DE102020126029A1 - Surgical assistance system and display method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Assistenzsystem (1) zur Verwendung bei einem chirurgischen Eingriff aufweisend: zumindest eine medizinische bildgebende Vorrichtung (2; 16; 17) mit einem Aufnahmekopf (4) und einem, insbesondere beabstandeten, Betätigungsabschnitt (3; 18; 19), welche dafür vorgesehen und angepasst ist, bei einem Patienten (P) eine intrakorporale Aufnahme (IA) zu erstellen, eine Erfassungsvorrichtung (5), vorzugsweise mit zumindest einer Kamera (6), welche dafür vorgesehen und angepasst ist, einen chirurgischen Eingriffsbereich des Patienten (P) zusammen mit dem Betätigungsabschnitt (3; 18; 19) der bildgebenden Vorrichtung (2; 16; 17) zumindest optisch zu erfassen und eine extrakorporale Aufnahme (EA) zu erstellen, eine Darstellungsvorrichtung, insbesondere einen OP-Monitor (7), zur Darstellung eines visuellen Inhalts, wobei das chirurgische Assistenzsystem (1) ferner eine Steuereinheit (8), welche dafür angepasst ist die extrakorporale Aufnahme (EA) der Erfassungsvorrichtung (5) und die intrakorporale Aufnahme (IA) der bildgebenden Vorrichtung (2; 16; 17) zu verarbeiten, durch den erfassten Betätigungsabschnitt (3; 18; 19) in Kombination mit einer definierten Relation zu dem Aufnahmekopf (4) eine Lage des Aufnahmekopfs (4) zu bestimmen, eine Überlagerungsdarstellung (U) der intrakorporalen Aufnahme (IA) in oder auf der extrakorporalen Aufnahme (EA) zu erzeugen, bei der auf Basis der Lage des Aufnahmekopfs (4) die intrakorporale Aufnahme (IA) positionskorrekt und orientierungskorrekt und damit lagekorrekt in der extrakorporalen Aufnahme (EA) dargestellt ist, und die Überlagerungsdarstellung (U) durch die Darstellungsvorrichtung visuell auszugeben. Daneben betrifft die Erfindung ein Aufnahmedarstellungsverfahren ein elektronisch lesbares Speichermedium sowie einen Sterilraum (100) mit einem Assistenzsystem (1) gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.The invention relates to a surgical assistance system (1) for use in a surgical intervention, comprising: at least one medical imaging device (2; 16; 17) with a recording head (4) and an, in particular spaced, actuating section (3; 18; 19), which is intended and adapted to create an intracorporeal recording (IA) in a patient (P), a detection device (5), preferably with at least one camera (6), which is intended and adapted to capture a surgical intervention area of the patient ( P) together with the actuating section (3; 18; 19) of the imaging device (2; 16; 17) at least optically and to create an extracorporeal recording (EA), a display device, in particular an OP monitor (7), for Representation of a visual content, wherein the surgical assistance system (1) also has a control unit (8), which is adapted for the extracorporeal recording (EA) of the acquisition g device (5) and the intracorporeal recording (IA) of the imaging device (2; 16; 17) to determine a position of the recording head (4) by the detected actuating section (3; 18; 19) in combination with a defined relation to the recording head (4), a superimposition representation (U) of the intracorporeal recording (IA) in or to generate on the extracorporeal recording (EA), in which, based on the position of the recording head (4), the intracorporeal recording (IA) is displayed in the correct position and orientation and thus in the correct position in the extracorporeal recording (EA), and the overlay display (U) output visually through the display device. In addition, the invention relates to a recording display method, an electronically readable storage medium and a sterile room (100) with an assistance system (1) according to the independent claims.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein chirurgisches Assistenzsystem zur Verwendung bei einem chirurgischen Eingriff mit zumindest einer medizinischen, insbesondere chirurgischen, bildgebenden Vorrichtung mit einem bildgebenden Aufnahmekopf und einem, insbesondere beabstandeten, Betätigungsabschnitt. Der Betätigungsabschnitt kann insbesondere ein Handhabungsabschnitt / Handstück / Greifabschnitt für eine manuelle Handhabung als auch ein von einem Roboter geführter Abschnitt sein. Die bildgebende Vorrichtung ist dafür vorgesehen und angepasst, bei einem Patienten mit Hilfe des Aufnahmekopfs in einer Aufnahmerichtung eine intrakorporale Aufnahme zu erzeugen und digital (datentechnisch) bereitzustellen. Ferner weist das chirurgische Assistenzsystem eine Erfassungsvorrichtung auf, vorzugsweise mit oder bestehend aus zumindest einer Kamera, welche dafür vorgesehen und angepasst ist, einen definierten Bereich, hier einen chirurgischen Eingriffs-/Behandlungsbereich des Patienten zusammen mit dem Betätigungsabschnitt der medizinischen bildgebenden Vorrichtung zumindest optisch zu erfassen und eine extrakorporale Aufnahme zu erstellen und ebenfalls digital bereitzustellen. Das chirurgische Assistenzsystem hat zur Darstellung eines visuellen Inhalts eine Darstellungsvorrichtung / Anzeigevorrichtung, insbesondere einen OP-Monitor / ein OP-Display. Daneben betrifft die Erfindung ein Aufnahmedarstellungsverfahren, ein elektronisches Speichermedium sowie einen medizinischen Sterilraum gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.The present invention relates to a surgical assistance system for use in a surgical intervention with at least one medical, in particular surgical, imaging device with an imaging recording head and an, in particular spaced, actuating section. The actuating section can in particular be a handling section/handpiece/gripping section for manual handling as well as a section guided by a robot. The imaging device is intended and adapted to generate an intracorporeal recording in a recording direction in a patient with the aid of the recording head and to make it available digitally (data processing). The surgical assistance system also has a detection device, preferably with or consisting of at least one camera, which is provided and adapted for at least optically detecting a defined area, here a surgical intervention/treatment area of the patient, together with the operating section of the medical imaging device and to create an extracorporeal recording and also make it available digitally. To display visual content, the surgical assistance system has a display device/display device, in particular an OP monitor/OP display. In addition, the invention relates to a recording display method, an electronic storage medium and a medical sterile room according to the preambles of the independent claims.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind chirurgische Assistenzsysteme bekannt, die eine Darstellung einer intrakorporalen Aufnahme, also einer Aufnahme im Körperinneren, wie etwa einer Videoendoskop-Aufnahme, auf einem Monitor in einem Operationssaal erlauben. Ein Operationsbeteiligter (OP-Beteiligter), insbesondere ein Chirurg, muss bei seiner Arbeit einerseits den Monitor mit dem für ihn nicht sichtbaren Innengewebe im Blick halten und andererseits den Patienten und das Endoskop überwachen und justieren, um insbesondere eine Position und Ausrichtung des intrakorporal angeordneten Endoskopkopfes im Patienten nachzuverfolgen. Hierbei wird dem Chirurgen eine hohe Leistung einer gedanklichen Verbindung der beiden Modalitäten abverlangt, was ermüdend wirkt und eine Fehleranfälligkeit erhöht. Zwar existiert aktuell die technische Möglichkeit auf einem separaten, zweiten Monitor eine extrakorporale Aufnahme des Operationsumfeldes bzw. des chirurgischen Eingriffsbereichs und der Anatomie des Patienten anzeigen zu lassen, und so zumindest eine ermüdende Kopfbewegung des Chirurgen zu mindern, nichtsdestotrotz verbleibt die geistige Herausforderung und zu leistende Anstrengung einer Kombination der beiden Aufnahmen unter gedanklichen Verschmelzens der Informationen, insbesondere die der Position und Orientierung der intrakorporalen Aufnahme im Körper des Patienten relativ zu diesem. Aktuelle Visualisierungssysteme und -methoden in einem Operationssaal trennen also zwischen einer Visualisierung innerhalb des Patienten (intrakorporal) durch etwa ein Endoskop oder einem chirurgischen Mikroskop, und einer Visualisierung außerhalb des Patienten (extrakorporal). Dies stellt insbesondere für OP-Beteiligte mit für diese Zwecke unzureichend gut ausgebildeten räumlichen Vorstellungsvermögen eine hohe Herausforderung dar und erschwert eine Verbindung von Informationen.Surgical assistance systems are known from the prior art which allow an intracorporeal recording, ie a recording inside the body, such as a video endoscope recording, to be displayed on a monitor in an operating room. During his work, a person involved in an operation (OP participant), in particular a surgeon, must keep an eye on the monitor with the inner tissue that is not visible to him, on the one hand, and on the other hand monitor and adjust the patient and the endoscope, in particular to determine a position and alignment of the endoscope head arranged intracorporeally track in the patient. In this case, the surgeon is required to perform a great deal of mental connection between the two modalities, which is tiring and increases the susceptibility to errors. Although there is currently the technical possibility of displaying an extracorporeal recording of the operating environment or the surgical intervention area and the anatomy of the patient on a separate, second monitor, and thus at least reducing a tiring head movement of the surgeon, the mental challenge and the work to be done nevertheless remain Effort to combine the two recordings with mental merging of the information, in particular the position and orientation of the intracorporeal recording in the patient's body relative to this. Current visualization systems and methods in an operating theater thus separate between visualization within the patient (intracorporeal) using an endoscope or a surgical microscope, for example, and visualization outside of the patient (extracorporeal). This poses a great challenge, especially for those involved in the operation, who have insufficient spatial imagination for this purpose and makes it difficult to link information.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mindern und insbesondere ein chirurgisches Assistenzsystem sowie ein (Aufnahme-)Darstellungsverfahren und einen Sterilraum zur Verfügung zu stellen, das OP-Beteiligten, insbesondere dem (leitenden) Chirurgen, mit einem Blick eine intuitive und unterstützende Verschmelzung von Informationen einer extrakorporalen Aufnahme und intrakorporaler Aufnahme bietet, welches eine Hand-Augen-Koordination verbessert sowie einen sicheren Zugang zum Operationsumfeld gewährleistet, um insbesondere Gewebeschäden durch unachtsame und unbeabsichtigte Handlungen als auch eine Verlängerung eines chirurgischen Eingriffs zu vermeiden. Insbesondere soll möglichst allen OP-Beteiligten eine bislang nicht erreichte chirurgische Assistenzfunktion bereitgestellt werden.It is therefore the object of the invention to avoid or at least reduce the disadvantages of the prior art and in particular to provide a surgical assistance system as well as a (recording) display method and a sterile room that the OP participants, in particular the (leading ) surgeons, at a glance, provides an intuitive and supportive fusion of extracorporeal and intracorporeal imaging information that improves hand-eye coordination and ensures safe access to the surgical environment, specifically to detect tissue damage from careless and unintentional actions as well as prolong a to avoid surgical intervention. In particular, as far as possible, all those involved in the operation should be provided with a surgical assistance function that has not been achieved so far.
Diese Aufgabe und die Ziele der Erfindung werden bei einem gattungsgemäßen chirurgischen Assistenzsystem erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 bei einem gattungsgemäßen Darstellungsverfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 11, bei einem gattungsgemäßen Speichermedium erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 12 und bei einem medizinischen Sterilraum erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 13 erzielt.In a generic surgical assistance system, this task and the objectives of the invention are achieved according to the invention by the features of
Grundsätzlich sieht die Erfindung bei einem chirurgischen Assistenzsystem also eine Aufnahme eines (von außen nicht sichtbaren) intrakorporalen Bereichs sowie eine Aufnahme eines (von außen sichtbaren) extrakorporalen Bereichs vor. Die Aufnahme des intrakorporalen Bereichs wird dann, bedingt durch die spezielle Konfiguration der Steuereinheit, welche über die Lage des Aufnahmekopfs relativ zur Aufnahme des extrakorporalen Bereichs die intrakorporale Aufnahme in die extrakorporale Aufnahme einbindet, lagerichtig in der Aufnahme des extrakorporalen Bereichs angezeigt. Hierfür wird ein (von außen) sichtbarer Betätigungsabschnitt der bildgebenden Vorrichtung (im Raum) lageerfasst und über eine bestimmbare oder bekannte Relation von Betätigungsabschnitt zu Aufnahmekopf die zugehörige Lage (also Position und Orientierung) des (insbesondere von außen nicht sichtbaren) Aufnahmekopfs bestimmt. Anhand dieser Informationen wird die intrakorporale Aufnahme lagerichtig in der extrakorporalen Aufnahme dargestellt, wie sie durch die Erfassungsvorrichtung bzw. etwa die Kamera der Erfassungsvorrichtung gesehen würde. Mit anderen Worten wird die intrakorporale Aufnahme, insbesondere ein intrakorporales Bild, in der extrakorporalen Aufnahme an seiner tatsächlichen, aktuellen Position im 3-dimensionalen Raum angezeigt, wie sie die Erfassungsvorrichtung, insbesondere die Kamera, sieht.In principle, the invention thus provides for a surgical assistance system to record an intracorporeal region (not visible from the outside) and to record an extracorporeal region (visible from the outside). The recording of the intracorporeal area is then, due to the special configuration of the control unit, which depends on the position of the recording head relative to the recording of the extracorporeal area integrates the intracorporeal exposure into the extracorporeal exposure, displayed in the correct position in the exposure of the extracorporeal area. For this purpose, the position of an actuating section of the imaging device that is visible (from the outside) is detected (in space) and the associated position (i.e. position and orientation) of the imaging head (in particular not visible from the outside) is determined via a determinable or known relationship between the actuating section and the imaging head. Based on this information, the intracorporeal recording is displayed in the correct position in the extracorporeal recording, as would be seen by the detection device or, for example, the camera of the detection device. In other words, the intracorporeal recording, in particular an intracorporeal image, is displayed in the extracorporeal recording at its actual, current position in 3-dimensional space, as seen by the detection device, in particular the camera.
Erfindungsgemäß ist also eine Steuereinheit (ECU) / Berechnungseinheit / Computereinheit speziell dafür angepasst bzw. konfiguriert die extrakorporale Aufnahme der Erfassungsvorrichtung und die intrakorporale Aufnahme der bildgebenden Vorrichtung digital zu erfassen und zu verarbeiten. Die intrakorporale und/oder extrakorporale Aufnahme kann etwa als zeitaktuelle (Live-)Videoaufnahme digital bereitgestellt, erfasst und verarbeitet werden. Die Steuereinheit ist ferner dafür angepasst, durch den lageerfassten Betätigungsabschnitt in Kombination mit einer definierten Relation zu dem Aufnahmekopf eine Lage des Aufnahmekopfs und damit seines Sichtfeldes zu bestimmen und über diesen letztlich die Lage der intrakorporalen Aufnahme. Die Steuereinheit erzeugt auf Basis der durch die Steuereinheit bestimmten Lage des Aufnahmekopfs sowie der beiden extrakorporalen und intrakorporalen Aufnahmen eine Überlagerungsdarstellung der intrakorporalen Aufnahme auf oder in der extrakorporalen Aufnahme, bei der die intrakorporale Aufnahme positionskorrekt / positionsrichtig und/oder orientierungskorrekt / orientierungsrichtig und damit lagekorrekt / lagerichtig in der extrakorporalen Aufnahme dargestellt ist. Diese erzeugte Überlagerungsdarstellung wird schließlich durch die Darstellungsvorrichtung, etwa dem OP-Monitor, visuell auszugeben.According to the invention, a control unit (ECU)/calculation unit/computer unit is specially adapted or configured to digitally record and process the extracorporeal recording of the recording device and the intracorporeal recording of the imaging device. The intracorporeal and/or extracorporeal recording can be digitally provided, recorded and processed as a current (live) video recording. The control unit is also adapted to use the position-detected actuation section in combination with a defined relation to the recording head to determine a position of the recording head and thus its field of view, and ultimately the position of the intracorporeal recording via this. On the basis of the position of the recording head determined by the control unit and the two extracorporeal and intracorporeal recordings, the control unit generates an overlay display of the intracorporeal recording on or in the extracorporeal recording, in which the intracorporeal recording is in the correct position / in the correct position and/or in the correct orientation / in the correct orientation and therefore in the correct position / is shown in the correct position in the extracorporeal recording. This overlay display that is generated is finally output visually by the display device, for example the surgical monitor.
Dadurch also, dass die Erfassungsvorrichtung den sichtbaren Part der bildgebenden Vorrichtung, nämlich den Betätigungsabschnitt, der unweigerlich außerhalb des Körpers des Patienten liegt, lageerfasst, ist die Steuereinheit dafür angepasst, eine Lage des Betätigungsabschnitts relativ zu der Erfassungsvorrichtung bzw. einem Referenzkoordinatensystem der Erfassungsvorrichtung bestimmen. Über eine bekannte oder bestimmbare Relation des Betätigungsabschnitts zu dem Aufnahmekopf berechnet bzw. bestimmt die Steuereinheit aus der erfassten Lage des Betätigungsabschnitts die Lage des insbesondere nicht sichtbaren, im körperinneren angeordneten Aufnahmekopfs. Somit ist auch eine Lage des Aufnahmekopfs relativ zu dem Referenzkoordinatensystem (Referenz-KOS) bestimmt. Auf Basis dieser Lage mit einer Position im 3D-Raum und einer (intrakorporalen) Aufnahmerichtung (was ein Sichtfeld angibt) zusammen mit der extrakorporalen Aufnahme erzeugt die Steuereinheit dann die Überlagerungsdarstellung.Because the detection device detects the position of the visible part of the imaging device, namely the actuation section, which inevitably lies outside the patient's body, the control unit is adapted to determine a position of the actuation section relative to the detection device or a reference coordinate system of the detection device. The control unit uses a known or determinable relation of the actuating section to the recording head to calculate or determine the position of the recording head, which is in particular not visible and is arranged inside the body, from the detected position of the operating section. A position of the recording head relative to the reference coordinate system (reference KOS) is thus also determined. Based on this location with a position in 3D space and an (intracorporeal) recording direction (indicating a field of view) together with the extracorporeal recording, the control unit then generates the overlay representation.
Mittels des Assistenzsystems kann beispielsweise der Chirurg ein Betätigungsabschnitt und über diesen den Aufnahmekopf um eine Längsachse drehen, wobei in der Überlagerungsdarstellung weiterhin die korrekte Orientierung angezeigt wird. Dadurch also, dass etwa der Aufnahmekopf mit beispielsweise einer Kamera gedreht wurde, und damit notwendigerweise auch das durch die Kamera aufgenommene intrakorporale Bild, jedoch die Steuereinheit durch die Erkennung des Betätigungsabschnitts und einhergehend der Bestimmung der Lage des Aufnahmekopfs das Bild wieder „zurückdreht“, wird die intrakorporale Aufnahme stets lagekorrekt in der extrakorporalen Aufnahme angezeigt. Dies verhilft dem Chirurgen sich nur auf die Darstellungsvorrichtung zu konzentrieren und die Informationen dort direkt ohne Weiteres zu entnehmen ohne selbst eine gedankliche Verdrehung und Positionierung vornehmen zu müssen.By means of the assistance system, the surgeon can, for example, rotate an actuating section and, via this, the recording head, about a longitudinal axis, with the correct orientation still being displayed in the overlay display. The fact that the recording head was rotated with a camera, for example, and thus necessarily also the intracorporeal image recorded by the camera, but the control unit "rotates back" the image again by recognizing the actuating section and, as a result, determining the position of the recording head the intracorporeal image is always displayed in the correct position in the extracorporeal image. This helps the surgeon to concentrate only on the display device and to extract the information directly from there without having to perform any mental twisting and positioning.
Es wurde erkannt, dass das erfindungsgemäße chirurgische Assistenzsystem die Möglichkeit bietet, lagerichtig die Informationen darzustellen und zwar auf einer einzigen Darstellungsvorrichtung, wie etwa einen OP-Monitor, wodurch jeder (OP-)Beteiligte unabhängig von seinem räumlichen Vorstellungsvermögen eine bislang nicht erreichte Übersicht über das Operationsgeschehen erlangt. In der zentralen Überlagerungsdarstellung sind also die relevanten Informationen der intrakorporalen als auch der extrakorporalen Aufnahme sinnergebend miteinander kombiniert, so dass auf einen Blick die Aufnahmen in korrekter Relation zueinander visuell erfassbar sind.It was recognized that the surgical assistance system according to the invention offers the possibility of displaying the information in the correct position on a single display device, such as an operating room monitor, which means that everyone involved in the operation, regardless of their spatial imagination, has an overview of the operational events obtained. In the central overlay display, the relevant information from the intracorporeal as well as the extracorporeal recording is combined with one another in a meaningful way, so that the recordings can be visually recorded in the correct relation to one another at a glance.
Mit anderen Worten werden also grundsätzlich die beiden Aufnahmen, die extra- und intrakorporale Aufnahme, mit Bezug zueinander erfasst, insbesondere durch Erfassung der 3D-Geometrie des Betätigungsabschnitts und einer bekannten Transformation von dem Betätigungsabschnitt zu dem optischen Sichtfeld der medizinischen bildgebenden Vorrichtung. Die Steuereinrichtung ist dafür angepasst diese beiden in Bezug zueinander erfassten Aufnahmen zu überlagern und die intrakorporale lagekorrekt in der extrakorporalen Aufnahme darzustellen.In other words, the two recordings, the extracorporeal and intracorporeal recordings, are recorded in relation to one another, in particular by recording the 3D geometry of the operating section and a known transformation from the operating section to the optical field of view of the medical imaging device. The control device is adapted to superimpose these two recordings recorded in relation to one another and to display the intracorporeal recording in the correct position in the extracorporeal recording.
Hierdurch wird den OP-Beteiligten ein chirurgisches Assistenzsystem zur Verfügung gestellt, dass eine intuitive, unterstützende Verschmelzung von Informationen einer sichtbaren (Patienten-)Körperaufnahme und einer für das Auge so nicht sichtbaren, intrakorporalen Aufnahme bietet. Dieses Assistenzsystem verbessert eine Hand-Augen-Koordination eines Chirurgen und gewährleistet einen sicheren Zugang zum Operationsumfeld. Durch die schnelle Informationsbereitstellung kann eine Eingriffszeit weiter reduziert und eine Behandlungsfehlerquote weiter verringert werden. In this way, a surgical assistance system is made available to those involved in the operation, which offers an intuitive, supportive merging of information from a visible (patient) body image and an intracorporeal image that is not visible to the eye. This assistance system improves a surgeon's hand-eye coordination and ensures safe access to the surgical environment. Due to the rapid provision of information, an intervention time can be further reduced and a treatment error rate can be further reduced.
Auch kann durch das chirurgische Assistenzsystem ferner eine Lernkurve für chirurgische Eingriffe deutlich verbessert und zudem eine Akzeptanz für etwa minimalinvasive chirurgische Eingriffe erhöht werden.The surgical assistance system can also significantly improve a learning curve for surgical interventions and also increase acceptance for minimally invasive surgical interventions.
Der Begriff positionskorrekt definiert, dass die intrakorporale Aufnahme an der tatsächlichen, korrekten Position in der extrakorporalen Aufnahme in der Überlagerungsdarstellung wiedergegeben wird. In einem einfachsten Beispiel wäre dies, wenn etwa eine Kamera der Erfassungsvorrichtung senkrecht von oben auf einen liegenden Patienten gerichtet ist und die Körperanatomie als extrakorporale Aufnahme bereitstellt und ein (Video-)Aufnahmekopf eines videofähigen Endoskops ebenfalls an einer Stelle des Körpers des Patienten senkrecht von oben in den Patienten hinein gerichtet ist, dass exakt an der Position des Aufnahmekopfs das durch den Aufnahmekopf aufgenommene Videobild als intrakorporale Aufnahme eingeblendet und so überlagert ist. Wird nun unter Beibehaltung der Aufnahmerichtung der Aufnahmekopf gegenüber der Körperoberfläche bewegt, so bewegt sich positionskorrekt die intrakorporale Aufnahme zusammen mit dieser mit. Wird der Aufnahmekopf um die Achse der Aufnahmerichtung gedreht, so dreht sich bei nur positionskorrekter Darstellung das Bild (intrakorporale Aufnahme) entsprechend mit.The term positionally correct defines that the intracorporeal recording is reproduced at the actual, correct position in the extracorporeal recording in the overlay display. In the simplest example, this would be the case if a camera of the detection device is aimed vertically from above at a lying patient and provides the body anatomy as an extracorporeal recording and a (video) recording head of a video-capable endoscope also at a point on the patient's body vertically from above is directed into the patient that exactly at the position of the recording head the video image recorded by the recording head is superimposed as an intracorporeal recording and is thus superimposed. If the recording head is now moved relative to the body surface while maintaining the recording direction, the intracorporeal recording moves with it in the correct position. If the recording head is rotated around the axis of the recording direction, the image (intracorporeal recording) rotates accordingly if the display is only correct in terms of position.
Der Begriff orientierungskorrekt definiert, dass die intrakorporale Aufnahme in der tatsächlichen, korrekten Orientierung in der extrakorporalen Aufnahme in der Überlagerungsdarstellung wiedergegeben wird. In dem vorstehenden angeführten Beispiel mit parallelen Aufnahmerichtungen kann bei einer orientierungskorrekten Darstellung die Ultraschallsonde zwar physisch um ihre Aufnahmeachse gedreht werden und damit auch das aufgenommene Bild, die Orientierung des Aufnahmekopfs ändert sich jedoch, so dass für eine orientierungskorrekte Darstellung das aufgenommene Bild entgegen der Drehung zurückgedreht wird. So verbleibt die intrakorporale Aufnahme stets in der richtigen Orientierung relativ zu der extrakorporalen Aufnahme.The term orientation-correct defines that the intracorporeal recording is reproduced in the actual, correct orientation in the extracorporeal recording in the overlay display. In the example given above with parallel recording directions, the ultrasound probe can be physically rotated about its recording axis and thus also the recorded image for an orientation-correct display, but the orientation of the recording head changes, so that the recorded image is rotated back against the rotation for an orientation-correct display will. In this way, the intracorporeal recording always remains in the correct orientation relative to the extracorporeal recording.
Der Begriff lagekorrekt definiert die Kombination aus positionskorrekt und orientierungskorrekt, bei der die intrakorporale Aufnahme sowohl an der richtigen Position als auch in der richtigen Orientierung in der extrakorporalen Aufnahme angezeigt wird. Bei einer parallelen Ausrichtung der Aufnahmerichtungen der extrakorporalen Aufnahme und der intrakorporalen Aufnahme, wird die überlagerte intrakorporale Aufnahme mit gleichbleibenden Seitenverhältnissen wie in der tatsächlichen intrakorporalen Aufnahme dargestellt. Wird in diesem Beispiel nun die Aufnahmerichtung der intrakorporalen Aufnahme gegenüber der Aufnahmerichtung der extrakorporalen Aufnahme angewinkelt, so wird eine Erstreckung bzw. eine Dimension der Aufnahme der zugehörigen Richtung entsprechend dem Winkel gestaucht, bis bei einem 90° Winkel zwischen den beiden Aufnahmerichtungen nur noch eine eindimensionale Linie in der Überlagerungsdarstellung erzeugt wird.The term position-correct defines the combination of position-correct and orientation-correct, in which the intracorporeal recording is displayed in the correct position as well as in the correct orientation in the extracorporeal recording. With a parallel alignment of the recording directions of the extracorporeal recording and the intracorporeal recording, the superimposed intracorporeal recording is displayed with the same aspect ratios as in the actual intracorporeal recording. If, in this example, the recording direction of the intracorporeal recording is angled in relation to the recording direction of the extracorporeal recording, an extension or a dimension of the recording of the associated direction is compressed according to the angle, until at a 90° angle between the two recording directions there is only one one-dimensional line is created in the overlay plot.
Diese lagekorrekte Darstellung kann mit etwa einer Art digitalen, den Körper durchdringenden bzw. in diesen hineinschauenden Lupenfunktion verglichen werden, bei der jedoch das intrakorporale Ausgabebild durch die bildgebende medizinische Vorrichtung (live) bereitgestellt wird. Je nach Ausrichtung der Lupe wird dann die entsprechende Überlagerungsdarstellung angezeigt, wobei vorliegend die Lupe durch den Betätigungsabschnitt gesteuert bzw. bewegt würde. Dies hat den Vorteil, dass der OP-Beteiligte direkt die Aufnahmen des Köperinneren in der Aufnahme des Körperäußeren sieht aus der unmittelbar hervorgeht, wo sich die aufgenommenen Organe oder Gewebe (in der gezeigten Lage) im Körper befinden.This position-correct display can be compared to a type of digital magnifying glass function that penetrates the body or looks into it, but in which the intracorporeal output image is provided by the imaging medical device (live). Depending on the orientation of the magnifying glass, the corresponding overlay display is then displayed, with the magnifying glass being controlled or moved by the actuating section in the present case. This has the advantage that the person involved in the operation sees the recordings of the inside of the body directly in the recording of the outside of the body, from which it is immediately apparent where the recorded organs or tissue (in the position shown) are located in the body.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend erläutert.Advantageous designs are claimed in the dependent claims and are explained below.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, die lagekorrekte Darstellung der intrakorporalen Aufnahme in der extrakorporalen Aufnahme durch Methoden der erweiterten Realität (augmented reality, AR) zu erzeugen.In a preferred embodiment, the control unit can be adapted to generate the position-correct representation of the intracorporeal exposure in the extracorporeal exposure using augmented reality (AR) methods.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, die lagerichtige Darstellung der intrakorporalen Aufnahme in der extrakorporalen Aufnahme zu erzeugen, indem: die Erfassungsvorrichtung angepasst ist, die Position und Orientierung des Betätigungsabschnitts und damit eines lokales Koordinatensystems des Betätigungsabschnitts relativ zu einem Referenzkoordinatensystem der Erfassungsvorrichtung zu erfassen und der Steuereinheit in Form einer Koordinatentransformation bereitzustellen; eine bestimmbare oder vorbestimmte/bekannte Koordinatentransformation von dem Koordinatensystem des Betätigungsabschnitts zu dem Koordinatensystem des Aufnahmekopfs der Steuereinheit bereitzustellen oder in einer Speichereinheit der Steuereinheit zu hinterlegen; und die Steuereinheit angepasst ist, ausgehend von einem Referenzkoordinatensystem der Erfassungsvorrichtung über die erfasste Koordinatentransformation zu dem Betätigungsabschnitt und über die bestimmbare oder hinterlegte Koordinatentransformation zu dem Aufnahmekopf eine Position und eine Orientierung, des Aufnahmekopfs relativ zu dem Referenzkoordinatensystem zu bestimmen; die Erfassungsvorrichtung ferner dafür angepasst ist, die Position und Orientierung des Patienten und damit der extrakorporalen Aufnahme relativ zu dem Referenzkoordinatensystem zu erfassen und so eine relative Lage des Aufnahmekopfs und damit der intrakorporalen Aufnahme zu der extrakorporalen Aufnahme bestimmt; und die Steuereinheit angepasst ist, auf Basis der ermittelten relativen Lage des Aufnahmekopfs und damit der intrakorporalen Aufnahme zu der Lage der extrakorporalen Aufnahme eine Überlagerungsdarstellung zu erzeugen, in der die intrakorporale Aufnahme lagekorrekt in der extrakorporalen Aufnahme dargestellt ist.According to a further preferred embodiment, the control unit can be adapted to generate the correctly positioned representation of the intracorporeal exposure in the extracorporeal exposure by: adapting the detection device, the position and orientation of the operating section and thus a local coordinate system of the operating section relative to a reference coordinate system of the to detect the detection device and to provide it to the control unit in the form of a coordinate transformation; a determinable or predetermined/known coordinate transformation from the coordinate provide the system of the actuating section to the coordinate system of the recording head of the control unit or store it in a memory unit of the control unit; and the control unit is adapted, starting from a reference coordinate system of the detection device, to determine a position and an orientation of the recording head relative to the reference coordinate system via the recorded coordinate transformation to the actuating section and via the determinable or stored coordinate transformation to the recording head; the detection device is also adapted to detect the position and orientation of the patient and thus the extracorporeal exposure relative to the reference coordinate system and thus determine a relative position of the recording head and thus the intracorporeal exposure to the extracorporeal exposure; and the control unit is adapted to generate an overlay display based on the determined relative position of the recording head and thus the intracorporeal recording to the position of the extracorporeal recording, in which the intracorporeal recording is displayed in the correct position in the extracorporeal recording.
Insbesondere kann an der bestimmten Position des Aufnahmekopfs die intrakorporale Aufnahme orientierungskorrekt, senkrecht nach oben auf die Körperoberfläche projiziert und in der extrakorporalen Aufnahme überlagert werden.In particular, at the specific position of the recording head, the intracorporeal recording can be projected with the correct orientation, vertically upwards onto the body surface and superimposed in the extracorporeal recording.
Insbesondere kann die zumindest eine bildgebende medizinische Vorrichtung ein aufnahmefähiges Endoskop sein, insbesondere ein starres Videoendoskop. Ein starres Videoendoskop hat den Vorteil, dass eine geometrische Beziehung zwischen dem Handstück als Betätigungsabschnitt und dem frontseitigen Aufnahmekopf stets gleichbleibt und bekannt ist. Bei einer vorbekannten Geometrie des Handstücks, welches insbesondere nicht achsensymmetrisch ist, um auch eine Drehung um eine Aufnahmerichtung zu erfassen, kann somit mittels einer hinterlegten (statischen) Koordinatentransformation stets von dem lokalen Koordinatensystem des Betätigungsabschnitts auf das Koordinatensystem des Aufnahmekopfs und damit dessen Lage geschlossen bzw. bestimmt werden. Ausgehend von der Lage des Aufnahmekopfs mit zugehörigem Sichtfeld kann dann auf die Lage der intrakorporalen Aufnahme geschlossen werden. Insbesondere kann bei einem starren Videoendoskop ein Abstand von Aufnahmekopf zu der Aufnahme als gering angesehen werden, so dass dieser vernachlässigbar ist. Alternativ kann auch ein Abstand zu der intrakorporalen Aufnahme über den Aufnahmekopf bestimmt und entsprechend bei einer Transformation von Aufnahmekopf zu Aufnahme berücksichtiget werden. Wichtig ist insbesondere, dass die Orientierung des Aufnahmekopfs der Orientierung der Aufnahme entspricht, das heißt mit Drehung des Aufnahmekopfs dreht sich auch die intrakorporale Aufnahme. In einer Ausführungsform kann das Videoendoskop ein Stereokamerasystem aufweisen, um eine intrakorporale 3D-Aufnahme zu erstellen. Insbesondere liefert das Videoendoskop eine runde intrakorporale Aufnahme, welche entsprechend lagekorrekt in der Überlagerungsdarstellung angezeigt wird, etwa als Kreis oder als Ellipse. Alternativ oder zusätzlich kann die bildgebende Vorrichtung ein Mikroskop und/oder ein Ultraschallgerät sein. Alle medizinischen Geräte haben gemeinsam, dass sie (zumindest zweidimensionale) Aufnahmen aus dem Körperinneren erzeugen können, die für das Auge eines Operateurs so nicht sichtbar sind. Insbesondere liefern diese medizinischen bildgebenden Vorrichtungen reale digitale Aufnahmen, die computergestützt einfach manipulierbar und aufbereitbar sind.In particular, the at least one imaging medical device can be a receptive endoscope, in particular a rigid video endoscope. A rigid video endoscope has the advantage that a geometric relationship between the handpiece as the operating section and the recording head on the front always remains the same and is known. With a previously known geometry of the handpiece, which in particular is not axisymmetric in order to also detect a rotation about a recording direction, a stored (static) coordinate transformation can always be used to deduce or calculate the coordinate system of the recording head and thus its position from the local coordinate system of the actuating section . Based on the position of the recording head with the associated field of view, the position of the intracorporeal recording can then be inferred. In particular, in the case of a rigid video endoscope, a distance from the recording head to the recording can be regarded as small, so that this is negligible. Alternatively, a distance from the intracorporeal recording can also be determined via the recording head and correspondingly taken into account in a transformation from recording head to recording. It is particularly important that the orientation of the recording head corresponds to the orientation of the recording, ie the intracorporeal recording also rotates when the recording head is rotated. In one embodiment, the video endoscope can have a stereo camera system in order to create an intracorporeal 3D image. In particular, the video endoscope provides a round intracorporeal recording, which is displayed in the correct position in the overlay display, for example as a circle or as an ellipse. Alternatively or additionally, the imaging device can be a microscope and/or an ultrasound device. All medical devices have in common that they can produce (at least two-dimensional) images from inside the body that are not visible to the surgeon's eye. In particular, these medical imaging devices provide real digital recordings that can be easily manipulated and processed with computer support.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Erfassungsvorrichtung eine OP-Leuchte mit zentral eingebauter Kamera aufweisen und/oder eine separat an einem Ständer oder Ausleger angebrachte Kamera aufweisen, wobei die Kamera das Referenzkoordinatensystem der Erfassungsvorrichtung bildet. Eine OP-Leuchte ist in Sterilräumen, insbesondere in Operationsräumen / Operationssälen vorhanden und wird stets auf den chirurgischen Eingriffsbereich gerichtet, um diesen auszuleuchten. Wird nun zentral eine Kamera, wie eine 2D Kamera oder eine 3D-Stereokamera eingesetzt so ist die Aufnahmerichtung ebenfalls auf den chirurgischen Eingriffsbereich mit gutem Sichtfeld gerichtet. Zudem kann die OP-Leuchte zusammen mit der Kamera einfach verschoben und neu angeordnet werden, um ein neues Sichtfeld bzw. eine weitere, neue extrakorporale Aufnahme aus unterschiedlicher Perspektive bereitzustellen. Eine Integration in bestehende OP-Systeme ist besonders einfach und günstig. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kamera an einem Ausleger oder an einem Ständer angebracht und insbesondere eine Aufnahmerichtung verstellbar sein.In a further preferred embodiment, the detection device can have an operating room light with a centrally built-in camera and/or have a camera attached separately to a stand or arm, the camera forming the reference coordinate system of the detection device. A surgical light is present in sterile rooms, in particular in operating rooms/operating theaters, and is always aimed at the surgical intervention area in order to illuminate it. If a camera, such as a 2D camera or a 3D stereo camera, is now used centrally, the recording direction is also directed towards the surgical intervention area with a good field of view. In addition, the surgical light can be easily moved and rearranged together with the camera to provide a new field of view or another, new extracorporeal image from different perspectives. Integration into existing OR systems is particularly easy and inexpensive. Alternatively or additionally, a camera can be attached to an extension arm or to a stand and, in particular, a recording direction can be adjustable.
Vorteilhafterweise kann in der Speichereinheit der Steuereinheit eine Geometrie des Betätigungsabschnitts hinterlegt sein, so dass mittels einer üblichen (2D-)Kamera der Erfassungsvorrichtung mit etwa einem CMOS Sensor und einem Auswerteverfahren eines maschinellen Sehens (machine vision), über den mit der Kamera erfassten Betätigungsabschnitt zusammen mit der hinterlegten Geometrie des Betätigungsabschnitts die Lage des Betätigungsabschnitts durch die Erfassungsvorrichtung erfassbar ist. Auf diese Weise kann eine Rekonstruktion des Betätigungsabschnitts von 2D auf 3D vorgenommen werden um letztlich dessen Lage im Raum relativ zu dem Referenzkoordinatensystem zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungsvorrichtung auch eine 3D-Kamera etwa, eine Stereokamera, für die räumliche Erfassung des Betätigungsabschnitts aufweisen, die durch die Steuereinheit verarbeitet und interpretiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungsvorrichtung eine Infrarotkamera (mit Infrarotsender und Infrarotempfänger) aufweisen, um eine dreidimensionale Erfassung des Betätigungsabschnitts durchzuführen oder zumindest zu unterstützen.Advantageously, a geometry of the actuating section can be stored in the memory unit of the control unit, so that using a standard (2D) camera of the detection device with a CMOS sensor and an evaluation method of machine vision (machine vision), for example, via the actuating section detected by the camera with the stored geometry of the actuating section, the position of the actuating section can be detected by the detection device. In this way, the operating section can be reconstructed from 2D to 3D in order to ultimately determine its position in space relative to the reference coordinate system. Alternatively or additionally, the detection device can also be a 3D camera, for example a stereo camera, for the spatial detection of the operating portion, which are processed and interpreted by the control unit. Alternatively or additionally, the detection device can have an infrared camera (with infrared transmitter and infrared receiver) in order to carry out or at least support a three-dimensional detection of the actuating section.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit ferner dazu angepasst sein, in der Überlagerungsdarstellung vordefinierte, insbesondere in der Speichereinheit hinterlegte, für einen gegebenen chirurgischen Eingriff (standardisierte) Schnittpunkte oder Schnittlinien zu erzeugen und darzustellen. Somit wird zusätzlich zu den zwei unterschiedlichen realen Aufnahmen dem Chirurgen eine virtuelle Hilfestellung gegeben, um etwa Eintrittspunkte für Endoskope zu definieren oder Schnitte durchzuführen.In a preferred embodiment, the control unit can also be adapted to generate and display in the overlay display predefined (standardized) intersection points or intersection lines, in particular those stored in the memory unit, for a given surgical intervention. Thus, in addition to the two different real recordings, the surgeon is given virtual assistance, for example in order to define entry points for endoscopes or to carry out incisions.
Besonders bevorzugt kann das chirurgische Assistenzsystem kombiniert in einem einzigen, vorzugsweise portablen, Assistenzmodul ausgebildet sein, so dass es je nach Bedarfsfall an unterschiedlichen Orten und in der Nähe von unterschiedlichen OP-Tischen positioniert werden kann. Vorzugsweise weist das Assistenzsystem eine eigene Energiequelle auf um autark zu agieren.Particularly preferably, the surgical assistance system can be combined in a single, preferably portable, assistance module, so that it can be positioned at different locations and in the vicinity of different operating tables as required. The assistance system preferably has its own energy source in order to act autonomously.
Insbesondere kann das chirurgische Assistenzsystem eine Schnittstelle aufweisen, um mit zumindest einem weiteren medizintechnischen Gerät zu kommunizieren. Vorzugsweise können in der Speichereinheit anatomische Daten des Patienten hinterlegt sein oder über die Schnittstelle anatomische Daten, etwa einer vorangegangenen Röntgenaufnahme, bereitgestellt und in der Überlagerungsdarstellung mit eingebunden werden. So können die beiden Aufnahmen zusätzlich noch mit anatomischen Daten des Patienten verbunden werden.In particular, the surgical assistance system can have an interface in order to communicate with at least one other medical device. Anatomical data of the patient can preferably be stored in the memory unit or anatomical data, for example from a previous X-ray exposure, can be provided via the interface and included in the overlay display. In this way, the two recordings can also be linked to the patient's anatomical data.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, einen für den Chirurgen oder OP-Beteiligten nicht sichtbaren, intrakorporalen Teil / Abschnitt der bildgebenden Vorrichtung, insbesondere einen innenliegenden, starren Endoskopschaft des Videoendoskops, in der Überlagerungsdarstellung mit anzuzeigen, um dem Operateur die Spitze des Endoskops in der Darstellungsvorrichtung anzugeben. Bei dem starren Videoendoskop beispielsweise ist die Geometrie des Betätigungsabschnitts bis hin zum Aufnahmekopf bekannt. Diese Geometrie kann in der Speichereinheit hinterlegt sein, so dass ausgehend von dem sichtbaren Betätigungsabschnitt der nicht sichtbare, aber bekannte Endoskopschaft mit Aufnahmekopf digital überlagert wird.According to one aspect of the invention, the control unit can be adapted to display an intracorporeal part / section of the imaging device that is not visible to the surgeon or the surgical participant, in particular an internal, rigid endoscope shaft of the video endoscope, in the overlay display in order to show the surgeon the Specify tip of the endoscope in the display device. In the case of the rigid video endoscope, for example, the geometry of the operating section up to the recording head is known. This geometry can be stored in the storage unit so that, starting from the visible operating section, the invisible but known endoscope shaft with recording head is digitally superimposed.
Vorzugsweise kann die Erfassungsvorrichtung eine Vielzahl an Kameras aufweisen, um Ansichten aus unterschiedlichen Positionen und Perspektiven bereitzustellen. Ein Chirurg kann dann entsprechend seinen Anforderungen die jeweils beste Ansicht auswählen, die dann als Überlagerungsdarstellung mit der durch die Steuereinheit berechneten lagekorrekten intrakorporalen Aufnahme(n) durch die die Darstellungsvorrichtung ausgegeben wird.The detection device can preferably have a plurality of cameras in order to provide views from different positions and perspectives. Depending on his requirements, a surgeon can then select the best view in each case, which is then output by the display device as a superimposition display with the positionally correct intracorporeal recording(s) calculated by the control unit.
Vorteilhafterweise kann das chirurgische Assistenzsystem zumindest zwei (eine Vielzahl an) bildgebenden Vorrichtungen aufweisen, insbesondere zumindest zwei Endoskope, um in der Überlagerungsdarstellung zumindest zwei intrakorporale Aufnahmen zu erzeugen und entsprechend darzustellen. Insbesondere können sich die intrakorporalen Aufnahmen sogar überschneiden und/oder überlagern, so dass ein zusammenhängender intrakorporaler Abschnitt dargestellt werden kann.Advantageously, the surgical assistance system can have at least two (a large number of) imaging devices, in particular at least two endoscopes, in order to generate at least two intracorporeal recordings in the superimposition display and display them accordingly. In particular, the intracorporeal recordings can even overlap and/or superimpose one another, so that a coherent intracorporeal section can be displayed.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Betätigungsabschnitt optische Marker / Landmarken aufweisen, um eine Erfassung bzw. Detektion seiner Lage im Raum weiter zu verbessern und in das Assistenzsystem mit einzubinden. Optional können an dem Patienten ebenfalls anatomische Landmarken angeordnet werden, um eine Position und Lage des Patienten noch besser zu erfassen. Zusätzlich kann auch ein Instrument mit Landmarken versehen sein, um eine Berechnung der Überlagerungsdarstellung weiter zu verbessern.According to a further aspect of the invention, the actuating section can have optical markers/landmarks in order to further improve the detection or detection of its position in space and to integrate it into the assistance system. Optionally, anatomical landmarks can also be arranged on the patient in order to better detect the position and location of the patient. In addition, an instrument can also be provided with landmarks in order to further improve calculation of the overlay representation.
Gemäß einer Ausführungsform kann das chirurgische Assistenzsystem dafür angepasst sein, eine Ausrichtung des Betätigungsabschnitts zu erfassen, um hierüber indirekt eine Ausrichtung einer Perspektive des Chirurgen zu erfassen.According to one embodiment, the surgical assistance system can be adapted to detect an orientation of the operating section in order to indirectly detect an orientation of a perspective of the surgeon.
Insbesondere kann mittels der Erfassungsvorrichtung der Patient im Raum dreidimensional erfasst werden, und für lagerichtige Darstellung vorzugsweise die intrakorporale Aufnahme senkrecht auf die Körperoberfläche mathematisch projiziert werden.In particular, the patient can be three-dimensionally recorded in space by means of the recording device, and the intracorporeal recording can preferably be mathematically projected perpendicularly onto the body surface for the correct position.
Insbesondere ist die medizinische bildgebende Vorrichtung dafür angepasst eine 3-Dimensionale intrakorporale Aufnahme zu erstellen, so dass sowohl die intrakorporale Aufnahme als auch die extrakorporale Aufnahme als 3-Dimensionale Aufnahme vorliegen. Die Steuereinheit ist dafür angepasst, auf Basis dieser 3-Dimensionalen Aufnahmen zusammen mit der bestimmten Lage des Aufnahmekopfes die lagekorrekte Darstellung der intrakorporalen Aufnahme in der extrakorporalen Aufnahme erzeugen. So wird eine Überlagerungsdarstellung noch genauer.In particular, the medical imaging device is adapted to create a 3-dimensional intracorporeal image, so that both the intracorporeal image and the extracorporeal image are available as a 3-dimensional image. The control unit is adapted to generate the position-correct display of the intracorporeal image in the extracorporeal image on the basis of these 3-dimensional images together with the determined position of the image-taking head. In this way, an overlay display becomes even more precise.
Mit anderen Worten kann also insbesondere ein OP-Monitor, der an einer Wand des Operationsraums oder an einem Ständer montiert ist, dazu verwendet werden, die extrakorporale Aufnahme mit der Anatomie des Patienten anzuzeigen. Auf bzw. über diese extrakorporale Aufnahme wird dann die intrakorporale Aufnahme, wie etwa ein (Live-)Bild, aus dem körperinneren gelegt oder überlagert, insbesondere durch Methoden der erweiterten Realität (augmented reality). Die intrakorporale Aufnahme wird also gegenüber der extrakorporalen Aufnahme in ihrer 3D-Position angezeigt, wie durch die Erfassungsvorrichtung erfasst.In other words, an operating theater monitor that is mounted on a wall of the operating room or on a stand can be used to display the extracorporeal recording with the patient's anatomy. The intracorporeal recording, such as a (live) image from the inside of the body, is then placed or superimposed on or over this extracorporeal recording, in particular using augmented reality methods. The intracorporeal exposure is thus displayed in its 3D position relative to the extracorporeal exposure, as detected by the detection device.
Hinsichtlich eines gattungsgemäßen Aufnahmedarstellungsverfahren zur zentralen Darstellung von zwei unterschiedlichen Aufnahmen werden die Aufgaben und Ziele der Erfindung durch die Schritte gelöst: Erstellen einer intrakorporalen Aufnahme durch zumindest eine medizinische bildgebende Vorrichtung, Erfassen eines chirurgischen Eingriffsbereichs und eines Betätigungsabschnitts der bildgebenden Vorrichtung und Erstellen einer extrakorporalen Aufnahme durch eine Erfassungsvorrichtung, bestimmen der Lage des Aufnahmekopfs mit Hilfe des erfassten Betätigungsabschnitts in Kombination mit einer definierten (geometrischen) Relation zu dem Aufnahmekopf, Erzeugen einer Überlagerungsdarstellung der intrakorporalen Aufnahme auf der extrakorporalen Aufnahme, wobei auf Basis der Lage des Aufnahmekopfs die intrakorporale Aufnahme lagerichtig in der extrakorporalen Aufnahme dargestellt ist, und Ausgeben der Überlagerungsdarstellung durch die Darstellungsvorrichtung. Durch dieses Darstellungsverfahren kann aus zwei Aufnahmen eine verschmolzene zentrale Aufnahme erstellt und ausgegeben werden, welche OP-Beteiligten eine nicht dagewesene Übersicht bieten.With regard to a generic recording display method for the central display of two different recordings, the objects and objectives of the invention are achieved by the steps: creating an intracorporeal recording by at least one medical imaging device, detecting a surgical intervention area and an operating section of the imaging device and creating an extracorporeal recording a detection device, determining the position of the recording head with the aid of the detected actuating section in combination with a defined (geometric) relation to the recording head, generating a superimposed representation of the intracorporeal recording on the extracorporeal recording, the intracorporeal recording being correctly positioned on the basis of the position of the recording head in the extracorporeal recording is shown, and outputting the overlay display by the display device. With this display method, a merged central recording can be created and output from two recordings, which offer those involved in the surgery an unprecedented overview.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sich sowohl auf das erfindungsgemäße chirurgische Assistenzsystem als auch umgekehrt übertragen lassen.At this point it is pointed out that features of the method according to the invention can be transferred both to the surgical assistance system according to the invention and vice versa.
Hinsichtlich eines gattungsgemäßen elektronischen Speichermediums wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass auf dem Speichermedium die Schritte des erfindungsgemäßen Darstellungsverfahrens abgespeichert sind.With regard to a generic electronic storage medium, the object of the invention is achieved in that the steps of the display method according to the invention are stored on the storage medium.
Hinsichtlich eines gattungsgemäßen Sterilraums wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass der medizinische Sterilraum ein erfindungsgemäßes chirurgisches Assistenzsystem aufweist.With regard to a generic sterile room, the object of the invention is achieved in that the medical sterile room has a surgical assistance system according to the invention.
Figurenlistecharacter list
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Hilfe der begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen chirurgischen Assistenzsystems einer ersten bevorzugten Ausführungsform, -
2 in einer schematischen perspektivischen Ansichtdas Videoendoskop aus 1 , -
3 eine detaillierte Ansicht der Ausgabe über einen OP-Monitor der 1 , -
4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen chirurgischen Assistenzsystems einer weiteren, zweiten bevorzugten Ausführungsform, und -
5 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Darstellungsverfahrens einer bevorzugten Ausführungsform.
-
1 a schematic view of a surgical assistance system according to the invention of a first preferred embodiment, -
2 shows the video endoscope in aschematic perspective view 1 , -
3 a detailed view of the output via asurgical monitor 1 , -
4 a perspective view of a surgical assistance system according to the invention of a further, second preferred embodiment, and -
5 a flowchart of a presentation method according to the invention of a preferred embodiment.
Die Figuren sind schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Erfindung dienen. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.The figures are schematic in nature and are only intended to help understand the invention. Identical elements are provided with the same reference symbols. The features of the various embodiments are interchangeable.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments
Ein starres Videoendoskop 2 (nachstehend nur Endoskop genannt) mit einem Handstück / Handgriff 3 und einem beabstandeten, frontseitigen Aufnahmekopf / Videokopf 4 steht dafür endoskopschaftseitig in das Körperinnere des Patienten P hinein. Der Aufnahmekopf 4 weist für eine Visualisierung eine Endoskop-Videokamera (hier nicht dargestellt) auf, welche in Richtung einer Längsachse des Endoskops 2 stirnseitig mittels eines CMOS-Sensors eine zweidimensionale intrakorporale Aufnahme IA des Körperinneren des Patienten P als zeitaktuelle (Live-Video-)Aufnahme erstellt und digital bereitstellt. Das Handstück 3 zum manuellen Ergreifen und Handhaben durch einen Chirurgen (in
Für eine datentechnische und visuelle Erfassung des Operationsgeschehens außerhalb des Körpers des Patienten P weist das Assistenzsystem 1 ferner eine Erfassungsvorrichtung 5 auf, die in dieser Ausführungsform eine mittig in einer OP-Leuchte 10 und parallel zur Strahlrichtung angeordnete Kamera 6 hat, die sowohl den chirurgischen Eingriffsbereich des Patienten P als auch das Handstück 3 des Endoskops 2 optisch mittels eines CMOS-Sensors erfasst und ebenfalls als zweidimensionale extrakorporale Aufnahme EA in Form einer zeitaktuellen (Live-Video)-Aufnahme (als optisches digitales Bild) erstellt und digital bereitstellt. Neben der extrakorporalen Aufnahme EA wird durch die Kamera 6 mithilfe einer Auswertungsmethode eines maschinellen Sehens auch die geometrische Lage des Handstücks 3 relativ zu der Kamera 6 erfasst.The
Zur Erfassung, Verarbeitung, Berechnung auf Basis dieser erstellten Aufnahmen sowie des erfassten Handstücks 3 und zur Steuerung weist das Assistenzsystem 1 eine spezielle elektronische Steuereinheit 8 (ECU) auf, die gegenüber dem Stand der Technik besonders konfiguriert ist. Konkret ist die Steuereinheit 8 dafür angepasst, die bereitgestellten (digitalen) Daten der intrakorporalen Aufnahme IA und der extrakorporalen Aufnahme EA zu empfangen, also die beiden „Video-Live-Übertragungen“ als auch die durch die Erfassungsvorrichtung 5 erfasste Lage des Betätigungsabschnitts 3 digital, datentechnisch einzubeziehen. In einer Speichereinheit 9 der Steuereinheit 8 ist zudem eine definierte geometrische Relation von dem Handgriff 3 zu dem Aufnahmekopf 4 in Form einer (fixen) Koordinatentransformation hinterlegt, da sich die geometrische Anordnung der beiden Abschnitte relativ zueinander nicht ändert. Anhand dieser Daten ist die Steuereinheit 8 in der Lage, wie nachstehend erläutert, eine intelligente Verschmelzung der intrakorporalen Aufnahme und der extrakorporalen Aufnahme durchzuführen und eine Überlagerungsdarstellung U zu erzeugen, in welcher die intrakorporale Aufnahme IA des Endoskops lagekorrekt in der extrakorporalen Aufnahme EA dargestellt ist.The
Dafür wird durch die Steuereinheit 8 zunächst die (geometrische) Lage der intrakorporalen Aufnahme IA bestimmt. Das Handstück 3 des Endoskops 2 hat ein (zuvor) definiertes lokales Handstück-Koordinatensystem 11 (nachfolgend H-Koordinatensystem genannt), wobei über die in der Speichereinheit 9 hinterlegte Koordinatentransformation ausgehend von dem Handgriff 3 ein lokales Aufnahmekopf-Koordinatensystem 12 (nachfolgend AK-Koordinatensystem genannt) bestimmbar ist. Anders ausgedrückt weist das Endoskop 2 ein lokales H-Koordinatensystem 11 am Handstück 3 und ein AK-Koordinatensystem 12 an der Spitze des Endoskops 2 am Aufnahmekopf auf, wobei eine Relation zueinander über eine Koordinatentransformation eineindeutig vorgegeben ist. Die Steuereinheit 8 kann über die erfasste Lage des Handstücks 3 zusammen mit der Koordinatentransformation die Lage des Aufnahmekopfs 4 bestimmen. Da die intrakorporale Aufnahme IA im Bereich der Spitze und frontal des Endoskops 2 in Längsachsenrichtung des Endoskops 2 erstellt wird und ein Abstand zwischen dem Aufnahmekopf 4 und der intrakorporalen Aufnahme IA vernachlässigbar ist, kann angenommen bzw. angenähert werden, dass die Lage des AK-Koordinatensystems 12 der Lage der intrakorporalen Aufnahme IA entspricht. Über diese Transformationskette kann die Steuereinheit 8 die Lage, also die Position und die Orientierung der intrakorporalen Aufnahme IA relativ zu einem Referenzkoordinatensystem 13 der Erfassungsvorrichtung 5, hier in der Kamera 6 liegend, bestimmen.For this purpose, the (geometric) position of the intracorporeal exposure IA is first determined by the control unit 8 . The
Auf Basis der (Information der) Lage des Aufnahmekopfs 4 und damit der intrakorporalen Aufnahme IA erzeugt die Steuereinheit 8 dann die Überlagerungsdarstellung U, in welcher die intrakorporale Aufnahme IA des Endoskops lagekorrekt in der extrakorporalen Aufnahme EA dargestellt ist. Diese Überlagerungsdarstellung wird schließlich durch einen OP-Monitor 7, welchen der Chirurg gut überblicken kann, angezeigt.Based on the (information on) the position of the
Durch das vorliegende chirurgische Assistenzsystem 1 wird dem Chirurgen also zentral in einem einzigen Bild bzw. einer einzigen Aufnahme, die Aufnahme aus dem Inneren des Patienten lagekorrekt in der Aufnahme der äußeren Anatomie des Patienten angezeigt, so dass der Chirurg einfach und intuitiv erfassen kann, an welcher Stelle mit welcher Orientierung das angezeigte innere Gewebe im Köper ist. Durch das Assistenzsystem 1 wird eine Art Durchblickfunktion oder digitale Lupenfunktion durch eine Oberfläche des Körpers hindurch bereitgestellt, wobei als Bild der Lupe die tatsächliche intrakorporale Aufnahme IA verwendet wird. Hierdurch wird allen OP-Beteiligten eine bislang nicht erreichte Übersicht über das Operationsgeschehen bereitgestellt. Insbesondere wird eine Navigation des Endoskops 2 vereinfacht und Anforderungen an zusätzliche gedankliche Leistungen des Chirurgen minimiert, da der Chirurg intuitiv bildgebende Vorrichtungen navigieren kann.The present
Die Bestimmung der lagekorrekten Darstellung der Intrakorporalen Aufnahme IA in bzw. auf der extrakorporalen Aufnahme EA wird nachstehend unter Bezugnahme der
- Referenzkoordinatensystem 13 - Handstück-Koordinatensystem 11 - Aufnahmekopf-Koordinatensystem 12 - Intrakorporales Aufnahme-
Koordinatensystem 14, - wobei in der vorliegenden Ausführungsform das IA-
Koordinatensystem 14 mit dem AK-Koordinatensystem 12 gleichgesetzt wird. Alternativ kann natürlich auch ein Abstand zu einem Gewebe erfasst und entsprechend in die Berechnung mit eingebunden werden. Weiter alternativ kann auch ein fixer Abstandswert festgesetzt und als Koordinatentransformation berücksichtigt werden. Insbesondere kann auch die 3D-Struktur der intrakorporalen Aufnahme erfasst und bei einer Erzeugung der Überlagerungsdarstellung verarbeitet und berücksichtigt werden.
- Reference coordinate system 13 - handpiece coordinate system 11 - recording head coordinate system 12 - intracorporeal recording coordinate
system 14, - in the present embodiment, the IA coordinate
system 14 is equated with the AK coordinatesystem 12. Alternatively, of course, a distance to a tissue can also be recorded and included in the calculation accordingly. As a further alternative, a fixed distance value can also be established and taken into account as a coordinate transformation. In particular, the 3D structure of the intracorporeal recording can also be recorded and processed and taken into account when generating the overlay display.
Da die Erfassungsvorrichtung 5 die Lage des Handstücks 3 von außen her erfasst, kann hierdurch eindeutig die Lage der intrakorporalen Aufnahme IA bestimmt werden. Auf diese Weise kann eine relative Lage der intrakorporalen Aufnahme IA zu der extrakorporalen Aufnahme EA im Raum bestimmt werden. Über geeignete Bild-Transformationen von 3D in 2D (mit einhergehendem Verlust einer Raumdimension) mittels der Informationen der relativen Lage der intrakorporalen Aufnahme IA zu der extrakorporalen Aufnahme EA dann die lagekorrekte Darstellung der intrakorporalen Aufnahme in der Überlagerungsdarstellung U erzeugt werden. Hierfür können etwa geeignete mathematische (algebraische) oder informationstechnische Projektionsmethoden zur Erzeugung der Überlagerungsdarstellung U verwendet werden. Insbesondere wird auch der Körper des Patienten 3-Dimensional durch die Erfassungsvorrichtung 5 erfasst und bei einer Verarbeitung durch die Steuereinheit bei der Erzeugung der Überlagerungsdarstellung U entsprechend berücksichtigt. Insbesondere können sowohl die intrakorporale Aufnahme IA als auch die extrakorporale Aufnahme EA als 3-Dimensionale Aufnahme vorliegen und die Steuereinheit 8 auf Basis dieser Aufnahmen die lagekorrekte Darstellung der intrakorporalen Aufnahme IA in der extrakorporalen Aufnahme erzeugen. So wird eine Überlagerungsdarstellung U noch genauer.Since the
Für die Berücksichtigung der Neigung ist die Steuereinheit 8 angepasst, einen internen Algorithmus ablaufen zu lassen. Die Steuereinheit 8 positioniert zunächst die intrakorporale Aufnahme IA positionskorrekt an der Spitze des Endoskops 2 in der extrakorporalen Aufnahme EA. Auch wird durch die Steuereinheit 8 aufgrund der bestimmten Lage des Aufnahmekopfs 4 eine korrekte „Drehung“ der intrakorporalen Aufnahme IA durchgeführt und in der Überlagerungsdarstellung U wiedergegeben. Um jedoch eine „Verzerrung“ der intrakorporalen Aufnahme IA gegenüber der extrakorporalen Aufnahme EA auszugleichen, welche bei einer kreisförmigen Darstellung gleich der tatsächlichen Aufnahme entstehen würde, muss zudem eine Dimension gestaucht werden, in der Überlagerungsdarstellung die Dimension in die Aufnahmerichtung des Endoskops 2. In
Durch die Drehung und Stauchung ist die intrakorporale Aufnahme IA orientierungskorrekt dargestellt. Folglich ist die intrakorporale Aufnahme IA positionskorrekt und orientierungskorrekt und damit lagekorrekt in der extrakorporalen Aufnahme EA dargestellt. Zudem wird der nicht sichtbarer Endoskopschaft virtuell in der Überlagerungsdarstellung U mit eingeblendet, so dass dem Chirurgen eine noch bessere Übersicht bereitgestellt wird.Due to the rotation and compression, the intracorporeal exposure IA is displayed with the correct orientation. Consequently, the intracorporeal exposure IA is shown in the correct position and orientation and thus in the correct position in the extracorporeal exposure EA. In addition, the non-visible endoscope shaft is superimposed virtually in the overlay representation U, so that the surgeon is provided with an even better overview.
Das Prinzip des chirurgischen Assistenzsystems 1 ist das Gleiche wie vorstehend zu
In der zweiten Ausführungsform ist das Assistenzsystem als mobiles Assistenzsystem 1 ausgeführt, so dass es je nach Bedarfsfall an unterschiedlichen Orten und in der Nähe von unterschiedlichen OP-Tischen positioniert werden kann.In the second embodiment, the assistance system is designed as a
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- chirurgisches Assistenzsystemsurgical assistance system
- 22
- starres Videoendoskoprigid video endoscope
- 33
- Handstückhandpiece
- 44
- Aufnahmekopfrecording head
- 55
- Erfassungsvorrichtungdetection device
- 66
- Kameracamera
- 77
- OP-Monitorsurgical monitor
- 88th
- Steuereinheitcontrol unit
- 99
- Speichereinheitstorage unit
- 1010
- OP-Leuchtesurgical light
- 1111
- Handstück-KoordinatensystemHandpiece coordinate system
- 1212
- Aufnahmekopf-KoordinatensystemRecording head coordinate system
- 1313
- Referenzkoordinatensystemreference coordinate system
- 1414
- Intrakorporale Aufnahme-KoordinatensystemIntracorporeal recording coordinate system
- 1515
- Extrakorporale Aufnahme-KoordinatensystemExtracorporeal recording coordinate system
- 1616
- Ultraschallgerätultrasonic device
- 1717
- Chirurgisches MikroskopSurgical Microscope
- 1818
- Greifstück UltraschallsondeGripper part ultrasonic probe
- 1919
- (Mikroskop-)Griff(Microscope) handle
- 100100
- Operationssaal operating room
- S1S1
- Schritt Erstellen intrakorporale AufnahmeStep Create intracorporeal exposure
- S2S2
- Schritt Erfassen und Erstellen extrakorporale AufnahmeStep Capture and create extracorporeal recording
- S3S3
- Schritt Bestimmen der Lage des AufnahmekopfsStep Determining the position of the recording head
- S4S4
- Schritt Erzeugen ÜberlagerungsdarstellungCreate Overlay Plot step
- S5S5
- Schritt Ausgabe Überlagerungsdarstellung Step Output Overlay Plot
- PP
- Patientpatient
- IAi.a
- Intrakorporale AufnahmeIntracorporeal recording
- EAEA
- Extrakorporale AufnahmeExtracorporeal recording
- Uu
- Überlagerungsdarstellungoverlay display
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- 2021-09-27 WO PCT/EP2021/076484 patent/WO2022073784A1/en active Application Filing
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