntgenbild (3) mit einem C-Bogen-Röntgengerät und/oder Computertomographiegerät (CT), anderen 2D- oder 3D-Röntgengerät beinhaltend mindestens eine Röntgenquellenanordnung, erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Videosequenzbilder (6) mit einer Videokamera erstellt wird, die an dem C-Bogen-Röntgengerät und/oder dem Computertomographiegerät (CT) und/oder dem anderen 2D- oder 3D-Röntgengerät angeordnet ist und mit der mindestens einen Röntgenquellenanordnung registriert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich auf und/oder an und/oder in dem Penetrationselement (1) eine Anzahl zumindest im Videosequenzbild (6) sichtbarer Marker (12) befindet, insbesondere in Form von Beschichtungen und/oder Erhebungen und/oder Vertiefungen und/oder Zusatzkörpern.
Vorrichtung zur Navigationshilfe für das Einbringen eines länglichen medizinischen Penetrationselements (1) in einen Patienten (2), insbesondere arbeitend gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: – eine erste Darstelleinheit zur visuellen Anzeige einer Kombinations-Bildsequenz (7) aus zumindest einem Röntgenbild (3) und Videosequenzbildern (6), wobei das zumindest eine Röntgenbild (3), enthaltend mindestens einen Zielbereich (4) des Penetrationselements (1) in Soll-Zielposition (5) in einem Patienten (2), mit Videosequenzbildern (6), enthaltend mindestens teilweise das Penetrationselement (1), zu einer Kombinations-Bildsequenz (7) fluchtend überlagert wird, – eine Erfassungseinheit zur Erfassung des Penetrationselements (1) in einer Startposition (8), – eine Berechnungseinheit zur Berechnung eines Soll-Penetrationsverlaufs (9) des Penetrationselements (1) von der Startposition (8) aus zumindest hin bis zu einem Zielbereich (4) des Penetrationselements (1) in einer Soll-Zielposition (5), – eine zweite Darstelleinheit zur visuellen Anzeige des Soll-Penetrationsverlaufs (9) des Penetrationselements (1) von der Startposition (8) aus zumindest hin bis zu dem Zielbereich (4) des Penetrationselements (1) in Soll-Zielposition (5), in der durch die erste Darstelleinheit angezeigten Kombinations-Bildsequenz (7).
Penetrationselement (1), insbesondere medizinisches Implantat und/oder Instrument, insbesondere K-Draht, insbesondere für den Einsatz in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder in der Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei sich auf und/oder an und/oder in dem Penetrationselement (1) eine Anzahl von Markern (12) befindet, insbesondere in Form von Zusatzkörpern und/oder Beschichtungen und/oder Erhebungen und/oder Vertiefungen.
Penetrationselement (1) nach Anspruch 11, wobei die Zusatzkörper (12) stoff- und/oder formschlüssig fest oder kraft-/reibschlüssig axial zumindest entgegen einer Penetrationsrichtung (13) verschiebbar auf und/oder an und/oder in dem Penetrationselement (1) liegen.
Rechen- und Steuerungseinheit für den Einsatz in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder in der Vorrichtung nach Anspruch 10, zur Berechnung und ggfs. teilautomatisierten Steuerung des Soll-Penetrationsverlaufs (9) des Penetrationselements (1) vor und/oder während der Penetration des Penetrationselements (1) in den Patienten (2) und zur visuellen Anzeige des Soll-Penetrationsverlaufs (9) in der Kombinations-Bildsequenz (7).
Röntgenbild-Erfassungs- und -Darstellungseinheit, insbesondere C-Bogen-Röntgengerät oder Computertomographiegerät (CT) oder anderen 2D- oder 3D-Röntgengerät, arbeitend nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder umfassend die Vorrichtung Anspruch 10 und/oder umfassend die Rechen- und Steuerungseinheit nach Anspruch 13.
Computerprogrammprodukt, für den Einsatz in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder in der Rechen- und Steuerungseinheit nach Anspruch 13 und/oder in der Röntgenbild-Erfassungs- und -Darstellungseinheit nach Anspruch 14.