DE10219578B4

DE10219578B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionierung einer medizinischen Untersuchungseinrichtung

Info

Publication number: DE10219578B4
Application number: DE10219578A
Authority: DE
Inventors: Andreas GÖGGELMANN; Josef Dipl.-Inform. Kozak
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2022-05-03
Also published as: DE10219578A1

Abstract

Verfahren zur Positionierung einer medizinischen Untersuchungseinrichtung relativ zu einem menschlichen oder tierischen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene Teile des Körpers relativ zueinander bewegt, die Bahnkurve der Bewegungen mißt, aus diesen Meßdaten die Lage von Gelenkkoordinaten des Gelenkes im Raum bestimmt und die Untersuchungseinrichtung relativ zu den so bestimmten Gelenkkoordinaten in vorgegebener Weise positioniert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionierung einer medizinischen Untersuchungseinrichtung relativ zu, einem menschlichen oder tierischen Körper und zusätzlich eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Zur Untersuchung des menschlichen Körpers können Untersuchungsgeräte eingesetzt werden, die den Menschen großflächig untersuchen, die also bei einer Untersuchung einen großen Bereich des Körpers abdecken, beispielsweise sind Röntgengeräte bekannt, die bei einer einzigen Untersuchung die Erfassung größerer Körperbereiche ermöglichen.
Bei vielen Untersuchungsverfahren werden jedoch Untersuchungseinrichtungen eingesetzt, deren Untersuchungsbereich räumlich eng begrenzt ist, beispielsweise gibt es dreidimensional arbeitende Röntgengeräte, die Untersuchungen nur in einem bestimmten Volumenbereich ermöglichen, beispielsweise in einem Würfel mit einer Kantenlänge von etwa 10 cm.
Es ist dann notwendig, diese Untersuchungseinrichtungen sehr genau zu plazieren, beispielsweise dann, wenn anatomische Strukturen in einem Gelenkbereich untersucht werden sollen.
Bei herkömmlichen Verfahren erfolgt dies häufig durch Verwendung der Ergebnisse der Untersuchungseinrichtungen selbst, es wird also beispielsweise das Bild betrachtet, das durch eine solche Untersuchungseinrichtung erzeugt wird, und dann wird die Untersuchungseinrichtung relativ zum zu untersuchenden Körper so lange verschoben, bis der gewünschte Bereich erfaßt wird. Dies ist langwierig und setzt außerdem voraus, daß die Untersuchungseinrichtung bereits arbeitet, in einigen Fällen werden dabei Strahlen verwendet, die den Körper schädigen können und deren Anwendung daher auf ein Minimum an Zeit beschränkt werden sollte. Durch die Notwendigkeit, das Gerät bereits beim Positionieren einzuschalten, wird aber die Dauer erhöht, während der die Untersuchungseinrichtung den Körper einer Behandlungsstrahlung aussetzt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß eine möglichst genaue und einfach vorzunehmende Positionierung der medizinischen Untersuchungseinrichtung relativ zu dem zu untersuchenden Körper möglich ist, ohne daß die medizinische Untersuchungseinrichtung selbst bereits in der für sie spezifischen Weise wirksam werden muß.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene Teile des Körpers relativ zueinander bewegt, die Bahnkurve der Bewegungen mißt, aus diesen Meßdaten die Lage von Gelenkkoordinaten des Gelenkes im Raum bestimmt und die Untersuchungseinrichtung relativ zu den so bestimmten Gelenkkoordinaten in vorgegebener Weise positioniert.
Es werden also durch Bewegung von zwei durch ein Gelenk miteinander verbundenen Teilen die anatomischen Gelenkkoordinaten bestimmt, beispielsweise kann man bei ruhendem Patienten durch Verschwenken des Oberschenkels recht genau die Lage des Hüftgelenkes bestimmen, da sich der Oberschenkel bei dem als Kugelgelenk ausgebildeten Hüftgelenk um diesen Gelenkmittelpunkt in verschiedenen Richtungen verschwenken läßt.
Hat man diese Gelenkkoordinaten bestimmt, so geben diese die genaue Lage des entsprechenden Gelenkes im Raum an. Diese Gelenkkoordinaten können jetzt verwendet werden, um die Untersuchungseinrichtung relativ zu diesen Gelenkkoordinaten zu positionieren, und damit erhält man automatisch auch eine entsprechende Positionierung der Untersuchungseinrichtung relativ zu dem zu untersuchenden Körper. Wenn beispielsweise die Hauptachse des Untersuchungsbereichs einer solchen Untersuchungseinrichtung durch den Gelenkmittelpunkt hindurchgeht, ist man sicher, bei der Untersuchung auch die Umgebung des entsprechenden Gelenkes zu untersuchen und keine Fehlpositionierung der Untersuchungseinrichtung befürchten zu müssen, dies ist möglich, ohne daß die Untersuchungseinrichtung bereits in der für sie spezifischen Weise wirksam geworden ist.
Beispielsweise können die Gelenkkoordinaten die Lage des Mittelpunkts eines Kugelgelenkes angeben, bei einer anderen Ausgestaltung ist es auch möglich, daß die Gelenkkoordinaten die Lage einer Schwenkachse eines Scharniergelenkes angeben, wie es beispielsweise annähernd durch das Kniegelenk gebildet wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß zumindest an den bewegten Teilen Markierelemente festgelegt werden, deren Bewegung im Raum durch ein Navigationssystem feststellbar sind. Es wird also zur Feststellung der Bewegung des bewegten Teils dieses starr mit einem Markierelement verbunden, wie es an sich bei der Navigation von chirurgischen Instrumenten bekannt ist, und dadurch wird es möglich, die Bewegung des entsprechenden Teils des Körpers im Raum genau zu verfolgen, in dem Navigationssystem wird somit ein Datensatz erzeugt, der ein Maß ist für die verschiedenen Bahnkurven. Aus diesen Meßdaten lassen sich die Gelenkkoordinaten errechnen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn Markierelemente dieser Art an beiden gegeneinander bewegbaren Teilen des Körpers festgelegt werden, es ist dann möglich, die Gelenkkoordinaten auch dann zu bestimmen, wenn beide Teile des Körpers bewegt werden.
Schließlich ist es weiterhin von Vorteil, wenn auch an der Untersuchungseinrichtung ein Markierelement festgelegt wird, dessen Bewegung im Raum durch ein Navigationssystem feststellbar ist. Damit ist die Position der Untersuchungseinrichtung jederzeit über das Navigationssystem überwach bar, so daß die Bedienungsperson Untersuchungseinrichtungen in die gewünschte Position verfahren und dabei die jeweilige Position über das Navigationssystem überwachen kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn man die Abweichung der Ist-Position der Untersuchungseinrichtung von der Soll-Position bestimmt, die sich aufgrund der bestimmten Gelenkkoordinaten ergibt, und die Differenz durch Bewegung der Untersuchungseinrichtung minimiert. Die Bedienungsperson muß dann nur die Untersuchungseinrichtung so lange bewegen, bis diese Differenz ein Minimum erreicht hat, dies läßt sich beispielsweise auch dadurch unterstützen, daß diese Differenz durch einen Ton- oder ein bestimmtes Bildsignal symbolisiert wird, nach dessen Tonhöhe, Lautstarke, Farbe, Helligkeit oder Orientierung sich die Bedienungsperson beim Verschieben der Untersuchungseinrichtung orientieren kann, um eine optimale Plazierung der Untersuchungseinrichtung relativ zu den Gelenkkoordinaten zu erreichen.
Die Untersuchungseinrichtung kann auch motorisch bewegt werden, wobei dann günstig ist, die Steuersignale für die motorische Bewegung so auszuwählen, daß die genannte Differenz minimal wird.
Als Untersuchungseinrichtung kann man die unterschiedlichsten Geräte verwenden, beispielsweise ein Ultraschallgerät oder ein Röntgenstahlgerät, insbesondere in Form eines Fluoroskops.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszu bilden, daß mit ihr eine optimale Positionierung der Untersuchungseinrichtung möglich wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, die gekennzeichnet ist durch mindestens ein an einem von zwei durch ein Gelenk miteinander verbundenen Teilen des Körpers festgelegtes Markierelement, dessen Bewegung im Raum durch ein Navigationssystem meßbar ist, durch eine dem Navigationssystem zugeordnete Datenverarbeitungsanlage, die aus den der Bewegung des Markierelementes, welches dieses bei einer Bewegung der durch das Gelenk verbundenen Teile des Körpers erfährt, entsprechenden Meßdaten die Lage von Gelenkkoordinaten des Gelenkes im Raum bestimmt, und durch ein Markierelement an der Untersuchungseinrichtung, dessen Position im Raum mittels des Navigationssystems bestimmbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Vorrichtung sind Gegenstand weitere Unteransprüche.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt dabei schematisch eine Anordnung zur Lagebestimmung eines körpereigenen Gelenkes einerseits und zur Lagebestimmung eines medizinischen Untersuchungsgerätes andererseits.
Auf einem OP-Tisch 1 liegt ein zu untersuchender Körper, von dem in der Zeichnung nur schematisch ein Hüftknochen 2, ein Femur 3 und eine Tibia 4 dargestellt sind. Der Femur 3 ist am Hüftgelenk 5 kugelgelenkartig am Hüftknochen 2 gelagert, Femur und Tibia sind am Kniegelenk 6 scharnierähnlich miteinander gelenkig verbunden.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist am Hüftknochen 2, am Femur 3 und an der Tibia 4 jeweils ein Markierelement 7, 8, 9 festgelegt, beispielsweise mittels einer in den Knochen eingeschraubten Verlängerung. Jedes Markierelement trägt mindestens drei im Abstand zueinander angeordnete Sende- und Empfangselemente 10, beispielsweise in Form von Kugeln, Leuchtdioden etc., wie es an sich bei derartigen Markierelementen bekannt ist.
Diese Markierelemente 7, 8, 9 wirken zusammen mit einem ortsfesten Navigationssystem 11, dem drei im Abstand zueinander angeordnete Sende- und Emfangselemente 12 zugeordnet sind. Diese senden beispielsweise Ultraschallstrahlung oder Infrarotstrahlung aus und empfangen diese nach Reflexion an den Sende- und Empfangselementen 10 wieder. Durch Abstandsmessungen über Laufzeitbestimmungen kann in an sich bekannter Weise durch das Navigationssystem 11 die jeweilige Lage jedes Markierelementes 7, 8, 9 im Raum festgestellt werden, dieser Lage entsprechende Daten werden einer dem Navigationssystem 11 zugeordneten Datenverarbeitungsanlage 13 zugeführt. In dieser können diese Daten gespeichert und weiterverarbeitet werden, beispielsweise ist es möglich, mit der Datenverarbeitungsanlage Bahnkurven zu berechnen und aufzuzeichnen, die sich durch die Bewegung der Markierelemente 7, 8, 9 im Raum ergeben.
Es ist weiterhin einmedizinisches Untersuchungsgerät 14 vorgesehen, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Röntgengerät des sogenannten C-Bogen-Typs, welches mit Geräteteilen zu beiden Seiten des zu untersuchenden Körpers angeordnet werden kann und diesen durchstrahlt, die den Körper durchtretenden Strahlen werden von diesem Untersuchungsgerät 14 aufgefangen und zu Bilddaten umgewandelt, die dann in an sich bekannter und in der Zeichnung nicht eigens dargestellter Weise sichtbar gemacht werden können.
Auf diese Weise erhält der untersuchende Arzt Informationen über die Körperstrukturen im durchstrahlten Bereich. Das Untersuchungsgerät 14 ist über ein Fahrgestell 16 mit einem motorischen Antrieb 17 im Raum vierfahrbar ausgeführt, an ihm ist starr ein weiteres Markierelement 15 angeordnet, welches ebenfalls mit dem Navigationssystem 11 zusammenarbeitet, so daß die Positionsdaten des Markierelementes 15 im Raum durch das Navigationssystem 11 bestimmt werden können.
Wenn der Körper eines Patienten zu Beginn der Untersuchung auf dem OP-Tisch 1 liegt, weiß der Operateur noch nicht genau, in welche Position das Untersuchungsgerät 14 zu verschieben ist, um beispielsweise einen Gelenkbereich optimal untersuchen zu können.
Um hier eine Positionierung vorzunehmen, bestimmt der Operateur Koordinaten eines Gelenkes, beispielsweise des Hüftgelenkes 5. Wenn der Körper des Patienten im übrigen festgehalten wird, genügt es dazu, wenn am Femur ein Markierelement 8 angeordnet ist, die Markierelemente 7 am Hüftknochen 2 und 9 an der Tibia 4 sind dann nicht notwendig. Bewegt der Operateur den Femur um das Hüftgelenk 5 herum, so wird auch das Markierelement 8 in entsprechender Weise auf einer Kugelfläche bewegt, deren Mittelpunkt im Mittelpunkt des Hüftgelenks 5 liegt. Diese Bahnkurve wird von dem Navigationssystem 11 erfaßt und entsprechende Datensätze werden der Datenverarbeitungsanlage 13 zugeführt, diese kann daraus den Mittelpunkt des Hüftgelenkes 5 errechnen und damit einen entsprechenden Datensatz generieren, der die Lage des Hüftgelenkes 5 im Raum beschreibt.
Der Operateur muß nunmehr lediglich das Untersuchungsgerät 14 so verschieben, daß dessen Position, die über das Markierelement 15 ebenfalls über das Navigationssystem 11 erfaßt wird, relativ zu dem Positionskoordinaten des Hüftgelenkes 5 einer bestimmten vorgegebenen Position entspricht, vorzugsweise wird das Untersuchungsgerät 14 in eine Lage verschoben, bei der sich das Hüftgelenk 5 genau im Mittelpunkt des Untersuchungsbereiches des Untersuchungsgerätes 14 befindet. Es ist dann sichergestellt, daß die Umgebung des Hüftgelenkes 5 bei der nachfolgenden Untersuchung mittels des Untersuchungsgerätes 14 vollständig erfaßt wird.
Das Verschieben des Untersuchungsgerätes 14 kann natürlich auch durch den Antrieb 17 erfolgen, der von der Datenverarbeitungsanlage 13 über eine Steuerleitung 18 mit Steuersignalen versorgt wird, wobei die Datenverarbeitungsanlage 13 über das Navigationssystem 11 dann auch überwacht, wie das Untersuchungsgerät 14 in die vorgegebene gewünschte Relativposition zu den Gelenkkoordinaten verfahren wird.
Es wäre auch möglich, zusätzlich zum Markierelement 8 ein Markierelement 7 am Hüftgelenk 5 festzulegen, dann ist es nicht notwendig, den Körper während der Bestimmung der Gelenkkoordinaten festzuhalten, sondern dann würden Bewegungen des Hüftknochens 2 ebenfalls über das Navigationssystem 11 erfaßt und berücksichtigt werden können.
In gleicher Weise könnten beispielsweise die Gelenkkoordinaten des Kniegelenkes 6 bestimmt und zur Positionierung des Untersuchungsgerätes 14 verwendet werden, in diesem Falle würden lediglich die Markierelemente 8 am Femur 3 und 9 an der Tibia 4 verwendet, durch Verschwenken der Tibia 4 relativ zum Femur 3 läßt sich zumindest annähernd die Lage des Kniegelenkes oder in diesem Falle der Schwenkachse des Kniegelenkes bestimmen, und diese Gelenkkoordinaten können dann Wieder verwendet werden, um das Untersuchungsgerät 14 in die gewünschte Position zu verfahren.

Claims

Verfahren zur Positionierung einer medizinischen Untersuchungseinrichtung relativ zu einem menschlichen oder tierischen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene Teile des Körpers relativ zueinander bewegt, die Bahnkurve der Bewegungen mißt, aus diesen Meßdaten die Lage von Gelenkkoordinaten des Gelenkes im Raum bestimmt und die Untersuchungseinrichtung relativ zu den so bestimmten Gelenkkoordinaten in vorgegebener Weise positioniert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkkoordinaten die Lage des Mittelpunkts eines Kugelgelenkes angeben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkkoordinaten die Lage einer Schwenkachse eines Scharniergelenkes angeben.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an den bewegten Teilen Markierelemente fest gelegt werden, deren Bewegung im Raum durch ein Navigationssystem feststellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Markierelemente an beiden gegeneinander bewegbaren Teilen des Körpers festgelegt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Untersuchungseinrichtung ein Markierelement festgelegt wird, dessen Bewegung im Raum durch ein Navigationssystem feststellbar ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abweichung der Ist-Position der Untersuchungseinrichtung von der Soil-Position bestimmt, die sich aufgrund der bestimmten Gelenkkoordinaten ergibt, und die Differenz durch Bewegung der Untersuchungseinrichtung minimiert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Untersuchungseinrichtung motorisch bewegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Untersuchungseinrichtung ein Ultraschallgerät verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Untersuchungseinrichtung ein Röntgenstrahlgerät verwendet.
Vorrichtung zur Positionierung einer medizinischen Untersuchungseinrichtung relativ zu einem menschlichen oder tierischen Körper, gekennzeichnet durch mindestens ein an einem von zwei durch ein Gelenk (5; 6) miteinander verbundenen Teilen (2, 3; 3, 4) des Körpers festgelegtes Markierelement (7, 8, 9), dessen Bewegung im Raum durch ein Navigationssystem (11) meßbar ist, durch eine dem Navigationssystem (11) zugeordnete Datenverarbeitungsanlage (13), die aus den der Bewegung des Markierelementes (7, 8, 9), welches dieses bei einer Bewegung der durch das Gelenk (5; 6) verbundenen Teile (2, 3; 3, 4) des Körpers erfährt, entsprechend den Meßdaten die Lage von Gelenkkoordinaten des Gelenkes (5; 6) im Raum bestimmt, und durch ein Markierelement (15) an der Untersuchungseinrichtung (14), dessen Position im Raum mittels des Navigationssystems (11) bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkkoordinaten die Lage des Mittelpunktes eines Kugelgelenkes (5) angeben.
Vorrichtung nach Anspruch. 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkkoordinaten die Lage einer Schwenkachse eines Scharniergelenkes (6) angeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Markierelemente (7, 8; 8, 9) an beiden gegeneinander bewegbaren Teilen (2, 3; 3, 4) des Körpers festgelegt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (13) die Abweichung der Ist-Position der Untersuchungseinrichtung (14) von der Soll-Position bestimmt, die sich aufgrund der bestimmten Gelenkkoordinaten ergibt, und die Differenz durch Bewegung der Untersuchungseinrichtung (14) minimiert.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (13) die Untersuchungseinrichtung (14) über einen Antrieb (17) motorisch bewegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinrichtung (14) ein Ultraschallgerät ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinrichtung (14) ein Röntgenstrahlgerät ist.