DE10346615B4

DE10346615B4 - Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Körperteils

Info

Publication number: DE10346615B4
Application number: DE10346615A
Authority: DE
Inventors: Hanns-Peter Dr. Tümmler
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: DE10346615A1

Abstract

Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Körperteils (1, 2) mit einem Navigationssystem (13) und mindestens einem an dem Körperteil (1, 2) gehaltenen Markierelement (7, 8), dessen Lage relativ zum Navigationssystem (13) durch das Navigationssystem (13) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement (7, 8) verbunden ist mit einer Lagebestimmungseinrichtung (17), die die Lage einer festen Struktur (4, 6) des Körperteils (1, 2) relativ zu dem Markierelement (7, 8) bestimmt und die dieser Lage entsprechenden Lagedaten der Datenverabeitungseinrichtung (15) des Navigationssystems (13) zuführt, die aufgrund dieser Lagedaten und der Lagedaten des Markierelementes (7, 8) relativ zum Navigationssystem (13) die Lage der festen Struktur (4, 6) relativ zum Navigationssystem (13) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Körperteils mit einem Navigationssystem und mindestens einem an dem Körperteil gehaltenen Markierelement, dessen Lage relativ zum Navigationssystem durch das Navigationssystem bestimmbar ist.

Bei chirurgischen Operationen ist es inzwischen weit verbreitet, die Lage von Körperteilen, beispielsweise eines Hüftknochens oder eines Femurs, mit Hilfe eines Navigationssystems zu bestimmen. Dazu wird an dem Körperteil ein Markierelement befestigt, dessen Lage im Raum vom Navigationssystem erkannt und bestimmt wird, beispielsweise über die Aussendung von Infrarotstrahlung, die an verschiedenen Stellen des Markierelementes reflektiert und dann vom Navigationssystem wieder aufgefangen wird. Das Markierelement wird bei dem bekannten Verfahren starr mit dem Körperteil verbunden, beispielsweise durch Eindrehen von Knochenschrauben in starre Strukturen des Körperteils. Dazu müssen die Knochenschrauben durch Weichteilgewebe hindurchgeführt werden, und es entstehen an diesen Stellen Wunden, die Schmerzen und Infektionsgefahr verursachen.

In der Veröffentlichung (1) SAUER, F., u.a. Augmented Reality Visualization of Ultrasound Images: System Description, Calibration, and Features. In: Augmented Reality, 2001. Proceedings. IEEE and ACM International Symposium on, 29.-30. Okt. 2001, Seiten 30-39 wird ein mit einem Markierelement verbundener Ultraschallkopf beschrieben, der frei geführt wird und damit ein Ultraschallbild eines Körperteils abtastet, das dann einem ebenfalls navigierten Videobild überlagert wird.

In der DE 200 15 892 U1 werden navigierte Instrumente und in der DE 197 09 960 A1 Navigationssysteme beschrieben, die dortige Beschreibung beschränkt sich aber auf die Erörterung dieser navigierten Instrumente und der Navigationssysteme, es wird keine Anregung dafür gegeben, eine starre Verbindung von Markierelementen mit einem Knochen oder dergleichen zu vermeiden. In der WO 00/63719 A1 ist ein System beschrieben mit einem Ultraschallsender, der mit einem Markierelement verbunden ist, so daß dessen Position und Orientierung im Raum durch ein Navigationssystem bestimmt werden kann. Der Ultraschallsender gibt einen fokusierten, eindimensionalen Utraschallstrahl ab, so daß dieser navigierte Ultraschallsender nach Art eines Tasters verwendet wird. Durch Überstreichen einer Oberfläche mit dem vom Ultraschallsender erzeugten Strahl kann somit die Kontur einer Oberfläche abgetastet werden.

In einem weiteren bekannten Lagebestimmungssystem werden zwei verschiedene Markierelemente eines Navigationssystems eingesetzt, nämlich ein erstes Markierelement an einem Körperteil und ein zweites Markierelement an einem Ultraschallsender (gattungsbildende DE 197 51 761 A1 ). Mit dem bewegten Ultraschallsender werden Bewegungen des Körperteils festgestellt und auf einem Monitor angezeigt, dadurch kann der Operateur am Monitor Korrekturen vornehmen, die die Verschiebung des am Körper festgelegten Markierelements gegenüber festen Körperstrukturen berücksichtigen. Dies ist jedoch umständlich und unter Umständen mit Fehlern behaftet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszugestalten, daß die am Körperteil gehaltenen Markierelemente nicht starr mit festen Strukturen des Körperteils verbunden werden müssen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Markierelement verbunden ist mit einer Lagebestimmungseinrichtung, die die Lage einer festen Struktur des Körperteils relativ zu dem Markierelement bestimmt und die dieser Lage entsprechende Lagedaten der Datenverarbeitungseinrichtung des Navigationssystems zuführt, die aufgrund dieser Lagedaten und der Lagedaten des Markierelementes relativ zum Navigationssystem die Lage der festen Struktur relativ zum Navigationssystem bestimmt.

Das Markierelement wird also mit einer weiteren Lagebestimmungseinrichtung fest verbunden, und diese Lagebestimmungseinrichtung stellt die Lage einer festen Struktur im Körperteil fest, beispielsweise einer knöchernen Struktur oder eines in den Körper eingebrachten, mit der knöchernen Struktur verbundenen Markierpunktes (in der englischen Sprache „fiducial" genannt). Diese Lagebestimmungseinrichtung bestimmt also umgekehrt die relative Lage des Markierelementes zu der festen Struktur, und aus dieser doppelten Lagebestimmung einmal der Lage des Markierelementes relativ zur festen Struktur und zum anderen des Markierelementes relativ zum Navigationssystem bestimmt dieses die Lage der festen Struktur des Körperteils relativ zum Navigationssystem. Die genaue Lage des Markierelementes ist dabei nicht wesentlich, das heißt das Markierelement muß nicht in einer festen Relation zu der festen Struktur des Körperteils stehen, es genügt, wenn das Markierelement an dem Körperteil gehalten ist, dessen Lage bestimmt werden soll.

Es ist beispielsweise möglich, das Markierelement auf der Körperoberfläche zu befestigen, beispielsweise mittels eines Riemens, eines Bandes oder durch Aufkleben oder Aufnähen auf die Oberfläche. Obwohl bei der Bewegung des Körperteils die zwischen dem Markierelement und der festen Struktur des Kör perteils liegenden Weichteilgewebe ihre Form ändern und damit sich auch die Position des Markierelementes relativ zur festen Struktur ändert, kann diese Änderung durch die Lagebestimmungseinrichtung bestimmt und bei der Berechnung der Lage der festen Struktur relativ zum Navigationssystem berücksichtigt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lagebestimmungseinrichtung mehrere Ultraschallsender und Ultraschallempfänger umfaßt, insbesondere können diese Ultraschallsender und -empfänger in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sein, so daß diese Ultraschallsender und -empfänger sozusagen ein rasterförmiges Abbild der festen Struktur des Körperteils liefern, beispielsweise die Randkontur eines Femurs, und die Veränderung der Lage dieser speziellen Kontur ist gleichzeitig ein Maß für die Veränderung der Position des Markierelementes relativ zu der festen Struktur.

Es können auch andere Lagebestimmungseinrichtungen verwendet werden, beispielsweise Kernspintomographen mit Oberflächenspulen oder sogenannte Low-Dose X-Ray Digitizers.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Körperteils unter Verwendung eines Navigationssystems und am Körperteil gehaltener Markierelemente;
2: eine schematische Schnittansicht durch ein Körperteil mit daran gehaltenem Markierelement und einer schematischen Anzeige einer mit dem Markierelement verbundenen Lagebestimmungseinrichtung für feste Strukturen des Körperteils.
Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der Bestimmung der Lage eines Oberschenkels 1 und eines Unterschenkels 2 beschrieben, im Oberschenkel 1 umschließt Weichgewebe 3 den Femur 4, im Unterschenkel 3 umschließt Weichgewebe 5 die Tibia 6. Für die operative Lagebestimmung sind die Lagen des Femur 4 und der Tibia 6 von Bedeutung, beispielsweise zur Bestimmung der Lage des Kniegelenks.
Um diese Lagen zu bestimmen, werden auf die Außenseite des Oberschenkels 1 und des Unterschenkels 2 Markierelemente 7, 8 befestigt, diese Markierelemente 7, 8 sind gleich aufgebaut, nachstehend wird nur noch das Markierelement 7 näher erläutert.
Dieses umfaßt einen plattenförmigen Fuß 9 mit einem starr mit diesem verbundenen Halter 10, an dem im Abstand zueinander Strahlungsquellen 11 angeordnet sind. Dabei kann es sich um aktive Strahlungsquellen handeln, beispielsweise Leuchtdioden, die Infrarotstrahlung absenden, oder aber auch um Reflexionsflächen, die empfangene Infrarotstrahlung reflektieren. Die Markierelemente 7, 8 werden derart an der Außenseite des Oberschenkels 1 beziehungsweise des Unterschenkels 2 angeordnet, daß die plattenförmigen Füße 9 flächig an der Außenseite von Oberschenkel und Unterschenkel anliegen und in dieser Lage beispielsweise durch Riemen 12 gehalten werden, die das Bein umfassen. Hier können auch andere Bänder und Haltevorrichtungen verwendet werden, es ist auch möglich, den Fuß 9 an der Körperoberfläche durch Verklebung zu halten, insbesondere, wenn die Markierelemente kleiner ausgebildet sind als in dem in der Zeichnung dargestellten Fall, in dem diese Markierelemente aus Gründen der Deutlichkeit besonders groß gezeichnet sind.
Den Markierelementen 7, 8 ist ein ortsfestes Navigationssystem 13 zugeordnet, welches mehrere im Abstand zueinander angeordnete Empfangseinrichtungen 14 aufweist, die von den Strahlungsquellen 11 ausgesandte Strahlung auffangen können und die auch selbst eine entsprechende Strahlung abstrahlen können, wenn die Strahlungsquellen 11 nicht aktiv emittierende Strahlungsquellen sind, sondern nur reflektierende Strahlungsquellen.
Durch die aufgenommene Strahlung können die Empfangseinrichtungen 14 die Lage der Strahlungsquellen 11 im Raum feststellen und damit die Lage der Halter 10.
Diese Lagedaten können einer dem Navigationssystem 13 zugeordneten Datenverarbeitungseinrichtung 15 zugeführt werden. Außerdem ist dem Navigationssystem 13 und der Datenverarbeitungseinrichtung 15 ein Bildschirm 16 zugeordnet.
Im Fuß 9 der Markierelemente 7, 8 ist eine Lagebestimmungseinrichtung 17 in Form eines Rasters einer größeren Anzahl von Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern angeordnet, diese Anordnung umfaßt mehrere parallel zueinander verlaufende Reihen derartiger Ultraschallsender und -empfänger, und mit Hilfe dieser Lagebestimmungseinrichtung 17 wird Ultraschallstrahlung durch das Weichgewebe 3 und 5 des Oberschenkels 1 beziehungsweise des Unterschenkels 2 hindurchgesandt, die an den knöchernen Strukturen, also am Femur 4 beziehungsweise der Tibia 6 reflektiert und von der Lagebestimmungseinrichtung 17 wieder empfangen wird. Aus dieser Strahlung kann die Lagebestimmungseinrichtung 17 die Relativposition der knöchernen Struktur zum Fuß 9 bestimmen, und die entsprechenden Daten werden über Verbindungsleitungen 18, 19 der Datenverarbeitungseinrichtung 15 zugeführt. Dieser Vorgang läßt sich automatisieren, wenn eine bestimmte Kontur der knöchernen Struktur betrachtet wird, beispielsweise die Umfangslinie eines Femurs. Bei einer Verschiebung des Fußes 9 und damit eines Markierelementes 7, 8 verschiebt sich auch diese Kontur und gibt damit Auskunft über die Lage des Fußes 9 relativ zu dieser Kontur und damit zu der knöchernen Struktur des Femurs oder der Tibia.
In 2 ist als Beispiel die Abbildung 17a eines solchen zweidimensionalen Rasters oder Arrays von Ultraschallsendern- und empfängern dargestellt. Jedes Feld dieses Arrays zeigt den Empfang reflektierter Ultraschallstrahlung an, so daß insgesamt ein Bild einer die Ultraschallstrahlung reflektierenden Knochenstruktur, beispielsweise des Femurs oder der Tibia, auf dem Bildschirm 16 erzeugt wird. Dadurch erhält der Operateur zusätzlich eine Möglichkeit, die Lage der Markierelemente relativ zu der knöchernen Struktur auch optisch zu überwachen. Die genaue Auswertung der Verschiebung der knöchernen Struktur in diesem Array erfolgt durch die Datenverarbeitungseinrichtung, die damit zusammen mit der Lagebestimmungseinrichtung 17 die genaue Positionierung der Markierelemente 7, 8 relativ zu der knöchernen Struktur feststellt.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 15 kann aus den Lagedaten, die die Empfangseinrichtung 14 einerseits und die Empfangseinrichtung 14 des Navigationssystems 13 andererseits liefern, einmal die Lage des Fußes 9 und damit der Markierelemente 7, 8 relativ zu der knöchernen Struktur bestimmen, und zum anderen aus den Lagedaten der Empfangseinrichtungen 14 die Lage der Strahlungsquellen 11 und damit der Markierelemente 7, 8 relativ zum Navigationssystem 13. Aus diesen Lagedaten läßt sich dann auch die Lage von Femur 4 beziehungsweise Tibia 6 relativ zum Navigationssystem 13 berechnen. Diese Berechnung ist unabhängig davon, ob sich die Lage der Markierelemente 7, 8 beispielsweise durch eine Bewegung des Oberschenkels und/oder des Unterschenkels relativ zu der knöchernen Struktur verändert hat. Trotzdem kann dieses System jederzeit die Lage von Femur und Tibia relativ zum Navigationssystem bestimmen.
Es ist also mit diesem Verfahren und dieser Vorrichtung nicht notwendig, die Markierelemente 7, 8 starr mit Femur und Tibia zu verbinden, sondern es genügt, wenn diese Markierelemente 7, 8 an dem interessierenden Körperteil so festgelegt sind, daß die knöchernen Strukturen, deren Lage bestimmt werden sollen, durch die Empfangseinrichtung 14 erreicht werden.

Claims

Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Körperteils (1, 2) mit einem Navigationssystem (13) und mindestens einem an dem Körperteil (1, 2) gehaltenen Markierelement (7, 8), dessen Lage relativ zum Navigationssystem (13) durch das Navigationssystem (13) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement (7, 8) verbunden ist mit einer Lagebestimmungseinrichtung (17), die die Lage einer festen Struktur (4, 6) des Körperteils (1, 2) relativ zu dem Markierelement (7, 8) bestimmt und die dieser Lage entsprechenden Lagedaten der Datenverabeitungseinrichtung (15) des Navigationssystems (13) zuführt, die aufgrund dieser Lagedaten und der Lagedaten des Markierelementes (7, 8) relativ zum Navigationssystem (13) die Lage der festen Struktur (4, 6) relativ zum Navigationssystem (13) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagebestimmungseinrichtung (17) mehrere Ultraschallsender und -empfänger umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsender und -empfänger in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement (7, 8) ein um das Körperteil (1, 2) herumlegbares flexibles Befestigungselement (12) trägt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement (7, 8) auf die Oberfläche des Körperteils (1, 2) aufgeklebt ist.