DE10313829B4

DE10313829B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes aus einem Operationsgebiet

Info

Publication number: DE10313829B4
Application number: DE10313829A
Authority: DE
Inventors: Theodor Lutze; Rupert Dipl.-Ing. Mayenberger; Jürgen Dipl.-Ing. Schneider; Gerhard F. Prof. Dr. Bueß
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-03-22
Also published as: DE10313829A1

Abstract

Verfahren zur Auswahl eines Bildausschnittes (15) aus einem Operationsgebiet, welches mit Hilfe einer Kamera (11) betrachtet und auf einem Bildschirm (14) dargestellt wird, wobei die Auswahl des Bildausschnittes (15) in Abhängigkeit von der Position und/oder Lage eines chirurgischen Instruments (9) relativ zu dem Operationsgebiet erfolgt, welches im Operationsgebiet eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Position und/oder die Lage des chirurgischen Instruments (9) mittels eines Navigationssystems (5) bestimmt und daß man den Bildausschnitt (15) entsprechend den der Position und/oder der Lage des chirurgischen Instruments (9) entsprechenden Daten durch Bewegung der Kamera (11) verändert, wobei man die Position und Lage der Kamera (11) relativ zum Operationsgebiet mittels eines Navigationssystems (5) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswahl eines Bildausschnittes aus einem Operationsgebiet, welches mit Hilfe einer Kamera betrachtet und auf einem Bildschirm dargestellt wird, wobei die Auswahl des Bildausschnittes in Abhängigkeit von der Position und/oder Lage eines chirurgischen Instruments relativ zu dem Operationsgebiet erfolgt, welches im Operationsgebiet eingesetzt wird.

Bei chirurgischen Operationen ist es üblich, das Operationsgebiet mit einer Kamera abzubilden und auf einem Bildschirm darzustellen, so daß der behandelnde Arzt auf dem Bildschirm das Operationsgebiet gegebenenfalls vergrößert oder auch in bestimmter Weise verändert betrachten kann, so daß der behandelnde Arzt auch auf dem Bildschirm sehen kann, wie ein chirurgisches Instrument, beispielsweise eine Schere, eine Faßzange oder dergleichen im Operationsgebiet positioniert und bewegt wird. Durch die Bewegung des chirurgischen Instruments im Operationsgebiet kann es insbesondere bei hoher Vergrößerung der Darstellung passieren, daß das chirurgische Instrument aus dem dargestellten Bildausschnitt heraustritt oder zumindest in einen Randbereich des Bildausschnittes gelangt, und dann ist es für den Operateur notwendig, den Bildausschnitt zu verändern.

Es ist bekannt, eine solche Veränderung des Bildausschnittes z.B. dadurch vorzunehmen, daß der behandelnde Arzt über spezielle Steuerbefehle eine Veränderung des Bildausschnittes vornimmt, beispielsweise über einen Fußschalter oder auch über Sprachbefehle. Diese Steuerbefehle führen dazu, daß beispielsweise die Kamera relativ zum Operationsgebiet bewegt wird, so daß dann der vom Operateur gewünschte Ausschnitt des Operationsgebietes auf dem Bildschirm dargestellt wird.

Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, daß Position und/oder Lage des Operationsgebietes nicht bestimmt werden, sondern daß lediglich dafür Sorge getragen ist, daß der Bildausschnitt in bestimmter Weise dem Instrument folgt, beispielsweise dem Arbeitsende eines Instrumentes. Dadurch ergibt sich zwangsläufig die Möglichkeit für den Operateur, den Arbeitsbereich des Instrumentes zu beobachten, auch wenn nicht eigens die genaue Lage des Operationsgebietes bestimmt wird. Man erhält in diesem Falle also einfach einen Bildausschnitt, der einem bestimmten Teil des chirurgischen Instrumentes, insbesondere dem Arbeitsteil des chirurgischen Instrumentes, nachfolgt, man kann also mit anderen Worten sagen, der Bildausschnitt "ist an die Instrumentspitze angeheftet".

Das beschriebene Verfahren ist besonders geeignet zum Einsatz in der minimalinvasiven Chirurgie, insbesondere in der Laparoskopie, bei welcher man den Arbeitsteil des Instrumentes im Inneren des Körpers von außen nicht sehen kann, in diesem Fall wird als Kamera ein Endoskop verwendet, das durch eine Körperöffnung in den Körper eingeführt wird und das durch geeignete Bewegung, insbesondere durch Verschwenken, unterschiedliche Bereiche im Innern des Körpers betrachten und abbilden kann, in denen sich das Arbeitsteil eines Instrumentes jeweils befindet.

In der Praxis hat sich dies als recht umständlich herausgestellt, da der behandelnde Arzt bei jeder gewünschten Änderung der Auswahl eines Bildausschnittes Steuerbefehle erzeugen muß, sei es durch Betätigung eines Schalters, sei es durch Sprachbefehle, die gegebenenfalls auch mißverstanden werden könnten und zu Fehlern Anlaß geben können.

Es ist bekannt, Bildmaterial, das vor einer Operation gewonnen worden ist, in einem Speicher abzulegen. Aus den gespeicherten Bilddaten kann entsprechend der Position eines Instrumentes dann jeweils ein Bildausschnitt abgerufen werden, der dem Bereich entspricht, in dem sich das Instrument jeweils befindet. Allerdings ist es dazu notwendig, vor der Operation Bildmaterial mit geeigneten Verfahren aufzunehmen und zu speichern, das Bildmaterial entspricht also einem Zustand vor der Operation und nicht dem tatsächlichen Zustand während einer Operation ( US 6,016,439 A ; DE 101 36 709 A1 ).

Weiterhin besteht die alternative Möglichkeit, ein Instrument zu verwenden, das selbst mit einer Kamera bestückt ist, also ein Endoskop. Damit gelingt es zwar, ein der jeweiligen Position des Instrumentes entsprechendes Bild zu erzeugen, es ist aber notwendig, ein sehr kompliziertes Instrument zu verwenden, dieses muß nämlich das optische System selbst tragen ( US 6,016,439 A ).

Bei einem bekannten Verfahren wird das Bild eines chirurgischen Bohrers in ein Bild einkopiert, das mit einer Röntgenstrahlapparatur erzeugt wird. Allerdings bleibt dabei der Bildausschnitt unverändert und wird durch die Lage des Bohrers nicht verändert ( US 5,772,594 A ; DE 42 07 901 C3 ).

Es ist Aufgabe der Erfindung, das gattungsgemäße Verfahren so zu verbessern, daß dem behandelnden Arzt die Auswahl des Bildausschnittes, in dem operiert wird, erleichtert wird, ohne daß dazu präoperativ Bildmaterial aufgenommen und gespeichert werden muß.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Position und/oder die Lage des chirurgischen Instruments mittels eines Navigationssystems bestimmt und daß man den Bildausschnitt entsprechend den der Position und/oder der Lage des chirurgischen Instruments entsprechenden Daten durch Bewegung der Kamera verändert, wobei man die Position und Lage der Kamera relativ zum Operationsgebiet mittels eines Navigationssystems bestimmt.

Mit anderen Worten werden also die Position und/oder die Lage des chirurgischen Instrumentes relativ zum Operationsgebiet in geeigneter Weise bestimmt, und der Bildausschnitt wird durch Bewegung der Kamera dann automatisch so gewählt, daß er sich entsprechend der Änderung der Position und/oder Lage des chirurgischen Instrumentes verändert. Wenn der Operateur also das Instrument im Operationsgebiet bewegt, folgen die Kamera und der von ihr erzeugte Bildausschnitt in bestimmter Weise diesem Instrument, ohne daß der Operateur dazu spezielle Steuerbefehle oder Anweisungen geben muß.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß man die Position und/oder die Lage des chirurgischen Instrumentes mittels eines Navigationssystems bestimmt. Es handelt sich dabei um an sich bekannte Navigationssysteme, die in Operationssälen zur Lage- und Ortsbestimmung von chirurgischen Instrumenten eingesetzt werden.

Auch die Position und/oder die Lage des Operationsgebietes kann vorzugsweise mittels eines Navigationssystems bestimmt werden, beispielsweise durch ein zu dem Navigationssystem gehörendes Markierelement, das an einem Knochen des Patienten befestigt ist.

Es ist vorteilhaft, wenn man die Position und Lage der Kamera relativ zum Operationsgebiet mittels eines Navigationssystems bestimmt, so daß auch die tatsächlich erreichte Lage der Kamera relativ zum Operationsgebiet jederzeit vom Navigationssystem kontrolliert werden kann, man erhält damit eine Kontrolle über die Bewegung der Kamera.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, daß man den Bildausschnitt als Teilbereich aus einem Bild auswählt, das die Kamera von einem größeren Bereich des Operationsgebietes aufnimmt.

Besonders günstig ist es, wenn man den Bildausschnitt immer so wählt, daß sich ein bestimmtes Teil des chirurgischen Instruments immer an derselben Stelle des Bildausschnittes befindet. Der Bildausschnitt kann beispielsweise so gewählt werden, daß immer das Arbeitsende oder die Spitze eines chirurgischen Instrumentes in der Mitte des Bildausschnittes zu sehen ist.

Allerdings kann es störend sein, wenn bei jeder Bewegung des Instrumentes auch der Bildausschnitt verändert wird. Daher kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, daß man den Bildausschnitt nur verändert, wenn sich ein bestimmtes Teil des chirurgischen Instrumentes um eine bestimmte Strecke von einem bestimmten Punkt des ausgewählten Bildausschnittes entfernt hat. Bei kleineren Bewegungen des chirurgischen Instrumentes bleibt also der Bildausschnitt erhalten, sobald sich jedoch das chirurgi sche Instrument um eine bestimmte Wegstrecke von einem Ausgangspunkt entfernt hat, erfolgt eine Nachführung des Bildausschnittes.

Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch vorgesehen sein, daß man die Auswahl des Bildausschnittes mit einer Verzögerung verändert, so daß nicht jede Bewegung des chirurgischen Instrumentes zu einer sofortigen Nachführung Anlaß gibt. Es ist auch möglich, eine nur kurzzeitige Abweichung der Position des Instrumentes von einer Ausgangsposition herauszufiltern und eine Änderung des Bildausschnittes nur dann vorzunehmen, wenn das Instrument über einen bestimmten Zeitraum eine Ausgangslage verlassen hat, gegebenenfalls auch hier unter zusätzlicher Herausfilterung von kleinen Verschiebungen. Auf diese Weise erfolgt eine Änderung des Bildausschnittes nur dann, wenn das Instrument über einen längeren Zeitraum und gegebenenfalls über eine größere Strecke aus der Ausgangsposition heraus bewegt wird.

Es kann vorgesehen sein, daß man bei der Änderung des Bildausschnittes diesen kontinuierlich von einer Anfangsstellung zu einer Endstellung bewegt, so daß der Operateur verfolgen kann, wie das chirurgische Instrument während der Operation bewegt wird. Bei einer plötzlichen Änderung der Auswahl des Bildausschnittes würde diese Möglichkeit entfallen, und u.U. ist die Information für den Operateur von großer Bedeutung, an welchen Organen das chirurgische Instrument bei einer Bewegung vorbei geführt wird, dies ist bei der allmählichen Änderung des Bildausschnittes zu verfolgen.

Es kann vorgesehen sein, daß man die Geschwindigkeit der Bewegung bei einem größeren Abstand der Endstellung von der Anfangsstellung größer wählt als die Geschwindigkeit bei einem kleineren Abstand von der Anfangsstellung. Wenn der Operateur also eine größere Verschiebung vornimmt, folgt der Aus schnitt relativ rasch in die neue Stellung des chirurgischen Werkzeuges, bei kleineren Bewegungen erfolgt diese Nachführung langsamer. Dies ist vor allen Dingen am Anfang einer Operation von Bedeutung, da am Anfang einer Operation der Operateur auf diese Weise die Möglichkeit hat, das gesamte Operationsgebiet relativ rasch nacheinander im Bildausschnitt auszuwählen, indem er das chirurgische Werkzeug an verschiedene Positionen des relativ großen Operationsgebietes führt und dadurch dementsprechende Bildausschnitte wählt. Bei dieser Übersicht über das Operationsgebiet ist es wichtig, daß die Bildausschnitte schnell über das Operationsgebiet geführt werden, bei der nachfolgenden Operation dagegen werden in der Regel kleinere Bewegungen mit dem chirurgischen Instrument ausgeführt, und dann genügt es, wenn die Nachführung der Bildausschnitte relativ langsam erfolgt, gegebenenfalls unter der oben angegebenen Verzögerung.

Es kann vorgesehen sein, daß eine Änderung des Bildausschnittes nur erfolgt, wenn ein spezieller Steuerbefehl dafür ausgelöst wird, dieser Steuerbefehl kann beispielsweise ein Sprachbefehl sein. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen der Sprachbefehl oder der Steuerbefehl die neue Lage der Bildauswahl angeben muß, genügt es hier, nur den Beginn des Nachführens des Bildausschnittes anzuzeigen, die neue Lage des Bildausschnittes wird ausschließlich durch die Positions- und Lagebestimmung des chirurgischen Instrumentes vorgenommen, so daß Fehler praktisch ausgeschlossen sind.

Durch den Steuerbefehl wird lediglich das Bildausschnitt-Nachführungssystem ein- oder ausgeschaltet.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer ein Operationsgebiet abbildenden Kamera, einem ein von der Kamera erzeugtes Bild darstellenden Bildschirm, einem chirurgischen Instrument, einem die Lage und/oder Position des Operationsgebietes und des chirurgischen Instrumentes bestimmenden Navigationssystem und mit einer Datenverarbeitungsanlage, wobei die Datenverarbeitungsanlage in Abhängigkeit von der Position und/oder Lage des chirurgischen Instrumentes relativ zu dem Operationsgebiet unterschiedliche Bildausschnitte des Operationsgebietes auf dem Bildschirm darstellt.

Eine solche Vorrichtung ist gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, daß die Datenverarbeitungsanlage den Bildausschnitt in Abhängigkeit von der Position und/oder Lage des chirurgischen Instruments relativ zum Operationsgebiet durch Bewegung der Kamera verändert und daß das Navigationssystem die Lage und/oder Position der Kamera bestimmt.

Die Datenverarbeitungsanlage erhält somit vom Navigationssystem Informationsdaten zur Position und/oder Lage des chirurgischen Instruments relativ zu dem Operationsgebiet, und in Abhängigkeit von diesen Daten werden die Position der Kamera und damit der Bildausschnitt so gewählt, daß der Operateur auch bei Bewegung des chirurgischen Instrumentes in einem anderen Teil des Operationsgebietes jeweils diesen Teil optimal betrachten kann.

Zur Bewegung der Kamera können bestimmte Stellglieder vorgesehen sein, die die Position der Kamera relativ zum Operationsgebiet verändern, beispielsweise könnte dies ein an sich bekannter Roboterarm sein, an dem die Kamera befestigt ist.

Beispielsweise kann die Datenverarbeitungsanlage den Bildausschnitt durch Bewegung der Kamera verändern. Dann sind bestimmte Stellglieder vorgese hen, die die Position der Kamera relativ zum Operationsgebiet verändern, beispielsweise könnte dies ein an sich bekannter Roboterarm sein, an dem die Kamera befestigt ist.

Günstig ist es dabei, wenn das Navigationssystem auch die Lage und/oder Position der Kamera bestimmt und dadurch eine Kontrolle über die jeweilige Bewegung der Kamera hat.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Datenverarbeitungsanlage den Bildausschnitt als Teilbereich aus einem Bild auswählt, das die Kamera von einem größeren Bereich des Operationsgebietes aufnimmt.

Es kann vorgesehen sein, daß die Datenverarbeitungsanlage den Bildausschnitt immer so wählt, daß sich ein bestimmtes Teil des chirurgischen Teil des Instruments immer an derselben Stelle des Bildabschnittes befindet, beispielsweise das Arbeitsende eines chirurgischen Instrumentes immer in der Mitte des Bildausschnittes.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform verändert die Datenverarbeitungsanlage den Bildausschnitt nur, wenn sich ein bestimmtes Teil des chirurgischen Instrumentes um eine bestimmte Strecke von einem bestimmten Punkt des ausgewählten Bildausschnittes entfernt hat, bei einer kleineren Abweichung aus der Ausgangsposition heraus dagegen bleibt der Bildausschnitt unverändert.

Es ist auch möglich, daß die Datenverarbeitungsanlage die Auswahl des Bildabschnittes mit einer Verzögerung verändert.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Datenverarbeitungsanlage eine Veränderung des Bildausschnittes nur vornimmt, wenn eine Lageänderung des chirurgischen Instrumentes über einen bestimmten Zeitraum hinweg und/oder über eine bestimmte Strecke hinweg erfolgt ist. Kleinere kurzzeitige Bewegungen führen damit nicht zu einer Änderung des Bildausschnittes, sondern nur länger andauernde Verlagerungen des chirurgischen Instrumentes, insbesondere solche, die über eine größere Strekke hinweg erfolgt sind.

Die Datenverarbeitungsanlage kann bei einer Änderung des Bildausschnittes diesen kontinuierlich von einer Anfangsstellung zu einer Endstellung bewegen, um dem Operateur eine Verfolgung der Bewegung des chirurgischen Instrumentes im Operationsgebiet zu ermöglichen.

Es ist auch vorteilhaft, wenn die Datenverarbeitungsanlage die Geschwindigkeit der Bewegung bei einem größeren Abstand der Endstellung von der Anfangsstellung größer wählt als die Geschwindigkeit bei einem kleineren Abstand der Endstellung von der Anfangsstellung.

Der Datenverarbeitungsanlage kann eine Steuerung zugeordnet sein, die eine Änderung des Bildausschnittes erst nach Aufnahme eines speziellen Steuerbefehls auslöst.

Dieser Steuerbefehl kann beispielsweise ein Sprachbefehl sein oder ein elektrisches Signal, das über einen Fußschalter oder dergleichen gegeben wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kamera an einem Halter befestigt ist, der eine Verschwenkung der Kamera um einen Punkt ermöglicht, der mit einem Fokussierpunkt der Kamera zusammenfällt oder dicht neben diesem liegt. Es ist dann möglich, allein aufgrund einer Verschwenkbewegung das Operationsgebiet im wesentlichen vollständig aus unterschiedlichen Richtungen zu erfassen, durch geringfügige Abweichung ist es auch möglich, dicht nebeneinanderliegende Bereiche des Operationsgebietes abzubilden.

Besonders geeignet ist dabei eine Haltevorrichtung für die Kamera, welche über mindestens zwei Lenker an einem Rahmen gehalten ist, wobei jeder Lenker drehbar mit dem Rahmen und der Halterung verbunden ist, die Lagerpunkte der Lenker an der Halterung im Abstand zueinander angeordnet sind und der Abstand der Lagerpunkte am Rahmen größer ist als der Abstand der Lagerpunkte an der Halterung. Eine derartige Haltevorrichtung ist in der DE 198 22 195 C1 beschrieben, und auf die Beschreibung dieser Haltevorrichtung in der DE 198 22 195 C1 wird in vollem Umfange Bezug genommen.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: einen Patienten auf einem Operationstisch mit einem Navigationssystem für das Operationsgebiet, für ein chirurgisches Instrument und für eine Kamera zur Betrachtung des Operationsgebietes;
2: eine beispielhafte Darstellung des ausgewählten Bildausschnittes des Operationsgebietes auf einem Bildschirm und
3: eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Haltevorrichtung einer zur Änderung des Bildausschnittes beweglich gehaltenen Kamera.
Ein Patient 1 liegt auf einem Operationstisch 2, an diesem Patienten soll eine Operation durchgeführt werden in einem Operationsgebiet 3, beispielsweise im Bereich des Hüftknochens 4. Die Lage des Operationsgebietes 3 kann durch ein Navigationssystem 5 genau bestimmt werden. Zu diesem Zweck ist am Hüftknochen 4 ein Markierelement 6 befestigt, welches in an sich bekannter Weise drei im Abstand zueinander angeordnete Reflexionskörper 7 trägt. Das Navigationssystem 5 weist drei im Abstand zueinander angeordnete Sende- und Empfangseinheiten 8 auf, die Ultrarotstrahlung aussenden und die von den Reflexionskörpern 7 reflektierte Strahlung wieder auffangen, auf diese Weise kann das Navigationssystem 5 die genaue Lage und die genaue Position des Markierelementes 6 im Raum feststellen und damit natürlich auch die genaue Lage des Hüftknochens 4 und damit des Operationsgebietes 3. Es handelt sich dabei um ein an sich bekanntes Navigationssystem 5, derartige Navigationssysteme können auch mit anderen Strahlenverbindungen arbeiten, beispielsweise mit Ultraschallstrahlung oder mit aktiven Elementen am Markierelement 6, die selbst eine Strahlung aussenden, die dann von dem Empfangssystem des Navigationssystems 5 aufgenommen wird, hier sind unterschiedliche Ausgestaltungen des Navigationssystems bekannt, diese können alle für diesen Zweck eingesetzt werden.
Das Navigationssystem 5 arbeitet nicht nur mit dem Markierelement 6 zusammen, sondern es bestimmt auch die Position und die Lage eines chirurgischen Instrumentes 9 im Raum, an welchem ein weiteres gleich aufgebautes Markierelement 10 festgelegt ist. Auf diese Weise kann das Navigationssystem 5 die relative Lage des chirurgischen Instrumentes 9 in Bezug auf das Operationsgebiet 3 jederzeit bestimmen, beispielsweise die Lage der Spitze oder des Arbeitsendes dieses chirurgischen Instrumentes 9. Dieses Instrument kann ein Skalpell sein oder ein Taster, eine Zange, eine Schere, ein Koagulationshaken etc. Durch die Kenntnis der Lage des Markierelementes 10 und die Kenntnis der geometrischen Abmessungen des chirurgischen Instrumentes 9 verfügt das Navigationssystem 5 zu jeder Zeit auch über einen Datensatz, der die Lage und Position des Arbeitsendes des chirurgischen Instrumentes 9 im Raum angibt.
Schließlich ist in der Nähe des Operationsgebietes 3 eine Kamera 11 angeordnet, an der ebenfalls ein gleichgeartetes Markierelement 12 befestigt ist, so daß das Navigationssystem 5 auch die Lage der Kamera 11 im Raum bestimmen kann. Die Kamera 11 ist so ausgerichtet, daß sie ein Bild des Operationsgebietes 3 erzeugt, gegebenenfalls nimmt die Kamera dabei nur einen Teil des Operationsgebietes auf und sendet entsprechende Bildsignale an eine Datenverarbeitungsanlage 13, die ihrerseits diese Daten einem Bildschirm 14 zur Darstellung zuführt.
Das Navigationssystem 5 leitet die Positions- und Lagedaten des Operationsgebietes 3, des chirurgischen Instrumentes 9 und der Kamera 11 ebenfalls dieser Datenverarbeitungsanlage 13 zu, die aufgrund dieser Daten den Bildausschnitt des Operationsgebietes 3 auswählt, der auf dem Bildschirm 14 dargestellt wird.
Dabei nimmt die Kamera von dem Operationsgebiet 3 nur einen Teilbereich auf, und die Datenverarbeitungsanlage 13 bewegt die Kamera 11 rela tiv zum Operationsgebiet 3, so daß unterschiedliche Teilbereiche des Operationsgebietes von der Kamera aufgenommen und dann vollständig auf dem Bildschirm 14 dargestellt werden.
Die Bewegung der Kamera 11 erfolgt dabei durch in 1 nicht gesondert dargestellte Antriebseinrichtungen, beispielsweise kann die Kamera 11 an einem herkömmlichen Roboterarm befestigt sein, der von der Datenverarbeitungsanlage gesteuert wird.
Die Datenverarbeitungsanlage 13 kann aufgrund der Positionsdaten des chirurgischen Instrumentes 9 einerseits und des Operationsgebietes 3 andererseits jederzeit bestimmen, in welchem Bereich des Operationsgebietes 3 sich das Arbeitsende des chirurgischen Instrumentes augenblicklich befindet und kann entsprechend der jeweiligen Lage und eventuell auch der jeweiligen Richtung des chirurgischen Instrumentes den Bildausschnitt so wählen, daß der Operateur gerade den Operationsbereich um das Arbeitsende des chirurgischen Instrumentes herum besonders gut beobachten kann.
Beispielsweise kann die Datenverarbeitungsanlage 13 einen Bildausschnitt immer so wählen, daß sich das Arbeitsende des chirurgischen Instrumentes 9 in der Mitte des ausgewählten Bildausschnittes 15 befindet, dies ist beispielhaft in 2 dargestellt. Bewegt der Operateur das chirurgische Instrument 9 an eine andere Stelle des Operationsgebietes, so folgt der Bildausschnitt 15 nach, so daß das Arbeitsende des chirurgischen Instrumentes 9 immer in der Mitte des jeweils ausgewählten Bildausschnittes 15 bleibt.
Dieses Nachfolgen kann u.U. von der Datenverarbeitungsanlage modifiziert werden, beispielsweise kann ein Nachfolgen unterbleiben, wenn die Abwei chung des Arbeitsendes des chirurgischen Instrumentes 9 von der Ausgangsstellung nur geringfügig ist. Dadurch wird sichergestellt, daß während der Operation bei kleinen Operationsbewegungen der Bildausschnitt 15 konstant bleibt und nur geändert wird, wenn das chirurgische Instrument 9 eine größere Bewegung durchführt.
Es kann auch vorgesehen sein, daß erst nach einem bestimmten Zeitablauf nach der erfolgten Bewegung die Nachführung erfolgt, oder daß eine Bewegung unterbleibt, wenn zwar eine größere Bewegung durchgeführt, jedoch schnell wieder rückgängig gemacht wird. Durch geeignete Ausfilterungsmaßnahmen kann damit sichergestellt werden, daß beispielsweise eine Nachführung nur erfolgt, wenn das Instrument über einen längeren Zeitraum und gleichzeitig über eine größere Strecke bewegt wird, während kleine Bewegungen und unwillkürliche größere Bewegungen, die schnell wieder rückgängig gemacht werden, nicht zur Nachführung und Veränderung des Bildausschnittes 15 führen.
Bei der Änderung des Bildausschnittes 15 ist es vorteilhaft, wenn das dargestellte Bild vom alten zum neuen Bildausschnitt kontinuierlich verändert wird, so daß der Operateur beobachten kann, wie das Instrument längs der Strukturen des Operationsgebietes bewegt worden ist, die Geschwindigkeit dieses Verfahrens aus dem alten Bildausschnitt in den neuen Bildausschnitt kann abhängig sein von der Größe der Verschiebestrecke des chirurgischen Instrumentes 9. Wenn dieses über einen kleinen Weg verschoben wird, erfolgt die Änderung langsam, wenn dagegen eine Verschiebung über eine größere Strekke erfolgt ist, folgt die Änderung des Bildausschnittes schnell.
Es ist möglich, die Nachführung und Änderung der Bildausschnittsauswahl kontinuierlich durchzuführen, d.h. während der gesamten Operation ununterbrochen, es ist aber auch möglich, diese Nachführung nur bei Bedarf zu aktivieren. Diese Aktivierung kann beispielsweise über einen Fußschalter 16 erfolgen, der mit der Datenverarbeitungsanlage 13 verbunden ist, oder über einen Sprachsensor 17 an der Datenverarbeitungsanlage 13. Der Operateur kann dann einfach durch das Kommando "Kamera nachführen" oder ein ähnliches Kommando die Nachführung der Bildausschnittsauswahl aktivieren, diese Aktivierung kann beispielsweise für einen bestimmten Zeitraum wirksam sein oder nur für eine Nachführungsbewegung oder aber dauernd eingeschaltet bleiben, hier sind unterschiedliche Alternativen möglich.
Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Halterung der Kamera 11 ist in 3 dargestellt. Mit dieser Vorrichtung kann die Kamera ohne große seitliche Bewegung in unterschiedliche Lagen verschwenkt werden, wobei sie im wesentlichen einen relativ dicht nebeneinanderliegenden Bereich aufnimmt, jedoch unter unterschiedlichen Richtungen und gegebenenfalls unter geringfügiger seitlicher Verschiebung des betrachteten Gebietes.
Die in der Zeichnung dargestellte Haltevorrichtung 21 umfaßt einen Rahmen 22 in Form einer ringförmig geschlossenen, sich von unten nach oben erweiternden Seitenwand 23 und eine scheiben- oder plattenförmige Halterung 24, die im wesentlichen die offene Unterseite des Rahmens 22 verschließt. Die Halterung 24 ist über drei stangenförmige Lenker 25 mit der Oberseite des Rahmens 22 verbunden. Die Lenker 25 sind an der Oberseite des Rahmens 22 mit einem Kugelkopf 26 in einem Lagerring 27 eingehängt und somit in allen Richtungen verschwenkbar gelagert. In ähnlicher Weise greifen die Lenker 25 mittels eines Kugelkopfes 28 in die Halterung 24 ein. Die Lenker 25 sind in Umfangsrichtung jeweils um 120° gegeneinander versetzt.
Der Umfang des Kreises, auf dem die Kugelköpfe 26 gelagert sind, ist größer als der Durchmesser des Kreises, auf dem die Kugelköpfe 28 gelagert sind.
Durch die beschriebene Lagerung der Halterung 24 an drei Lenkern 25 läßt sich die Halterung 24 nach allen Richtungen verschwenken, wobei die Mittelachse der Halterung 24, die senkrecht auf der Ebene steht, die durch die Lagerung der Kugelköpfe 28 aufgespannt wird, und durch dessen Mittelpunkt hindurchgeht, innerhalb eines Kegels verschwenkt werden kann, dessen Spitze in einem im wesentlichen gegenüber dem Rahmen 22 unveränderten Mittelpunkt 29 liegt. Dieser Mittelpunkt 29 liegt auf der Längsmittelachse des Rahmens 22 im Abstand von der Halterung 24, also auf der dem Rahmen 22 gegenüberliegenden Seite. Die Halterung 24 weist eine konzentrisch zur Mittelachse verlaufende Durchgangsbohrung 30 auf und dient als Aufnahme für die Kamera 11, die im dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines langgestreckten Rohres hat, die aber natürlich auch anders geformt sein kann. Beispielsweise kann die Kamera an der Unterseite der Halterung 24 befestigt sein. In diesem Fall benötigt diese Halterung 24 keine Durchgangsbohrung.
Durch die beschriebene Kinematik kann die Kamera zusammen mit der Halterung 24 so in verschiedenen Richtungen verschwenkt werden, daß ihr Fokus immer etwa im Bereich des Mittelpunktes 29 angeordnet ist; damit kann die Kamera bei Verschwenkung das Operationsgebiet unter unterschiedlichem Winkel betrachten. Die Kinematik dieser Anordnung kann durch Veränderung der Lagerstellen der Lenker 25 auch so geändert werden, daß bei einer Verschwenkung der Kamera unmittelbar nebeneinanderliegende Bereiche des Operationsgebietes von der Kamera erfaßt und abgebildet werden. Diese Anordnung kann mit Stellmotoren ausgestattet sein, die die Verschwenkung in Abhängigkeit von Steuersignalen vornehmen, die von der Datenverarbeitungsanlage 13 erzeugt werden, und auf diese Weise ist entsprechend der jeweiligen Position und Lage des chirurgischen Instrumentes 9 eine unterschiedliche Auswahl von Bildausschnitten 15 möglich.
Die beschriebene Vorrichtung ist insbesondere geeignet für eine Kamera in Form eines langgestreckten Rohres, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist. Es kann sich dabei um ein herkömmliches Endoskop handeln, welches durch eine Körperöffnung in das Innere des Körpers eingeführt ist und dort ein Operationsgebiet betrachtet. Diese Art der Betrachtung ist notwendig bei minimalinvasiven Eingriffen, insbesondere in der Laparoskopie, und dabei ist es möglich, durch Verschwenken des Endoskops unterschiedliche Bereiche zu betrachten. In diesem Falle erstreckt sich das Endoskop über den Mittelpunkt 29 hinaus und wird um den Mittelpunkt 29 verschwenkt, dieser Mittelpunkt wird im Bereich der Körperöffnung angeordnet, so daß in diesem Bereich keine seitliche Verschiebung der Kamera 11 erfolgt, sondern nur eine Verschwenkung. Trotzdem können nebeneinanderliegende Bereiche im Inneren des Körpers auf diese Weise betrachtet werden.
In diesem Falle ist es auch ohne weiteres möglich, die Auswahl des Bildausschnittes ohne eine separate Bestimmung der jeweiligen Lage und Position des Operationsgebietes vorzunehmen, es genügt in diesem Falle, den Bildausschnitt immer so zu wählen, daß er dem chirurgischen Instrument folgt, daß also ein bestimmtes Teil des chirurgischen Instrumentes, beispielsweise die Arbeitsspitze, immer an derselben Stelle des Bildausschnittes angeordnet ist, der Bildausschnitt also gleichsam an die Spitze des Instrumentes angeheftet ist. Sobald der Operateur das chirurgische Instrument bewegt, folgt der Bildausschnitt nach, und dies erfolgt unabhängig davon, wie das Operationsgebiet jeweils im Raum positioniert ist. Auch bei einer Verlagerung des Patienten bleibt also die Arbeitsspitze des Instrumentes dadurch immer im Blickfeld des Bildausschnittes.

Claims

Verfahren zur Auswahl eines Bildausschnittes (15) aus einem Operationsgebiet, welches mit Hilfe einer Kamera (11) betrachtet und auf einem Bildschirm (14) dargestellt wird, wobei die Auswahl des Bildausschnittes (15) in Abhängigkeit von der Position und/oder Lage eines chirurgischen Instruments (9) relativ zu dem Operationsgebiet erfolgt, welches im Operationsgebiet eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Position und/oder die Lage des chirurgischen Instruments (9) mittels eines Navigationssystems (5) bestimmt und daß man den Bildausschnitt (15) entsprechend den der Position und/oder der Lage des chirurgischen Instruments (9) entsprechenden Daten durch Bewegung der Kamera (11) verändert, wobei man die Position und Lage der Kamera (11) relativ zum Operationsgebiet mittels eines Navigationssystems (5) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Position und/oder die Lage des Operationsgebietes mittels eines Navigationssystems (5) bestimmt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bildausschnitt (15) als Teilbereich aus einem Bild auswählt, das die Kamera (11) von einem größeren Bereich des Operationsgebiets aufnimmt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bildausschnitt (15) immer so wählt, daß sich ein bestimmtes Teil des chirurgischen Instruments (9) immer an derselben Stelle des Bildausschnittes (15) befindet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bildausschnitt (15) immer so wählt, daß sich die Spitze des chirurgischen Instrumentes (9) in der Mitte des Bildausschnittes (15) befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bildausschnitt (15) nur verändert, wenn sich ein bestimmtes Teil des chirurgischen Instrumentes (9) um eine bestimmte Strecke von einem bestimmten Punkt des ausgewählten Bildausschnittes (15) entfernt hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Auswahl des Bildausschnittes (15) mit einer Verzögerung verändert.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Änderung des Bildausschnittes (15) diesen kontinuierlich von einer Anfangsstellung zu einer Endstellung bewegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Geschwindigkeit der Bewegung bei einem größeren Abstand der Endstellung von der Anfangsstellung größer wählt als die Geschwindigkeit bei einem kleineren Abstand der Endstellung von der Anfangsstellung.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Änderung des Bildausschnittes (15) durch einen speziellen Steuerbefehl auslöst.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerbefehl ein Sprachbefehl ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Änderung des Bildausschnittes (15) nur vornimmt, wenn die Position des chirurgischen Instrumentes (9) über einen längeren Zeitraum und/oder eine längere Wegstrecke verändert worden ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einer ein Operationsgebiet abbildenden Kamera (11), einem ein von der Kamera (11) erzeugtes Bild darstellenden Bildschirm (14), einem chirurgischen Instrument (9), einem die Lage und/oder Position des Operationsgebietes und des chirurgischen Instrumentes (9) bestimmenden Navigationssystem (5) und mit einer Datenverarbeitungsanlage (13), wobei die Datenverarbeitungsanlage (13) in Abhängigkeit von der Position und/oder Lage des chirurgischen Instrumentes (9) relativ zu dem Operationsgebiet unterschiedliche Bildausschnitte (15) des Operationsgebietes auf dem Bildschirm (14) darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (13) den Bildausschnitt (15) in Abhängigkeit von der Position und/oder Lage des chirurgischen Instruments (9) relativ zum Operationsgebiet (3) durch Bewegung der Kamera (11) verändert und daß das Navigationssystem (5) die Lage und/oder Position der Kamera (11) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage den Bildausschnitt (15) als Teilbereich aus einem Bild auswählt, das die Kamera (11) von einem größeren Bereich des Operationsgebietes (3) aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage den Bildausschnitt (15) immer so wählt, daß sich ein bestimmtes Teil des chirurgischen Instrumentes (9) immer an derselben Stelle des Bildausschnittes (15) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (13) den Bildausschnitt (15) immer so wählt, daß sich die Spitze des chirurgischen Instrumentes (9) in der Mitte des Bildausschnittes (15) befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (13) den Bildausschnitt (15) nur verändert, wenn sich ein bestimmtes Teil des chirurgischen Werkzeuges (9) um eine bestimmte Strecke von einem bestimmten Punkt des ausgewählten Bildausschnittes (15) entfernt hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (13) die Auswahl des Bildausschnittes (15) mit einer Verzögerung verändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (13) bei der Änderung des Bildausschnittes (15) diesen kontinuierlich von einer Anfangsstellung zu einer Endstellung bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (13) die Geschwindigkeit der Bewegung bei einem größeren Abstand der Endstellung von der Anfangsstellung größer wählt als die Geschwindigkeit bei einem kleineren Abstand der Endstellung von der Anfangsstellung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (13) eine Änderung des Bildausschnittes (15) durch einen speziellen Steuerbefehl auslöst.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerbefehl ein Sprachbefehl ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (23) den Bildausschnitt (15) nur verändert, wenn sich die Stellung des chirurgischen Instrumentes (9) über einen längeren Zeitraum verändert und/oder wenn sich die Stellung des chirurgischen Instrumentes (9) über eine bestimme Strecke hinweg verändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (11) an einem Halter (4) befestigt ist, der eine Verschwenkung der Kamera (11) um einen Punkt (29) ermöglicht, der mit einem Fokussierpunkt der Kamera (11) zusammenfällt oder dicht neben diesem liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (24) über mindestens zwei Lenker (25) an einem Rahmen (22) gehalten ist, wobei jeder Lenker (25) drehbar mit dem Rahmen (22) und der Halterung (24) verbunden ist, die Lagerpunkte der Lenker (25) an der Halterung (24) im Abstand zueinander angeordnet sind und der Abstand der Lagerpunkte am Rahmen (22) größer ist als der Abstand der Lagerpunkte an der Halterung (4).