DE112007001214T5 - Verfahren und Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation mit Nuklearsonden - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation mit Nuklearsonden Download PDF

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Jörg TRAUB
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Abstract

Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation mit einem Trackingsystem 4, einer nachverfolgten Nuklearsonde 1 die eine Nuklearsonde 11 und eine Nuklearsondespitze 14, die eine Radioaktivität misst, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitsynchronisierte Aufzeichnung der räumlichen Position und Orientierung der Nuklearsondespitze 14 und ihrer gemessenen Radioaktivitätszählwerte bereitgestellt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten chirurgische Operation mit Nuklearsonden mit einem Trackingsystem zur Lokalisation bösartiger tumoröser Zellen in einem menschlichen Körper oder einem Tier und einem Operationsinstrument zur Entfernung der kranken Zellen durch invasive und minimal invasive chirurgische Operation.
  • Der Stand der Technik im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise in US 6.602.488 , US 6.456.869 , US 6.317.622 oder US 6.167.296 offenbart und ermöglicht das Tracking (die Nachverfolgung) der handgehaltenen Sonden als übliche Diagnosegeräte, insbesondere während eines chirurgischen Eingriffs, sowie Trackingsysteme (Nachverfolgungssysteme) zur Bestimmung der Position und Orientierung von Operationsinstrumenten und Bildgebungsgeräten. Ferner ist die Oberflächenrekonstruktion als Teil des Standes der Technik bekannt.
  • Die Idee des Trackings von Nuklearsonden wurde in der Vergangenheit schon von mehreren Gruppen erwähnt, beispielsweise wie in US 6.510.336 und US 6021341 offenbart. Diese Patente stellten aber weder Theorie noch Umsetzung oder Anwendung bereit.
  • Wie weiterhin in US 6.643.538 offenbart, können Nuklearsonden konstruktionsgemäß mit einer Kamera integriert werden. Dieses Patent sieht aber keinerlei räumliche Lokalisation vor.
  • Intraoperative Sonden werden schon seit 60 Jahren zur Lokalisation von Tumoren verwendet. In letzter Zeit hat die beta-emittierende Markierung ihre Nachweisgenauigkeit drastisch verbessert, so dass minimale, aber vollständige Resektion von bösartigen Zellen möglich ist und Rezidive vermieden werden.
  • Die Ausgabe von Nuklearsonden ist lediglich ein eindimensionales Signal, das in der Regel zeitlich nicht konstant ist. Die Hauptvorteile solcher Vorrichtungen sind die Tragbarkeit, Einfachheit und die Möglichkeit ihrer Miniaturisierung zur Untersuchung von Hohlräumen, beispielsweise auf Endoskopen montiert. Da jede Messung darüber hinaus nicht auf eine bestimmte Position bezüglich der vorherigen beschränkt ist, ermöglichen Sonden des Weiteren die Abtastung beliebiger Oberflächen mit einer räumlichen Genauigkeit, die nur durch die Größe des Sensors begrenzt wird.
  • Nuklearsonden, wie z. B. Gamma- und Beta-Sonden, können den radioaktiven Zerfall von Nukliden in Tracern messen, die dem Patienten vor dem Eingriff injiziert werden.
  • Die Kombination von Nuklearsonden mit einer Kamera in eine Vorrichtung ermöglicht ihnen ferner nicht nur die Bestimmung der Radioaktivität, die von einer bestimmten Region ausgestrahlt wird, sondern auch die gleichzeitige Visualisierung der Anatomie. Dies ermöglicht sogar die Verwendung dieser Nuklearsonden zum Nachweis von Läsionen durch kleinere Einschnitte, wo der Emissionspunkt nur teilweise sichtbar ist oder für den Chirurgen völlig verdeckt ist.
  • Der Nachteil dieser Nuklearsonden ist die Tatsache, dass es sich nur um Punktmessungen handelt. Dies erschwert die Wägung des physikalischen Werts auf einer Oberfläche, wenn er sich mit der Position erheblich verändert. Ein weiteres Problem dabei ist die Schwankung der Messergebnisse welche auf der statistischen Natur des Zerfallsprozesses basiert, was die Interpretation der Messdaten noch schwieriger und unzuverlässiger macht. Ein weiterer Nachteil ist die Notwendigkeit vieler Beobachtungen, um eine Idee von einer gültigen Messkarte in großen Gebieten zu erhalten, was für den Nachweis von Hot Spots in Abtastungen großer Körperabschnitte nicht die beste Lösung darstellt.
  • Darüber hinaus schränkt das sequentielle Verfahren der Messung und anschließenden Durchführung der chirurgischen Maßnahme die Genauigkeit auf die Fähigkeit des Chirurgen ein, das Instrument zurück zu den detektierten Stellen zu navigieren kann.
  • Im speziellen Fall der Kombination von Nuklearsonden mit einer Kamera hat man schließlich noch einen weiteren Nachteil, dass die Korrelation der Messung der Radioaktivität mit der im Videobild zu sehenden Anatomie nicht gegeben ist und folglich im Geist des Chirurgen erfolgen muss.
  • Die vorteilhafte Ausdehnung der Verwendung von Sonden zur Kombination von Positions- und Orientierungstracking mit Oberflächenrekonstruktion, Messung und fortschrittlicher Visualisierung wurde in der Vergangenheit noch nicht erwähnt.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung einer computergeführten Operation mit Nuklearsonden der oben erwähnten Art, so dass die genannten Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden und dass insbesondere der Nachteil von Punktmessungen durch Nuklearsonden, die Schwierigkeit der Interpretation der Messdaten aufgrund der Schwankung, der weitere Nachteil, namentlich die Notwendigkeit vieler Beobachtungen, um eine Idee einer gültigen Messkarte in großen Gebieten zu erhalten, und schließlich der Nachteil des sequentiellen Verfahrens von Messung und anschließender Durchführung der chirurgischen Maßnahme kompensiert werden, und folglich eine zuverlässigere Operation garantiert wird.
  • Die vorliegende Erfindung kompensiert auch den speziellen Nachteil der Kombination von Nuklearsonden mit einer Kamera hinsichtlich des Mangels an Korrelation der Messung der Radioaktivität mit der Anatomie, indem sie Trackingsysteme und geeignete Visualisierung einschließt.
  • Die vorteilhafte Ausdehnung der Verwendung von Sonden zur Kombination von Positions- und Orientierungstracking mit Oberflächenrekonstruktion, Messung und fortschrittlicher Visualisierung soll auch umgesetzt werden.
  • Die Erfindung erfüllt diese Aufgabe für eine computergeführte Operation unter Verwendung von Nuklearsonden der oben genannten Art und Trackingsystemen insbesondere dadurch, dass sie zuerst eine Aktivitätsfläche in drei Dimensionen durch synchronisierte Aufzeichnung der Radioaktivität und der Position und Orientierung einer Nuklearsonde erzeugt und so die Interpretation der Messungen als zusammengesetztes Ergebnis ermöglicht; indem sie zweitens dieses zusammengesetzte Ergebnis visualisiert, was dem Chirurgen erlaubt einen genauen Eindruck der Aktivitätsverteilung zu erhalten und so die Schwankung zu kompensieren; indem sie drittens durch Verwendung der gemessenen Positionen und des a priori vorliegenden Wissens, dass sie auf einer Oberfläche liegen, einen Gitternetz berechnet und ferner eine passende Interpolation der Ergebnisse auf Basis des Gitternetzes erzeugt; und indem sie schließlich dem Chirurgen bei der Durchführung der therapeutischen Maßnahmen die erzeugte Oberflächenaktivitätsverteilung präsentiert und so das Überbrücken der zeitlichen Lücke zwischen der Messung und der Maßnahme zu erlauben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die erzeugte Oberflächenaktivitätsverteilung mit einem erweiterten Realitätssystem präsentiert. Dabei wird zunächst ein visuelles farbcodiertes Oberflächenmodell über das reale Bild einer externen Kamera oder eines Laparoskops gelegt; zweitens wird auf Grundlage der aufgezeichneten Aktivität und der Position und Orientierung eines beliebigen nachverfolgten therapeutischen Geräts im selben Koordinatensystem wie dem, in dem die Nuklearsonde nachverfolgt wird, eine Radioaktivitätsmessung simuliert, die das Operationsinstrument in eine virtuelle Sonde verwandelt und die Führung des Chirurgen bei chirurgischen Eingriffen zu den interessierenden Gebieten erlaubt.
  • Die neue Technologie kann bei invasiven und minimal invasiven Operationen verwendet werden und stellt eine End-to-End-Lösung für die minimale Resektion von bösartigen tumorösen Zellen dar, so dass die zurückbleibenden Reste und somit auch die Risiken des Wiederauftretens verringert werden. Auch führt sie zur präziseren Detektion und zur präziseren Behandlung von betroffenen Lymphknoten.
  • Eine weitere Verbesserung ist die Erzeugung desselben akustischen Feedbacks, das man auch bei der Untersuchung mit Nuklearsonden erhält, während man die Operationsinstrumente bei chirurgischen Verfahren an dasselbe Gewebe annähert.
  • Darüber hinaus löst diese Erfindung den zusätzlichen Nachteil der Kombination von Nuklearsonden mit einer Kamera bezüglich des Mangels an Korrelation der Messung der Radioaktivität mit der Anatomie durch synchronisierte Aufzeichnung der Radioaktivität, des Kamerabildes und der Position und Orientierung einer Nuklearsonde. Auf Grundlage der synchronisierten Aufzeichnung wird eine Aktivitätsoberfläche in drei Dimensionen erzeugt und auf das reale Bild der Kamera als farbcodierte Fläche projiziert. Somit erfolgt die Korrelation der Messung der Radioaktivität mit der Anatomie mit geeigneter Visualisierung.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Ausführungsform, die in den Zeichnungen teilweise schematisch veranschaulicht ist, erläutert.
  • 1: eine schematische Ansicht einer nachverfolgten Nuklearsonde
  • 2: eine schematische Ansicht eines nachverfolgten Laparoskops
  • 3: eine schematische Ansicht eines nachverfolgten Operationsinstruments
  • 4: eine schematische Ansicht eines beispielhaften Hardware-Aufbaus für einen experimentellen laparoskopische Scan
  • 5: eine schematische Ansicht eines laparoskopischen Scans auf einem menschlichen Körper mit einem Laparoskop, einer Nuklearsonde und eines Monitors
  • 6: schematische Ansichten eines Körpergewebes, radioaktiver Bereiche und einer halbtransparenten Überlagerung der radioaktiven Bereiche auf das Körpergewebe
  • 7: ein Blockdiagramm einer synchronisierten Aufzeichnung der Positions- und Orientierungsmessvorrichtung
  • 8: Darstellung einer aufgezeichneten Aktivität vermittels eines nachverfolgten Instruments
  • 9: schematische Ansicht einer nachverfolgten Kombination einer Nuklearsonde mit einer Kamera
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer nachverfolgten Nuklearsonde 1, die im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht. Der erste Teil ist eine Nuklearsonde 11 mit einer Nuklearsonde spitze 14 und der zweite Teil ist ein optisches Zielobjekt 12 mit optischen Nuklearsondenmarkierungen 13. Auf Basis der relativen Positionen der Nuklearsondenmarkierungen 13 kann die Position der Nuklearsondenspitze 14 und die Sondenachse mit hoher Präzision in Echtzeit abgeschätzt werden. Die Drehung um die Achse der Nuklearsonde 1 wird nicht nachverfolgt, aber sie ist auch für die Anwendungen nicht von Interesse, da der Messwert unabhängig von dieser Drehung ist. Die Messwerte der Nuklearsonde 1 werden mit einem (nicht gezeigten) Datenübertragungsmittel an ein geeignetes Datenerfassungssystem geschickt, beispielsweise an einen geeigneten Computer (nicht gezeigt).
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines nachverfolgten Instruments, bei dem es sich um ein nachverfolgtes Laparoskop 2 handelt, das im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht. Der erste Teil ist ein Laparoskop 21 und der zweite Teil ist ein optisches Laparoskop-Trackingszielobjekt 22 mit optischen Laparoskopmarkierungen 23. Auf Basis der relativen Positionen der optischen Laparoskopmarkierungen 23 kann die Position und Orientierung des Laparoskops 21 mit hoher Präzision in Echtzeit ungeschätzt werden. Position und Orientierung des Laparoskops 21 sind notwendig, um die korrekte Sichtfeld eines laparoskopischen Videobilds 26 zu bestimmen, das in 4 gezeigt ist.
  • 3 zeigt eine schematische Ansicht eines nachverfolgten laparoskopischen Instruments 3, das ein nachverfolgtes Operationsinstrument ist und im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht. Der erste Teil ist ein laparoskopisches Instrument 31 mit einer laparoskopischen Instrumentenspitze 34 und der zweite Teil ist ein optisches Trackingszielobjekt 32 des laparoskopischen Instruments mit optischen Markierungen 33 des laparoskopischen Instruments. Auf Basis der relativen Positionen der Markierungen 33 des laparoskopischen Instruments können die Position und Orientierung der laparoskopischen Instrumentenspitzes 34 und der Achse des laparoskopischen Instruments 31 mit hoher Präzision in Echtzeit abgeschätzt werden. Zur Simulierung der Messwerte der nachverfolgten Nuklearsonde 1 an der laparoskopischen Instrumentenspitze 34 sind die Position und Orientierung des laparoskopischen Instruments 31 notwendig.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation mit Nuklearsonden in einem experimentellen Fall für eine laparoskopische Abtastung. Eine nachverfolgte Nuklearsonde 1 wird zur Erfassung der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 (in 6 gezeigt) eines Phantoms 5 verwendet. Ein Trackingsystem, das beispielsweise ein externes optisches Trackingsystem 4 oder eine elektromagnetische Vorrichtung (nicht gezeigt) sein kann, wird zum Tracking der nachverfolgten Nuklearsonde 1 sowie des nachverfolgten Laparoskops 2 und des nachverfolgten laparoskopischen Instruments 3 verwendet. Das nachverfolgte Laparoskop 2 erfasst gleichzeitig ein laparoskopisches Videobild 26 (in 6 gezeigt). Zur Visualisierung der erfassten Informationen wird ein Bildschirm 24 für das Bild des Laparoskops verwendet. Das laparoskopische Videobild 26 wird mit zusätzlichen Daten erweitert, wie z. B. der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8. Wenn viele Kameras verwendet werden, können die Videobilder jeder Kamera separat erweitert werden. Ein bestimmter Fall dafür ist beispielsweise ein am Kopf installiertes Display, wobei ein Bild für jedes Auge erweitert wird und so ein 3D-Eindruck erreicht wird. Das nachverfolgte laparoskopische Instrument 3 kann auch nachverfolgt werden und die Messwerte der nachverfolgten Nuklearsonde 1 können auf der des laparoskopischen Instrumentenspitze 34 simuliert werden. Die simulierte Aktivität kann entweder im Bildschirm 24 für das Bild des Laparoskops angezeigt oder in Form von akustischen Signalen rückgekoppelt werden, die die dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8 codieren. Die Codierung kann so aussehen, dass für eine hohe Radioaktivität eine hohe Pieptonfrequenz und für eine geringe Radioaktivität eine niedrige Pieptonfrequenz erzeugt wird. Ein PET-Scanner 7 (Positronenemissionstomographie) wird zur Validierung der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 im Phantom 5 verwendet. Deshalb wird das Phantom 5 auf einem Phantomhalter 72 des PET-Scanners positioniert und muss in einen Ringstunnel 71 des PET-Scanners geschoben werden, um die Bildgebung auszuführen.
  • 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Scans auf einem menschlichen Körper 6 mit einem nachverfolgten Laparoskop 2, einer nachverfolgten Nuklearsonde 1 und einem Bildschirm 24 für das Bild des Laparoskops zum Scannen eines Körpergewebes 61. Die nachverfolgte Nuklearsonde 1 wird durch einen geeigneten Trokar 15 für die nachverfolgte Nuklearsonde in einen menschlichen Körper 6 eines Patienten eingeführt. Das Bild des Inneren wird mit einem nachverfolgten Laparoskop 2 erfasst, das über den Trokar 25 für ein nachverfolgtes Laparoskop eingeführt wird. Darüber hinaus kann das nachverfolgte laparoskopische Instrument 3 durch einen Trokar 35 für ein nachverfolgtes laparoskopisches Instrument eingeführt werden. Ein Datenerfassungssystem, wie z. B. ein geeigneter Computer (nicht gezeigt), integriert das laparoskopische Videobild 26 (in 6 gezeigt), die Position und Orientierung des Laparoskops 21 und die Position und Orientierung der laparoskopischen Instrumentenspitze 34 und der Achse 31 des laparoskopischen Instruments, wo sie auch mit den Messwerten der nachverfolgten Nuklearsonde 1 und der Position und Orientierung der der Nuklearsondenspitze 14 synchronisiert werden. Ein Bild der Nuklearsondespitze 14 auf dem Bildschirm 16 sowie des Körpergewebes 61 und ein Bild der Spitze 36 des laparoskopischen Instruments können im Bildschirm 24 für das Bild des Laparoskops gesehen werden.
  • 6 zeigt schematische Ansichten eines Körpergewebes 61, des laparoskopischen Videobilds 26, der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8, einer Projektion der erzeugten dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung als farbcodierte Oberfläche 83 und einer halbtransparenten Überlagerung der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 auf das Körpergewebe 61 als überlagertes Bild 81. Zusätzliche Informationen, beispielsweise eine simulierte Radioaktivitätsmessung 82, können ebenfalls auf dem Bildschirm für das Bild des Laparoskops gezeigt werden. Die simulierte Radioaktivitätsmessung wird auf Basis der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 und der Position und Orientierung der laparoskopischen Instrumentenspitze 34 berechnet. Die simulierte Radioaktivitätsmessung muss mit der äquivalent sein, die von einer Nuklearsonde 11 beim Detektieren von Radioaktivität angezeigt wird.
  • 7 zeigt ein Blockdiagramm einer synchronisierten Aufzeichnung der Positions- und Orientierungsmessvorrichtung und der Aktivitätsmessungen, das zur Erzeugung der dreidimensionalen Oberflächenkarte führt, die dem Chirurgen gezeigt wird. Das externe Trackingsystem 4 speist das Datenerfassungssystem mit der Position und Orientierung der Nuklearsondenspitze 14 sowie mit der Zeitmarke dieser Messung. Gleichzeitig wird auch die Messung der Nuklearsonde 11 mit der Zeitmarke dieser Messung erfasst. Sowohl die Position als auch die Orientierung der Nuklearsondenspitze 14 und die Messung der Nuklearsonde 11 werden gespeichert und synchronisiert. Die synchronisierte Position, Orientierung und Messung der Nuklearsonde 11 werden weiter interpoliert, um eine dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8 zu erzeugen.
  • 8 zeigt eine Darstellung einer aufgezeichneten Aktivität durch ein nachverfolgtes laparoskopisches Instrument 3. Dies könnte entweder in einer visuellen Darstellung resultieren, wie beispielsweise eine erweiterte Realitätsansicht beispielsweise als überlagertes Bild 81, oder zu einer akustischen Darstellung, die die reale Ton- oder Zählvisualisierung der Nuklearsonde 11 simuliert. Das optische externe Trackingsystem 4 speist das Datenerfassungssystem mit der Position und Orientierung der laparoskopischen Instrumentenspitze 34. Die dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8, die wie in 7 beschrieben berechnet wird, kann dann integriert werden, um eine simulierte Aktivität an der laparoskopischen Instrumentenspitze 34 zu simulieren. Auf Basis der simulierten Aktivität kann die geeignete Visualisierung oder das geeignete akustische Feedback berechnet werden.
  • 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer nachverfolgten Kombination 9 einer Nuklearsonde mit einer Kamera, die im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht. Der erste Teil ist eine Kombination 91 aus einer Nuklearsonde mit einer Kamera mit einer Nuklearsonde 94 einer Kombination aus einer Nuklearsonde mit einer Kamera und einem optischen Kamerasystem, das beispielsweise nur eine Kamera 95 einer Kombination einer Nuklearsonde mit einer Kamera oder ein Lichtleiter sein kann, der das optische Bild zu einer Kamera leitet, die mit der Vorrichtung verbunden ist (nicht gezeigt). Der zweite Teil ist ein optisches Trackingszielobjekt 92 einer Kombination aus einer Nuklearsonde mit einer Kamera mit optischen Markierungen 93 einer Kombination aus einer Nuklearsonde mit einer Kamera. Auf Basis der relativen Positionen der Markierungen 93 der Kombination aus einer Nuklearsonde mit einer Kamera können die Position und Orientierung der Nuklearsonde 94 der Kombination aus einer Nuklearsonde mit einer Kamera und die Position und Orientierung des optischen Kamerasystems mit hoher Präzision in Echtzeit eingeschätzt werden. Auf Basis der synchronisierten Radioaktivitätsmessungen der Nuklearsonde 94 der Kombination aus einer Nuklearsonde mit einer Kamera und der Position und Orientierung der Nuklearsonde 94 der Kombination aus einer Nuklearsonde mit einer Kamera, kann auch eine dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8 erzeugt werden. Mit der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 kann eine Projektion der erzeugten dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung als farbcodierte Oberfläche 83 unter Verwendung der Sichtgeometrie des optischen Kamerasystems erzeugt und als überlagertes Bild 81 gezeigt werden.
  • Zusammenfassung
  • Eine Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation mit einem Trackingsystem, bei dem es sich beispielsweise um ein externes optisches Trackingsystem 4 handeln kann, einer verfolgten Nuklearsonde 1 die einen Nuklearsonde 11 und einer Nuklearsondespitze 14, die eine Radioaktivität misst, wird dadurch erhalten, dass eine zeitsynchronisierte Aufzeichnung der räumlichen Position und Orientierung der Nuklearsondespitze 14 und ihrer gemessenen Radioaktivitätszählwerte bereitgestellt wird. Somit wird eine dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8 erzeugt und kann in räumlichregistriert mit der Sichtgeometrie eines beliebigen Geräts in einem überlagerten Bild 81 visualisiert werden. Unter Verwendung dieser Vorrichtung wird ferner ein Verfahren zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation für invasive oder minimal invasive Eingriffe eingeführt. Ein weiterhin eingeführtes Verfahren ist die räumliche Lokalisation eines Operationsinstruments in demselben Koordinatensystem wie die nachverfolgte Nuklearsonde 1 und ihre Führung zur dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 während des chirurgischen Eingriffs. Dies wird durch Visualisierung einer simulierten Radioaktivitätsmessung oder durch Feedback der Messung in einem akustischen Signal erreicht. Die simulierte Radioaktivitätsmessung wird auf Basis der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 und der Position und Orientierung der Spitze des Operationsinstruments berechnet. Die Erfindung umfasst auch ein integriertes System, das alle oder einige dieser Verfahren umsetzt. Schließlich umfasst die Erfindung eine nachverfolgte Kombination von Nuklearsonde mit Kamera 9.
    • 1
    Verfolgte Nuklearsonde (modifizierte Betasonde)
    11
    Nuklearsonde
    12
    Optisches Verfolgungszielobjekt der Nuklearsonde
    13
    Optische Markierungen der Nuklearsonde
    14
    Nuklearsondenspitze
    15
    Trokar für die verfolgte Nuklearsonde
    16
    Bild der Nuklearsondenspitze auf dem Bildschirm
    2
    Verfolgtes Laparoskop
    21
    Laparoskop
    22
    Optisches Verfolgungszielobjekt des Laparoskops
    23
    Optische Markierungen des Laparoskops
    24
    Bildschirm für das Bild des Laparoskops
    25
    Trokar für das verfolgte Laparoskop
    26
    Laparoskopisches Videobild
    3
    Verfolgtes laparoskopisches Instrument
    31
    Laparoskopisches Instrument
    32
    Optisches Verfolgungsziel des laparoskopischen Instruments
    33
    Optische Markierungen des laparoskopischen Instruments
    34
    Laparoskopische Instrumentenspitze
    35
    Trokar für das verfolgte laparoskopische Instrument
    36
    Bild der Spitze des laparoskopischen Instruments
    4
    Externes optisches Trackingsystem
    5
    Phantom
    6
    Menschlicher Körper
    61
    Körpergewebe
    7
    PET-Scanner
    71
    Ringstunnel des PET-Scanners
    72
    Phantomhalter des PET-Scanners
    8
    Dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung
    81
    Überlagertes Bild
    82
    Zusätzliche Informationen, beispielsweise simulierte Radioaktivitätsmessung
    83
    Projektion der erzeugten dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung als farbcodierte Oberfläche
    9
    Verfolgte Kombination einer Nuklearsonde mit einer Kamera
    91
    Kombination einer Nuklearsonde mit einer Kamera
    92
    Optisches Verfolgungszielobjekt der Nuklearsonde der Kombination aus Nuklearsonde mit einer Kamera
    93
    Optische Verfolgungsmarkierungen der Nuklearsonde der Kombination aus Nuklearsonde mit einer Kamera
    94
    Nuklearsonde der Kombination aus Nuklearsonde mit einer Kamera
    95
    Kamera der Kombination aus Nuklearsonde mit einer
    Kamera
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6602488 [0002]
    • - US 6456869 [0002]
    • - US 6317622 [0002]
    • - US 6167296 [0002]
    • - US 6510336 [0003]
    • - US 6021341 [0003]
    • - US 6643538 [0004]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation mit einem Trackingsystem 4, einer nachverfolgten Nuklearsonde 1 die eine Nuklearsonde 11 und eine Nuklearsondespitze 14, die eine Radioaktivität misst, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitsynchronisierte Aufzeichnung der räumlichen Position und Orientierung der Nuklearsondespitze 14 und ihrer gemessenen Radioaktivitätszählwerte bereitgestellt wird.
  2. Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8, die eine farbcodierte Oberfläche 83 sein kann, unter Verwendung der zeisynchronisierten räumlichen Position und Orientierung der Nuklearsondespitze 14 mit den zugehörigen Radioaktivitätsmessungen erzeugt wird.
  3. Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektion der erzeugten dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung als farbcodierte Oberfläche 83 räumlich registriert mit der Sichtgeometrie einer beliebigen Kamera oder eines Kamerasatzes, beispielsweise eines Laparoskops 21 oder eines am Kopf installierten Displays, in einem überlagerten Bild 81 oder einem Satz von überlagerten Bildern 81 visualisiert wird.
  4. Verfahren zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8 oder das überlagerte Bild 81 oder die Projektion der erzeugten dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung als farbcodierte Oberfläche 83 oder eine beliebige Kombination daraus visualisiert und für invasive oder minimal invasive Eingriffe verwendet wird.
  5. Verfahren zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass intraoperativ gemessene Radioaktivitätszählwerte der Nuklearsonde 11 direkt einem Kameravideobild, wie z. B. einem laparoskopischen Videobild 26, hinzugefügt werden.
  6. Verfahren zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein beliebiges Operationsinstrument, beispielsweise ein laparoskopisches Instrument 31, räumlich in demselben Koordinatensystem angeordnet ist wie die nachverfolgte Nuklearsonde 1 und das Operationsinstrument zu der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 während des chirurgischen Eingriffs geführt wird.
  7. Verfahren zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine simulierte Radioaktivitätsmessung auf Basis der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 und der Position und Orientierung der Spitze eines Operationsinstruments, beispielsweise der laparoskopischen Instrumentenspitze 34, berechnet und angezeigt wird, während beliebige nachverfolgte Operationsinstrumente, beispielsweise ein nachverfolgtes laparoskopisches Instrument 3, über die zuvor erzeugte dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8 navigiert werden.
  8. Verfahren zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine simulierte Radioaktivitätsmessung auf Basis der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 und der Position und Orientierung der Operationsinstrumentenspitze, beispielsweise der Spitze des laparoskopischen Instrumentenspitze 34, berechnet und in Form akustischer Signale rückgekoppelt wird, während beliebige verfolgte Operationsinstrumente, beispielsweise ein verfolgtes laparoskopisches Instrument 3, über die zuvor erzeugte dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8 navigiert werden.
  9. Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein System bereitgestellt ist, welches integriert: – ein Modul zur Visualisierung der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 oder des überlagerten Bildes 81 oder der Projektion der erzeugten dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung als farbcodierte Oberfläche 83 oder eine beliebige Kombination daraus für invasive oder minimal invasive Eingriffe, – ein Modul zum direkten Hinzufügen von intraoperativ gemessenen Radioaktivitätszählwerten der Nuklearsonde 11 zu einem Kameravideobild, beispielsweise einem laparoskopischen Videobild 26, – ein Modul zur räumlichen Lokalisierung eines beliebigen Operationsinstruments, beispielsweise eines laparoskopischen Instruments 31, in demselben Koordinatensystem wie die verfolgte Nuklearsonde 1 und zur Führung des Operationsinstruments zu der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 während des chirurgischen Eingriffs, – ein Modul zur Berechnung und Anzeige einer simulierten Radioaktivitätsmessung wird auf Basis der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 und der Position und Orientierung der Operationsinstrumentenspitze, beispielsweise der Spitze des laparoskopischen Instruments 34, berechnet, während ein beliebiges verfolgtes Operationsinstrument, beispielsweise ein verfolgtes laparoskopisches Instrument 3, über die zuvor erzeugte dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8 navigiert wird, und – ein Modul zur Berechnung und zum Feedback in Form von akustischen Signalen einer simulierten Radioaktivitätsmessung, berechnet auf Basis der dreidimensionalen radioaktiven Oberflächenverteilung 8 und der Position und Orientierung der Spitze des Operationsinstruments, beispielsweise der laparoskopischen Instrumentenspitze 34, während ein beliebiges verfolgtes Operationsinstrument, beispielsweise ein verfolgtes laparoskopisches Instrument 3, über die zuvor erzeugte dreidimensionale radioaktive Oberflächenverteilung 8 navigiert wird, oder eine beliebige Kombination der Module in einem Softwaresystem, das eine einheitliche Anwenderschnittstelle zur Visualisierung von intraoperativ gemessenen Radioaktivitätszählwerten bereitstellt.
  10. Vorrichtung zur 3D-Akquisition, 3D-Visualisierung und computergeführten Operation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine verfolgte Kombination aus einer Nuklearsonde mit Kamera 9 die einen Kombination aus Nuklearsonde mit Kamera 91 hat, die eine Nuklearsonde der Kombination aus einer Nuklearsonde mit einer Kamera 94 und ein optisches Kamerasystem aufweist, bereitgestellt wird.
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