DE112013003303T5

DE112013003303T5 - Verfahren und System zur dynamischen Referenzierung und Registrierung bei chirurgischen Eingriffen und Interventionen

Info

Publication number: DE112013003303T5
Application number: DE201311003303
Authority: DE
Inventors: Kaustubh Ravindra Nagarkar; Daniel E. Groszmann
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US20150173645A1; WO2014004047A1; US20140005527A1

Abstract

Ein medizinisches Referenzierungs- und Registrierungssystem beinhaltet ein Substrat, das zum Aufsetzen auf eine Außenfläche eines Patienten konfiguriert ist, so dass das Substrat der Außenfläche entspricht und sich mit ihr bewegt. Das medizinische Referenzierungs- und Registrierungssystem beinhaltet auch mehrere integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen, die auf dem Substrat angebracht sind. Jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung beinhaltet einen Sensor und wenigstens eine mit dem Sensor gekoppelte Passermarke. Jeder Sensor ist in Bezug auf die wenigstens eine Passermarke vorausgerichtet, so dass eine Lage jeder Passermarke in Bezug auf ihren jeweiligen Sensor bekannt ist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der hier beschriebene Gegenstand betrifft allgemein invasive oder minimalinvasive Verfahren wie chirurgische Eingriffe oder Interventionen. Speziell betrifft der Gegenstand bildgeführte computergestützte Verfahren, die verschiedene Bildgebungsmodalitäten und ein Navigationssystem einsetzen.
Mit zunehmender Reifung der medizinischen bildgebenden Technologie ist es möglich geworden, die Nutzung medizinischer bildgebender Methoden mit computergestützter Navigationstechnologie zu kombinieren, um die Durchführung invasiver oder minimalinvasiver Verfahren zu unterstützen. Zum Beispiel können invasive oder minimalinvasive Verfahren wie gewisse chirurgische Eingriffe oder Interventionen von der Nutzung computergestützter Bildgebungs- und Navigationsmethoden profitieren, die es einem Mediziner erlauben, die internen oder verdeckten Strukturen im Operationsbereich zu visualisieren, während das Verfahren durchgeführt wird. Auf diese Weise kann der Mediziner den/die gewünschte(n) chirurgischen Eingriff oder Intervention mit einer größeren Erfolgschance und ohne unnötige Gewebeschäden durchführen.
In der Praxis wenden bildgeführte computergestützte Methoden gewöhnlich einen Tracking-Rahmen oder eine Referenziervorrichtung an, der bzw. die nahe der anatomischen Region von Interesse positioniert wird. Die Referenziervorrichtung bewegt sich nach der Durchführung einer Registrierung zwischen dem Bild und dem Patienten mit dem Patienten, um ein genaues und einheitliches Tracking der anatomischen Region von Interesse zu ergeben. Für Verfahren mit Bezug auf knochige Regionen der Anatomie wird die Referenziervorrichtung gewöhnlich über ein invasives oder minimalinvasives Verfahren starr an der knochigen anatomischen Region von Interesse befestigt (z. B. an oder in den Patienten an- bzw. eingeschraubt). Bei Eingriffen an Weichgewebe, die bildgeführte computergestützte Methoden verwenden, gibt es keine knochige anatomische Region zur sicheren Anbringung der Referenziervorrichtung. Bei diesen medizinischen Verfahren kann eine fehlende knochige anatomische Region auch den für die computergestützte Navigation notwendigen Registrierungsschritt erschweren. Das Fehlen einer kombinierten Patientenreferenzier- und -registrierungsvorrichtung macht das Testen der Genauigkeit des Navigationssystems während eines Fehlersuchprozesses gewöhnlich komplizierter.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer ersten Ausführungsform beinhaltet ein medizinisches Referenzierungssystem ein Substrat, das zum Aufsetzen auf eine Außenfläche eines Patienten konfiguriert ist, so dass das Substrat der Außenfläche entspricht und sich mit ihr bewegt. Das medizinische Referenzierungssystem beinhaltet auch mehrere integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen, die auf dem Substrat angebracht sind. Jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung beinhaltet einen Sensor und wenigstens eine mit dem Sensor gekoppelte Passermarke. Jeder Sensor ist in Bezug auf die wenigstens eine Passermarke vorausgerichtet, so dass eine Lage jeder Passermarke in Bezug auf ihren jeweiligen Sensor bekannt ist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform beinhaltet ein medizinisches Referenzierungssystem ein Substrat, das zum Aufsetzen auf eine Außenfläche eines Patienten konfiguriert ist, so dass das Substrat der Außenfläche entspricht und sich mit ihr bewegt. Das medizinische Referenzierungssystem beinhaltet auch mehrere integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen, die auf dem Substrat angebracht sind. Jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung beinhaltet einen Magnetwiderstandssensor und wenigstens eine mit dem Magnetwiderstandssensor gekoppelte Passermarke. Der Magnetwiderstandssensor ist zum Messen einer Position der jeweiligen integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung an den x-, y- und z-Koordinaten entlang konfiguriert.
Gemäß einer dritten Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren für dynamisches Referenzieren und Registrieren von Patientenbildern die folgenden Vorgänge. Das Verfahren beinhaltet das Erzeugen von einem oder mehreren Bildern oder volumetrischen Darstellungen auf Basis von unter Verwendung eines Bildgebungssystems erfassten Bilddaten. In dem/der einen oder den mehreren Bildern oder volumetrischen Darstellungen sind wenigstens drei Passermarken von wenigstens einer integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung sichtbar. Die wenigstens eine integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung beinhaltet einen Magnetwiderstandssensor und die wenigstens drei mit dem Magnetwiderstandssensor gekoppelten Passermarken. Das Verfahren beinhaltet auch das Unterscheiden der Passermarken in dem/der einen oder den mehreren Bildern oder volumetrischen Darstellungen auf Basis eines Gesamtmusters der Passermarken oder charakteristischer Geometrie jeder Passermarke. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erzeugen eines ersten Satzes von Positionsdaten für den Magnetwiderstandssensor der wenigstens einen integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung zum Ermitteln einer Position von jeder der wenigstens drei Passermarken. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren noch das Erzeugen eines zweiten Satzes von Positionsdaten für die wenigstens drei Passermarken ausschließlich auf Basis ihrer Lage in dem/der einen oder den mehreren Bildern oder volumetrischen Darstellungen, welche die sichtbaren Passermarken haben. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren noch das Registrieren des zweiten Satzes von Positionsdaten der wenigstens drei Passermarken, wobei das/die eine oder die mehreren Bilder oder volumetrischen Darstellungen mit dem ersten Satz von Positionsdaten der wenigstens drei Passermarken referenziert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die Begleitzeichnungen besser verständlich, wobei in den Zeichnungen durchgehend gleiche Bezugszeichen gleiche Teile darstellen. Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung,
2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer dynamischen Referenziervorrichtung, die mehrere auf einem konformen Substrat angebrachte integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen von 1 beinhaltet,
3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer dynamischen Referenziervorrichtung, die mehrere auf mehreren Schichten eines konformen Substrats angebrachte integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen von 1 beinhaltet,
4 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform von Komponenten eines Bildgebungssystems und eines Navigationssystems,
5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform von Komponenten eines Computertomography- oder 3D-Fluoroskopie-Bildgebungssystems und eines Navigationssystems, und
6 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens für das dynamische Referenzieren und Registrieren von Patientenbildern mit einem Navigationssystem zum Führen von chirurgischen und Interventionsvorrichtungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die offenbarten Ausführungsformen richten sich auf die dynamische Referenzierung von inneren anatomischen Strukturen oder Organen für bildgeführte Verfahren unter Verwendung einer dynamischen Referenziervorrichtung, die auf einer Außenfläche eines Patienten positioniert wird. Speziell beinhalten die offenbarten Ausführungsformen ein konformes Element oder Substrat (z. B. starr-elastisches Substrat), das mehrere auf dem Substrat angebrachte integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen beinhaltet. Jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung beinhaltet einen Sensor (z. B. Magnetwiderstandssensor) und wenigstens eine mit dem Sensor gekoppelte Passermarke. Die wenigstens eine Passermarke ist auf den Sensor vorausgerichtet, so dass die Lage jeder Passermarke im Verhältnis zu ihrem jeweiligen Sensor bekannt ist. Dies ermöglicht die Patientenregistrierung, ohne jede Passermarke mit ihrem jeweiligen Sensor referenzieren zu müssen. Zum Registrieren des Patienten mit den Bildern gibt es wenigstens drei Passermarken. Der Sensor ermöglicht die Messung einer Position (x-, y- und z-Koordinaten) und Ausrichtung (Rollen, Nicken und Gieren) und ihrer jeweiligen integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung. Jeder Sensor arbeitet daher mit drei Freiheitsgraden. Die dynamische Referenziervorrichtung ermöglicht die automatische Registrierung eines Patienten mit ihren Bilddaten unter Verwendung eines Navigationssystems zum Führen chirurgischer oder Interventionsvorrichtungen. Außerdem ermöglicht die Referenziervorrichtung nichtinvasives dynamisches Referenzieren, da sie an der Außenfläche des Patienten angeordnet ist. Bei einem starren Substrat wird nur ein einzelner Magnetwiderstandssensor benötigt, da alle Passermarken in Bezug auf den Sensor starr sind. Für ein flexibles Substrat werden mehrere Sensoren benötigt, da die in einen Sensor integrierten Passermarken sich in Bezug auf die in einen zweiten Sensor integrierten Passermarken bewegen können.
Zum Beispiel ist, mit Bezug auf 1, eine integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 abgebildet, die zur Verwendung mit einer dynamischen Referenziervorrichtung geeignet ist. Wie abgebildet, ist die integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 in einem Kugelgitteranordnungsgehäuse angeordnet. In gewissen Ausführungsformen kann die integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 in einem Chip-Scale-Package oder einem Wafer-Level-Chip-Scale-Package angeordnet sein. In noch anderen Ausführungsformen kann die integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 in einem Lead-Frame-Package oder einem Gehäuse ohne seitlich vorstehende Anschlüsse wie einem Quad Flat No-lead-(QFN)-Package angeordnet sein. Die integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 beinhaltet eine oder mehrere abbildungsfähige Strukturmarken oder Passermarken 12, die mit einem Magnetwiderstandssensor 14 gekoppelt sind. In gewissen Ausführungsformen können die Passermarken 12 strahlenundurchlässige Marken sein. Die eine oder die mehreren Passermarken 12 sind auf den Magnetwiderstandssensor 14 vorausgerichtet, so dass eine Lage jeder Passermarke 12 in Bezug auf ihren jeweiligen Magnetwiderstandssensor 14 bekannt ist. Dies ermöglicht die Patientenregistrierung, ohne dass jede Passermarke 12 mit ihrem jeweiligen Magnetwiderstandssensor 14 referenziert werden muss. Wie abgebildet, ist/sind der eine oder die mehreren Passermarken 12 über ein Substrat 16 mit dem Magnetwiderstandssensor 14 gekoppelt. Das Substrat 16 kann organisch, aus Kunststoff oder keramisch sein. Speziell sind die eine oder mehreren Passermarken 12 mit einer ersten Oberfläche 18 des Substrats 16 gekoppelt, während der Magnetwiderstandssensor 14 mit der zweiten Oberfläche 20 (z. B. gegenüberliegende Oberfläche) des Substrats 16 gekoppelt ist. In gewissen Ausführungsformen kann auf der Oberfläche 18 des Substrats 16 eine strukturierte Metallisierung durchgeführt werden. Zum Beispiel kann, je nach dem verwendeten Material des Substrats 16, über die strukturierte Metallisierung eine Haftschicht (z. B. Titan oder Titanoxid), eine lötbare Schicht (z. B. Kupfer), eine Diffusionssperrschicht (z. B. Chemisch Nickel) und/oder eine Korrosionsschutzschicht (z. B. Gold) hinzugefügt werden. Alternativ kann die Oberfläche 18 Kupferanschlussflächen mit Gold zur Kopplung der Marken 12 beinhalten. Der Magnetwiderstandssensor 14 kann über ein Standardepoxid mit dem Substrat 16 gekoppelt sein. In gewissen Ausführungsformen kann der Magnetwiderstandssensor 14 über einen Lötprozess mit dem Substrat 16 gekoppelt sein. Eine Dicke 22 des Substrats 16 kann von etwa 25 μm bis 1 mm reichen. In gewissen Ausführungsformen können die eine oder mehreren Passermarken 12 direkt mit dem Magnetwiderstandssensor 14 (z. B. ohne Substrat 16) gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen kann ein vorgefertigtes (z. B. auf der Waferebene) Substrat mit der einen oder den mehreren Passermarken 12 am Magnetwiderstandssensor 14 angebracht sein.
Die Passermarken 12 für jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 können in einem charakteristischen Muster (z. B. nichtsymmetrisches Muster) angeordnet sein, um die Passermarken 12 auf einer Vorrichtung 10 von Passermarken 12 auf der anderen Vorrichtung 10 zu unterscheiden. Außerdem oder alternativ dazu können die eine oder mehreren Passermarken 12 für jede Vorrichtung 10 eine charakteristische Geometrie beinhalten, um zwischen den Passermarken 12 auf den Vorrichtungen 10 zu unterscheiden. Wie abgebildet, haben die Passermarken 12 eine Kugelgestalt. In gewissen Ausführungsformen können die Passermarken 12 ein(e) Metall-Kugellager oder -Kontakthügel sein. Ein Durchmesser 24 der Passermarken 12 kann von etwa 1 bis 2 mm reichen. In anderen Ausführungsformen können die Passermarken 12 andere Gestalten haben (z. B. Würfel, Pyramide usw.).
In gewissen Ausführungsformen beinhaltet das Sensorelement 14 für jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 einen Magnetwiderstandssensor. In einer derartigen Ausführungsform sorgt der Magnetwiderstandssensor 14 für eine Änderung des elektrischen Widerstands eines Leiters oder Halbleiters, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Der Magnetwiderstandssensor 14 ermöglicht die Positionsmessung seiner jeweiligen integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 an Achsen entlang einer x-, y- und z-Richtung. Außerdem ermöglicht der Magnetwiderstandssensor 14 die Ausrichtungsmessung eines Rollens, Nickens und Gierens. Der Magnetwiderstandssensor 14 arbeitet mit sechs Freiheitsgraden. In gewissen Ausführungsformen nutzt der Magnetwiderstandssensor 14 Technologie auf Basis des anisotropen Magnetwiderstands. Eine Dicke 26 des Magnetwiderstandssensors 14 kann von etwa 50 bis 200 μm reichen. In einigen Ausführungsformen kann die Dicke 26 des Magnetwiderstandssensors auch von etwa 50 bis 750 μm reichen.
In gewissen Ausführungsformen kann der Magnetwiderstandssensor 14 einen Flächen-Array- oder Peripherie-Array-Interconnect-Flip-Chip-Magnetwiderstandssensor 14 beinhalten. Die Flip-Chip-Struktur des Magnetwiderstandssensors 14 ist über Reflow-Lotkugeln 30 mit einem starren Substrat 28 (z. B. Leiterplatte (PCB)) sowie mit Verbindern zu einer externen Schaltungsanordnung gekoppelt. Das starre Substrat 28 kann eine Dicke 32 von etwa 1 mm haben, während die Lotkugeln 30 eine Dicke 34 von etwa 50 μm haben können, wenn sie geschmolzen wurden. In gewissen Ausführungsformen kann auf einer Oberfläche 36 des Sensors 14 eine Kontakthügel-Untermetallisierung durchgeführt werden. Zum Beispiel kann, je nach dem als Basis des Sensors 14 verwendeten Material, eine Haftschicht (z. B. Titanoxid), eine lötbare Schicht (z. B. Kupfer), eine Diffusionssperrschicht (z. B. Chemisch Nickel) und/oder eine Korrosionsschutzschicht (z. B. Gold) über die Kontakthügel-Untermetallisierung hinzugefügt werden. Die Passermarken 12, das Sensorelement 14 und/oder das Substrat 16 sind über eine Spritzgusskapselung 38 auf dem starren Substrat 28 eingekapselt. Bei der Kapselung können Thermoplasten, Duroplasten und/oder Elastomere verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann der Magnetwiderstandssensor 14 ein Flächen-Array- oder ein Peripherie-Array-Interconnect-Chip Scale Package (CSP) oder Wafer-Level Chips Scale Package (WLCSP) beinhalten.
Das starre Substrat 28 ist über Reflow-Lotkugelverbindungen 42 mit einem weiteren Substrat 40 gekoppelt. Das Substrat 40 kann ein starres oder flexibles Substrat (z. B. Leiterplatte) sein. Die Reflow-Lotkugelverbindungen können eine Dicke 44 von etwa 0,3 mm haben, wenn sie geschmolzen wurden. Das Substrat 40 kann eine Dicke 46 von etwa 0,8 bis 1,5 mm haben. Insgesamt hat die integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 eine von etwa 4 bis 9 mm reichende Dicke 48.
Wie in 2 veranschaulicht, beinhaltet eine dynamische Referenziervorrichtung oder ein chirurgisches/Interventionsreferenziersystem 49 mehrere der integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen 10, die auf einer einzelnen Schicht 54 eines starr-elastischen Substrats 50 angebracht sind. In gewissen Ausführungsformen kann das starr-elastische Substrat 50 auf mehreren Schichten (siehe 3) angebrachte Vorrichtungen beinhalten. Wie veranschaulicht, sind auf dem Substrat 50 wenigstens drei Vorrichtungen 10 angebracht. In gewissen Ausführungsformen können auf dem Substrat mehr als drei Vorrichtungen 10 angebracht sein. Jede angebrachte integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 justiert sich über Reflowgelötete Kugelverbindungen auf dem Substrat 50 selbst. Wie abgebildet, sind die integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen 10 in einem nichtsymmetrischen Muster auf dem Substrat 50 angebracht. Die nichtsymmetrische Anordnung der Vorrichtungen 10 hilft dabei, die Ausrichtung der dynamischen Referenziervorrichtung 49 über die Passermarken 12 zu identifizieren, die in den erfassten Bilddaten (z. B. Bildern oder volumentrischen Darstellungen) sichtbar sind. Außerdem sind die Vorrichtungen 10 in gewissen Ausführungsformen in einer nicht ebenen Anordnung (z. B. auf mehr als einer Ebene wie den Ebenen 58, 60 angeordnet) angeordnet, um die Genauigkeit von einer beliebigen Ebene 58, 60 weg zu verbessern.
Das starr-elastische Substrat 50 ist auch dafür ausgelegt, der Außenfläche zu entsprechen und sich mit ihr zu bewegen. Dies ermöglicht die Verwendung der dynamischen Referenziervorrichtung 49 bei nichtinvasiver dynamischer Referenzierung, da sie an der Außenfläche des Patienten angeordnet ist. Das starr-elastische Substrat 50 kann aus Laminatschichten hergestellt sein, zu denen organische Schichten, Glasfasergewebeschichten, Kupferschichten 8 (die zu Leiterbahnen umgewandelt werden können) und/oder ein Goldschichtüberzug zählen. Die Vorrichtungen können über Reflow-Löten auf Anschlussflächen auf dem Substrat 50 angebracht werden. Die Verdrahtung 51 ist in dem starr-elastischen Substrat 50 angeordnet, um die Übertragung von Signalen von Komponenten eines Navigationssystems (z. B. Stromversorgungsschaltungsanordnung, Steuerschaltungsnordnung usw.) zu den an der dynamischen Referenziervorrichtung 49 angebrachten Vorrichtungen 10 zu ermöglichen. Dies befähigt die Vorrichtungen 10 zum Empfangen von Strom und Eingangssignalen wie Kalibriersignalen. Außerdem ist, wie abgebildet, jedes Sensorelement 14 jeder Vorrichtung 10 mit leitfähiger Verdrahtung 52 von Komponenten des Navigationssystems (z. B. Stromversorgungsschaltungsanordnung, Steuerschaltungsanordnung usw.) gekoppelt. Dies befähigt die Vorrichtungen 10 zum Senden von (z. B. für Positions- und Ausrichtungsdaten für das Sensorelement repräsentativen) Ausgangssignalen an diese Komponenten.
Wie oben erwähnt, können die integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen 10 auf mehr als einer Schicht des starr-elastischen Substrats 50 angeordnet sein. 3 zeigt eine Ausführungsform der dynamischen Referenziervorrichtung 49, die mehrere auf mehreren Schichten des Substrats 50 angeordnete Vorrichtungen 10 beinhaltet. Im Allgemeinen ist die dynamische Referenziervorrichtung 49 wie in 2 beschrieben. Die in 3 veranschaulichte Vorrichtung 49 beinhaltet drei integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen 10, die auf einer ersten Schicht 54 des Substrats 50 angebracht sind, und zwei Vorrichtungen 10, die auf einer zweiten Schicht 56 des Substrats 50 angebracht sind. In gewissen Ausführungsformen kann eine jeweilige Schicht 54, 56 des Substrats 50 eine oder mehrere Vorrichtungen 10 beinhalten. Insgesamt beinhaltet die dynamische Referenziervorrichtung 49 wenigstens eine integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10, die auf den mehreren Schichten des Substrats 50 angebracht ist, und wenigstens drei Passermarken an der dynamischen Referenziervorrichtung 49 insgesamt.
Wie oben beschrieben, kann die dynamische Referenziervorrichtung 49 gemäß der vorliegenden Methode verwendet werden, um bildgeführte computergestützte invasive oder minimalinvasive Verfahren zuzulassen. Wie zu erkennen ist, kann eine beliebige Bildgebungsmodalität, die zur Verwendung in einem bildgeführten Verfahren geeignet ist, in der vorliegenden Methode eingesetzt werden. Beispiele für derartige Bildgebungsmodalitäten beinhalten Bildgebungsmethoden auf Röntgenbasis, die die differentielle Dämpfung von Röntgenstrahlen zum Erzeugen von Bildern nutzt (wie dreidimensionale Fluoroskopie, Computertomographie (CT), Tomosynthesemethoden und andere Bildgebungstechnologien auf Röntgenbasis). Zu anderen beispielhaften Bildgebungsmodalitäten, die für bildgeführte Verfahren geeignet sind, können Magnetresonanztomographie-(MRT), Ultraschall- oder thermoakustische Bildgebungsmethoden und/oder visuelle bildgebende Methoden zählen. Desgleichen können auch nuklearmedizinische bildgebende Methoden (wie Positronen-Emissions-Tomografie (PET) oder Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT) Systeme, die Radiopharmakone nutzen, geeignete bildgebende Technologien zur Durchführung von bildgeführten Verfahren sein. Desgleichen können auch kombinierte Bildgebungsmodalitätssysteme wie PET/CT-Systeme zur Durchführung von bildgeführten Verfahren wie hierin beschrieben geeignet sein. Daher ist in der vorliegenden Besprechung durchgehend zu bedenken, dass die vorliegenden Methoden im Allgemeinen unabhängig von dem/der zum Erfassen der Bilddaten verwendeten System oder Modalität sind. Das heißt, die Methode kann mit gespeicherten unverarbeiteten, verarbeiteten oder teilweise verarbeiteten Bilddaten aus einer beliebigen geeigneten Quelle funktionieren.
In 4, auf die jetzt Bezug zu nehmen ist, ist zum Beispiel ein Überblick über ein beispielhaftes verallgemeinertes Bildgebungssystem 62, das für verschiedene Bildgebungsmodalitäten repräsentativ sein kann, abgebildet. Das verallgemeinerte Bildgebungssystem 62 beinhaltet gewöhnlich irgendeinen Typ von Bildrechner 64, der Signale detektiert und die Signale in nützliche Daten umsetzt. Wie unten noch ausführlicher beschrieben wird, kann der Bildrechner 64 in Übereinstimmungmit verschiedenen physikalischen Grundsätzen für die Erstellung der Bilddaten arbeiten. Im Allgemeinen werden aber vom Bildrechner 64 Bilddaten, die Regionen von Interesse in einem Patienten 65 erkennen lassen, in einem digitalen Medium zur Verwendung in bildgeführten Verfahren erstellt.
Der Bildrechner 64 kann von einer Systemsteuerungsschaltung 66 betrieben werden, die verschiedene Aspekte des Bildrechnerbetriebs und der Erfassung und Verarbeitung der Bilddaten sowie dynamischer Referenzregistrierungsdaten, die mit den vorliegenden Methoden erfasst werden, steuert. In der abgebildeten verallgemeinerten Ausführungsform beinhaltet die Systemsteuerungsschaltungsanordnung 66 eine Bewegungs- und Steuerungsschaltungsanordnung 68, die beim Betrieb des Bildrechners 64 nützlich ist. Zum Beispiel kann die Bewegungs- und Steuerungsschaltungsanordnung 68 Strahlungsquellensteuerschaltungen, Zeitgeberschaltungen, Schaltungen zur Koordinierung der relativen Bewegung des Bildrechners 64 (wie in Bezug auf einen Patiententräger und/oder eine Detektoranordnung) und so weiter beinhalten. Der Bildrechner 64 kann nach der Erfassung der Bilddaten oder -signale die Signale verarbeiten, z. B. zur Umrechnung in digitale Werte, und leitet Bilddaten zur Datenerfassungsschaltungsanordnung 70 weiter. Für digitale Systeme kann die Datenerfassungsschaltungsanordnung 70 einen breiten Bereich von Erstverarbeitungsfunktionen, wie die Justierung digitaler dynamischer Bereiche, das Glätten oder Schärfen von Daten sowie das Zusammenstellen von Datenströmen und Dateien, falls erwünscht, durchführen. Die Daten werden dann zu einer Datenverarbeitungsschaltungsanordnung 72 übertragen, wo zusätzliche Verarbeitung und Analyse durchgeführt werden. Für die diversen digitalen Bildgebungssysteme kann die Datenverarbeitungsschaltungsanordnung 72 (eine) wesentliche Datenrekonstruktion(en) und/oder -analysen, Ordnen von Daten, Schärfen, Glätten, Merkmalserkennung und so weiter durchführen.
Zusätzlich zur Verarbeitung der Bilddaten kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung 72 auch Prozessbewegungs- oder Lageinformationen (d. h. über die Drähte 51 empfangen) mit Bezug auf eine anatomische Region von Interesse erhalten und verarbeiten. In der abgebildeten Ausführungsform ist die dynamische Referenziervorrichtung 49 auf eine Außenfläche 74 des Patienten 38 aufgesetzt. Die dynamische Referenziervorrichtung 49, wie oben besprochen, ist mit zahlreichen (beispielsweise einem oder mehreren) integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen 10 mit Magnetwiderstandssensoren 14 (siehe 1 bis 3) versehen, die zum Bereitstellen von Positions- und Ausrichtungsinformationen konfiguriert sind. In gewissen Ausführungsformen, wo die Sensorelemente 14 angetrieben sind, können die Magnetwiderstandssensoren 14 beispielsweise über einen oder mehrere leitfähige Drähte 51, mit einer geeigneten Stromversorgungsschaltungsanordnung 76 wie einer elektrischen Stromquelle oder Steckdose oder einer geeigneten Batterie verbunden sein. In der abgebildeten Ausführungsform ist die Stromversorgungsschaltungsanordnung 76 von der Systemsteuerungsschaltungsanordnung 66 separat abgebildet, in anderen Ausführungsformen kann die Stromversorgungsschaltungsanordnung 76 aber Teil der Systemsteuerungsschaltungsanordnung 66 sein.
In der abgebildeten Ausführungsform wird von einem externen Magnetfeldgenerator 78 (z. B. elektromagnetischer Sender) ein Wechselstrom-(AC) oder ein gepulstes Gleichstrom-(DC)-Magnetfeld erzeugt. Die Magnetwiderstandssensoren 14 (z. B. Magnetwiderstandssensor) der integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen 10 erzeugen als Reaktion auf das angelegte Magnetfeld für Lagedaten (einschließlich Position und/oder Ausrichtungsdaten) repräsentative Signale, die über die Drähte 51 zur Systemsteuerungsschaltungsanordnung 66 (speziell der Verarbeitungsschaltungsanordnung 72) gesendet werden. Wie unten ausführlicher besprochen, können die Lagedaten in Verbindung mit den Bilddaten zum Ermöglichen eines bildgeführten Verfahrens verwendet werden.
Die verarbeiteten Bilddaten und/oder Lagedaten können an eine Anzeigeschaltungsanordnung 80 zur Anzeige auf einem Monitor 82 zur Betrachtung und Analyse weitergeleitet werden. Vorgänge können an den Bilddaten zwar schon vor der Betrachtung durchgeführt werden, der Monitor 82 ist aber irgendwann einmal zur Betrachtung rekonstruierter Bilder nützlich, die von den gesammelten Bilddaten abgeleitet wurden. Die Bilder können auch in Kurz- oder Langzeitspeichervorrichtungen gespeichert werden, die zum Bildgebungssystem 62 lokal sein können, wie z. B. innerhalb der Systemsteuerungsschaltungsanordnung 66, oder von dem Bildgebungssystem 62 entfernt sein können, wie z. B. in Bildarchivierungskommunikationssystemen. Die Bilddaten können auch zu entfernten Standorten übertragen werden, wie z. B. über ein Netzwerk.
Der Einfachheit halber werden gewisse der oben besprochenen Schaltungsanordnungen, wie z. B. die Bewegungs- und Steuerungsschaltungsanordnung 68, die Datenerfassungsschaltungsanordnung 70, die Verarbeitungsschaltungsanordnung 72 und die Anzeigeschaltungsanordnung 80, als Teil der Systemsteuerungsschaltungsanordnung 66 abgebildet und besprochen. Eine derartige Abbildung und Besprechung dient aber nur zum Zweck der Veranschaulichung und soll lediglich eine mögliche Anordnung dieser Schaltungsanordnung auf eine Weise veranschaulichen, die leicht verständlich ist. Fachkundige Personen werden leicht erkennen, dass die abgebildete Schaltungsanordnung in anderen Ausführungsformen in/an verschiedenen Anordnungen und/oder Stellen vorgesehen sein kann. Zum Beispiel können gewisse Schaltungsanordnungen in verschiedenen prozessorgestützten Systemen oder Arbeitsplatzgeräten oder als integrierter Bestandteil verschiedener Konstruktionen wie Bildgebungs-Arbeitsplatzgeräten, Systembedienfelder und so weiter vorgesehen sein, die funktionell kommunizieren, um die hierin beschriebenen Methoden zu erzielen.
Der Betrieb des Bildgebungssystems 62 kann von einem Bediener über eine Benutzeroberfläche 84 gesteuert werden, die verschiedene Benutzereingabegeräte wie eine Maus, eine Tastatur, einen Touchscreen und so weiter beinhalten können. Eine derartige Benutzeroberfläche kann konfiguriert sein, um Eingaben und Befehle an die Systemsteuerungsschaltungsanordnung 66 zu geben, wie abgebildet. Darüberhinaus sollte auch beachtet werden, dass mehr als eine einzelne Benutzeroberfläche 84 bereitgestellt sein kann. Dementsprechend kann ein(e) Bildgebungsscanner oder -station eine Oberfläche beinhalten, die die Regulierung der am Bilddatenerfassungsverfahren beteiligten Parameter zulässt, wohingegen für Manipulation, Optimierung und Betrachten rekonstruierter Bildergebnisse eine andere Benutzeroberfläche bereitgestellt sein kann.
Um die Methode ausführlicher zu besprechen, ist in 5 eine spezifische medizinische Bildgebungsmodalität abgebildet, die allgemein auf der in 4 dargelegten Gesamtsystemarchitektur basiert, die allgemein ein System auf Röntgenbasis 86 repräsentiert. Es ist zu beachten, dass in 5 zwar auf ein System auf Röntgenbasis Bezug genommen wird, die vorliegende Methode aber auch wie oben besprochen andere Bildgebungsmodalitäten einschließt, wie z. B. MRT, PET, SPECT, Ultraschall und so weiter.
In der abgebildeten beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht 5 schematisch ein Bildgebungssystem 86 auf Röntgenbasis zum Erfassen und Verarbeiten von Bilddaten. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Bildgebungssystem 86 ein Computertomographie-(CT)-system oder ein 3D-Fluoroskopie-Bildgebungssystem, das für das Erfassen von Röntgenprojektionsdaten, für die Rekonstruktion der Projektionsdaten zu einem zwei- oder dreidimensionalen Bild und für die Verarbeitung des Bilds zur Anzeige und Analyse gemäß der vorliegenden Methode ausgelegt ist. In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform beinhaltet das Bildgebungssystem 86 auf Röntgenbasis eine Röntgenstrahlungsquelle 88, die neben einem Kollimator 90 angeordnet ist. Die Röntgenstrahlenquelle 88 kann eine normale Röntgenstrahlenröhre oder ein oder mehrere Festkörper-Röntgenstrahler sein.
In der abgebildeten Ausführungsform lässt der Kollimator 90 einen Strom von Strahlen 92 in eine Region durch, in der sich ein Subjekt wie der Patient 38 befindet. Der Strom von Strahlen 92 kann allgemein fächer- oder kegelförmig sein, je nach der Konfiguration der Detaktoranordnung sowie dem erwünschten Datenerfassungsverfahren. Ein Teil der Strahlung 94 verläuft durch oder um den Patienten 38 und prallt auf eine Detektoranordnung auf, die allgemein als Bezugszeichen 96 dargestellt wird. Detektorelemente der Anordnung erzeugen elelektrische Signale, die die Intensität des einfallenden Röntgenstrahls repräsentieren. Die von der Detektoranordnung 96 erzeugten Signale können nachfolgend verarbeitet werden, um eine visuelle Darstellung (d. h. ein Bild oder eine volumetrische Darstellung) der Merkmale innerhalb des Patienten 38 zu rekonstruieren. Zum Beispiel können in der abgebildeten Ausführungsform Bilder der anatomischen Struktur von Interesse 97 rekonstruiert werden.
In Verbindung mit den hierin beschriebenen Methoden können verschiedene Konfigurationen des Detektors 96 eingesetzt werden. Zum Beispiel kann der Detektor 96 ein mehrzeiliger Detekor sein, wie z. B. ein Detektor mit acht oder sechzehn Zeilen von Detektorelementen, der eine begrenzte Längsabdeckung des gescannten Objekts oder Patienten erreicht. Desgleichen kann der Detektor 96 ein Flächendetektor sein, wie z. B. ein hochauflösender Röntgendetektor mit hunderten von Zeilen von Detektorelementen, der die Positionierung des gesamten Objekts, das aufgenommen wird, im Sichtfeld des Systems 86 zulässt. Ungeachtet der Konfiguration ermöglicht der Detektor 96 die Erfassung und/oder Messung von Daten, die in der Bildrekonstruktion der anatomischen Struktur von Interesse verwendet werden.
Die Quelle 88 wird von einer Systemsteuerung 98 gesteuert, die sowohl Strom als auch Steuersignale für Untersuchungsverfahren liefert. Darüber hinaus ist der Detektor 96 mit der Systemsteuerung 98 gekoppelt, die die Erfassung der im Detektor 86 erzeugten Signale bestimmt. Die Systemsteuerung 98 kann auch verschiedene Signalverarbeitungs- und -filterfunktionen ausführen, wie z. B. für die Ersteinstellung von dynamischen Bereichen, Verschachtelung von digitalen Bilddaten und so weiter. Im Allgemeinen bestimmt die Systemsteuerung 98 den Betrieb des Bildgebungssystems zur Ausführung von Untersuchungsprotokollen und zur Verarbeitung erfasster Daten. Im vorliegenden Zusammenhang beinhaltet die Systemsteuerung 98 auch eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, die gewöhnlich auf einem Universal- oder anwendungsspezifischen Digitalrechner basiert, eine zugeordnete Speicherschaltungsanordnung zum Speichern von Programmen und Routinen, die vom Computer ausgeführt werden (wie Programme und Routinen zum Implementieren der vorliegenden Methode), sowie Konfigurationsparameter und Bilddaten, Schnittstellenschaltungen und so weiter. Die Systemsteuerung 98 kann auch einen externen Magnetfeldgenerator 100 (z. B. elektromagnetischen Sender) steuern.
In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform ist die Systemsteuerung 98 mit einem linearen Positionierungsuntersystem 102 und einem Rotationsuntersystem 104 gekoppelt. Das Rotationsuntersystem 104 macht es möglich, dass die Röntgenstrahlenquelle 88, der Kollimator 90 und der Detektor 86 eine oder mehrere Drehungen um den Patienten 65 gedreht werden. Es ist zu beachten, dass das Rotationsuntersystem 104 eine Gantry oder eine C-Arm-Vorrichtung beinhalten kann. So kann die Systemsteuerung 98 zum Betreiben der Gantry oder des C-Arms genutzt werden. Das lineare Positionierungsuntersystem 102 ermöglicht gewöhnlich das lineare Verlagern eines Patiententrägers, wie z. B. einen Tisch, auf dem der Patient liegt. Der Tisch kann daher linear relativ zur Gantry oder dem C-Arm bewegt werden, um Bilder bestimmter Bereiche des Patienten 65 zu erzeugen.
Außerdem kann, wie fachkundige Personen verstehen werden, die Quelle 88 der Strahlung von einer Röntgensteuerung 106 gesteuert werden, die in der Systemsteuerung 98 angeordnet ist. Speziell kann die Röntgensteuerung 106 zum Anlegen von Strom und Zeitsteuerungssignalen an die Röntgenstrahlenquelle 88 konfiguriert sein. Eine Motorsteuerung 108 kann ebenfalls Teil der Systemsteuerung 98 sein und kann zum Steuern der Bewegung des Rotationsuntersystems 104 und des linearen Positionierungsuntersystems 102 genutzt werden.
Des Weiteren ist die Systemsteuerung 98 auch als ein Bilddatenerfassungssystem 110 enthaltend abgebildet. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Detektor 86 mit der Systemsteuerung 98 und speziell mit dem Bilddatenerfassungssystem 110 gekoppelt. Das Bilddatenerfassungssystem 110 empfängt von Ausleseelektronik des Detektors 86 gesammelte Daten. Das Bilddatenerfassungssystem 110 empfängt gewöhnlich abgetastete analoge Signale vom Detektor 96 und setzt die Daten in digitale Signale zur anschließenden Verarbeitung durch eine Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 um, die z. B. ein oder mehrere Prozessor(en) eines Universal- oder anwendungsspezifischen Rechners sein kann.
Wie abgebildet, beinhaltet die Systemsteuerung 98 auch ein Positions-/Ausrichtungsdatenerfassungssystem 114, das zum Erfassen von Positions- und Ausrichtungsdaten von der dynamischen Referenziervorrichtung 49 konfiguriert ist. In der abgebildeten Ausführungsform stellt die Vorrichtung 49 Signale bereit, die von Magnetwiderstandssensoren 14 der Vorrichtungen 10 (als Reaktion auf ein angelegtes externes Magnetfeld) auf dem Substrat 50 erzeugt werden, das auf die Außenfläche 74 des Patienten 65, der dem bildgebenden Verfahren unterzogen wird, aufgesetzt wird. Das Positions-/Ausrichtungsdatenerfassungssystem 114 verarbeitet von der Vorrichtung 49 erfasste Signale zum Erzeugen von Positions- und/oder Ausrichtungsinformationen über die Magnetwiderstandssensoren 14 und/oder Passermarken 12 der Vorrichtungen 10. Die von dem Positions-/Ausrichtungsdatenerfassungssystem 114 erzeugten Positions- und/oder Ausrichtungsinformationen können der Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 und/oder einem Speicher 116 zur späteren Bearbeitung bereitgestellt werden.
Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 ist gewöhnlich mit der Systemsteuerung 98 gekoppelt. Die vom Bilddatenerfassungssystem 110 und/oder dem Positions-/Ausrichtungsdatenerfassungssystem 114 gesammelten Daten können zur späteren Bearbeitung und visuellen Rekonstruktion an die Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 übertragen werden. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 kann den Speicher 116 beinhalten (oder mit ihm kommunizieren), der von der Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 verarbeitete Daten oder von der Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 zu verarbeitende Daten speichern kann. Es versteht sich, dass ein beliebiger Typ von rechnerzugänglicher Speichervorrichtung, die zum Speichern der gewünschten Daten- und/oder Codemenge fähig ist, von einem derartigen beispielhaften System 86 genutzt werden kann. Darüber hinaus kann der Speicher 116 eine oder mehrere Speichereinrichtungen wie magnetische oder optische Einrichtungen ähnlicher oder verschiedener Typen beinhalten, die zum System 86 lokal und/oder von ihm entfernt sein können. Der Speicher 114 kann Daten, Verarbeitungsparameter und/oder Computerprogramme mit einer oder mehreren Routinen zum Durchführen der hierin beschriebenen Prozesse speichern.
Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 kann zum Steuern von Merkmalen ausgeführt sein, die von der Systemsteuerung 98 aktiviert wurden, d. h. Scanbetrieb und Datenerfassung. Zum Beispiel kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 zum Empfangen von Befehlen und Scanparametern von einem Bediener über eine Bedieneroberfläche 118 konfiguriert sein, die gewöhnlich mit einer Tastatur und anderen Eingabegeräten (nicht gezeigt) ausgestattet ist. Ein Bediener kann das System 86 dadurch über die Eingabegeräte steuern. Eine mit der Bedieneroberfläche 118 gekoppelte Anzeige 120 kann zum Betrachten einer rekonstruierten visuellen Darstellung genutzt werden. Außerdem kann das rekonstruierte Bild auch von einem Drucker 112 ausgedruckt werden, der mit der Bedieneroberfläche 118 gekoppelt sein kann. Wie erkennbar ist, können eine oder mehrere Bedieneroberflächen 118 zum Ausgeben von Systemparametern, Anfordern von Untersuchungen, Anzeigen von Bildern und dergleichen mit dem System 86 vernetzt sein. Im Allgemeinen können Anzeigen, Drucker, Arbeitsplatzgeräte und ähnliche Geräte, die in dem System zur Verfügung stehen, lokal zu den Datenerfassungskomponenten oder von diesen Komponenten entfernt sein, wie z. B. an anderer Stelle in einer Einrichtung oder einem Krankenhaus oder an einem völlig anderen Standort, wobei sie über ein oder mehrere konfigurierbare Netzwerke wie das Internet, virtuelle private Netzwerke und so weiter mit dem Bilderfassungssystem vernetzt sind.
Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 112 kann auch mit einem Bildarchivierungs- und Kommunikationssystem (PACS) 124 gekoppelt sein. Von der Verarbeitungsschaltungsanordnung 96 erzeugte oder verarbeitete Bilddaten können zur nachfolgenden Bearbeitung oder Überprüfung zum PACS 124 übertragen und in ihm gespeichert werden. Es ist zu beachten, dass das PACS 124 mit einem Remote-Client 126, einem Strahlenabteilungs-Informationssystem (RIS), einem Krankenhaus-Informationssystem (HIS) oder mit einem internen oder externen Netzwerk gekoppelt sein kann, so dass andere an anderen Standorten Zugriff auf die Bilddaten erhalten können.
Die oben beschriebenen Systeme und Vorrichtungen können, wie hierin beschrieben, zum Bereitstellen dynamischer Referenzierung und Registrierung für eine Region von Interesse eines Patienten genutzt werden, der einem invasiven oder minimalinvasiven Verfahren unterzogen wird, wobei die dynamische Referenzierungsregistrierungsvorrichtung 49 außen am Patienten 65 aufgesetzt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform können dynamisch erfasste Positions- und Ausrichtungsdaten für die Region des Patienten 65 (und Magnetwiderstandssensoren 14 und/oder Passermarken 12) mithilfe der nichtinvasiven dynamischen Referenziervorrichtung 49 erfasst werden und die Daten können automatisch mit gleichzeitig oder zuvor erfassten Bilddaten registriert werden, ohne die Passermarken 12 der Vorrichtungen 10 referenzieren zu müssen. Auf diese Weise kann der chirurgische Eingriff/die Intervention auf der Basis der dynamisch referenzierten visuellen Darstellung durchgeführt oder geführt werden.
6 veranschaulicht ein Verfahren 130 für dynamisches Referenzieren und automatische Registrierung von Patientenbildern mit einem Navigationssystem zum Führen von chirurgischen und Interventionsvorrichtungen. Das Verfahren 130 beinhaltet das Aufsetzen der konformen dynamischen Referenziervorrichtung 49 auf eine Außenfläche des Patienten 65 (Block 130). Vor einem invasiven oder minimalinvasiven Verfahren werden die Bilddaten 132 erfasst (Block 134). Wie oben erwähnt, können die Bilddaten 132 unter Verwendung von einer oder mehreren geeigneten Bildgebungsmodalitäten erfasst werden, wie dreidimensionale Fluoroskopie, CT, MRT, PET, Röntgen, Ultraschall und so weiter. In der abgebildeten Ausführungsform werden die Bilddaten 132 zum Erzeugen (Block 135) von einer oder mehreren visuellen Darstellungen wie z. B. Bildern oder Volumen 136 einer Region von Interesse verwendet.
Die Passermarken 12 der integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen 10 sind in den Bildern oder Volumen 136 der Region von Interesse sichtbar. Das Verfahren 130 beinhaltet das Unterscheiden der Passermarken 12 innerhalb der Bilder oder Volumen 134 auf Basis eines Gesamtmusters der Passermarken 12 der Vorrichtungen 10 und/oder einer charakteristischen Geometrie jeder Passermarke 12 (Block 138). Vor, während oder nach dem Erfassen der Bilddaten 132 (Block 134) und nach dem Aufsetzen der dynamischen Referenziervorrichtung 40 auf den Patienten 65 (Block 130) werden für die Magnetwiderstandssensoren 14 der Vorrichtungen 10 Positions- und Ausrichtungsdaten 140 erzeugt (z. B. in einem Referenzrahmen des Navigationssystems). Aufgrund der Vorausrichtung der Magnetwiderstandssensoren 14 und der Marken 12 in den Vorrichtungen 10 werden die Positions- und/oder Ausrichtungsdaten 144 für die Marken 12 ausschließlich auf Basis der Positions- und Ausrichtungsdaten 140 und der Bilder oder volumetrischen Darstellungen 136 mit den sichtbare Passermarken 12 erzeugt (Block 146). Die Vorrichtungen 10 sorgen so für automatische Registrierung, ohne jede Passermarke 12 mit ihrem jeweiligen Magnetwiderstandssensor 14 referenzieren zu müssen. Das Verfahren 130 beinhaltet das Registrieren der Positions- und Ausrichtungsdaten 144 für die Marken 12 mit den Bilder oder Volumen 136 (Block 148). Das heißt, die Positions- und Ausrichtungsdaten 144 für die Marken 12 in Navigationssystemkoordinaten werden mit den Positions- und Ausrichtungsdaten 140 in Bildkoordinaten registriert.
Ein bildgeführtes invasives oder minimalinvasives Verfahren kann mithilfe registrierter Bilder oder Volumen 136 und Passermarken 14 durchgeführt werden. Speziell können, sobald die zuvor erfassten bildgestützten Informationen mit den gemessenen Positions- und/oder Ausrichtungsdaten der dynamischen Referenziervorrichtung registriert worden sind, Änderungen der Position und/oder Ausrichtung des Patienten dazu verwendet werden, Änderungen eines bildgestützten Modells visuell anzuzeigen. Das heißt, ein angezeigtes Bild der anatomischen Region von Interesse kann auf Basis der aktuellsten Positions- und/oder Ausrichtungsdaten, erhalten von den Magnetwiderstandsensoren 14, die auf die Außenfläche des Patienten 65 aufgesetzt sind, aktualisiert, modifiziert, verändert oder anderweitig geändert werden. Auf diese Weise können die zuvor erfassten Bilddaten aktualisiert und manipuliert werden, um eine genaue und aktuelle Darstellung der dem Verfahren unterzogenen anatomischen Region zu ergeben, obwohl während des Vorgangs keine Bildgebungsprozesse stattfinden.
Auf der Basis dieser Registrierung zwischen den Bildern oder Volumen 136 (von den Bilddaten abgeleitet) und Positions- und/oder Ausrichtungsdaten 144 für die Passermarken (von den Magnetwiderstandssensordaten abgeleitet) kann eine chirurgische oder Interventionsvorrichtung während eines invasiven oder minimalinvasiven Verfahrens wie eines chirurgischen offenen oder laparoskopischen Eingriffs verfolgt werden (Block 150). Zu Beispielen für derartige chirurgische oder Interventionsvorrichtungen, die verfolgt werden können, zählen Instrumente, Implantate, Sonden, Ahlen, Bohrer, Absaugvorrichtungen, Zangen, Klingen, Schrauben, Nägel, Stifte, Kirschnerdrähte, Nadeln, Kanülen, Einführschleusen, Katheter, Führungsdrähte, Stents, Herzklappen, Filter, Endoskope, Laparoskope, Elektroden und so weiter. Im typischen Fall beinhaltet die verfolgte chirurgische oder Interventionsvorrichtung auch einen Sensor wie einen elektromagnetischen Sensor oder einen Magnetwiderstandssensor, so dass Positions- und Ausrichtungsinformationen für die chirurgische bzw. Interventionsvorrichtung ebenfalls erfasst werden, wodurch die Position der chirurgischen bzw. Interventionsvorrichtung in Verbindung mit dem registrierten Bild der anatomischen Region von Interesse angezeigt werden kann. So kann ein System wie die hierin beschriebenen einem Benutzer die Position und Ausrichtung der Vorrichtung relativ zur anatomischen Region von Interesse in Echtzeit oder im Wesentlichen in Echtzeit anzeigen.
Zu technischen Wirkungen der offenbarten Ausführungsformen zählen das Bereitstellen der dynamischen Referenziervorrichtung 49, die eine nichtinvasive dynamische Referenzierung und Patientenregistrierung ermöglicht. Speziell wird die Vorrichtung 49 auf die Außenfläche 74 des Patienten 65 aufgesetzt. Außerdem beinhaltet die dynamische Referenziervorrichtung 49 mehrere integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen 10. Jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung 10 beinhaltet wenigstens eine Passermarke 12 und den Magnetwiderstandssensor 14, die in Bezug aufeinander vorausgerichtet sind, was die Notwendigkeit der Referenzierung der Marke 12 und des Magnetwiderstandssensors 14 miteinander ausschließt. Das Ausschließen des Referenzierungsschritts verringert die Herstellungskosten des dynamischen Referenzierungsregistrierungssystems. Außerdem kann der Arbeitsablauf verbessert werden, da die Marken 12 physisch zugänglich sind, um die Genauigkeit des Navigationssystems während eines Fehlersuchprozesses zu testen.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführung, zu offenbaren und auch, um einen Fachmann zur Ausübung der Erfindung, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung eingebundener Verfahren, zu befähigen. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die dem Fachmann einfallen. Es ist vorgesehen, dass derartige weitere Beispiele in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie strukturelle Elemente haben, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Sprachen der Ansprüche beinhalten.

Claims

Medizinisches Referenzierungssystem, umfassend: ein Substrat, das zum Aufsetzen auf eine Außenfläche eines Patienten konfiguriert ist, so dass das Substrat der Außenfläche des Patienten entspricht und sich mit ihr bewegt, und mehrere integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen, die auf dem Substrat angebracht sind, wobei jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Sensor und wenigstens eine mit dem Sensor gekoppelte Passermarke, wobei jeder Sensor in Bezug auf die wenigstens eine Passermarke vorausgerichtet ist, so dass eine Lage jeder Passermarke in Bezug auf ihren jeweiligen Sensor bekannt ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 1, wobei jede angebrachte integrierte Sensor-Passmarken-Vorrichtung sich über Reflow-Lotkugeln auf dem Substrat selbst justiert.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 1, wobei die mehreren integrierten Sensor-Passmarken-Vorrichtungen konfiguriert sind, um die automatische Registrierung von Patientenbildern bereitzustellen, ohne jede Passermarke mit ihrem jeweiligen Sensor referenzieren zu müssen.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor einen Magnetwiderstandssensor umfasst.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 4, wobei der Magnetwiderstandssensor in einem Flip-Chip-Gehäuse angeordnet ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 4, wobei der Magnetwiderstandssensor zum Messen einer Position der jeweiligen integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung an den x-, y- und z-Koordinaten entlang konfiguriert ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 6, wobei der Magnetwiderstandssensor konfiguriert ist, um mit sechs Freiheitsgraden zu arbeiten.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 1, das wenigstens eine integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung, die auf dem Substrat angebracht ist, und wenigstens drei Passermarken insgesamt aufweist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Passermarke über ein organisches, keramisches oder Kunststoff-Substrat mit dem Sensor gekoppelt ist, das zwischen der wenigstens einen Passermarke und dem Sensor angeordnet ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Passermarke direkt mit dem Sensor gekoppelt ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 1, wobei die mehreren integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen in einem nichtsymmetrischen Muster auf dem Substrat angebracht sind.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 1, wobei jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung in einem Kugelgitteranordnungsgehäuse angeordnet ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 1, wobei das Substrat mehrere Schichten umfasst und die mehreren integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen auf mehr als einer Schicht des Substrats angebracht sind.
Medizinisches Referenzierungssystem, umfassend: ein Substrat, das zum Aufsetzen auf eine Außenfläche eines Patienten konfiguriert ist, so dass das Substrat der Außenfläche des Patienten entspricht und sich mit ihr bewegt, und mehrere integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtungen, die auf dem Substrat angebracht sind, wobei jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Magnetwiderstandssensor und wenigstens eine mit dem Magnetwiderstandssensor gekoppelte Passermarke, wobei der Magnetwiderstandssensor zum Messen einer Position der jeweiligen integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung an den x-, y- und z-Koordinaten entlang konfiguriert ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 14, wobei der Magnetwiderstandssensor in Bezug auf die wenigstens eine Passermarke vorausgerichtet ist, so dass eine Lage jeder Passermarke in Bezug auf ihren jeweiligen Magnetwiderstandsensor bekannt ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 15, wobei jede angebrachte integrierte Sensor-Passmarken-Vorrichtung sich über Reflow-Lotkugeln auf dem Substrat selbst justiert.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 14, wobei jede integrierte Sensor-Passmarken-Vorrichtung konfiguriert ist, um die automatische Registrierung von Patientenbildern bereitzustellen, ohne jede Passermarke mit ihrem jeweiligen Magnetwiderstandssensor referenzieren zu müssen.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 14, wobei der Magnetwiderstandssensor konfiguriert ist, um mit sechs Freiheitsgraden zu arbeiten.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 14, wobei der Magnetwiderstandssensor in einem Flip-Chip-Gehäuse angeordnet ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 14, das wenigstens eine integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung, die auf dem Substrat angebracht ist, und wenigstens drei Passermarken insgesamt aufweist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 14, wobei die mehreren integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen in einem nichtsymmetrischen Muster auf dem Substrat angebracht sind.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 14, wobei jede integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung in einem Kugelgitteranordnungsgehäuse angeordnet ist.
Medizinisches Referenzierungssystem nach Anspruch 14, wobei das Substrat mehrere Schichten umfasst und die mehreren integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtungen auf mehr als einer Schicht des Substrats angebracht sind.
Verfahren für dynamisches Referenzieren und Registrieren von Patientenbildern, das die folgenden Vorgänge umfasst: Erzeugen von einem oder mehreren Bildern oder volumetrischen Darstellungen auf Basis von unter Verwendung eines Bildgebungssystems erfassten Bilddaten, wobei in dem/der einen oder den mehreren Bildern oder volumetrischen Darstellungen wenigstens drei Passermarken von wenigstens einer integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung sichtbar sind, und die wenigstens eine integrierte Sensor-Passermarken-Vorrichtung einen Magnetwiderstandssensor und die wenigstens drei mit dem Magnetwiderstandssensor gekoppelten Passermarken aufweist, Unterscheiden der Passermarken in dem/der einen oder den mehreren Bildern oder volumetrischen Darstellungen auf Basis eines Gesamtmusters der Passermarken oder charakteristischer Geometrie jeder Passermarke, Erzeugen eines ersten Satzes von Positionsdaten für den Magnetwiderstandssensor der wenigstens einen integrierten Sensor-Passermarken-Vorrichtung zum Ermitteln einer Position von jeder der wenigstens drei Passermarken, Erzeugen eines zweiten Satzes von Positionsdaten für die wenigstens drei Passermarken ausschließlich auf Basis ihrer Lage in dem/der einen oder den mehreren Bildern oder volumetrischen Darstellungen, welche die sichtbaren Passermarken haben, Registrieren des zweiten Satzes von Positionsdaten der wenigstens drei Passermarken, wobei das/die eine oder die mehreren Bilder oder volumetrischen Darstellungen mit dem ersten Satz von Positionsdaten der wenigstens drei Passermarken referenziert werden.
Verfahren nach Anspruch 24, das das Verfolgen eines/einer chirurgischen oder Interventionsinstruments, -implantats oder -vorrichtung unter Verwendung des einen oder der mehreren dynamisch referenzierten und registrierten Bilder oder volumetrischen Darstellungen aufweist.