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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Laser-Führungsroboter zur visuellen Projektion einer Führung eines Operationsplans auf einen Eingriffsbereich eines Patienten. Daneben betrifft die Offenbarung ein Projektionsverfahren zur visuellen Projektion einer Führung und ein Laser-Führungsroboter-System mit dem Laser-Führungsroboter und einem medizinischen Instrument oder Produkt gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
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Technischer Hintergrund
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Bei computerassistierten Operationen werden Navigationssysteme und/oder Operationsroboter eingesetzt. Bei der Verwendung von Navigationssystemen werden chirurgische Instrumente erfasst und nachverfolgt/getrackt. Dabei werden insbesondere eine Position und eine Orientierung der chirurgischen Instrumente im Raum erfasst. Die erfassten Informationen werden mit präoperativen Aufnahmen korreliert und kombiniert, der vor der Operation erfasst wurde. Bei diesen präoperativen Aufnahmen handelt es sich insbesondere um ein Modell eines Patienten oder eines Körpers eines Patienten. Dieses digitale Modell wird beispielsweise durch Computertomographie-Aufnahme (CT-Aufnahme) und/oder einer Magnetresonanztomographie- Aufnahme (MRT-Aufnahme) erstellt. Bei einer Verwendung von Operationsrobotern werden chirurgische Instrumente durch einen oder mehrere Roboterarme zu einer Zielposition bewegt, wobei Zielposition dabei anhand von den präoperativen Aufnahmen ermittelt wird.
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Sowohl die Verwendung von Navigationssystemen als auch von Operationsrobotern weisen bestimmte Nachteile auf. Die Verwendung von Navigationssystemen bedingt Beschränkungen hinsichtlich einer Bewegungsfreiheit durch das Anbringen von Navigationstrackern an chirurgische Instrumente. Die Verwendung von Operationsrobotern wiederum verkleinert den Arbeitsraum bzw. Arbeitsbereich durch einen notwendigen Endeffektor und ist auch vom System her kom pl izierter.
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Deshalb wurden Lösungen entwickelt, bei der die Operation herkömmlich durch einen Chirurgen durchgeführt wird, der Chirurg aber durch eine Projektion eines präoperativ berechneten Operationsplan unterstützt wird.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2017 127 791 A1 offenbart ein medizinisches Steuersystem. Dabei projiziert ein Projektor, der beispielsweise in Form eines Lasers ausgebildet ist, eine OP-Anleitung auf einen Patienten. Die OP-Anleitung kann eine Eingriffsstelle bei dem Patienten wie auch eine Position von verletzlichen Gewebe oder Organen auf dem Patienten darstellen. Die projizierte OP-Anleitung unterstützt einen behandelnden Chirurgen, da sich dieser an der Projektion orientieren kann. Die OP-Anleitung wurde vor der Operation durch einen Scan des Patienten ermittelt.
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Aus der
EP 3 733 111 A1 ist ein laserbasiertes System zur Anleitung bei Operationen bekannt. Das System weist einen halbkreisförmigen Arm (C-Röntgengerät) mit einem Laserprojektor auf. Der (Röntgen-)Arm scannt den Körper eines Patienten und zeigt den Scan auf einem Bildschirm an. Ein Nutzer kann Operationsinformationen direkt an dem Bildschirm bearbeiten. So kann der Nutzer beispielsweise Operationsinformationen über einen Touchscreen eingeben. Eine Steuereinheit rechnet die Operationsinformationen um und der Laserprojektor projiziert die Operationsinformationen auf den Körper des Patienten. Das System weist jedoch den voluminösen und sperrigen C-förmigen Arm auf, der ein Handling während der Operation negativ beeinflusst. Ferner kann der C-förmige Arm während der Operation nicht beliebig verfahren werden und bedarf einer strategischen Umpositionierung.
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Es sind weiterhin (Roboter-)Systeme bekannt, die energiereiche Laser benutzen, um Knochen zu schneiden. Dabei wird basierend auf präoperativen Daten ein Operationsplan erstellt. Ein Effektor wird durch ein optisches Navigationssystem gesteuert und schneidet Knochen durch Laser aufgrund des Operationsplans. Das ist insofern vorteilhaft, da der Roboter eine sehr saubere Schnittkante erzeugt und das Laserschneiden keinen Span produziert. Das Laserschneiden ist jedoch nicht bei Biopsien oder anderen chirurgischen Eingriffen wie dem Anbringen von Schrauben oder Ähnlichem einsetzbar.
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Ferner ist aus Liao, et. al - Precision-guided surgical navigation systems using laser guidance and 3D autostereoscopic image overlay ein System mit mehreren stationären Lasern bekannt. Dabei sind zumindest zwei Laser in einem Abstand angebracht. Beide Laser projizieren einen Laserstrahl auf eine Operationsfläche. Die Schnittlinie der beiden Laser stellt eine Operationslinie dar. So kann beispielsweise die Eingriffslinie bei einer Operation angezeigt werden. Dem stationären System fehlt aber die Flexibilität für eine Anzahl an Operationen.
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Zusammenfassend können die bekannten Systeme aus dem Stand der Technik dem Chirurgen anzeigen, an welcher Stelle er einen Eingriff vornehmen muss und können dem Chirurgen auch relevante anatomische Orientierungspunkte wie Organe markieren, die der Chirurg bei der Operation nicht verletzen darf. Die Informationen werden aber lediglich von oben auf den Patienten projiziert. Dadurch wird lediglich ein zweidimensionales Bild dargestellt, ohne jedoch eine räumliche Information bereitzustellen.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Es sind daher die Aufgaben der vorliegenden Offenbarung, die Nachteile des Stands der Technik zu überkommen oder zumindest zu mindern und insbesondere einen effektiven, flexiblen Laser-Führungsroboter sowie Projektionsverfahren und Laser-Führungsroboter-System bereitzustellen, der/das einem Benutzer, insbesondere einem behandelnden Chirurgen, weitere räumliche Informationen für eine Führung und Navigation zur Verfügung stellt und insbesondere eine Funktion einer Anzeige ermöglicht, an welcher Stelle und besonders in welchem Winkel und er einen Eingriff durchführen kann. Eine weitere Teilaufgabe kann darin gesehen werden, einen kostengünstigen und beweglichen Laser-Führungsroboter und Führungsroboter-System bereitzustellen, welcher/s insbesondere mobil einsetzbar ist und einen Operationssaal möglichst nur minimal hinsichtlich eines benötigenden Volumens beeinflusst. Insbesondere soll ein Eingriffsbereich für den Chirurgen weiterhin frei zugänglich sein.
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Die Aufgaben der vorliegenden Offenbarung werden hinsichtlich eines gattungsgemäßen Laser-Führungsroboters erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich eines gattungsgemäßen Laser-Führungsroboter-Systems erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst, und hinsichtlich eines gattungsgemäßen Projektionsverfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst.
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Kerngedanke der vorliegenden Offenbarung ist also, durch eine Kombination von einem Roboter als Positioniersystem und einem Laser als Anzeigesystem mit einer Laserstrahlung, welche eine Längsachse aufweist, nicht nur eine Stelle anzeigen zu können, sondern zudem für den Chirurgen eine Achse im Raum auf diese Stelle visuell anzeigen zu können, so dass dieser die Information der Achse nutzen kann, um medizinische Produkte oder Instrumente entsprechend ausrichten zu können. Entscheidend hierbei ist, dass der Roboter den Laser in eine vorbestimmbare Position und Orientierung relativ zu dem Patienten und damit zur Eingriffsstelle steuerbar und damit bewegbar ist, der Laser in dieser Lage einen Zielpunkt des Eingriffsbereichs anvisiert und eine Laserstrahlung mit einer Längsachse und damit Führungsachse auf diesen anzuvisierenden Zielpunkt ausrichtet und visuell anzeigt. Dadurch ist der Chirurg in der Lage, die medizinischen Produkte, wie einer Biopsienadel, oder Instrumente, wie einem Schraubendreher, nicht nur an eine angezeigte Position anzusetzen, sondern auch eine Längsachse entsprechend der angezeigten Führungsachse auszurichten.
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Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Offenbarung also einen Laser-Führungsroboter zur visuellen Projektion einer (operativen) Führung, insbesondere eines präoperativ berechneten Operationsplans, auf einen Eingriffsbereich eines Patienten. Der Laser-Führungsroboter weist einen (Führungs-)Roboter mit einem an einer Roboterbasis beweglich angelenkten bzw. angebundenen Roboterarm und einem an den Roboterarm verbundenen endständigen/distalen Roboterkopf/Endabschnitt auf, sowie ferner ein Trackingsystem auf, insbesondere ein optisches Navigationssystem oder ein roboterkinematikbasiertes Trackingsystem (hierbei wird die Kinematik des (Führungs-)Roboters verwendet, um vorzugsweise die Position und Orientierung des Lasers zu bestimmen, insbesondere relativ zu dem Patienten), das dafür angepasst ist, eine Position und/oder eine Orientierung des Roboterkopfs und/oder eine Position und/oder eine Orientierung des Patienten und damit des Eingriffsbereichs zu erfassen. Der Laser-Führungsroboter weist ferner einen Projektions-Laser auf, dessen emittierte Laserstrahlung vorzugsweise in einem für das menschliche Auge sichtbaren Bereich liegt, und der an dem Roboterkopf angeordnet, insbesondere befestigt, ist, sodass mittelbar über den Roboterkopf eine Position und Orientierung des Projektions-Lasers sowohl erfassbar als auch einstellbar ist. Der Laser-Führungsroboter weist zudem eine Steuereinheit auf, die dafür angepasst ist, eine Zielposition und Zielorientierung des Projektions-Lasers in Relation zu dem Eingriffsbereich des Patienten zu bestimmen und den Roboterarm mit dem Roboterkopf und dem Projektions-Laser derart zu steuern, dass der Projektions-Laser in die Zielposition und Zielorientierung bewegt wird/verfährt und über seine (visuelle) Projektion der Laserstrahlung in der Zielorientierung zumindest eine Führungsachse auf den Eingriffsbereich visuell darstellt.
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Insbesondere berechnet die Steuereinheit den Operationsplan und damit zumindest eine vordefinierte Eingriffsstelle für den Eingriff mit einer zugehörigen Zielposition und Zielorientierung des Projektions-Lasers aus präoperativen Aufnahmen. Ferner kann die Steuereinheit insbesondere dafür angepasst sein, eine Eingriffsachse zu berechnen, die in einem berechneten Eingriffswinkel an der Eingriffsstelle anliegt. Der Roboterarm ist beweglich und weist eine Anzahl an Freiheitsgraden auf. Der Projektions-Laser ist an einem distalen Endabschnitt des Roboterarms bzw. dem Roboterkopf angebracht/befestigt und ist somit mit dem Roboterarm beweglich und durch den Roboter steuerbar. Das Trackingsystem erfasst die Position und Orientierung des Roboterkopfs und damit (insbesondere über eine statische bekannte oder vorbestimmbare Transformation von dem Koordinatensystem des Roboterkopfs zu dem Projektions-Laser) die Position und Orientierung des Projektions-Lasers im Raum. So kann auch das Erreichen der Zielposition und Zielorientierung des Projektions-Lasers sowohl angesteuert als auch erfasst werden. Durch die Freiheitsgrade des Roboterarms wird der Projektions-Laser derart angeordnet/ positioniert und ausgerichtet, dass die emittierte Laserstrahlung des Projektions-Lasers (also die Längsachse der Laserstrahlung) der berechneten Eingriffsachse mit dem berechneten Eingriffswinkel entspricht. Die durch den Projektions-Laser emittierte Laserstrahlung, die direkt visuell sichtbar ist, da sie Wellenlängen im sichtbaren Bereich emittiert, oder in einem nicht sichtbaren Bereich ist, jedoch bei Instrumenten eine Fluoreszenz hervorruft, bildet somit die Führungsachse für die Operation oder den Eingriff aus.
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Die Zielposition und die Zielorientierung des Projektions-Lasers sind dabei die Position und die Orientierung des Projektions-Lasers in denen die von der Laserstrahlung projizierte Führungsachse der berechneten Eingriffsachse entspricht und insbesondere auf einen anzuvisierenden Zielpunkt in einem Eingriffsbereich ausgerichtet ist.
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Die präoperativen Aufnahmen werden vor der Operation durch vorzugsweise Computertomographieaufnahmen (CT-Aufnahme) und/oder Magnetresonanztomographieaufnahmen (MRT-Aufnahme) erfasst.
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Der Begriff „Trackingsystem“ beschreibt ein technisches System, das eine räumliche Lokalisierung ermöglicht und eine Erfassung einer Position und/oder Orientierung eines Zielobjekts ermöglicht.
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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.
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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.
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Der Begriff „Lage“ umfasst sowohl eine Position als auch eine Orientierung. Insbesondere kann die Lage mittels sechs Koordinaten angegeben werden, drei Positionskoordinaten X, Y und Z sowie drei Winkelkoordinaten für die Orientierung.
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Zusammenfassend kann mit anderen Worten der Kern der vorliegenden Offenbarung darin gesehen werden, dass ein Projektions-Laser von einem Roboterarm derart positioniert und ausgerichtet wird, dass die von dem Projektions-Laser emittierte Laserstrahlung einer anzufahrenden Eingriffsachse, insbesondere einer präoperativ berechneten Eingriffsachse für eine Operation entspricht. Dem Chirurgen wird die Möglichkeit an die Hand gegeben sich nicht nur die Position im Eingriffsbereich visuell anzeigen zu lassen, sondern zudem noch eine Achse (mit einem entsprechenden Eingriffswinkel).
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Der offenbarungsgemäße Laser-Führungsroboter ermöglicht es einem Benutzer oder medizinischen Fachpersonal, insbesondere einem Chirurgen, möglichst exakt die berechnete Eingriffsachse zu verfolgen. Damit können die Vorteile eines Operationsroboters nämlich die exakte Verfolgung einer präoperativ berechneten Operationstrajektorie mit der hohen Flexibilität und einfacher Handhabung einer (konventionellen) manuellen Operation verbunden werden. Insbesondere wird dem behandelnden Chirurgen angezeigt, in welchem Winkel er einen Eingriff vornehmen soll. Dabei kann die projizierte Führungsachse beispielsweise anzeigen, wie eine Biopsienadel in den Körper des Patienten eingeführt werden soll oder in welchem Winkel eine Pedikelschraube in die Wirbelsäule des Patienten eingeschraubt wird. Durch die Unterstützung des Chirurgen durch die Anzeige/Projektion der Führungsachse kann eine Operation präzise vorgenommen werden und die Sicherheit für den Patienten erhöht werden. Operationsbedingte Traumata werden vermindert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird ferner durch ein offenbarungsgemäßes Projektionsverfahren zur Projektion einer Führung (mit Führungsachse), insbesondere eines (präoperativ berechneten) Operationsplans, mit dem Projektions-Laser, der an dem Roboterkopf befestigt ist, gelöst. Das Projektionsverfahren weist die folgenden Schritte auf. Ein Trackingsystem erfasst eine Position und/oder eine Orientierung des Roboterkopfs und damit (über eine bestimmbare Transformation zwischen dem Roboterkopf und dem Projektionslaser) die Lage des Projektions-Lasers im Raum. Die Steuereinheit berechnet eine Führungsachse, insbesondere basierend auf präoperativen Aufnahmen. Die Steuereinheit berechnet ferner die Zielposition und die Zielorientierung des Projektions-Lasers basierend auf der berechneten Eingriffsachse, insbesondere aus den präoperativen Aufnahmen. Der Roboterarm bewegt den Roboterkopf mit dem Projektions-Laser anschließend in die berechnete und vorbestimmte Zielposition und Zielorientierung. Der Projektions-Laser projiziert die Laserstrahlung in der Zielorientierung derart, dass zumindest eine Führungsachse auf den Eingriffsbereich visuell darstellt wird. Insbesondere entspricht die projizierte Führungsachse der berechneten Eingriffsachse.
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Der Operationsplan wird vorzugsweise von der Steuereinheit basierend auf den präoperativ erfassten Aufnahmen berechnet. Der berechnete Operationsplan weist dabei zumindest eine Eingriffsstelle (Zielpunkt) sowie die Eingriffsachse und/oder den Eingriffswinkel auf. Insbesondere weist der Operationsplan eine geradlinige Trajektorie auf.
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Durch das offenbarungsgemäße Projektionsverfahren kann die berechnete Eingriffsachse der geplanten Operation als die projizierte Führungsachse dargestellt werden. Somit kann der Chirurg mit hoher Präzision operieren, indem er der Führungsachse und somit der Eingriffsachse folgt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Offenbarung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden insbesondere nachstehend erläutert.
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Vorzugsweise berechnet die Steuereinheit auf Basis des in einer Speichereinheit hinterlegten Operationsplans zumindest eine erste Zielposition und Zielorientierung des Projektions-Lasers. Die Steuereinheit kann den Roboterarm derart ansteuern, dass der Projektions-Laser in der Zielposition und Zielorientierung seine Laserstrahlung auf die berechnete Eingriffsstelle projiziert und mit der berechneten Zielorientierung die Führungsachse visuell darstellt. Damit zeigt die Laserstrahlung und damit die Führungsachse die durch die Steuereinheit berechnete Eingriffsstelle an.
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Die Speichereinheit kann als Teil der Steuereinheit oder als Teil eines externen Steuergeräts ausgeführt sein.
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Es kann vorteilhaft sein, dass die Steuereinheit den Projektions-Laser relativ gegenüber einer vordefinierten Eingriffsstelle über den Roboterarm derart ansteuert, also positioniert und orientiert, dass die Führungsachse in einem vorgegebenen Winkel auf die vordefinierte Eingriffsstelle (bzw. Zielpunkt der Eingriffsstelle) steht. Dadurch zeigt die von dem Projektions-Laser emittierte Laserstrahlung den Eingriffswinkel an. Der Eingriffswinkel ist dabei insbesondere der als optimaler Winkel für den operativen Eingriff berechnete Winkel. Der Eingriffswinkel kann basierend auf dem präoperativen Datensatz berechnet werden.
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Nach einem weiteren optionalen Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist der Operationsplan eine, vorzugsweise geradlinige, (Operations-)Trajektorie, (Zwischen-)Zielpunkte (insbesondere einem Zielpunkt auf der geradlinigen Operationstrajektorie, um etwa für ein Instrument eine Achse und eine Zielposition anzuzeigen) und/oder Umrisse eines (Operations-)Ziels auf. Der Operationsplan weist ferner vorzugsweise zumindest eine Eingriffsstelle, eine Eingriffsachse und/oder einen Eingriffswinkel auf. Die Steuereinheit kann die Zielorientierung (mit zugehöriger Zielposition) des Projektions-Lasers derart einstellen, dass die Führungsachse der Eingriffsachse entspricht. Dadurch wird dem Benutzer die berechnete Eingriffsachse durch die projizierte Führungsachse angezeigt. Die Führungsachse kann deshalb einer (beliebigen) Eingriffsachse entsprechen, weil der Projektions-Laser durch den (beweglichen) Roboterarm in fast jede beliebige Position und Orientierung bewegt werden kann. Der Chirurg muss bei der Operation lediglich der projizierten Führungsachse folgen, um sein (medizinisches) Instrument oder Produkt in dem richtigen Eingriffswinkel anzusetzen. Damit wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass der Chirurg die berechnete Eingriffsachse trifft.
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Vorzugsweise ist die durch den Projektions-Laser emittierte Laserstrahlung derart angepasst, dass diese visuell einen Fokuspunkt in einer vorbestimmten Eingriffstiefe anzeigen oder auf diesen hinweisen. Die Eingriffstiefe kann Gegenstand des berechneten Operationsplans sein und kann durch die Steuereinheit basierend auf den präoperativen Aufnahmen berechnet werden. Wenn der Projektions-Laser während der Operation die berechnete Eingriffstiefe angezeigt, wird die Wahrscheinlichkeit minimiert, dass der Chirurg versehentlich in einer falschen Tiefe eingreift. Komplikationen und Traumata können dadurch vermieden werden. Die Operation verläuft schonender für den Patienten und die Erholungszeiten nach der Operation werden verkürzt.
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Es kann vorteilhaft sein, dass die durch den Projektions-Laser projizierte Laserstrahlung eine kegelförmige Struktur mit einem Fokuspunkt ausbildet, wobei der Fokuspunkt die Eingriffstiefe anzeigt. Durch den Fokuspunkt an der Spitze der kegelförmigen Struktur, welche von dem Projektions-Laser abgewandt ist, wird die Eingriffstiefe visuell dargestellt, sodass sich bei einem Eingriffsbereich oberhalb der Eingriffstiefe (also dem Projektions-Laser zugewandt) Ringe oder ovale Formen ausbilden, die in der Eingriffstiefe auf den Fokuspunkt zusammenlaufen. Das heißt die emittierte Laserstrahlung ist im Querschnitt kreisförmig (mit sich veränderndem Durchmesser) ausgebildet und nicht punktförmig. Die Laserstrahlung schneidet sich gegenseitig in einem Schnittpunkt, der die Spitze des Kegels bildet. Der Schnittpunkt zeigt die optimale (berechnete) Eingriffstiefe an. Wenn der Chirurg die gewünschte Eingriffstiefe noch nicht erreicht hat, wird die Laserstrahlung als Ringe auf einer Projektionsoberfläche angezeigt. Die Größe der Ringe kann anzeigen, wie weit der Chirurg noch von der Eingriffstiefe entfernt ist. Je größer die projizierten Ringe sind, desto weiter ist der Abstand von der gewünschten Eingriffstiefe. Wenn der Chirurg der Eingriffsachse folgt, kann die Laserstrahlung als konzentrische Ringe ausgebildet sein. Sollte der Chirurg beim Eingriff von der Eingriffsachse abweichen, die Eingriffsrichtung also schräg zu der Laserstrahlung stehen und eine Projektionsfläche auf den Patienten nicht orthogonal zur Längsachse sein, kann die Laserstrahlung als ovale Form angezeigt werden. Damit wird dem Chirurgen angezeigt, dass die Eingriffsrichtung nicht mit der berechneten Eingriffsachse übereinstimmt.
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Vorzugsweise kann das medizinische Instrument oder Produkt einen vorbestimmten Projektionsbereich oder eine Vorrichtung aufweisen, an der der Benutzer die Projektion des Projektions-Lasers sehen kann.
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Insbesondere bildet die durch den Projektions-Laser projizierte Laserstrahlung einen Hyperboloid/eine Doppelkegelstruktur (wie z. B. eine Sanduhr) aus, mit einem Fokuspunkt für eine visuelle Darstellung der Eingriffstiefe an der gemeinsamen Spitze der Doppelkegelstruktur, sodass sich bei einem Eingriffsbereich oberhalb der Eingriffstiefe Ringe oder ovale Formen ausbilden, die in der Eingriffstiefe auf den Fokuspunkt zusammenlaufen und die unterhalb der Eingriffstiefe wieder als Ringe oder ovale Formen auseinandergehen. Wenn der Chirurg bei dem Eingriff zu tief eingedrungen ist, kann die Laserstrahlung als sich mit steigendem Abstand zu der gewünschten Eingriffstiefe vergrößernde Ringe darstellen.
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Vorzugsweise emittiert der Projektions-Laser zumindest zwei gerade Laserstrahlen, welche einen Winkel zueinander aufweisen und sich gegenseitig (über)schneiden und der Schnittpunkt der zumindest zwei Laserstrahlen die berechnete Eingriffstiefe anzeigt. Wie vorstehend erläutert, kann die Laserstrahlung von dem Projektions-Laser nicht parallel bzw. aufeinander zulaufend emittiert werden. Dadurch schneiden sich die (geradlinigen, sich nicht auffächernden) mehreren emittierten Laserstrahlen und bilden den Schnittpunkt. Durch den Schnittpunkt wird die berechnete Eingriffstiefe anzeigt. Es können durch die zwei geraden Laserstrahlen insbesondere zwei Punkte projiziert werden, deren Abstand sich zum Fokuspunkt hin verringert und zu einem einzigen überlagerten Punkt zusammenlaufen.
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Nach einem weiteren optionalen Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist der Laser-Führungsroboter eine Ein- und Ausgabeeinheit, insbesondere ein (Touch-)Display, zur Eingabe von Steuerbefehlen und/oder Ausgabe von Informationen an ein medizinisches Fachpersonal, insbesondere einen Chirurgen, auf. Der Benutzer kann beispielsweise eine gewünschte Endposition und Endorientierung des Roboterkopfs und/oder eine Zielposition und Zielorientierung des Projektions-Lasers über die Ein- und Ausgabeeinheit auswählen und der Roboter verfährt den Projektions-Laser entsprechend. Der Benutzer, insbesondere das medizinische Fachpersonal bzw. der Chirurg, kann auch eine Trajektorie der Operation über die Ein- und Ausgabeeinheit eingeben.
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Vorzugsweise weist das Trackingsystem ein optisches Navigationssystem mit einer Navigationskamera und mit einem oder mehreren optischen Tracker auf. Die Tracker sind dazu vorbereitet und ausgebildet, an dem distalen Endabschnitt bzw. dem Roboterkopf des Roboterarms und/oder dem Patienten befestigt zu werden, sodass deren Position und Orientierung im Raum von einer Navigationskamera des Navigationssystems erfasst werden, um den Projektions-Laser in die berechnete Zielposition und Zielorientierung relativ zu der erfassten Position und/oder Orientierung des Patienten und damit zum Eingriffsbereich zu bewegen. Insbesondere weist der Roboterkopf einen Starrkörper mit reflektierenden Markern als Roboter-Tracker auf. Beispielsweise ist ein Tracker an dem Patienten und ein Tracker an dem Roboterkopf angebracht. Die Navigationskamera ist vorzugsweise eine Stereokamera, die die Position und Orientierung der Tracker erfassen kann. Somit kann die Position und Orientierung des Patienten und somit des Eingriffsbereichs und die Position und Orientierung des Roboterkopfs und damit des Projektions-Lasers erfasst werden. Insbesondere kann eine Registrierung des Patienten basierend auf dem Patienten-Tracker durchgeführt werden bzw. die Steuereinheit dafür angepasst sein, eine Registrierung des Patienten mittels des Trackingsystems durchzuführen. Durch das optische Navigationssystem kann insbesondere eine Anfangsposition des Roboterkopfs erfasst werden und der Roboterkopf in die Zielposition relativ zu dem Eingriffsbereich des Patienten bewegt und in die Zielorientierung ausgerichtet werden. Das optische Navigationssystem erkennt das Erreichen der Zielposition und der Zielorientierung.
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Vorzugsweise können die Position und Orientierung des Roboterkopfs über Stellmotoren des Führungsroboters (über eine entsprechende Roboterkinematik) erfasst werden. Damit wäre kein optisches Tracking- oder Navigationssystem mit der Kamera und den Trackern für die Erfassung der Position und Orientierung des Roboterkopfs notwendig. Die präzise ansteuerbaren Stellmotoren sind bereits in dem Führungsroboter vorhanden.
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Weiterhin kann vorzugsweise der Projektions-Laser gegenüber dem Roboterkopf durch Stellmotoren bewegt werden, um eine Orientierung des Projektions-Lasers gegenüber dem Roboterkopf aktiv einzustellen. Somit weist der Projektions-Laser auch zumindest einen Freiheitsgrad gegenüber dem Roboterkopf auf. Dadurch wäre die Ausrichtung der Projektion der Laserstrahlung durch den Projektions-Laser noch flexibler.
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Nach einem weiteren optionalen Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind in einer Speichereinheit/Datenbereitstellungseinheit präoperative Aufnahmen des Patienten hinterlegt, insbesondere in Form einer Computertomographie und/oder Magnetresonanztomographie (CT-Aufnahmen und/oder MRT-Aufnahmen). Die Steuereinheit berechnet basierend auf einem registrierten Patienten eine in den präoperativen Aufnahmen eingebundene Eingriffsachse und eine bestmögliche zugehörige Zielposition und Zielorientierung und der Projektions-Laser wird entsprechend bewegt/verfahren, sodass die Führungsachse bestmöglich angezeigt wird und insbesondere der Eingriffsachse entspricht also koaxial zu dieser ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise weist der Führungsroboter zumindest einen Projektions-Laser, vorzugsweise zwei Projektions-Laser, auf und der oder die Projektions-Laser sind dafür angepasst, zumindest zwei unterschiedliche Wellenlängen zu emittieren, um zwei verschiedene Farben anzuzeigen und insbesondere unterschiedliche Ziele im Eingriffsbereich farblich zu markieren. Durch die verschiedenen Farben des Lasers können unterschiedliche relevante Orientierungspunkte wie beispielsweise Organe oder unterschiedliche Ziele wie eine Biopsie und/oder ein Tumor oder ein medizinisches Produkt angezeigt werden.
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Nach einem weiteren optionalen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der Projektions-Laser zudem durch manuelles Bewegen des Roboterarms in die berechnete Endposition gebracht werden, während das (optische) Navigationssystem die aktuelle Position und/oder Orientierung des Projektions-Lasers während der manuellen Bewegung erfasst und ein Erreichen der berechneten Zielposition und/oder Zielorientierung anzeigt. Dadurch kann der Roboterarm auch durch den Chirurgen händisch positioniert werden und der Chirurg sieht über die Darstellungsvorrichtung etwa, wie weit er von seiner Zielposition und Zielorientierung entfernt ist.
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Insbesondere kann die Zielposition auf einer Längsachse der Laserstrahlung eingestellt und insbesondere dargestellt werden. Mit anderen Worten kann die Führungsachse im Raum ausgerichtet werden, jedoch bei einer parallelen Laserstrahlung entlang der Längsachse bewegt werden, und dabei weiterhin die Führungsachse anzeigen.
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Insbesondere kann der Projektions-Laser dafür angepasst sein, die Laserstrahlung in Form von sich schneidenden Laserstrahlen dahingehend anzupassen, dass ein Abstand zwischen dem Projektionslaser und den sich überschneidenden Laserstrahlen verändert wird, um den Fokuspunkt zu setzen. Insbesondere kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, bei einer translatorischen Verschiebung des Roboterkopfs mit dem Projektions-Laser entlang der Längsachse der Laserstrahlung den Fokuspunkt beizubehalten, indem der Abstand zwischen dem Projektionslaser und den sich überschneidenden Laserstrahlen entsprechend mitverändert wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird ferner durch ein Laser-Führungsroboter-System mit einem Laser-Führungsroboter gemäß der vorliegenden Offenbarung, insbesondere nach einem der vorstehend erläuterten Aspekte und mit einem medizinischen, insbesondere chirurgischen, Instrument, insbesondere einem Schraubendreher, und/oder einem medizinischen Produkt, insbesondere einer Biopsienadel oder einer Pedikelschraube, gelöst. Der Laser-Führungsroboter projiziert über den Projektions-Laser die Führungsachse auf einen Eingriffsbereich. Das medizinische Instrument oder Produkt ist mit einer Längsachse entlang der Führungsachse ausrichtbar, indem ein, vorzugsweise proximaler, Abschnitt des Instruments oder Produkts (entlang der Längsachse) eine Projektionsoberfläche aufweist, auf welche der Projektions-Laser die Laserstrahlung projiziert, wenn das Instrument oder Produkt mit seiner Längsachse in Wesentlichen parallel, insbesondere koaxial, zu der Führungsachse ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise weist das medizinische Produkt an einem proximalen Ende eine optische Markierung auf, die anzeigt, ob das chirurgische Produkt in der Eingriffsachse ausgerichtet ist. Bei der proximalen Markierung kann es sich beispielsweise um konzentrische Kreise handeln. Wenn die Laserstrahlung derart auf die proximale Markierung fällt, dass die punktförmige Projektion in der Mitte der Markierung ist oder eine ringförmige Projektion konzentrisch mit den Kreisen der Markierung angeordnet ist, ist das chirurgische Produkt in der Führungsachse bzw. der Eingriffsachse ausgerichtet. Die anderen Ringe können einen gewissen Winkel anzeigten, welche dem Chirurgen helfen zu entscheiden, ob die gewählte Eingriffsachse des Instruments bzw. Produkts noch innerhalb eines Toleranzbereichs zu der optimalen Eingriffsachse liegt. Insbesondere kann eine Zielscheibe oder können zielscheibenartige Ringe auf der Projektionsoberfläche aufgetragen sein, so dass dem Chirurgen angezeigt wird, ob er sich koaxial zu der Führungsachse befindet, wenn mittig der Zielscheibe der Laserpunkt aufleuchtet.
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Der offenbarungsgemäße Laser-Führungsroboter kann insbesondere gemäß zumindest einer der folgenden Ausführungsformen abgeändert werden: Der Roboterkopf kann ein chirurgisches Mikroskop aufweisen; Der Laser-Führungsroboter kann mit einem bekannten Navigationssystem kombiniert werden; Der Laser-Führungsroboter kann mit einem chirurgischen Robotersystem kombiniert werden; Der Projektions-Laser kann in eine Optik des chirurgischen Mikroskops integriert werden; Der Projektions-Laser kann an dem Roboterkopf befestigt werden oder auf den Roboterkopf anbringbar ausgebildet sein; Der Laser-Führungsroboter kann als ein robotischer Laserpointer benutzt werden, der von einem externen Benutzer gesteuert wird; Das Navigationssystem kann auf einem Infrarotsystem mit einer Infrarotkamera basieren und/oder kann auf einer Elektromagnetischen Nachverfolgung (EM-Tracking) basieren und/oder kann auf einem System für Computer Vision basieren.
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Der Laser-Führungsroboter und das Projektionsverfahren können dabei folgendermaßen angewandt werden. Die folgenden Anwendungen sind beispielhafter Natur. Die Aufzählung ist nicht abschließend. Eine geplante Eingriffsstelle/ Einschnittstelle kann auf die Haut des Patienten projiziert werden. Ein Weg bzw. eine (insbesondere geradlinige) Trajektorie von der Eingriffsstelle zu einem Tumor kann projiziert werden. Kritische Strukturen wie Gefäße können markiert werden, um unbeabsichtigte Beschädigungen zu vermeiden. Die Außengrenzen/Umgrenzungen eines Tumors können markiert werden. Eine Trajektorie einer Biopsie kann über die Führungsachse markiert und angezeigt werden. Eine Trajektorie einer (geplanten) Knochenschraube kann über die Führungsachse markiert werden. Der Laser kann als ein ferngesteuerter Laserpointer verwendet werden, mit dem ein assistierender Chirurg anatomische Orientierungspunkte zeigt, um einen ausführenden oder operierenden Chirurgen zu führen.
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Die Aufgaben werden hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermediums dadurch gelöst, dass dieses Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Projektionsverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die vorliegende Offenbarung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen mithilfe von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Laser-Führungsroboters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Laser-Führungsroboters gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 3 einen Teilausschnitt des Laser-Führungsroboters mit einem Roboterkopf mit einem Projektions-Laser;
- 4 eine schematische Darstellung einer Displayansicht mit einer Eingriffsachse in einem Gewebe;
- 5 ein System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit einem medizinischen Produkt in Form eines Instruments und dem Roboterkopf;
- 6a eine schematische Ansicht einer sich überschneidenden Laserstrahlung des Projektions-Lasers, so dass ein Doppelkegel-Projektion entsteht;
- 6b eine schematische Ansicht einer einfachen, geraden Laserstrahlung des Projektions-Lasers;
- 6c eine schematische Ansicht einer parallelen Laserstrahlung des Projektions-Lasers, um eine hohlzylinderförmige Projektion zu erstellen; und
- 7 ein Flussdiagramm eines Projektionsverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Offenbarung dienen. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
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Detailliert Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt einen Laser-Führungsroboter 1, der neben einem Patienten 100 angeordnet ist. Der Laser-Führungsroboter 1 weist einen Führungsroboter mit einem (bewegbaren) Roboterarm 2 auf, der an einer Roboterbasis 3 beweglich angelenkt oder befestigt ist. Der Roboterarm 2 hat einen mit dem Roboterarm 2 verbundenen distalen Roboterkopf 4. Der Laser-Führungsroboter 1 weist ferner ein Trackingsystem 6, einen Projektions-Laser 8 und in dieser Ausführungsform eine Ein- und Ausgabeeinheit 10 auf. Das Trackingsystem 6 erfasst eine Position und eine Orientierung des Roboterkopfs 4 sowie eine Position und eine Orientierung des Patienten 100 und damit des Eingriffsbereichs. Der Projektions-Laser 8 ist an dem Roboterkopf 4 befestigt, dass mittelbar über den Roboterkopf 4 eine Position und Orientierung des Projektions-Lasers 8 einstellbar ist. Der Projektions-Laser 8 emittiert Laserstrahlung 12, die in dieser Ausführungsform in einem für das menschliche Auge sichtbaren Bereich zwischen 380nm und 750nm liegt.
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Der Laser-Führungsroboter 1 weist ferner eine Steuereinheit 14 (in 2 dargestellt) auf, die dafür angepasst ist, eine Zielposition und Zielorientierung des Projektions-Lasers 8 in Relation zu dem Eingriffsbereich des Patienten 100 zu bestimmen. Die Steuereinheit 14 steuert den Roboterarm 2 mit dem Roboterkopf 4 und dem Projektions-Laser 8 derart, dass der Projektions-Laser 8 in die Zielposition und Zielorientierung bewegt wird/verfährt. Über eine (visuelle) Projektion der Laserstrahlung 12 des Projektions-Lasers 8 in der Zielorientierung wird zumindest eine Führungsachse 16 und zudem eine Eingriffsstelle (Zielpunkt) auf den Eingriffsbereich visuell dargestellt. Auf diese Weise wird im Gegensatz zu dem bekannten Stand der Technik dem Chirurgen nicht nur eine Projektion eines Eingriffspunkts auf den Patienten bereitgestellt, sondern zudem noch eine Führungsachse visuell dargestellt.
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Die Roboterbasis 3 des Laser-Führungsroboters 1 ist vorzugsweise auf einem rollbaren bzw. bewegbaren Wagen angeordnet, um eine mobilen Laser-Führungsroboter 1 bereitzustellen, der an unterschiedliche Positionen in einem Operationssaal bewegt werden kann. In dem Wagen sind die Steuereinheit 14 (in 1 nicht gezeigt, jedoch in 2), eine Stromversorgung (nicht dargestellt) und optional eine Batterie (nicht dargestellt) zur Notstromversorgung untergebracht. Ferner ist in dem Wagen eine Speichereinheit 17 (nicht dargestellt) untergebracht.
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Der Roboterarm 2 weist mehrere Roboterarmsegmente und Gelenke auf, sodass der Roboterarm 2 in verschiedenen translatorischen Freiheitsgraden und zumindest einen rotatorischen Freiheitsgrad bewegbar ist. Der Roboterkopf 4 ist an einem distalen Ende des Roboterarms 2 um eine Achse drehbar angelenkt. Somit ist der Roboterkopf 4 und damit der Projektions-Laser 8 in zumindest im Raum translatorisch bewegbar und kann um eine Längsachse des distalen Endes des Roboterarms 2 rotiert werden, um eine Zielposition im Raum (relativ zu dem Patienten) und eine Zielorientierung mit entsprechender Führungsachse einzustellen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Laser-Führungsroboters 1 mit dem Roboterarm 2 mitsamt dem Roboterkopf 4, dem Trackingsystem 6, dem Projektions-Laser 8 und der Steuereinheit 14. Das Trackingsystem 6 weist ein optisches Navigationssystem 18 mit einer Navigationskamera 19 mit zumindest zwei voneinander beabstandeten Kameralinsen 20 und eine Anzahl an (optischen) Trackern 22 (Markern) auf. Die Tracker 22 weisen jeweils drei oder vier Arme 24 auf, die von einem gemeinsamen Punkt in unterschiedliche Richtungen abstehen. Die jeweilige Arme 24 sind dabei vorzugsweise senkrecht oder in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet. Am äußeren Ende eines jeden Arms ist eine Trackerkugel 26 angebracht. Die Trackerkugeln 26 sind derart ausgebildet, dass sie von der Navigationskamera 19 leicht erfasst werden können und können auch Lichtsignale emittieren. Die jeweiligen Trackerkugeln 26 eines Trackers 22 liegen in einer gemeinsamen Ebene. Durch die Ausrichtung der Ebene im Raum kann das Navigationssystem 8 berechnen, wie der jeweilige Tracker 22 an einem Objekt angebracht ist. Solche Tracker 22 sind bekannt.
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Ein Laser-Tracker 28 ist an dem Roboterkopf 4 am distalen Ende des Roboterarms 2 befestigt. Dadurch können die Position und die Orientierung des Roboterkopfs 4 im Raum erfasst werden. Ein Patienten-Tracker 30 ist an dem Patienten 100 angebracht, um die Position und die Orientierung des Patienten 100 im Raum zu erfassen und für eine Registrierung des Patienten heranzuziehen.
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Die Ein- und Ausgabeeinheit 10 ist ein Touchscreen-Display, über das Informationen an einen Benutzer ausgegeben werden können und Informationen von dem Benutzer in den Laser-Führungsroboter 1 eingegeben werden können.
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Die Steuereinheit 14 des Laser-Führungsroboters 1 kann die Zielposition und die Zielorientierung des Projektions-Lasers 8 in Relation zu dem Eingriffsbereich des Patienten bestimmen und den Roboterarm 2 steuern. Insbesondere kann die Steuereinheit 14 den Roboterarm 2 derart steuern, dass der Projektions-Laser 8 in die Zielposition und Zielorientierung bewegt wird/verfährt. Die Steuereinheit 14 berechnet die Zielposition und Zielorientierung und eine Eingriffsachse 32 aus präoperativen Aufnahmen eines Patienten. Die präoperativen Aufnahmen werden durch Computertomographie und/oder Magnetresonanztomographie des Patienten erfasst und werden der Steuereinheit 14 durch eine Datenbereitstellungseinheit bereitgestellt. Die Steuereinheit 14 verfährt den Projektions-Laser 8 entsprechend, sodass die Führungsachse 16 der Eingriffsachse 32 entspricht.
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Der Roboterkopf 4 weist beispielsweise eine (Eingriffs-)Kamera 34 auf, durch die der Benutzer eine Eingriffs- oder Operationsstelle begutachten kann. An dem Roboterkopf 4 ist der Projektions-Laser 8 angebracht, der die Laserstrahlung 12 emittiert. Die von dem Projektions-Laser 8 emittierte Laserstrahlung 12 zeigt die Führungsachse 16 an dem Eingriffsbereich bzw. einen Operationsplan an. Der Operationsplan kann beispielsweise die Eingriffsstelle sein, an der der Chirurg den Einschnitt machen soll. Der Operationsplan kann auch eine Trajektorie von der Einschnittstelle zu einem Ziel wie einem Biopsiegebiet, einem Tumor oder einer (Operations-)Schraube sein und die Trajektorie kann zumindest abschnittsweise über entsprechende Führungsachsen visualisiert werden.
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3 zeigt das distale Ende des Roboterarms 2 mit dem Roboterkopf 4, dem Tracker 22 und dem Projektions-Laser 8. Durch den Tracker 22, der insbesondere der Laser-Tracker ist, kann das (optische) Navigationssystem 18 in Echtzeit die Position und die Orientierung des Roboterkopfs 4 im Raum erfassen. Somit kann die Steuereinheit 14 erkennen, wenn der Roboterkopf 4 in der Zielposition und Zielorientierung angekommen ist.
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4 zeigt die berechnete Eingriffsachse 32 in einer präoperativen Aufnahme des Patienten 100. Der Körper oder ein Gewebe 102 des Patienten 100 wird dafür vor der Operation erfasst oder gescannt. Die Steuereinheit 14 oder eine externe Recheneinheit (nicht dargestellt) berechnet anhand dieser präoperativen Aufnahmen den Operationsplan mit zumindest einer Operationstrajektorie 50. Dabei wird auch die Eingriffsachse 32 berechnet und vorliegend auch noch ein Zielpunkt auf der Eingriffsachse der Operationstrajektorie mit entsprechenden Abständen. Ziel der Operation ist es, dass ein medizinisches Instrument oder Produkt 36 der berechneten Eingriffsachse 32 möglichst genau folgt und in der Ziel-Tiefe entsprechend gestoppt wird um dort dann entsprechende Manipulationen durchzuführen. Dazu muss die berechnete Eingriffsachse 32 sichtbar gemacht werden, damit der Chirurg der Eingriffsachse 32 mit dem medizinischen Produkt 36 folgen kann. Das wird durch die vorliegende Offenbarung verwirklicht. Insbesondere kann mittels von sich schneidenden Laserstrahlen der Zielpunkt in der Ziel-Tiefe dargestellt werden.
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5 zeigt ein Laser-Führungsroboter-System der vorliegenden Offenbarung mit dem Laser-Führungsroboter 1 und dem medizinischen Produkt oder Instrument 36. Der Projektions-Laser 8 emittiert die Laserstrahlung 12, die die Führungsachse 16 darstellt. Eine Längsachse des medizinischen Produkts 36 wird längs der projizierten Führungsachse 16 ausgerichtet. Wenn die Längsachse des medizinischen Produkts 36 der Führungsachse 16 entspricht, ist das medizinische Produkt 36 auch entlang der berechneten Eingriffsachse 32 ausgerichtet. Die Freiheitsgrade des Roboterarms 2 erlauben den Projektions-Laser 8 derart auszurichten und zu positionieren, dass die emittierten Laserstrahlen 12 der projizierten Führungsachse 16 entsprechen. Durch den Tracker 22 wird die Positionierung und/oder Orientierung des Roboterkopfs 4 mit dem Projektions-Laser 8 erfasst, damit die Zielposition und Zielorientierung genau angesteuert werden kann. Ein proximaler Abschnitt 40 des medizinischen Produkts 36 weist eine Markierung in Form von konzentrischen Ringen auf, die anzeigt, ob das medizinische Produkt 36 mit einer Längsachse 42 in der Führungsachse 16 ausgerichtet ist. Wird ein gerader Laserstrahl des Projektions-Lasers mittig in den konzentrischen Ringen angezeigt, so kann von einer koaxialen Ausrichtung von Eingriffsachse 32 und Führungsachse 16 ausgegangen werden.
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6a bis 6c zeigen unterschiedliche Ausführungsformen eines Projektions-Lasers 8 mit unterschiedlich konfigurierter Laserstrahlung, die jeweils bei einem Laser-Führungsroboter 1 oder Laser-Führungsroboter-System der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden können.
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6a zeigt einen Projektions-Laser 8 nach einer ersten Ausführungsform. Dabei werden Laserstrahlen 12 in Form eines Doppelkegels von dem Projektions-Laser 8 emittiert. Die ringförmigen Laserstrahlen 12 weisen einen Winkel zueinander auf und überschneiden sich deshalb in einem Schnittpunkt 38. Durch den Schnittpunkt 38 der Laserstrahlen 12, welche die Doppelkegelkontur bilden, kann eine berechnete Eingriffstiefe angezeigt werden. Genauer gesagt, laufen die Laserstrahlen 12 in Form eines Kegels zusammen. Die Spitze des Kegels markiert die berechnete/ gewünschte Eingriffstiefe. Solange die Eingriffstiefe nicht erreicht ist, werden durch diese Projektion Ringe oder ovale Formen im Eingriff angezeigt. Bei Erreichen der Eingriffstiefe ist lediglich ein Punkt zu sehen. Sollte tiefer als die berechnete Eingriffstiefe eingedrungen werden, werden die Ringe mit wachsendem Abstand zur Eingriffstiefe wieder größer.
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6b zeigt einen Projektions-Laser 8 nach einer zweiten Ausführungsform. Dabei ist der Projektions-Laser 8 als ein Punktlaser oder als ein Linienlaser ausgeführt. Sollte der Projektions-Laser 8 als Linienlaser ausgeführt sein, weist der Projektions-Laser 8 eine spezielle Linse (nicht dargestellt) auf, die einen Punktlaser zu einem Linienlaser (also einer konstanten Querschnittskontur entlang der Längsachse der Laserstrahlung als Linien) auffächert. Die Laserstrahlung 12 kann in dieser Ausgestaltung keine berechnete oder gewünschte Tiefe des Einschnitts anzeigen. Durch die Laserstrahlung 12 kann aber die Führungsachse 16 sehr genau angezeigt werden.
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6c zeigt einen Projektions-Laser 8 nach einer dritten Ausführungsform. Dabei markieren die hohlzylinderförmigen Laserstrahlen 12 einen vorbestimmten Bereich mittels Kreisen. Durch den markierten Bereich kann beispielsweise ein zu entfernender Tumor gekennzeichnet werden.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines offenbarungsgemäßen Projektionsverfahrens zur visuellen Projektion einer Führung eines Operationsplans auf einen Eingriffsbereich eines Patienten 100 mit dem Projektions-Laser 8, der an dem Roboterkopf 4 des Roboterarms 2 befestigt ist.
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In einem ersten Schritt S1 erfasst das Trackingsystem 6 die Position und die Orientierung des Roboterkopfs 4 und des Projektions-Lasers 8 im Raum.
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In einem Schritt S2 plant/berechnet die Steuereinheit 14 basierend auf präoperativen Aufnahmen die Eingriffsachse 32.
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In Schritt S3 berechnet die Steuereinheit 14 die Zielposition und Zielorientierung des Projektions-Lasers 8.
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In Schritt S4 bewegt der Roboterarm 2 den Roboterkopf 4 mit dem Projektions-Laser 8 in die vorbestimmte Zielposition und Zielorientierung.
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In Schritt S5 projiziert der Projektions-Laser 8 in seiner Zielorientierung Laserstrahlung 12 derart, dass die Führungsachse 16, die durch den Projektions-Laser 8 projiziert wird, der Eingriffsachse 32 entspricht.
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Das Projektionsverfahren kann auf diese Weise dem Chirurgen eine Achse anzeigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Projektionsvorrichtung
- 2
- Roboterarm
- 3
- Roboterbasis
- 4
- Roboterkopf
- 6
- Trackingsystem
- 8
- Projektions-Laser
- 10
- Ein- und Ausgabeeinheit
- 12
- Laserstrahlung
- 14
- Steuereinheit
- 16
- Führungsachse
- 18
- Navigationssystem
- 19
- Navigationskamera
- 20
- Kameralinse
- 22
- Tracker
- 24
- Arm
- 26
- Trackerkugel
- 28
- Laser-Tracker
- 30
- Patienten-Tracker
- 32
- Eingriffsachse
- 34
- Eingriffskamera
- 36
- medizinisches Produkt
- 38
- Schnittpunkt
- 40
- proximaler Abschnitt
- 42
- Längsachse
- 50
- Operationstrajektorie
- 100
- Patient
- 102
- Gewebe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017127791 A1 [0005]
- EP 3733111 A1 [0006]
