Die Neuronavigation befaßt sich
mit der Planung, aber auch der Durchführung von Trajektorien für Eingriffe
am menschlichen Gehirn, der Wirbelsäule und dergleichen. Hierzu
werden vom Patienten präoperativ
tomografische Aufnahmen erstellt, wobei am Patientenkörper Markierungen
angebracht sind, die ebenfalls von der Tomografie erfaßt werden.
Unmittelbar vor der Operation wird die dreidimensionale Lage dieser
Marken im Raum durch Navigation bestimmt und somit ein Bezug hergestellt
zwischen der Anatomie des Patienten und den präoperativ aufgenommenen Datensätzen. Ein
entsprechender Vorgang wird als Registration bezeichnet. Grundsätzlich kann
zwischen optischen Navigationsverfahren und magnetisch arbeitenden
Verfahren unterschieden werden. Beide Verfahren dienen zur Ermittlung
der dreidimensionalen Lage und Orientierung eines speziellen Navigationspointer-Instruments im Raum, welches
dem Antasten relevanter Punkte dient. Die Lage der Pointerspitze
wird bei bekannten optisch arbeitenden Systemen nicht direkt ermittelt,
sondern mit Hilfe von Markern bestimmt, die meistens in Form von
Kugeln am Pointer befestigt sind. Als Marker oder Markenstoffe werden
bei bekannten Systemen Reflektoren für Infrarotlicht eingesetzt,
das von speziellen Infrarotlicht-Strahlungsquellen erzeugt wird. Zwei
an einer Traverse befindliche Kameras nehmen dann Bilder auf und
bestimmen die Lage des Pointers im Raum.
Bei den auf Magnetfeldern basierenden
Verfahren weisen die Pointer Sensoren auf, die entweder aus einem
erzeugten magnetischen Wechselfeld oder einem gepulsten magnetischen
Gleichfeld zur Detektion der räumlichen
Lage dienen.
Optische Systeme weisen den Nachteil
auf, daß die
Gefahr der Verdeckung der Kameras durch Operationspersonal besteht.
Magnetische Systeme versagen dann, sobald sich Gegenstände aus Weicheisen
in der Nähe
befinden, die die magnetischen Felder stören bzw. verzerren.
Die grundlegende Aufgabe am Markt
befindlicher Navigationssysteme besteht darin, wie oben kurz umrissen,
die Position oder die Spitze eines Instruments, mit dem während der
Operation auf ein Detail im Operationsgebiet gezeigt wird, mit Daten präoperativer
diagnostischer Verfahren, wie z. B. Computertomografie
oder Magnet-Resonanz-Tomografie zu korrelieren. Nachdem eine solche
Korrelation erfolgte, kann dem Chirurgen z. B.
die Position eines Punkts im Situs, auf den er während der Operation mit dem
erwähnten
Instrument zeigt, in Echtzeit in den Bildern der präoperativen
Aufnahmen angezeigt werden. Auf diese Weise erhält der Chirurg eine Information
zur aktuellen Position relativ zu einer Position einer im CT- oder
MR-Bild erkennbaren Struktur, wie z. B.
einem Tumor.
Eine Möglichkeit, diese Information
dem Operateur darzubieten, ist es, die Position der Instrumentenspitze
in einem vorher angewählten
CT- oder MR-Bild
als Punkt einzutragen. Damit das Navigationssystem diese Aufgabe
erfüllen
kann, muß sowohl die
Lage und Orientierung des Patienten wie auch die des genannten chirurgischen
Instruments bekannt sein. Wie dargelegt, wird diese Information
bei aktuellen Systemen z. B. mit Hilfe
eines Stereo-Kamerapaars
ermittelt, welches sich in der Nähe
des Operationstisches befindet und das Operationsinstrument erfaßt.
Weitere bekannte Navigationssysteme
bieten weiterhin die Möglichkeit,
Bilder präoperativer
diagnostischer Verfahren positions-, orientierungs- und maßstabsrichtig
mit dem optischen Bild eines Operationsmikroskops zu überlagern.
Um dies zu erreichen, muß zusätzlich die
Position und Orientierung des Operationsmikroskops sowie die aktuell
gewählte
Vergrößerung und
Fokusebene erfaßt
werden. Die Überlagerung
selbst kann dann z. B. dadurch erfolgen,
daß mit
einem Projektor das CT- oder MR-Bild in den optischen Beobachtungs-Strahlengang
des Mikroskops eingespiegelt wird.
Die Navigationssysteme nach dem Stand der
Technik weisen einige wesentliche Nachteile auf. Hierzu gehört u. a.
die Tatsache, daß die
Markierungen am chirurgischen Instrument bzw. am Pointer jederzeit
von dem auf dem Kameraarm angeordneten Stereo-Kamerapaar gesehen
werden müssen.
Ein Verdecken der Markierungen beeinträchtigt die Funktionsweise und
führt zu
Fehlern in der Datenerfassung. Erfahrungsgemäß liegen die sogenannten Präsenzzeiten
optischer, aber auch magnetischer Navigationssysteme bei ca. 2/3.
Weiterhin bedingt der große
Abstand zwischen den Markierungen bekannter optischer Instrumente
und dem Kamerapaar bei optischer Vermessung große Meßungenauigkeiten und es sind
verhältnismäßig großvolumige
Markierungen notwendig.
Ein weiteres Problem bei aktuellen
Navigationssystemen in der Neurochirurgie besteht in der Bewegung
des Gehirngewebes nach Öffnung
der Schädeldecke
und während
der Operation. Dieser als Brain-Shift bezeichnete Sachverhalt führt dazu,
daß die
Gewebegeometrie während
der Operation nicht mehr uneingeschränkt mit der Gewebegeometrie während der
präoperativen
diagnostischen Verfahren übereinstimmt.
Dieses führt
zu Fehlern z. B. bei der erwähnten Positionsangabe
eines Zeigerinstruments relativ zu den Gewebestrukturen in einem
präoperativen
diagnostischen MR- oder CT-Bild. Der beschriebene Fehler kann dadurch
korrigiert werden, daß z. B.
die Veränderung
der Lage der Gewebeoberfläche
in der Umgebung des Operationsgebiets während der Operation verfolgt
wird. Hierzu muß der
Chirurg allerdings wiederholt mit einem Markierungsinstrument des
Navigationssystems mehrere Punkte auf der erwähnten Gewebeoberfläche antippen
und markieren, um die erforderlichen Daten für diese Korrektur für das System
zur Verfügung
zu stellen. Dies ist jedoch bei der ohnehin hohen Belastung einer
neurochirurgischen Operation von Nachteil.
Unter Berücksichtigung der vorerwähnten Nachteile
des Standes der Technik besteht also das Ziel bei neu zu schaffenden
Navigationssystemen darin, eine dreidimensionale Operationsfeld-Vermessung
und Trajektorien-Verfolgung der Operationsbesteck-Spitze zu ermöglichen
und eine Präsenzerhöhung insbesondere
im Falle optischer Navigation zu erreichen. Weiterhin sollen die
großen,
teuren und okklusionsanfälligen
Kameratraversen vermieden werden. Die Bedienung der Systeme ist
einfach und übersichtlich
zu gestalten, um Fehlerquellen von vornherein auszuschließen.
Aus dem Vorgenannten ist es daher
Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Präsenzoptimierung bei der Navigation,
insbesondere Neuronavigation, in der Chirurgie anzugeben, welches
von einem an sich bekannten Operationsmikroskop und mindestens einem
mittelbar oder unmittelbar an den Beobachtungs-Strahlengang des
Mikroskops gekoppelten optoelektronischen Bildempfänger ausgeht.
Weiterhin besteht eine Teilaufgabe
der Erfindung in der Schaffung eines neuartigen Navigationsinstruments,
insbesondere zur Verwendung bei Operationen mit Hilfe eines Operationsmikroskops.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung
erfolgt mit einem Verfahren zur Präsenzoptimierung bei der Navigation
gemäß Definition
nach Patentanspruch 1 sowie hinsichtlich des Navigationsinstruments
mit der Merkmalskombination nach Patentanspruch 12, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen darstellen.
Demgemäß liegt der Grundgedanke der
Erfindung darin, durch die Einbeziehung der Bilder aus oder parallel
zu den Beobachtungskanälen
des Operationsmikroskops in die eigentliche Bildauswertung eines
Navigationssystems sowohl die Präsenzzeit desselben
zu verbessern als auch weitere vorteilhafte Wirkungen, insbesondere
unter dem Aspekt der Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung
zu erreichen.
Die aus dem mindestens einen Bildempfänger gewonnenen
Daten, welche jeweils im Mikroskop-Gesichtsfeld des Operateurs liegen,
enthalten Informationen über
die Lage des eingesetzten Operationsinstruments bzw. Pointers, insbesondere
dessen Spitze, wobei aus den jeweiligen Lagedaten kontinuierlich
oder diskontinuierlich die konkrete Instrumentenposition in x- und y-Richtung sowie
in z-Richtung eines dreidimensionalen Koordinatensystems bestimmt
wird. Für
die Positionsermittlung in z-Richtung wird entweder eine Abstandsbestimmung
mittels Tiefenschärfe-Auswertung
vorgenommen oder es erfolgt eine stereoskopische Bildauswertung.
Der oder die optoelektronischen Bildempfänger können unmittelbar
an den Beobachtungs-Strahlengang, insbesondere mittels Strahlteiler
angeschlossen werden, wobei allerdings auch die Möglichkeit
besteht, mindestens einen separaten, vom Beobachtungs-Strahlengang
unabhängigen
Bildempfänger-Strahlengang vorzusehen,
welcher ebenfalls zum Mikroskop-Gesichtsfeld des Operateurs gerichtet
ist.
Ausgestaltend wird die Lage des Operationsmikroskops
im Raum erfaßt
und diese Operationsmikroskop-Positionsdaten werden einem an sich
bekannten Computersystem zugeführt,
um die Instrumenten-Positionsdaten in ein übergeordnetes Raumkoordinatensystem
unter Einbeziehung in vorhandene Daten über die momentane Position
des Patienten sowie präoperativ
gewonnene dreidimensionale Daten vom Inneren des Patienten zu transformieren.
In einer Ausgestaltung der Erfindung
besteht die Möglichkeit,
neben der Datenerfassung zur intraoperativen Lage- und Positionsbestimmung
eines Navigationsinstruments mittels bekannter optischer und/oder
magnetischer Methoden, eine ergänzende dreidimensionale
Positionsermittlung mittels der vom Bildempfänger des Operationsmikroskops
bereitgestellten Daten durchzuführen.
Bei Verwendung dieser zwei unabhängigen redundanten
Systeme ergeben sich die nachstehend erwähnten vorteilhaften Möglichkeiten.
Liefert eines der Systeme, z. B. infolge
der Verdeckung der Markierungen, keine gültigen Meßwerte, so können die Meßwerte des
jeweils anderen Systems genutzt werden und es ist auf diese Weise
eine Erhöhung
der Präsenzzeit
möglich.
Bei redundanten gültigen
Meßwerten
kann die Genauigkeit der Messung, z. B. durch
Mittelwertbildung erhöht
werden. Bei redundanten gültigen
Meßwerten
kann auch die Unsicherheit der Meßwerte, z. B.
durch die Differenz der redundanten Meßwerte quantifiziert werden
und es wird auf diese Weise erstmals ein Navigationssystem geschaffen,
welches sich quasi selbst kontrollieren kann. Letzteres ist für den Großteil der
für die
Patientensicherheit kritischen Medizingeräte zwar Standard, aber bei
bekannten Navigationssystemen bisher nicht realisiert.
Zur Erfassung der Lage des Operationsmikroskops
im Raum ist an oder auf dem Mikroskop ein zusätzliches Stereo-Kamerapaar
vorgesehen, welches eine Bewegungsverfolgung bezogen auf feste, am
Patienten und/oder im Raum angebrachte Markierungen ermöglicht.
Mit Blick auf die Problematik des
sogenannten Brain-Shifting ist erfindungsgemäß vorgesehen, an oder auf der
Gewebeoberfläche
des Patienten Markierungspunkte anzuordnen, deren über die
Bildempfänger
erfaßte
und mittels des Computersystems bestimmte Lageveränderung
genutzt wird, um eine Korrektur präoperativ gewonnener Daten bezogen auf
den aktuellen Zustand vorzunehmen.
Bekanntermaßen kann ein Stereo-Lichtmikroskop
entweder aus zwei konvergenten monokularen monoobjektivischen Mikroskopen
bestehen oder zwei dezentrierte optische Kanäle hinter einer gemeinsamen
Frontlinse umfassen. Operationsmikroskope werden aufgrund von bauartspezifischen
Vorteilen nahezu ausschließlich
als sogenannte Common Main Objectives (CMO)-Mikroskope aufgebaut. Die
Modellierung eines CMO-Mikroskops in optischer Hinsicht ist jedoch
außerordentlich
schwierig, da hier die Behandlung sogenannter windschiefer Lichtstrahlen
erforderlich wird. Dies beruht auf dem seitlichen Versatz der beiden
optischen Kanäle
hinter der erwähnten
gemeinsamen Frontlinse.
Wird eine stereoskopische Auswertung
zur Neuronavigation erforderlich, so wird der Fachmann zunächst die
Verwendung von CMO-Mikroskopen unter Berücksichtigung der genannten
Probleme ausschließen.
Erfindungsgemäß wurde dieses Vorurteil überwunden,
indem eine ausschließliche
analytische Formulierung des Mikroskop-Modells gefunden wurde, die
im Endeffekt zwei rektifizierten Lochblenden-Kameras entspricht,
bei denen korrespondierende Punkte in beiden Ansichten theoretisch
auf den sich entsprechenden Bildteilen liegen. Durch diese Erkenntnis
können
die weiteren Bildverarbeitungsschritte stark vereinfacht und an
sich bekannte Bildverarbeitungs-Techniken angewendet werden.
Demnach werden erfindungsgemäß die von dem
für jeden
Kanal vorgesehenen Bildempfänger gewonnenen
Daten hinsichtlich der in x- und y-Richtung vorliegenden Verzeichnungsfehler
und der in z-Richtung gegebenen Disparitätsfehler korrigiert. Diese
Korrektur ist abhängig
von den jeweiligen Einstellungen des Mikroskops, d. h.
Zoom und Fokus.
Zur Fehlerkorrektur wird zunächst ein
Kalibrieren vorgenommen, wobei das Operationsmikroskop abbildungsseitig
wie erwähnt
als eine Zwei-Lochblenden-Kamera beschrieben wird. Das Kalibrieren erfolgt
für alle
Zoom- und Fokusstufen. Die erhaltenen Kalibrationsdaten werden abgespeichert,
um eine spätere
Online- oder Offline-Fehlerkorrektur zu gestatten. Selbstverständlich besteht
die Möglichkeit, mikroskopspezifische
Fehlerkorrekturdaten in einer Look-up-Tabelle abzulegen, so daß der eigentliche Korrekturvorgang
unter rechentechnischem Aspekt vereinfacht und damit verkürzt werden
kann.
Alle physikalischen Größen, die
für die
Berechnung der nominellen Lochblenden-Kameraparameter für ein CMO-Mikroskop
benötigt
werden, sind einfach zugänglich
und üblicherweise
aus dem Datenblatt des Herstellers zu entnehmen. Startwerte für eine iterative
Kalibration können
am Mikroskop in einfacher Weise vermessen werden. Die notwendigen Angaben
zu den Bildempfängern,
beispielsweise CCD-Sensoren, sind ebenfalls als Hersteller-Angaben verfügbar. Die
Kenntnis interner Linsendaten ist nicht erforderlich. Die CMO-Mikroskop-angepaßte stereoskopische
Bildverarbeitung erfolgt über ein Verfahren,
in dem die Abbildung aus beiden zweidimensionalen Kameraebenen in
den dreidimensionalen Raum durch polynominale Approximationen geringstmöglichen
Grades formuliert wird. Eine notwendige Kontrollpunktmenge fungiert
als Stützstellenmenge
für die
Polynome und wird im ganzen Volumen gewählt.
Für
den praktischen Einsatz von Mikroskopen mit stufenlosen Zoom und/oder
Fokus wird vorgeschlagen, die einzelnen Systemparameter bei mehreren
Zoom- und Fokusstellungen zu kalibrieren und bei Einstellung von
Zwischenwerten die entsprechenden Systemparameter aus den kalibrierten Stützstellen
zu interpolieren. Die aktuellen Einstellungen von Zoom und Fokus
sind der Auswerteeinheit während
der Kalibrationsprozedur, aber auch der Meßprozedur zweckmäßigerweise
vom Mikroskop über
eine Datenleitung zur Verfügung
zu stellen.
Bei dem erfindungsgemäßen neuartigen
Navigationsinstrument, insbesondere zur Anwendung bei einem Verfahren,
welches Bildinformationen aus dem Strahlengang eines Operationsmikroskops
zur Neuronavigation verwendet, sind Markierungen, insbesondere Mikromarkierungen
nahe an der Instrumentenspitze angebracht, und zwar grundsätzlich bei
der Benutzung im Gesichtsfeld des Mikroskops liegend. Ein gewisser
Mindestabstand zur Instrumentenspitze ergibt sich dadurch, daß die Markierungen nicht
vom Blut oder sonstigen Körperflüssigkeiten verschmutzt
werden sollen und im Falle von erhabenen Markierungen die Benutzung
des Zeigerinstruments nicht behindert werden darf.
Die Markierungen sind z. B.
als mindestens drei koplanare, farbige Kugeln ausbildbar, die in
einer Ebene liegen, welche parallel zur Instrumenten-Längsachse verläuft, diese
jedoch nicht enthält. Andere
Ausbildungsformen sind farbige oder reflektierende Ringmarkierungen.
Soll das Mikroskop über einen
besonders großen
Zoom- und Fokusbereich betrieben werden, kann es vorkommen, daß die Markierungen
bei besonders starken Vergrößerungen und
kurzen Fokuslängen
nicht mehr vollständig
im Gesichtsfeld des Mikroskops liegen bzw. daß die Markierungen bei besonders
schwachen Vergrößerungen
und großen
Fokuslängen
zu klein sind. In diesem Fall ist es zweckmäßig, mehrere Sätze von
Markierungen unterschiedlicher Größe anzubringen, wobei der kleinste
Markierungssatz am dichtesten zur Instrumentenspitze zeigt bzw.
dort angebracht ist.
Das erfindungsgemäße Navigationsinstrument ist
sterilisierbar und kann gut durch das Mikroskop erkannt werden.
Seine eine Endform ist als ausgeprägte Spitze gestaltet und kann
als Zeiger genutzt werden. In dem Fall, wo die Spitze operativ bedingt nicht
direkt sichtbar ist, ist diese über
die oben genannten Markierungen und die restliche Forminformation
des Instruments detektierbar.
Die erfindungsgemäß erzielte Präsenzerhöhung im
Fall optischer Systeme wird dadurch erreicht, daß die Bildaufnahme direkt durch
das Mikroskop erfolgt und hierbei sichergestellt wird, daß das Navigationsinstrument
nicht durch die Finger oder ein anderes Operationsbesteck verdeckt
ist. Eine Gefahr der Verdeckung durch OP-Personal wie bei konventionellen
optischen Navigationssystemen ist hier von vornherein ausgeschlossen.
Durch die Meßbarkeit relativer Abstände von Punkten
im Koordinatensystem des Mikroskops ist weiterhin die Möglichkeit
einer differenziellen Navigation gegeben, d. h.
es können
Abstände
von Punkten zu einem Referenzpunkt vermessen werden.
Im Gegensatz zu bisher am Markt befindlichen
Navigationsinstrumenten sind erfindungsgemäß Markierungen nahe an der
Spitze positioniert. Da eine Navigation durch das Mikroskop hindurch
erfolgt, können
darüber
hinaus weitaus kleinere Markierungen Verwendung finden. Hierdurch
wiederum besteht die Möglichkeit,
das Navigationsinstrument selbst kleiner und kostengünstiger
zu fertigen und vor allem flexibler und ergonomischer einzusetzen.
Ein beispielhaftes Navigationsinstrument
ist als bajonettierter Rundstahl von im wesentlichen 4 mm
ausgeführt,
der an der Spitze über
einen Bereich vom im wesentlichen 30 mm
konisch zuläuft. Die
Bajonettierung oder Kröpfung
ist unter dem Aspekt zweckmäßig, da
hierdurch ausgeschlossen werden kann, daß das Instrument für den von
Kameras erfaßten
Bereich durch Finger oder ähnliches
verdeckt wird.
Als Marken kommen bei einer Ausführungsform
die genannten koplanaren Kugeln zum Einsatz, die beispielsweise
einen Durchmesser von etwa 1,5 mm besitzen. Um die Segmentierung
der Kugeln vom Hintergrund möglichst
einfach zu gestalten, sind diese in unterschiedlichen Farben lackiert.
Mit Blick auf die speziellen Eigenschaften des Situs kommen bevorzugt
Blau, Grün
und Violett und/oder brilliantes Gelb zum Einsatz. Der Einsatz von
infratot reflektierenden Kugeln ist ebenfalls möglich.
Da erfindungsgemäß mit der ohnehin mikroskopseitig
vorhandenen Lichtquelle gearbeitet werden kann, entfallen in der
Ausführungsform
mit farbigen Markierungen spezielle Kugel-Coatings, die beispielsweise
in ausgeprägter
Richtcharakteristik infrarote Strahlung reflektieren.
Eine Weiterbildung der Erfindung
besteht darin, daß die
Markerkonfiguration nicht auf dem Navigationsinstrument aufliegt
und dort befestigt ist, sondern lediglich aus Aufdrucken besteht.
Für den
Fall der notwendigen Detektion der Rotation des Navigationsinstruments
um die eigene Achse ist beispielsweise eine in azimutaler Richtung
verlaufende Winkelkodierung denkbar.
Bevorzugt wird die Detektion der
Kugeln in den Kameraansichten unter Rückgriff auf Farbbild-Verarbeitungsmethoden
vorgenommen. Je nach Stärke
eines möglicherweise
vorhandenen Farbstichs wird dieser durch einen Weißabgleich
direkt mit der Bildaufnahme kompensiert. Hierzu erfolgt eine Skalierung
der Intensitäten
des Rot- und Blau-Kanals jedes Bildempfängers bzw. jeder Kamera.
Die Merkmalsextraktion bzw. Mustererkennung
der Markierungen in Form von koplanaren, farbigen Kugeln erfolgt über die
Tatsache, daß ein
kugelförmiges
Objekt differenziert abgebildet wird. Liegt der Kugelmittelpunkt
nicht auf dem Lot der Kameraebene, wird der Umriß der Kugel als Ellipse projiziert. Die
abgebildete Form läßt also
Rückschlüsse auf
die Position oder Lage der einzelnen Kugeln zu.
Wenn die Instrumentenspitze nicht
direkt in den Kamerabildern sichtbar ist, wird die dreidimensionale
Position der Pointerspitze aus den dreidimensionalen Positionen
der Kugelzentren ermittelt.
Selbstverständlich kann das Navigationsinstrument
auch aus einem üblichen
Operationsbesteck gebildet werden, um die Operation nicht unnötig zu Navigationszwecken
unterbrechen zu müssen.
Zur Berechnung der dreidimensionalen
Koordinaten der Spitzenposition aus den dreidimensionalen Kugelzentren
wird die zugrunde liegende Geometrie kalibriert. Hierfür wird ein
lokales Instrumenten-Koordinatensystem mit Ursprung in einer mittleren
Kugel definiert, von dem zwei Achsen durch die restlichen beiden
Kugeln verlaufen und die dritte Achse orthogonal zur so aufgespannten
Ebene ist. In diesem affinen Koordinatensystem hat die Lage der Pointerspitze
drei eindeutige Koordinaten, so daß sie indirekt über die
Rekonstruktion der Achsen des lokalen Instrumenten-Koordinatensystems
rekonstruiert werden kann. Die affinen Koordinaten sind unabhängig von
den intrinsischen bzw. extrinsischen Parametern der Kameraanordnung
und können
für eine
Anzahl vorgegebener Spitzen- und Kugelkoordinaten kalibriert werden.
In der vorliegenden Beschreibung
werden die Begriffe Position und Lage im wesentlichen als Synonyme
eingesetzt. Es liegt im Erkenntnisbereich des Fachmanns, daß zur Ermittlung
der Lage eines dreidimensionalen Körpers im Raum sechs Koordinaten,
z. B. Aufpunkt/Schwerpunkt oder dergleichen in
x-, y- und z-Orientierung und mit den drei sogenannten Euler-Winkeln
anzugeben sind. Eine Ausnahme bildet hier nur die Instrumentenspitze,
die als Raumpunkt nur drei Koordinaten zur Lagebeschreibung benötigt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel
liegt das Operationsgebiet im Kopf eines Patienten und ein Operationsinstrument
befindet sich mit einer entsprechenden Markierung im Gesichtsfeld
des Operationsmikroskops.
Die Bilder beider Beobachtungskanäle werden über einen
Strahlteiler auf zwei Bildempfänger, z. B.
CCD-Kameras geleitet. Die Kamerabilder werden dann von einem Computer
ausgewertet und aus der stereoskopischen Bildaus wertung und den
vom Mikroskop zusätzlich über eine
Datenverbindung ausgegebenen Geräteparametern,
wie Zoom- und Fokus-Stellung, wird die Position des Operationsinstruments
im Koordinatensystem des Mikroskops errechnet.
Gleichzeitig wird von einem Stereo-Kamerapaar
mit entsprechenden Kameras, welches in der Nähe des Operationstischs positioniert
ist, mittels stereoskopischer Bildauswertung unter Zuhilfenahme
der Patientenmarkierungen und der Mikroskopmarkierungen die Lage
des Mikroskops und des Patienten im Koordinatensystem des Stereo-Kameraarms
ermittelt.
Hierdurch wird die Verrechnung der
Koordinatensysteme des Mikroskops und des Patienten ermöglicht und
es kann z. B. die Position des Operationsinstruments
in Koordinaten des Patienten angegeben werden.
Optional können vom Kamerapaar zusätzlich Markierungen
am Operationsinstrument erfaßt
und ausgewertet werden, mit der Folge einer redundanten Messung
der Bestimmung der Position des Operationsinstruments.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann
sichtbares Licht oder mit Strahlung im Bereich des nahen Infraroten
eine Erzeugung von Markierungspunkten, Linien oder ein Gitter hinein
in das Gesichtsfeld des Mikroskops vorgenommen werden. Diese Markierungspunkte,
Linien oder Gitter sind dann mit einer entsprechenden Kamera, die
an einen der Beobachtungskanäle
gekoppelt ist, aufnehmbar. Durch Auswertung des Kamerabilds kann
die Lage der Markierungspunkte in Koordinaten relativ zum Mikroskop
ermittelt werden.
Technisch läßt sich die vorgenannte Lehre dadurch
umsetzen, daß Licht über eine
Blende in den Beobachtungskanal des Operationsmikroskops geleitet
und in der Fokusebene des Mikroskops auf einem Punkt abgebildet
wird. Dieser Lichtpunkt wird dann von einer Kamera, insbesondere
CCD-Kamera erfaßt.
Bei bekannten Koordinaten in x- und y-Richtung des Blendenlochs
in einem kartesischen Koordinatensystem senkrecht zur optischen
Achse ergibt sich dann zusammen mit den Koordinaten des Lichtpunkts
auf dem Kamerachip eine Möglichkeit,
analog der gängigen
stereoskopischen Bildauswertung zu arbeiten. Es kann also der Ort
des Punktes, auf dem das Licht, welches durch die Blende tritt,
in Koordinaten des Mikroskops bestimmt werden. Wie erwähnt, können anstelle
der beleuchteten Blende Lichtprojektionssysteme treten, welche jeweils
eine Anzahl von Punkten, Linien oder Gittern in das Operationsgebiet projizieren.
Bei einem Lichtgitter können Kreuzungspunkte
von den Kameras erfaßt
werden. Mittels stereoskopischer Bildauswertung sind dann die Koordinaten
der Kreuzungspunkte des Lichtgitters auf der Oberfläche des
Operationsgebiets im Koordinatensystem des Mikroskops bestimmbar.
Die hieraus abgeleitete Information kann dann als dreidimensionales,
perspektivisches Gitter in Form von Höhenlinien oder ähnlichem
auf einem Display dargestellt werden und zur Lagezuordnung, bezogen
auf präoperative Aufnahmen,
Verwendung finden.