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Die Erfindung betrifft ein medizinisches
System mit einem Bildgebungssystem zur Gewinnung von Bildern vom
Körper
eines Patienten, mit einem Navigationssystem zur Bestimmung der
Position eines medizinischen Instrumentes relativ zum Körper des
Patienten und mit Mitteln zur Einblendung eines Abbildes des Instrumentes
in ein mit dem Bildgebungssystem gewonnenes Bild.
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Der Einsatz eines derartigen medizinischen Systems
ist in klinischen Applikationsfeldern, z. B. der Orthopädie oder
der Traumatologie, zur Unterstützung
operativer Eingriffe an einem Patienten vorgesehen, insbesondere
wenn dem Chirurgen der Blick auf das patientenseitige Ende eines
von ihm geführten,
in den Körper
des Patienten eingedrungenen medizinischen Instrumentes verwehrt
ist. Das Navigationssystem dient dabei zur präzisen Bestimmung der Ortskoordinaten,
d. h. der Lage und Orientierung des Instrumentes im Raum bzw. an
einem Operationssitus, dessen Abbild möglichst exakt in ein mit dem
Bildgebungssystem gewonnenes Bild eingeblendet werden soll. Um die
Einblendung des Abbildes des Instrumentes in das mit dem Bildgebungssystem
gewonnene Bild mit hoher Genauigkeit durchführen zu können, so daß die im Bild gezeigte Lage
und Orientierung des Instrumentes der tatsächlichen Lage und Orientierung
des Instrumentes am Operationssitus entspricht, ist es wünschenswert, daß das Bild
die tatsächliche
Lage und Form eines Körperteils
des Patienten bzw. eines Organs im Körper des Patienten zeigt. Da
die während
der Operation für
die Einblendung von Instrumenten vorgesehenen Bilder vom Körper eines
Patienten in der Regel aber vor der Operation, beispielsweise mit
einem Computertomographen, gewonnen werden, ist die Übereinstimmung
zwischen einer im Bild dargestellten Lage und Form eines Körperteils
bzw. Organs und der tatsäch- 1ichen Lage und Form
des Körperteils
bzw. Organs bei der Operation die Ausnahme. Die auftretenden Unterschiede
sind vor allem dadurch bedingt, daß entweder die Lage des Patienten bei
der Operation auf einer Patientenliege nicht genau der Lage des
Patienten bei der Bildaufnahme entspricht, oder daß beim Öffnen des
Patienten, beispielsweise durch natürliche Bewegungen (z. B. Herzschlag,
Atmung, Perestaltik) Deformationen von Körperteilen, Deformationen von
Organen oder Veränderungen
von Organlagen auftreten. Die während der
Operation die realen Verhältnisse
wiedergebende Einblendung des Abbildes des Instrumentes in ein vom
Körper
des Patienten gewonnenes Bild erweist sich daher als problematisch.
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Eine Verbesserung der Navigation
des Instrumentes ergibt sich, wenn während der Operation 2D-Projektionen
vom Operationssitus aufgenommen werden, welche zur Korrektur der
präoperativ
gewonnenen Bilder herangezogen werden.
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Nachteilig bleibt jedoch, daß die Genauigkeit der
Einblendung von Abbildern von Instrumenten relativ gering ist, der
Chirurg also die genaue Lage des Instrumentes nur erahnen kann und
somit die Navigation nur eine grobe Orientierung bei operativen Eingriffen
darstellt.
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Aus der nicht vorveröffentlichten
DE 199 19 907 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Katheternavigation in dreidimensionalen
Gefäßbaumaufnahmen
bekannt. Die Katheterposition wird mittels eines in die Spitze des
Katheters eingebauten miniaturisierten Positionserfassungssystems
ermittelt und in die 3D-Ansicht des präoperativ aufgenommenen und
in einem Navigationsrechner rekonstruierten Gefäßbaums eingeblendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
medizinisches System der eingangs genannten Art derart auszubilden,
daß die
Einblendung des Abbildes eines Instrumentes in ein mit einem Bildgebungssystem
gewonnenes Bild mit höherer
Genauigkeit der tatsächlichen
Lage und Orientierung des Instrumentes relativ zum Körper des
Patienten entspricht.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe
gelöst
durch ein medizinisches System mit einem verfahrbaren C-Bogen-Röntgengerät zur Gewinnung von
3D-Bildern vom Körper
eines Patienten, mit einem Navigationssystem zur Bestimmung der
Position eines medizinischen Instrumentes relativ zum Körper des
Patienten und mit Mitteln zur Einblendung eines Abbildes des Instrumentes
in ein mit dem C-Bogen-Röntgengerät gewonnenes
3D-Bild zur Unterstützung
operativer Eingriffe, wobei während
einer Operation die Position des Instrumentes mit dem Navigationssystem
ermittelt wird, und wobei mit dem C-Bogen-Röntgengerät ein 3D-Bild während einer Operation
gewonnen wird, in welches das Abbild des Instrumentes nach der Durchführung einer
Registrierungsprozedur eingeblendet wird. Die mit dem C-Bogen-Röntgengerät während eines operativen Eingriffs
vom Körper
des Patienten gewonnenen, zur Einblendung von Instrumenten vorgesehenen
3D-Bilder zeigen dabei die tatsächliche
Lage und Form eines Körperteils
oder Organs, wodurch die Voraussetzungen für eine exakte, der realen Lage
und Orientierung des Instrumentes relativ zum Körper des Patienten entsprechenden
Einblendung des Abbildes des Instrumentes in eines der gewonnenen
3D-Bilder geschaffen werden. Die exakte Ermittlung der Lage und Orientierung
des Instrumentes relativ zum Operationssitus erfolgt mit Hilfe des
Navigationssystems und die entsprechende Einblendung des Abbildes
des Instrumentes in ein 3D-Bild mit Hilfe der Mittel zur Einblendung,
welche in der Praxis beispielsweise einen Bildrechner umfassen.
Eine derartige Einblendung des Abbildes des Instrumentes in ein
die tatsächliche Lage
und Form eines Körperteils
oder Organs darstellendes 3D-Bild stellt somit aufgrund ihrer hohen Übereinstimmung
mit den real am Operationssitus vorherrschenden Verhältnissen
für einen
Chirurgen eine wirkungsvolle und zuverlässige Unterstützung bei
operativen Eingriffen an Patienten dar, insbesondere wenn dem Chirurgen
der Blick auf das patientenseitige Ende des Instrumentes, beispielsweise weil das
Instrument in Gewebe eingedrungen ist, verwehrt ist. Unter der Einblendung
eines Abbildes eines Instrumentes wird dabei nicht notwendigerweise
eine originalgetreue Abbildung des Instrumentes verstanden. Vielmehr
kann die Abbildung des Instrumentes nur schematisch sein, wobei
zumindest die relevanten äußeren Abmessungen
des Instrumentes erkennbar sind. Als Navigationssystem zur Bestimmung
der Lage und der Orientierung eines Instrumentes sind magnetische
oder optische Navigationssysteme geeignet, wie sie beispielsweise
von der Firma Radionics vertrieben werden.
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Die Verwendung eines verfahrbaren
C-Bogen-Röntgengeräts zeichnet
sich dadurch aus, dass das C-Bogen-Röntgengerät bei Bedarf einfach und schnell
zum Zweck der Navigation an einen Patienten herangefahren und falls
nicht mehr erforderlich wieder entfernt werden kann, um Bewegungsraum für das OP-Team
zu schaffen.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, daß die
Position des C-Bogen-Röntgengerätes, also
dessen Lage und Orientierung, gleichzeitig mit der Position des
in ein mit dem C-Bogen-Röntgengerät gewonnenes
Bild einzublendenden Instrumentes erfaßbar ist. Gemäß einer
Variante der Erfindung wird gleichzeitig auch die Position einer
Patientenliege erfaßt,
auf welcher ein Patient während
des operativen Eingriffs gelagert ist. Vorzugsweise erfolgt die
Ermittlung der Positionen des Instrumentes, des C-Bogen-Röntgengerätes und der Patientenliege
mit dem Navigationssystem. Auf diese Weise wird die Einblendung
eines Abbildes eines Instrumentes in ein mit dem C-Bogen-Röntgengerät gewonnenes
Bild erleichtert, da nach einer anfangs notwendigen Registrierungsprozedur
zur Bestimmung der Ausgangslage des im Bild darzustellenden Instrumentes
relativ zum Operationssitus, die Registrierung des Instrumentes
bei Bewegungen des Instrumentes bzw. Verstellungen des C-Bogen-Röntgengerätes oder
der Patientenliege nicht mehr wiederholt werden muß, sondern
die Lage und Orientierung des Instrumentes aufgrund der gleichzeitigen Erfassung
der Positionen des Instrumentes, des C-Bogen-Röntgengerätes und der Patientenliege
online berechnet und entsprechend eingeblendet werden kann. Mit
dem medizinischen System sind also zur Unterstützung operativer Eingriffe
mit Abbildern von Instrumenten versehene 3D-Bilder online erzeugbar,
welche Positionsveränderungen
des Instrumentes, des C-Bogen-Röntgengerätes und/oder
der Patientenliege berücksichtigen.
Die 3D-Bilder sind dabei auch kontinuierlich erzeugbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der beigefügten
schematischen Zeichnungen dargestellt, welche ein erfindungsgemäßen medizinischen Systems
mit einem C-Bogen-Röntgengerät und einem
Navigationssystem zeigt.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
weist das C-Bogen-Röntgengerät 1 einen
auf Rädern 2 verfahrbaren
Gerätewagen 3 und
eine in der FIG nur schematisch angedeutete Hubvorrichtung 4 mit
einer Säule 5 auf.
An der Säule 5 ist
ein Halteteil 6 angeordnet, an dem eine Haltevorrichtung 7 zur
Lagerung eines C-Bogens 8 angeordnet ist. Am C-Bogen 8 sind
einander gegenüberliegend
ein Röntgenstrahler 9 und
ein Röntgenstrahlenempfänger 10 angeordnet.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
handelt es sich bei dem Röntgenstrahlenempfänger 10 um
einen an sich bekannten Festkörperdetektor.
Der Röntgenstrahlenempfänger kann
jedoch auch ein Röntgenbildverstärker sein, wobei
der Festkörperdetektor
gegenüber
dem Röntgenbildverstärker den
Vorteil besitzt, daß er
geometrisch verzerrungsfreie Röntgenbilder
liefert. Die mit dem Festkörperdetektor
gewonnenen Röntgenbilder können in
an sich bekannter Weise auf einer Anzeigeeinrichtung 11 dargestellt
werden.
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Das in der FIG gezeigte C-Bogen-Röntgengerät 1 zeichnet
sich dadurch aus, daß mit
ihm 3D-Röntgenbilder
vom Körper
bzw. von Körperteilen eines
auf einer vertikal und horizontal verstellbaren Patientenliege 12 gelagerten
Patienten P angefertigt werden können.
Zur 3D-Bildgebung ist ein im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
im Gerätewagen 3 des
C-Bogen-Röntgengerätes 1 angeordneter,
in nicht dargestellter Weise mit dem Festkörperdetektor 10 und
der Anzeigeeinheit 11 verbundener Bildrechner 13 vorhanden.
Der Bildrechner 13 rekonstruiert in an sich bekannter Weise
aus 2D-Projektionen, welche bei einer Verstellung des C-Bogens 8, beispielsweise
längs seines
Umfanges, um ein in einem Bild darzustellendes Körperteil des Patienten P gewonnen
werden, 3D-Bilder von dem darzustehlenden Körperteil.
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Mit Hilfe des Navigationssystems
des medizinischen Systems können
während
der Operation des Patienten P von einem in der FIG nicht dargestellten
Chirurgen verwendete Instrumente als Abbild in während der Operation angefertigte
3D-Bilder vom Körper
des Patienten P eingeblendet werden. Auf diese Weise erhält der Chirurg
eine wirkungsvolle und zuverlässige
Unterstützung
bei dem operativen Eingriff. Dies ist vor allem dann von Vorteil,
wenn dem Chirurgen beispielsweise beim Eindringen des Instrumentes
in Körpergewebe
des Patienten P der Blick auf das patientenseitige, in das Körpergewebe eingedrungene
Ende des Instrumentes verwehrt ist und keine Klarheft darüber besteht,
wie weit das Instrument bereits in den Körper des Patienten eingedrungen
bzw. wie die Lage des Instruments relativ zu einem Organ des Patienten
P ist. In einem solchen Fall kann der Chirurg anhand der Einblendung
des Abbildes des Instrumentes in ein vom Körper bzw. einem Körperteil
des Patienten P gewonnenen 3D-Bildes die Lage und Orientierung des
Instrumentes erkennen und das Instrument entsprechend navigieren.
Um ein Instrument genau anhand der Bildinformationen navigieren
zu können,
sind exakte Bilder des realen Operationssitus erforderlich, welche
erfindungsgemäß durch
die Gewinnung von 3D-Bildern während
der Operation erhalten werden.
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Die Bestimmung der Lage und der Orientierung
des Instruments relativ zu dem Operationssitus erfolgt im Falle
des vorliegenden Ausführungsbeispiels
mit einem optischen Navigationssystem Das Navigationssystem umfaßt Kameras 14, 15 und
Referenzelemente 16 bis 18, welche an hinsichtlich
ihrer Position zu erfassenden Instrumenten oder Objekten angeordnet
sind und von den Kameras 14, 15 aufgenommen werden.
Ein Rechner 19 des Navigationssystems wertet die mit den
Kameras 14, 15 aufgenommenen Bilder aus und kann
anhand der aufgenommenen Referenzelemente 16 bis 18 die
Positionen, d. h. die Lagen und Orientierungen der Referenzelemente 16 bis 18 und
somit der Instrumente bzw. Objekte im Raum ermitteln.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist das Referenzelement 16 an einem medizinischen Instrument 20,
das Referenzelement 17 am C-Bogen-Röntgengerät 1 und das Referenzelement 18 an
der Patientenliege 12 angeordnet. Auf diese Weise kann
der Rechner 19 anhand der gewonnenen Kamerabilder jeweils
die aktuellen Positionen des Instrumentes 20, des C-Bogen-Röntgengerätes 1 und der
Patientenliege 12 ermitteln. Der Rechner 19, welcher
in nicht dargestellter Weise mit dem Bildrechner 13 verbunden
ist, stellt dem Bildrechner 13 jeweils die Daten über die
aktuellen Positionen des Instrumentes 20, des C-Bogen-Röntgengerätes 1 und
der Patientenliege 12 zur Verfügung, so daß der Bildrechner 13 jeweils
die exakte Lage und Orientierung des Instrumentes 20 relativ
zum Operationssitus ermitteln und das Abbild des Instrumentes 20 in ein
mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 während der Operation
gewonnenes 3D-Bild einblenden kann. Zu Beginn der Einblendung des
Abbildes des Instrumentes 20 ist in der Regel eine Registrierungsprozedur erforderlich,
bei der die Ausgangslage des Instrumentes 20 relativ zum
Operationssitus sowie die Positionen des C-Bogen-Röntgengerätes 1 und
der Patientenliege 12 erfaßt werden. Alle weiteren Bewegungen
des Instrumentes 20, des C-Bogen-Röntgengerätes 1 und der Patientenliege 12 werden über die Kameras 14, 15 und
den Rechner 19 gleichzeitig und kontinuierlich erfaßt. Änderungen
der Positionen des Instrumentes 20, des C-Bogen-Röntgengerätes 1 oder
der Patientenliege 12 stehen dem Bildrechner 13 somit
quasi unmittelbar zur Verfügung,
so daß dieser
die Einblendung des Abbildes des Instrumentes 20 in ein
mit dem C-Bogen-Röntgengerät 1 gewonnenes
3D-Bild der veränderten
Situation entsprechend online anpassen kann. Auf diese Weise sind
nicht nur statische, sondern auch kontinuierlich aufeinanderfolgende,
mit der Einblendung des Abbildes des Instrumentes 20 versehene
3D-Bilder erzeugbar.
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In der FIG ist eine derartige Einblendung
eines Abbildes 21 des Instrumentes 20 in ein 3D-Bild exemplarisch
dargestellt.
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Als Navigationssystem muß im Falle
des vorliegenden Ausführungsbeispiels
nicht notwendigerweise ein optisches Navigationssystem zum Einsatz kommen.
Vielmehr sind auch magnetische Navigationssysteme zur Bestimmung
der Positionen von Instrumenten, C-Bogen-Röntgengerät und Patientenliege geeignet.
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Die Positionen des Instrumentes,
des C-Bogen-Röntgengerätes und
der Patientenliege müssen im übrigen nicht
gleichzeitig erfaßt
werden. Eine nahezu gleichzeitige Erfassung ist jedoch dann erforderlich,
wenn nach Veränderungen
der Positionen des Instrumentes, des C-Bogen-Röntgengerätes oder der Patientenliege
das Abbild des Instrumentes online in gewonnen 3D-Bilder eingeblendet
werden soll.
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Die Ermittlung der Positionen des
C-Bogen-Röntgengerätes und
der Patientenliege muß nicht
durch das Navigationssystem erfolgen. Vielmehr können die Positionen auch durch
andere geeignete Mittel zur Positionserfassung, welche beispielsweise
auf Basis signaltragender Wellen arbeiten, ermittelt werden.