DE102021117004A1

DE102021117004A1 - Chirurgisches Assistenzsystem mit verbesserter Registrierung und Registrierverfahren

Info

Publication number: DE102021117004A1
Application number: DE102021117004.4A
Authority: DE
Inventors: Jean STAWIASKI; Maximilian Dippel; Amir Sarvestani
Original assignee: B Braun New Ventures GmbH
Current assignee: B Braun New Ventures GmbH
Priority date: 2021-07-01
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2023-01-05
Also published as: WO2023275158A1; CN117580541A

Abstract

Die Offenbarung betrifft ein chirurgisches Assistenzsystem (1) zur Verwendung bei einem chirurgischen Eingriff, aufweisend: zumindest ein bildgebendes 3D-Aufnahmegerät, welches dafür vorgesehen und angepasst ist, bei einem Patienten (P) eine dreidimensionale intrakorporale Aufnahme (IA) zu erstellen; und ein Trackingsystem (14), welches dafür vorgesehen und angepasst ist, zumindest einen chirurgischen Eingriffsbereich des Patienten (P) zu erfassen und nachzuverfolgen; eine Datenbereitstellungseinheit (10), welche dafür angepasst ist, digitale 3D-Aufnahmedaten (3DA) des Patienten (P) bereitzustellen; und eine Steuereinheit (12), die dafür angepasst ist, die dreidimensionale intrakorporale Aufnahme (IA), die Daten des Trackingsystems (14) sowie die bereitgestellten 3D-Aufnahmedaten (3DA) zu verarbeiten, wobei das chirurgische Assistenzsystem (1) dafür angepasst ist, die 3D-Aufnahmedaten (3DA) auf eine äußere Oberfläche des Patienten (P) als erste Registrierung zu registrieren; und die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, aus der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme (IA) und/oder den 3D-Aufnahmedaten (3DA) zumindest eine Landmarke und/oder eine Oberfläche und/oder ein dreidimensionales Volumen einer intrakorporalen Struktur als intrakorporale Referenz zu bestimmen, und auf Basis der ersten Registrierung und auf Basis der bestimmten intrakorporalen Referenz, die 3D-Aufnahmedaten (3DA) auf die als dreidimensionale intrakorporale Aufnahme (IA) erfasste intrakorporale Struktur des Patienten (P) als zweite Registrierung zu registrieren. Daneben betrifft die Offenbarung ein Registrierverfahren sowie ein computerlesbares Speichermedium.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein chirurgisches Assistenzsystem zur Verwendung bei einem chirurgischen Eingriff, aufweisend: zumindest ein, insbesondere medizinisches, bildgebendes 3D-Aufnahmegerät, welches dafür vorgesehen und angepasst ist, bei einem Patienten eine dreidimensionale, insbesondere vergrößerte, intrakorporale Aufnahme zu erstellen und computerlesbar bereitzustellen; ein Trackingsystem/ Nachverfolgungssystem, insbesondere ein chirurgisches Navigationssystem, welches dafür vorgesehen und angepasst ist, einen chirurgischen Eingriffsbereich des Patienten, insbesondere den Patienten mit einer äußeren Oberfläche! äußeren Struktur, vorzugsweise zusammen mit zumindest einem Abschnitt des 3D-Aufnahmegeräts, zu erfassen und nachzuverfolgen; eine Datenbereitstellungseinheit, insbesondere eine Speichereinheit, welche dafür angepasst ist, digitale 3D-Aufnahmedaten, insbesondere präoperative 3D-Aufnahmedaten, des Patienten bereitzustellen; und eine Steuereinheit, die dafür angepasst ist, die dreidimensionale intrakorporale Aufnahme, die Daten des Trackingsystems sowie die bereitgestellten 3D-Aufnahmedaten zu verarbeiten. Daneben betrifft die Offenbarung ein Registrierverfahren/ Registrierungsverfahren sowie ein computerlesbares Speichermedium gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
Hintergrund der Offenbarung
Chirurgische Navigationssysteme sind heutzutage ein Standard in der Neurochirurgie. Durch sie kann eine Navigation bei einem Eingriff und eine Führung eines Instruments durchgeführt werden, um eine chirurgische Zieleingriffsstelle zu erreichen. Die Navigationssysteme ermöglichen dem Chirurgen zwar, anatomische Strukturen während der Operation zu identifizieren, jedoch ist deren Genauigkeit unvorteilhafter Weise oftmals stark begrenzt. Die Genauigkeit wird maßgeblich durch die Registrierung zwischen digitalen (3D-)Aufnahmedaten zu/auf den Patienten definiert bzw. vorgegeben, das heißt, insbesondere die Zuordnung einer Referenz-Aufnahme/ Referenzbild von präoperativen 3D-Aufnahmedaten (z. B. MRT-Aufnahmedaten oder CT-Aufnahmedaten) auf die intraoperative, also körperinnere, Referenz-Aufnahme des Patienten. Auf diese Weise werden die virtuellen Strukturen mit den realen Strukturen verknüpft und korreliert.
Eine solche Registrierung wird in der Regel durch eine Erfassung von Punkten einer äußeren Oberfläche des Patienten (beispielsweise von Punkten an dem Gesicht des Patienten) als Referenzpunkte und ferner einer Zuordnung dieser Referenzpunkte zu den entsprechenden Punkten der präoperativen 3D-Aufnahmedaten, durchgeführt. Dabei stehen verschiedene Registrierungsmethoden zur Verfügung, insbesondere ein Punkt-zu-Punkt-Abgleich oder ein Oberflächenabgleich zwischen den 3D-Aufnahmedaten und dem Patienten. Die zu vermessenden Referenzpunkte können durch Palpation oder berührungslos mit Sensoriken wie Videokameras oder Lasern erfasst werden. Bei einer Verwendung einer intraoperativen 3D-Bildgebung mittels eines dreidimensionalen (3D) Aufnahmegeräts, kann die Registrierung auch durch die Verwendung sogenannter „Fiducials“ (optische Referenzpunkte) am Patienten erfolgen, die in den 3D-Aufnahmedaten/ in dem 3D-Bildsatz sichtbar werden und eine automatische Registrierung ermöglichen.
All diese Registrierungsmethoden haben gemeinsam, dass sie äußere Oberflächen des Patienten (also äußere, sichtbare Oberflächen des menschlichen Körpers, wie etwa eine Haut, ein Gesicht, ein Hautabschnitt mit charakteristischen Merkmalen wie Leberflecke) verwenden, und dass die Registrierung vor Beginn der Operation durchgeführt wird. Nach einer Öffnung des Körpers für einen intrakorporalen Eingriff und während der Operation wird so gut wie immer ein Gewebe bewegt, sei es gewollt und bedingt durch etwa eine Resektion oder unbeabsichtigt und bedingt durch ein kollabierendes bzw. zusammenfallendem Gewebe. Insbesondere im Bereich einer neurochirurgischen Öffnung einer Schädeldecke des Patienten in der Kraniotomie ist das zusammenfallende Gewebe als Hirnverschiebung bekannt, die durch die Kraniotomie oder durch Entfernung von Gewebe verursacht wird.
Aufgrund der Gewebeverschiebung resultieren jedoch nachteilige Ungenauigkeiten zwischen dem realen Gewebe und dem Gewebe in den 3D-Aufnahmedaten von einem Zentimeter oder sogar noch mehr. Diese Abweichungen machen eine präzise Lokalisierung des Gewebes mittels Navigation unmöglich und bergen ein hohes Risiko einer unbeabsichtigten gefährlichen Verletzung des Gewebes aufgrund falscher Navigation.
Stand der Technik
Um diese Einschränkung der Abweichung zwischen dem sich bewegenden Gewebe und den 3D-Aufnahmedaten zu überwinden, gibt es beispielsweise Lösungen, die während der Operation, also intraoperativ, Computertomographen (CT) oder Magnetresonanztomographen (MRT) verwenden, um während der Operation selbst neue 3D-Aufnahmedaten aufzunehmen und bereitzustellen. Solche Lösungen erhöhen jedoch die Operationszeit deutlich und lassen die entstehenden Kosten pro Eingriff stark ansteigen. Auch kann es sein, dass aufgrund der bereits langen Operationszeit ein Eingriff aufgrund der resultierenden Verlängerung unmöglich wird oder nur mit einer zeitlichen Unterbrechung tageweise durchzuführen ist.
Ein alternativer Ansatz zur Bestimmung einer Abweichung und einer Anpassung der 3D-Aufnahmedaten an die tatsächliche Lage des Gewebes, ist die Verwendung von intraoperativem Ultraschall (während der Operation). Mit dem Ultraschall lässt sich ein Verlust der Genauigkeit zumindest teilweise korrigieren. Die Ultraschallaufnahmen haben jedoch den Nachteil, dass sie schwierig zu interpretieren sind und nicht die geforderte hohe Genauigkeit liefern. Insbesondere im Bereich der Kraniotomie muss eine Navigation mit höchster Präzision durchgeführt werden. Darüber hinaus erhöht auch die Verwendung eines Ultraschallgeräts eine Operationszeit sowie eine Komplexität der Operation. Auch benötigt ein Ultraschallgerät einen Standbereich im ohnehin recht beengten Operationssaal und mindert eine Zugänglichkeit zum Operationsfeld.
Eine weitere Lösung stellt eine Methode zur Kompensation von etwa einer Hirnverschiebung bereit, indem diese die Mikroskopaufnahme/ das Mikroskopbild und gut definierte anatomische Strukturen (insbesondere Gefäße) verwendet, um die 3D-Aufnahmedaten/ 3D-Bilddatensatz manuell derart zu verschieben, dass diese mit der Mikroskopaufnahme letztlich zumindest grob übereinstimmt. Dieses Verfahren ist jedoch sehr subjektiv und erfordert eine manuelle Justierung, was einen Eingriff weiter verzögert. Außerdem berücksichtigt diese Methode nicht alle sechs möglichen Freiheitsgrade (drei Freiheitsgrade einer Translation und drei Freiheitsgrade einer Rotation), da nur eine translatorische Korrektur durchgeführt wird.
Die US 9,336,592 B2 offenbart beispielsweise ein System, das auf einem Abgleich von 3D-Oberflächen, die aus präoperativen 3D-Aufnahmedaten/ 3D-Datensatz extrahiert wurden, mit einer (realen) 3D-Oberfläche, basiert, die aus einem StereoKamera-System extrahiert wurde.
Zusammenfassung der Offenbarung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder zumindest zu mindern und insbesondere ein chirurgisches Assistenzsystem, ein Registrierverfahren sowie ein computerlesbares Speichermedium zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Registrierung weiter verbessert und eine Genauigkeit der Registrierung erhöht wird. Eine grundlegende Aufgabe kann insbesondere darin gesehen werden, eine hohe Genauigkeit einer Navigation während des gesamten Eingriffs beizubehalten, insbesondere, wenn Gewebe durch den Eingriff räumlich gesehen verändert wird und sich bewegt. Eine weitere Teilaufgabe kann darin gesehen werden, eine einfache intraoperative Registrierung ohne die Notwendigkeit eines biomechanischen Modells durchzuführen. Ferner kann eine weitere Teilaufgabe darin gesehen werden, intraoperativ (also während des Eingriffs) jederzeit eine erneute Registrierung durchführen zu können, um bedarfsgemäß eine Genauigkeit zu erhöhen und vor allem eine schnelle Registrierung bereitzustellen. Auch kann eine weitere Teilaufgabe darin gesehen werden, ein Rechenaufwand für eine Registrierung zu minimieren.
Die Aufgaben werden hinsichtlich eines gattungsgemäßen chirurgischen Assistenzsystems gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich eines gattungsgemäßen Registrierverfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8 und hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermediums durch die Merkmale des Anspruchs 10.
Grundsätzlich wird bei der vorliegenden Offenbarung bei dem chirurgischen Assistenzsystem und auch bei dem Registrierverfahren eine zweistufige Registrierung vorgeschlagen, um insbesondere einen Rechenaufwand der Registrierung zu vereinfachen und zu reduzieren sowie einen Fehlerbereich einzugrenzen. Eine Grundidee der vorliegenden Offenbarung ist dabei, dass das Assistenzsystem bzw. das Registrierverfahren so angepasst ist, die Registrierung in zumindest zwei Schritten (nachstehend erster (Registrierungs-)Schritt A und zweiter (Registrierungs-)Schritt B genannt) durchzuführen. Während in dem ersten Registrierungs-Schritt A eine äußere Oberfläche bzw. Struktur des Patienten, insbesondere ein Gesicht, für eine erste Registrierung verwendet wird, wird in dem zweiten Registrier-Schritt B eine innere/ intrakorporale Struktur oder Gewebe des Patienten für eine verfeinerte und zeitlich gesehen nachgelagerte Registrierung verwendet. Der erste Registrier-Schritt A führt zu einer (standardisierten) ersten Registrierung, die initial vor dem Eingriff noch recht genau ist. Dieser erste Registrierungs-Schritt A bzw. die erste Registrierung wird insbesondere vor Beginn des Eingriffs durchgeführt, das heißt bevor der Patienten geöffnet wird und der Eingriff beginnt (beispielsweise bei einem Eingriff mit einer Schädelöffnung, einer Duraöffnung, einer Geweberesektion oder einer Tumorentfernung).
Nach Öffnung des Patienten und nachdem der Eingriff begonnen hat und die Manipulation des Gewebes mit einhergehender Lageveränderung des Gewebes die Genauigkeit der Registrierung beeinträchtigt, wird der zweite Registrierungs-Schritt B durchgeführt, um die Registrierung an die veränderte Gewebelage anzupassen und sozusagen noch weiter zu verfeinern. Dabei wird die Registrierung aus Registrierung-Schritt A als Basis verwendet. Der anzupassende zweite Registrierungs-Schritt B kann dabei jederzeit während des Eingriffs durchgeführt werden, in der Regel dann, wenn eine kritische Resektion beginnt (beispielsweise eine Resektion von Tumorgrenzen) und wenn der Chirurg eine hohe Präzision zur Lokalisierung der Position des Resektionsinstruments benötigt.
Die Registrierung des zweiten Registrierungs-Schritts B basiert dabei auf einem intraoperativen Visualisierungssystem/ einem 3D-Aufnahmegerät, das dreidimensionale (3D) intrakorporale Aufnahmen erstellt und es dem Chirurgen ermöglicht, identifizierbare anatomische Landmarken des operierten Weichgewebes innerhalb des Operationsfeldes zu lokalisieren und vorzugsweise auch zu setzen. Diese Landmarken können beispielsweise Sulkus-Strukturen, Gefäße oder Läsionen sein. Der Chirurg kann das Visualisierungssystem/ 3D-Aufnahmegerät verwenden, um ausgewählte Landmarken zu erfassen, die den Landmarken entsprechen, die in den 3D-Aufnahmedaten, insbesondere den präoperativen 3D-Aufnahmedaten, identifiziert wurden oder umgekehrt.
Mit anderen Worten wird insbesondere ein chirurgisches Assistenzsystem vorgeschlagen aufweisend ein Trackingsystem, insbesondere ein chirurgisches Navigationssystem, und ein 3D-Visualisierungssystem (3D-Aufnahmesystem mit 3D-Aufnahmegerät), wobei das 3D-Visualisierungssystem dafür angepasst ist, dreidimensionale, also räumliche, intrakorporale Aufnahmen von inneren Strukturen des Patienten zu erzeugen, und das Trackingsystem ist dafür angepasst, das 3D-Visualisierungssystem zu verfolgen/ zu tracken. Das System ist dafür angepasst, 3D-Aufnahmedaten, die insbesondere vor dem Eingriff aufgenommen wurden (also präoperativ), anhand einer Außenfläche des Patienten (äußeren Oberfläche) auf diesen Patienten zu registrieren. Das 3D-Visualisierungssystem (3D-Aufnahmesystem mit 3D-Aufnahmegerät) erzeugt intrakorporale dreidimensionale Aufnahmen/ 3D-Aufnahmen mit zumindest einer dreidimensionalen Position (3D-Position mit drei Koordinaten) und/oder zumindest einer Lage von intrakorporalen Strukturen aus dem Inneren bzw. von innerem Gewebe des Patienten (in der Nähe des Operationsfeldes). Diese inneren Strukturen aus der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme mit der zumindest einen dreidimensionalen Position werden mit entsprechenden (intrakorporalen) Strukturen aus den 3D-Aufnahmedaten, insbesondere von präoperativen 3D-Aufnahmedaten/ 3D-Bildsatz, korreliert, um die Registrierung zu verbessern und eine Genauigkeit der Registrierung für den interessierenden Bereich zu erhöhen.
Ein Vorteil ist, dass dieses Assistenzsystem und auch das Registrierverfahren eine Korrektur von Genauigkeitsfehlern, die aus dem chirurgischen Arbeitsablauf resultieren, erlaubt (zum Beispiel ein leichtes Verschieben eines Trackers/ Markers während des Drapierens) und nicht nur auf etwa eine Korrektur einer Gewebeverschiebung, insbesondere einer Gehirnverschiebung, beschränkt ist. Auch kann das chirurgische Assistenzsystem kontinuierlich während des Eingriffs verwendet werden, um eine Genauigkeit einer Registrierung zu erhöhen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nicht nur intraoperative zweidimensionale Aufnahmen mit reduziertem Informationsgehalt (2D-Daten) verwendet werden, die eine große Exposition des Gehirns sowie ein biomechanisches Modell des Gehirns erfordern würden, sondern dass durch die dreidimensionale intrakorporale Aufnahme lediglich ein kleiner lokaler Eingriffsbereich benötigt wird, ohne dass ein biomechanisches Modell erforderlich wäre.
Mit noch anderen Worten wird ein chirurgisches Assistenzsystem und Registrierverfahren vorgeschlagen, die eine genaue Registrierung während des Einsatzes der chirurgischen Navigation sicherstellt, indem es einen zweistufigen Registrierungsprozess mit anfänglicher Registrierung vor dem Eingriff unter Verwendung der äußeren Oberfläche des Patienten und mit verfeinerter Registrierung nach Beginn des Eingriffs unter Verwendung der inneren Struktur des Patienten in der Nähe des Operationsfeldes durchführt.
Mit noch ganz anderen Worten ist das chirurgische Assistenzsystem, insbesondere die Steuereinheit, dafür angepasst ist, die 3D-Aufnahmedaten auf eine äußere Oberfläche des Patienten als erste Registrierung zu registrieren und insbesondere diese erste Registrierung in der Speichereinheit zu hinterlegen; und die Steuereinheit ist dafür angepasst, aus /in der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme und/oder den 3D-Aufnahmedaten zumindest eine Landmarke und/oder eine Oberfläche und/oder ein dreidimensionales Volumen eines intrakorporalen Gewebes als intrakorporale Referenz zu bestimmen, und auf Basis der ersten Registrierung und auf Basis der bestimmten intrakorporalen Referenz, die 3D-Aufnahmedaten auf das (innere) intrakorporale Gewebe/ Struktur der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme (IA) als zweite Registrierung zu registrieren/ zu korrelieren, um eine Genauigkeit der Registrierung zu erhöhen.
Der Begriff „3D-Aufnahmedaten“ definiert, dass es sich um dreidimensionale, räumliche Aufnahmedaten, also mit drei Dimensionen, etwa in einer X-, Y- und einer Z-Richtung, handelt.
Der Begriff „äußere Oberfläche“ meint eine Körperoberfläche des Patienten, die normalerweise, ohne Öffnung oder Inzision, sichtbar ist. Insbesondere ist die äußere Oberfläche die Haut des Patienten. Es wird also eine äußere sichtbare Struktur des Patienten erfasst.
Der Begriff „Position“ meint eine geometrische Position im dreidimensionalen Raum, der insbesondere mittels Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems angegeben wird. Insbesondere kann die Position durch die drei Koordinaten X, Y und Z angegeben werden.
Der Begriff „Orientierung“ wiederum gibt eine Ausrichtung (etwa an der Position) im Raum an. Man kann auch sagen, dass durch die Orientierung eine Ausrichtung angegeben wird mit Richtungs-bzw. Drehungsangabe im dreidimensionalen Raum. Insbesondere kann die Orientierung mittels drei Winkeln angegeben werden.
Der Begriff „Lage“ umfasst sowohl eine Position als auch eine Orientierung. Insbesondere kann die Lage mittels sechs Koordinaten angegeben werden, drei Positionskoordianten X, Y und Z sowie drei Winkelkoordinaten für die Orientierung.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden insbesondere nachfolgend erläutert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, die zweite Registrierung auf Basis einer starren Transformation durchzuführen. Eine starre Transformation meint in diesem Zusammenhang, dass die dreidimensionale intrakorporale Aufnahme gegenüber den 3D-Aufnahmedaten nur translatorisch verschoben und/oder rotatorisch gedreht wird. Dies begünstigt einen erforderlichen Rechenaufwand. Die 3D-Aufnahmedaten werden also nicht dahingehend angepasst, dass eine lokale Verzerrung oder eine Verformung berücksichtig würde. Die durchgeführte Registrierungskorrektur ist somit eine starre Transformation, die keine elastische Verformung des Gehirns berücksichtigt. Diese starre Transformation beeinträchtigt die chirurgische Genauigkeit kaum, da die Registrierungskorrektur ja genau im Bereich des Operationsfeldes durchgeführt wird, so dass die starre Transformation in diesem Bereich von Interesse die geforderte Präzision liefert, während außerhalb dieses Bereichs im Falle einer elastischen Verformung die Präzision unerheblich ist. Ein Vorteil hierbei ist, dass kein biomechanisches Modell für eine Anpassung benötigt wird. Mit anderen Worten können die korrelierten Landmarken und/oder Oberflächen insbesondere mithilfe einer starren Transformation angepasst werden, um die Registrierung zu verfeinern und eine hohe Navigationsgenauigkeit im Eingriffsbereich zu erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das chirurgische Assistenzsystem ein chirurgisches 3D-Mikroskop und/oder ein chirurgisches 3D-Endoskop und/oder ein medizinisches Instrument mit einer optischen 3D-Kamera als 3D-Aufnahmegerät zur Erstellung der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme aufweisen. Alle drei medizinischen Geräte, also das chirurgisches (3D-)Mikroskop, das chirurgische (3D-)Endoskop und das Instrument mit der 3D-Kamera sind dafür angepasst, dreidimensionale intrakorporale Aufnahmen aus dem Inneren des Körpers des Patienten zu erstellen. Mit anderen Worten kann als das intraoperative 3D-Aufnahmegerät (die intraoperative Bildgebungsvorrichtung) ein 3D-Mikroskop, ein 3D-Endoskop oder ein optisches Kamerasystem eingesetzt werden, das die (vergrößerte) Aufnahme aus dem Inneren des Patienten, insbesondere in Form von 3D-Punktwolkendaten (also einer Menge von Punkten im dreidimensionalen Raum für etwa geomorphologische Analysen), erzeugt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, in der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme zumindest eine punkartige Landmarke und/oder zumindest eine Oberfläche für die zweite Registrierung/ Korrelation zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich von Landmarken können also auch Flächen verwendet werden. Sowohl Flächen als auch Landmarken können insbesondere mit Standard-Bildverarbeitungsalgorithmen automatisch extrahiert und abgeglichen werden. Dazu müssen korrespondierende Flächen zwischen den 3D-Aufnahmedaten und dem intraoperativen Bild des Visualisierungssystems ausgewählt werden, wobei das chirurgische Assistenzsystem eine manuelle Eingabe über ein Touchdisplay zulässt und/oder die Steuereinheit dafür angepasst ist die Korrelation bzw. die Registrierung automatisch durchzuführen. In der intrakorporalen Struktur des inneren Gewebes des Patienten können also punktförmige Orientierungspunkte und/oder Flächen bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, genau eine einzige Landmarke, insbesondere einen einzelnen Landmarkenpunkt im Raum, zu erfassen oder zu bestimmen und auf Basis der einen Landmarke, insbesondere dem Landmarkenpunkt die Registrierung, insbesondere die zweite Registrierung, mit nur einer Transformationskorrektur hinsichtlich einer Translation durchzuführen, während eine Rotation/ Drehung nicht verändert/ unverändert beibehalten wird. Diese Konfiguration stellt die einfachste und rechentechnisch gesehen effizienteste und schnellste Korrektur der Registrierung dar. Insbesondere die zweite Registrierung kann so mit nur einem einzigen gesetzten Landmarkenpunkt durchgeführt werden. Mit einer Landmarke kann der Registrierungsoffset in zumindest drei Freiheitsgraden (nur Translation) korrigiert werden. Es kann also insbesondere nur eine Landmarke verwendet werden, um eine Transformationskorrektur durchzuführen, während die Drehung unverändert bleibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, genau zwei Landmarken, insbesondere zwei voneinander beabstandete Landmarkenpunkte, im Raum zu erfassen oder zu bestimmen und auf Basis der zwei Landmarken die Registrierung durchzuführen. Mit den zwei Landmarken können 5 Freiheitsgrade korrigiert werden (Translation und zwei Rotationen).
Insbesondere kann die die Steuereinheit dafür angepasst sein, zumindest drei Landmarken, insbesondere zumindest drei voneinander beabstandete Landmarkenpunkte, im Raum zu erfassen oder zu bestimmen und auf Basis der zumindest drei Landmarken die Registrierung durchzuführen. Bei drei oder mehr Landmarken können alle sechs Freiheitsgrade korrigiert werden (Translation und drei Rotationen).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das chirurgische Assistenzsystem ein chirurgisches 3D-Mikroskop aufweisen, wobei der Fokuspunkt des Mikroskops erfasst und von der Steuereinheit verarbeitet wird und auf Basis des Fokuspunkts die Landmarke (Position) intraoperativ erfasst wird. Die Steuereinheit ist insbesondere dafür angepasst, über das Trackingsystem, insbesondere das Navigationssystem, das Mikroskop zu tracken und eine Position und/oder Orientierung eines Mikroskopkopfs mit optischen System zu bestimmen, um die Position des Fokuspunkts relativ zum Patienten bzw. zum Patientenreferenzsystem zu bestimmen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das chirurgische Assistenzsystem ein chirurgisches Werkzeug aufweisen und dafür angepasst sein, das chirurgisches Werkzeug, insbesondere einen Saugschlauch, geometrisch zu erfassen und durch das Trackingsystem nachzuverfolgen, und weiter die Steuereinheit dafür angepasst sein, bei einer Befehlseingabe durch den Anwender, eine Position einer distalen Spitze, insbesondere der distalen Spitze des Saugschlauchs, zu bestimmen und auf Basis dieser Position die Landmarke zu setzen. Ein Anwender kann also vorzugsweise einfach mit dem distalen Ende des Saugschlauchs auf die gewünschte Landmarke zeigen und auf einem Touchdisplay beispielsweise eine Befehlseingabe einer Landmarkensetzung durchführen, um diese Landmarke zu erfassen. Für die Erfassung kann insbesondere die dreidimensionale intrakorporale Aufnahme des 3D-Aufnahmegeräts (des intraoperativen Visualisierungsgeräts) verwendet werden, da die Position der Landmarke die reale Position widerspiegelt.
Vorzugsweise kann das Trackingsystem, insbesondere das Navigationssystem, ein infrarotbasiertes Navigationssystem und/oder ein elektromagnetisches Navigationssystem und/oder ein Bildverarbeitendes Navigationssystem aufweisen. Bei einem infrarotbasierten Navigationssystem werden vorzugsweise an dem Patienten und an dem 3D-Aufnahmegerät Infrarotmarker/ Infrarottracker vorgesehen. Optional können weitere Infrarotmarker bei dem vorgesehenen (entweder noch verschlossenen oder geöffneten) chirurgischen Eingriffsbereich vorgesehen werden, um diesen Bereich von besonderem Interesse genau zu erfassen und etwa eine erste Registrierung auf Basis dieses Bereichs durchzuführen. Bei einem elektromagnetischen Navigationssystem (EM-Navigationssystem) können EM-Sensoren an dem Patienten und/oder 3D-Aufnahmegerät angebracht werden. Bei einem bildverarbeitenden Navigationssystem wird die Navigation anhand einer Bildanalyse mittels maschinellem Sehen (Machine Vision) durchgeführt, um eine Bewegung wie etwa eine Translation und eine Drehung zu detektieren. Das Trackingsystem, insbesondere das chirurgische Navigationssystem, kann also auf Infrarot-Tracking/ infrarotbasiertem Tracking, EM-Tracking/ elektromagnetischem Tracking und/oder Machine-Vision-Tracking/ optischem Bildverarbeitungs-Tracking basieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, die erste Registrierung mittels eines Punkt-zu-Punkt-Abgleichs und/oder eines Oberflächenabgleichs unter Verwendung der äußeren Oberfläche/ Struktur des Patienten durchzuführen. Die erste Registrierung bzw. die Registrierungsmethode des ersten Registrier-Schritts A kann also insbesondere auf einer Punkt-zu-Punkt-Registrierung und/oder einem Oberflächenabgleich und/oder einer Video-Registrierung und/oder einem Fiducial-Abgleich/Mapping unter Verwendung eines intraoperativen 3D-Scanners wie beispielsweise einem Computertomographen (CT) oder einem Magnetresonanztomographen (MRT) basieren. Die erste Registrierung mit vorzugsweise Punkt-zu-Punkt-Abgleich und/oder Oberflächenabgleich wird unter Verwendung der äußeren Struktur bzw. der äußeren Oberfläche des Patienten durchgeführt.
Die Aufgaben werden hinsichtlich des Registrierverfahrens/ Registrierungsverfahren zur Registrierung von 3D-Aufnahmedaten auf ein Gewebe eines Patienten, insbesondere für ein chirurgisches Assistenzsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung, durch die Schritte gelöst: Erfassen 3D-Aufnahmedaten eines Patienten; Registrieren der 3D-Aufnahmedaten auf eine äußere Oberfläche des Patienten als erste Registrierung; Erstellen einer dreidimensionalen intrakorporale Aufnahme des Patienten durch ein 3D-Aufnahmegerät; Bestimmen von zumindest einer Landmarke und/oder einer Oberfläche und/oder eines Volumens in der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme und/oder den 3D-Aufnahmedaten als intrakorporale Referenz; und Registrieren, auf Basis der ersten Registrierung und der bestimmen intrakorporalen Referenz, der 3D-Aufnahmedaten auf die durch die dreidimensionale intrakorporale Aufnahme erfasste inneren Strukturen als zweite Registrierung, um eine Genauigkeit der Registrierung zu erhöhen. Durch dieses Registrierverfahren
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Registrierverfahren ferner die Schritte aufweisen: Erfassen von zumindest einer Landmarke und/oder eine Oberfläche in der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme; und Durchführen einer starren Transformation, um die 3D-Aufnahmedaten auf die intrakorporale Struktur zu registrieren. Hierdurch wird ein Rechenaufwand durch etwa einen Prozessor weiter reduziert, da die starre Transformation keine komplexen mathematischen Berechnungen erfordern.
Die Aufgaben der vorliegenden Offenbarung werden hinsichtlich eines computerlesbares Speichermedium, dadurch gelöst, dass dieses Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Verfahrensschritte des Registrierverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen.
Jegliche Offenbarung im Zusammenhang mit dem chirurgischen Assistenzsystem der vorliegenden Offenbarung gilt auch für das Registrierverfahren der vorliegenden Offenbarung, ebenso wie jegliche Offenbarung im Zusammenhang mit dem Registrierverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung auch für das chirurgische Assistenzsystem der vorliegenden Offenbarung gilt. Insbesondere können die Merkmale der Anpassung der Steuereinheit analog für einen Verfahrensschritt herangezogen werden, als auch ein Verfahrensschritt für eine entsprechende analoge Anpassung der Steuereinheit.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Hilfe der begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines chirurgischen Assistenzsystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2 eine schematische Ansicht eines Registrierverfahrens einer bevorzugten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Registrierverfahrens mit zweistufiger Registrierung, und
4 ein Flussdiagramm eines Registrierverfahrens einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

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.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Ansicht eines chirurgischen Assistenzsystems 1 (nachstehend nur Assistenzsystem genannt) einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Das Assistenzsystem 1 kommt in einem medizinischen Sterilraum zum Einsatz. In einem mittigen, sterilen, chirurgischen Eingriffsbereich wird an dem Patienten ein offener Eingriff vorgenommen. Ein starres 3D-Videoendoskop 2 (nachstehend nur Endoskop genannt) mit einem Handstück / Handgriff 4 und einem beabstandeten, frontseitigen bildgebenden 3D-Aufnahmekopf 6 steht dafür endoskopschaftseitig in das Körperinnere des Patienten hinein. Der 3D-Aufnahmekopf 6 weist für eine Bildgebung eine 3D-Endoskop-Videokamera in Form einer distalen Stereokamera auf, welche in Richtung einer Längsachse des Endoskops 2 stirnseitig eine dreidimensionale intrakorporale Aufnahme IA des Körperinneren des Patienten P als zeitaktuelle (Live-Video) Aufnahme erstellt und digital bereitstellt. Über eine Darstellungsvorrichtung in Form eines OP-Monitors 8 kann dann ein visueller Inhalt für OP-Beteiligte für eine Navigation wiedergegeben werden. Es wird darauf hingewiesen, dass das Endoskop 2 alternativ auch an seinem Handhabungsabschnitt von einem Roboterarm geführt werden kann.
Ferner weist das chirurgische Assistenzsystem 1 eine Datenbereitstellungseinheit 14 in Form eines Speichers auf, in welcher digitale, präoperative 3D-Aufnahmedaten 3DA des zu behandelnden Patienten P digital/computerlesbar hinterlegt sind. Als 3D-Aufnahmedaten 3DA können etwa (segmentierte) MRT-Aufnahmedaten oder CT-Aufnahmedaten hinterlegt sein, die einen Körper des Patienten P oder zumindest einen Teil des Körpers virtuell bzw. digital abbilden.
Zur Erfassung, Verarbeitung und Berechnung sowie zur Steuerung weist das Assistenzsystem 1 eine Steuereinheit 12 auf, die dafür angepasst ist, die dreidimensionale intrakorporale Aufnahme IA des Endoskops 2 sowie die 3D-Aufnahmedaten 3DA zu verarbeiten.
Das chirurgische Assistenzsystem 1 verfügt zudem über ein Trackingsystem 14, welches unter anderem kontinuierlich eine Bewegung des Endoskops 2 und des Aufnahmekopfs 6 erfasst und der Steuereinheit 12 als Endoskop-Lagedaten bereitstellt. In der vorliegenden Ausführungsform weist das Trackingsystem 14 ein infrarotbasiertes Navigationssystem mit einer externer 3D-Stereokamera 16 sowie Infrarotmarkern 18 auf, die an dem Handgriff vorgesehen sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Kombination mit einem endoskopinternen Sensors, etwa eines IMU-Sensors, und/oder mit einer durch die Steuereinheit 12 ausgeführten Bildanalyse zum Einsatz kommen.
Im Unterschied zum Stand der Technik ist das chirurgische Assistenzsystem 1 gemäß dieser Ausführungsform dafür angepasst, eine zweistufige Registrierung mit einmal einer äußeren Patientenstruktur für die erste Registrierung durchzuführen und auf Basis dieser ersten Registrierung und auf Basis von erfassten Landmarken mittels des 3D-Aufnahmegeräts in Form des Endoskops 2 dann die innere Struktur des Patienten P für eine intraoperative, zweite Registrierung für eine verfeinerte Registrierung heranzuziehen.
Konkret ist das Trackingsystem 14 und die Steuereinheit 12 dafür angepasst, die 3D-Aufnahmedaten 3DA zunächst über das Trackingsystem 14 mit der externen 3D-Stereokamera 16 auf eine äußere Oberfläche des Patienten P, hier den menschlichen Korpus mit dem (geplanten) Eingriffsbereich und den Kopf als erste Registrierung zu registrieren. Diese erste Registrierung geschieht üblicherweise vor dem Eingriff, wenn der Patient P im Operationsraum platziert wurde. Die in der ersten Registrierung ermittelte Transformationsmatrix wird in der Speichereinheit 20 hinterlegen. Damit ist die initiale bzw. erste Registrierung als Registrier-Schritt A abgeschlossen und es steht dem chirurgischen Assistenzsystem über die gesamte Operation hinweg sozusagen eine Übersichts-Registrierung oder Basis-Registrierung zur Verfügung.
Ferner ist die Steuereinheit 12 dafür angepasst, nach Start des Eingriffs in der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme IA des Endoskops 2 anatomische Landmarken 15 zu erfassen sowie korrespondierende anatomische Landmarken 15` in den bereitgestellten 3D-Aufnahmedaten zu bestimmen. In der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme IA des Endoskops 2, welches in dem Körper des Patienten P eingeführt ist und eine anvisierte anatomische Struktur als dreidimensionales Bild aufnimmt, wählt der Chirurg in dieser Ausführungsform dreivordefinierte charakteristische (reale) Landmarken 15 aus. Diese drei Landmarken 15 im realen Raum finden sich ebenfalls als drei (virtuelle) Landmarken 15' im virtuellen Raum wieder, ebenso wie auch das Endoskop 2 im virtuellen Raum als virtuelles Endoskop 2' dargestellt werden kann. Über die insgesamt zwei mal drei korrespondierenden anatomischen Landmarken 15, 15` wird die dreidimensionale intrakorporale Aufnahme IA mit den 3D-Aufnahmedaten korreliert, also registriert.
Die Steuereinheit 12 ist speziell dafür angepasst ist, aus der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme IA drei Landmarken und/oder eine Oberfläche der inneren Struktur bzw. eines intrakorporalen Gewebes als intrakorporale Referenz zu bestimmen. Danach registriert die Steuereinheit 12 auf Basis der ersten Registrierung und der bestimmten intrakorporalen Referenz, die 3D-Aufnahmedaten 3DA auf das (innere) intrakorporale Gewebe/ die innere Struktur als zweite Registrierung, um eine Genauigkeit der Registrierung zu erhöhen. Wenn beispielsweise die Leber bewegt wird, so kann der Chirurg das chirurgische Assistenzsystem 1 verwenden, um die zweite Registrierung erneut durchzuführen und wieder auf die tatsächliche Lage der Leber in dem interessierenden Eingriffsbereich zu registrieren.
Das chirurgische Assistenzsystem 1 ist also speziell dafür angepasst ein zweistufiges Registrierverfahren durchzuführen, wobei die zweite Registrierung intraoperativ mehrmals zu jedem gewünschten Zeitpunkt wiederholt werden kann.
2 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Registrierverfahren zur Registrierung von 3D-Aufnahmedaten 3DA auf ein Gewebe eines Patienten P gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Zunächst wird eine erste Registrierung der 3D-Aufnahmedaten 3DA des Patienten P auf die Frontfläche des Gesichts des Patienten durchgeführt. Die geometrische Struktur der 3D-Aufnahmedaten des Gesichts des Patienten wird mit der erfassten dreidimensionalen Struktur des realen Gesichts des Patienten P korreliert, um eine erste Transformation zwischen den 3D-Aufnahmedaten und dem Patienten P zu erhalten. Dieser Schritt wird gemäß dieser Ausführungsform vor einem Eingriff ausgeführt. Nachdem die erste Registrierung als Übersichtsregistrierung abgeschlossen ist, kann der Schädel des Patienten P um die geplante Eingriffsstelle drapiert werden.
Hiernach erfolgt ein Schritt einer Inzision, in welcher die Schädeldecke eröffnet wird und die innere Struktur des Zerebrums hiernach sichtbar ist. Aufgrund der Inzision, der Öffnung als auch einer Manipulation mit medizinischen Instrumenten kann sich bereichsweise die Lage des Gehirns ändern, so dass die 3D-Aufnahmedaten 3DA im Bereich des Zieleingriffs nicht mehr mit der tatsächlichen inneren Struktur des Patienten P übereinstimmt. Daher wird eine zweite Registrierung durchgeführt. Hierbei wird die sichtbare intrakorporale Struktur der kortikalen Oberfläche durch das 3D-Aufnahmegerät räumlich erfasst und über geeignete Landmarken und/oder Oberflächen mit den 3D-Aufnahmedaten 3DA abgeglichen, korreliert und damit als zweite Registrierung registriert. Insbesondere wird eine Transformationsmatrix ermittelt, die eine Transformation nur innerhalb festgelegter Grenzen gegenüber der ersten Registrierung mit erster Transformation, insbesondere Transformationsmatrix, durchführt.
Durch die erste Registrierung wird also die Basis vorgegeben, und die zweite Registrierung wird nur noch in einem festgelegten Bereich (einem vordefinierten Toleranzbereich) gegenüber der ersten Registrierung durchgeführt, um die Registrierung zu jedem Zeitpunkt intraoperativ zu verfeinern. Aufgrund der Basis der ersten Registrierung wird eine Korrelation besonderes schnell und effizient durchgeführt. Auch werden mögliche Fehler einer falschen Registrierung minimiert, die berechnungsbedingt auftreten können. Beispielsweise kann, wenn nur eine kleine Struktur an 3D-Aufnahmedaten 3DA des Körpers des Patienten P vorliegt, beispielsweise ein Muskelabschnitt im linken Arm, auch nur der Muskelabschnitt im linken Arm und nicht etwa im rechten Arm über die Korrelation bestimmt werden. Mit anderen Worten wird durch das zweistufige Verfahren mit initialer Registrierung, mit der ersten Registrierung eine grobe Mindestgenauigkeit vorgegeben, die später zwar verfeinert aber nicht mehr vergröbert werden kann.
3 zeigt einen schematischen Ablauf eines Registrierverfahren gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Dieses Registrierverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auf Basis der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme IA, sogar auch die 3D-Aufnahmedaten 3DA auf die tatsächliche Struktur nach Eröffnung des Schädels angepasst werden.
Zunächst wird wieder die die (dreidimensionale Struktur) der Hautoberfläche des Gesichts des Patienten P in den 3D-Aufnahmedaten 3DA als auch real für eine erste Registrierung herangezogen.
Nach Öffnung der Schädeldecke wird ein kraniologischer oder zerebraler Bereich durch maschinelles Sehen in der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme IA räumlich erkannt bzw. erfasst und auf die präoperativen 3D-Aufnahmedaten 3DA projiziert. So kann in den 3D-Aufnahmedaten 3DA ein sichtbarer Bereich des Gehirns bestimmt werden.
Ferner wird mittels der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme IA, die auch farblich ist, eine dreidimensionale und farbgestützte Rekonstruktion der kortikalen Oberfläche durchgeführt.
Diese Rekonstruktion wird für die 3D-Aufnahmedaten 3DA verwendet, um einen kortikalen Oberflächenabgleich durchzuführen.
In einem nächsten Schritt werden dann die präoperativen 3D-Aufnahmedaten 3DA dahingehend angepasst, dass der Eingriffsbereich über die dreidimensionale Rekonstruktion aktualisiert wird, also die entfernte Schädeldecke aus den 3D-Aufnahedaten 3DA entfernt und die Lage des Gehirns angepasst wird.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Registrierverfahrens einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit einem zweistufigen Registrierungsprozess.
In einem ersten Schritt S1 werden präoperative 3D-Aufnahmedaten 3DA erfasst, insbesondere MRT-Aufnahmedaten oder CT-Aufnahmedaten.
In einem zweiten Schritt S2 wird die Navigation vorbereitet bzw. eingerichtet. Insbesondere werden Tracker am Patienten, am 3D-Aufnahmegerät (3D-Visualisierungssystem) und/oder an einem Instrument vorgesehen.
In einem folgenden Schritt S3 erfolgt vorzugsweise eine Definition der Registrierungsstruktur. Hier werden etwa Landmarken und/oder Oberflächen in den präoperativen 3D-Aufnahmedaten 3DA bestimmt. Beispielsweise kann eine dreidimensionale Struktur des Gesichts des Patienten als Registrierungsstruktur für die erste Registrierung und/oder ein zerebraler Bereich für die zweite Registrierung definiert werden.
Im nächsten Schritt S4 erfolgt die erste Registrierung. Diese erfolgt insbesondere auf Basis der zuvor definierten äußeren Oberfläche des Gesichts des Patienten P.
Die erste Registrierung kann auf Basis einer Punkt-zu-Punkt-Registrierung und/oder eines Oberflächen-Abgleichs (Mapping) und/oder einer Video-Oberflächenerfassung, wie etwa einer Stereokamera, und/oder einer Fiducial-Kartierung erfolgen.
Hiernach ist die erste Registrierung abgeschlossen und der Eingriffsbereich kann drapiert und mittels Inzision geöffnet werden.
Nach Start des Eingriffs wird in einem Schritt S5 über ein 3D-Aufnahmegerät eine dreidimensionale intrakorporale Aufnahme IA erstellt, welche für eine Verfeinerung der Registrierung herangezogen wird. In der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme IA wird zumindest eine Landmarke und/oder Oberfläche bestimmt, insbesondere wird auf die definierte Registrierungsstruktur zurückgegriffen, und es erfolgt für die zweite Registrierung durch einen Abgleich der Abgleich der intraoperativen Struktur des Patienten mit der präoperativen Struktur des Patienten. In diesem Schritt wird insbesondere nur eine starre Transformation (also nur eine Verschiebung und eine Verdrehung der dreidimensionalen Aufnahmen IA, 3DA zueinander) durchgeführt, um die Genauigkeit der Registrierung für den interessierenden Zielbereich zu erhöhen.
Hiernach kann mit der der Operation fortgefahren werden und aufgrund der Registrierungsverfeinerung durch die zweite Registrierung kann eine sehr hohe Navigationspräzision erreicht werden. Wenn nun Instrumente für eine Operation eingesetzt werden, so können diese über ein Trackingsystem verfolgt und in den 3D-Aufnahmedaten 3DA präzise nachverfolgt werden, so dass eine Navigation über allein die 3D-Aufnahmedaten 3DA möglich ist, um mit dem Instrument zum Ziel-Anwendungsbereich zu gelangen.
Die Lage des 3D-Aufnahmegeräts wird in Schritt S7 kontinuierlich getrackt/ erfasst.
Wenn etwa der Chirurg bestimmt, dass eine erneute Registrierung erforderlich ist, so kann die zweite Registrierung jederzeit wiederholt werden, insbesondere dann, wenn sich das Gewebe bewegt hat. Wenn die Bedingung B1 einer erneuten Registrierung erfüllt ist (Ja), schreitet das Registrierverfahren wieder zu Schritt S5 und auf Basis der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme IA des 3D-Aufnahmegeräts wird eine Korrelation mit den 3D-Aufnahmedaten 3DA bestimmt.
Wird keine erneute Registrierung gewünscht (Nein) so schreitet das Verfahren zu Bedingung B2 voran. Solange die Bedingung B2 nicht bestimmt, dass das Verfahren beendet werden soll, so wird Schritt S7 wieder ausgeführt. Ansonsten wird das Verfahren beendet.
Die vorliegende Offenbarung ist zwar insbesondere im Kontext der Neurochirurgie dargelegt, kann aber generell auch in anderen Bereichen wie etwa bei einem Eingriff an der Wirbelsäule, in der HNO-Chirurgie als auch in der Allgemeinchirurgie angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Chirurgisches Assistenzsystem
2, 2': Endoskop
4: Handgriff
6: 3D-Aufnahmekopf
8: OP-Monitor
10: Datenbereitstellungseinheit
12: Steuereinheit
14: Trackingsystem
15, 15`: Landmarke
16: Stereokamera
18: Infrarotmarker
20: Speichereinheit
3DA: dreidimensionale Aufnahmedaten / 3D-Aufnahmedaten
IA: dreidimensionale intrakorporale Aufnahme
S1: Schritt Einlesen 3D-Aufnahmedaten
S2: Schritt Vorbereiten Navigation
S3: Schritt Definition Registrierungsstruktur
S4: Schritt Erste Registrierung
S5: Schritt Erstellen dreidimensionale intrakorporale Aufnahme
S6: Schritt Zweite Registrierung
S7: Erfassen Lage 3D-Aufnahmegerät
B1: Bedingung erneute Registrierung?
B2: Bedingung Verfahren beenden?

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9336592 B2 [0009]

Claims

Chirurgisches Assistenzsystem (1) zur Verwendung bei einem chirurgischen Eingriff, aufweisend: zumindest ein bildgebendes 3D-Aufnahmegerät, welches dafür vorgesehen und angepasst ist, bei einem Patienten (P) eine dreidimensionale intrakorporale Aufnahme (IA) zu erstellen und computerlesbar bereitzustellen; und ein Trackingsystem (14), insbesondere ein chirurgisches Navigationssystem, welches dafür vorgesehen und angepasst ist, zumindest einen chirurgischen Eingriffsbereich des Patienten (P), insbesondere den Patienten (P) mit einer äußeren Oberfläche des Patienten (P), vorzugsweise zusammen mit dem 3D-Aufnahmegerät, zu erfassen und nachzuverfolgen; eine Datenbereitstellungseinheit (10), insbesondere eine Speichereinheit (20), welche dafür angepasst ist, digitale 3D-Aufnahmedaten (3DA), insbesondere präoperative 3D-Aufnahmedaten (3DA), des Patienten (P) bereitzustellen; und eine Steuereinheit (12), die dafür angepasst ist, die dreidimensionale intrakorporale Aufnahme (IA), die Daten des Trackingsystems (14) sowie die bereitgestellten 3D-Aufnahmedaten (3DA) zu verarbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass das chirurgische Assistenzsystem (1), insbesondere das Trackingsystem (14) und/oder die Steuereinheit (12), dafür angepasst ist, die 3D-Aufnahmedaten (3DA) auf eine äußere Oberfläche des Patienten (P) als erste Registrierung zu registrieren und insbesondere diese erste Registrierung in der Speichereinheit (20) zu hinterlegen; und die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, aus der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme (IA) und/oder den 3D-Aufnahmedaten (3DA) zumindest eine Landmarke und/oder eine Oberfläche und/oder ein dreidimensionales Volumen einer intrakorporalen Struktur als intrakorporale Referenz zu bestimmen, und auf Basis der ersten Registrierung und auf Basis der bestimmten intrakorporalen Referenz, die 3D-Aufnahmedaten (3DA) auf die als dreidimensionale intrakorporale Aufnahme (IA) erfasste intrakorporale Struktur des Patienten (P) als zweite Registrierung zu registrieren, um eine Genauigkeit der Registrierung zu erhöhen.
Chirurgisches Assistenzsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, die zweite Registrierung auf Basis einer starren Transformation durchzuführen.
Chirurgisches Assistenzsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das chirurgische Assistenzsystem (1) ein chirurgisches 3D-Mikroskop und/oder ein chirurgisches 3D-Endoskop (2, 2`) und/oder ein medizinisches Instrument mit einer optischen 3D-Kamera als 3D-Aufnahmegerät zur Erstellung der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme (IA) aufweist.
Chirurgisches Assistenzsystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, in der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme (IA) zumindest eine punktförmige Landmarke und/oder zumindest eine Oberfläche für die zweite Registrierung zu bestimmen.
Chirurgisches Assistenzsystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, genau eine einzige Landmarke (15) zu erfassen und auf Basis der einen Landmarke (15) eine Registrierung mit nur einer Transformationskorrektur hinsichtlich einer Translation durchzuführen.
Chirurgisches Assistenzsystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem (14) ein infrarotbasiertes Navigationssystem und/oder ein elektromagnetisches Navigationssystem und/oder ein Bildverarbeitendes Navigationssystem aufweist.
Chirurgisches Assistenzsystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dafür angepasst ist, die erste Registrierung mittels eines Punkt-zu-Punkt-Abgleichs und/oder eines Oberflächenabgleichs unter Verwendung der äußeren Oberfläche des Patienten (P) durchzuführen.
Registrierverfahren zur Registrierung von 3D-Aufnahmedaten (3DA) auf ein Gewebe eines Patienten (P), insbesondere für ein chirurgisches Assistenzsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen 3D-Aufnahmedaten (3DA) eines Patienten (P); Registrieren der 3D-Aufnahmedaten (3DA) auf eine äußere Oberfläche des Patienten (P) als erste Registrierung; Erstellen einer dreidimensionalen intrakorporale Aufnahme (IA) des Patienten (P) durch ein 3D-Aufnahmegerät; Bestimmen von zumindest einer Landmarke und/oder einer Oberfläche und/oder eines Volumens in der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme (IA) und/oder in den 3D-Aufnahmedaten (3DA) als intrakorporale Referenz; und Registrieren, auf Basis der ersten Registrierung und der bestimmen intrakorporalen Referenz, der 3D-Aufnahmedaten (3DA) auf die als dreidimensionale intrakorporale Aufnahme (IA) erfasste intrakorporale Struktur des Patienten (P) als zweite Registrierung, um eine Genauigkeit der Registrierung zu erhöhen.
Registrierverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses beim Schritt der zweiten Registrierung die Schritte aufweist: Erfassen von zumindest einer Landmarke und/oder einer Oberfläche in der dreidimensionalen intrakorporalen Aufnahme (IA); Durchführen einer starren Transformation, um die 3D-Aufnahmedaten (3DA) auf die intrakorporale Struktur zu registrieren.
Computerlesbares Speichermedium, das Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Verfahrensschritte des Registrierverfahrens gemäß Anspruch 8 oder 9 auszuführen.