DE202004008611U1

DE202004008611U1 - Vorrichtung zur eingriffslosen Bestimmung markanter Strukturen des menschlichen oder tierischen Körpers

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Publication number: DE202004008611U1
Application number: DE202004008611U
Authority: DE
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG; Universitaet Ulm
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2014-05-26

Abstract

Vorrichtung zur eingriffslosen Bestimmung der Lage und Orientierung markanter Strukturen im Inneren eines menschlichen oder tierischen Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ultraschallkopf (10) zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallstrahlung sowie eine Anzeige (12) zur Darstellung einer der Laufzeit einer ausgesandten, an einer markanten Struktur (14, 16, 18) des Körpers (8) reflektierten Ultraschallstrahlung entsprechenden Abbildung umfaßt, daß Markierelemente (2, 7) für den Ultraschallkopf (10) und den Körper (8) vorgesehen sind, die Teil eines Navigationssystems (3) sind, und daß eine Datenverarbeitungsanlage (6) vorgesehen ist, die aus der Relativposition und der Relativorientierung des Ultraschallkopfes (10) zum Körper (8) und der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes (10) und der gemessenen Laufzeit der Ultraschallstrahlung die Lage und Orientierung einer auf der Anzeige (12) dargestellten markanten Struktur (14, 16, 18) relativ zum Körper bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur eingriffslosen Bestimmung der Lage und Orientierung markanter Strukturen im Inneren eines menschlichen oder tierischen Körpers, bei dem man den Körper im Bereich der markanten Struktur mittels eines Ultraschall aussendenden und Ultraschall empfangenden Ultraschallkopfes mit Ultraschallstrahlung bestrahlt, die an der markanten Struktur reflektierende Ultraschallstrahlung empfängt und eine der Laufzeit der reflektierten Strahlung entsprechende Abbildung auf einer Anzeige darstellt.
Um bestimmte markante Strukturen im Inneren eines Körpers zu bestimmen, beispielsweise bestimmte Knochenstrukturen, und deren genaue Lage und Orientierung relativ zum Körper festzustellen, ist es bisher notwendig, den Körper zu öffnen und im Inneren des Körpers diese Struktur mit einem Tastinstrument zu erfassen, dessen Lage und Orientierung relativ zum Körper beispielsweise über ein Navigationssystem bestimmt werden kann. Dadurch erhält man Auskunft über die Lage und gegebenenfalls Orientierung der markanten Strukturen relativ zum Körper.
Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß dazu eine Öffnung des Körpers notwendig ist, wenn man derartige Strukturen durch Weichgewebe hindurch ertastet, können sich Ungenauigkeiten einstellen.
Andererseits ist es bekannt, Körperstrukturen im Inneren des Körpers über Ultraschallstrahlung abzutasten. Bei bekannten Ultraschall-Abtastverfahren wird über einen Ultraschallkopf Ultraschallstrahlung in den Körper gerichtet, wird dort an markanten Strukturen reflektiert, und vom Ultraschallkopf wird die reflektierte Strahlung wieder aufgenommen. Aus der Laufzeit läßt sich der Abstand der Reflexionsflächen von dem Ultraschallkopf bestimmen, und aus der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes auch die Lage der markanten Strukturen. Insgesamt kann man auf diese Weise zwar die Form der markanten Strukturen erfassen und abbilden, erhält aber nicht genaue Angaben über Lage und Orientierung relativ zum Körper.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß auch ohne Eingriff in den Körper die genaue Lage und Orientierung markanter Strukturen im Körper relativ zum Körper festgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie einen Ultraschallkopf zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallstrahlung sowie eine Anzeige zur Darstellung einer der Laufzeit einer ausgesandten, an einer markanten Struktur des Körpers reflektierten Ultraschallstrahlung entsprechenden Abbildung umfaßt, daß Markierelemente für den Ultraschallkopf und den Körper vorgesehen sind, die Teil eines Navigationssystems sind, und daß eine Datenverarbeitungsanlage vorgesehen ist, die aus der Relativposition und der Relativorientierung des Ultraschallkopfes zum Körper und der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes und der gemessenen Laufzeit der Ultraschallstrahlung die Lage und Orientierung einer auf der Anzeige dargestellten markanten Struktur relativ zum Körper bestimmt.
Man verwendet also einen navigierten Ultraschallkopf und navigiert zusätzlich den Körper. Der Ultraschallkopf ermöglicht eine Aussage über die Richtung der Ultraschallstrahlung und über den Abstand der reflektierenden Fläche vom Ultraschallkopf, und diese Richtung des Ultraschallkopfes ist mit der Lage und Orientierung des Ultraschallkopfes verbunden, die über die Navigation festgestellt wird. Auf diese Weise erhält man alle notwendigen Daten, um die Lage und Orientierung der reflektierenden Fläche und damit der markanten Struktur im Körper relativ zum Körper zu bestimmen. Eine Öffnung des Körpers, wie dies bei der Verwendung von navigierten Tastern der Fall ist, ist nicht mehr notwendig, der Ultraschallkopf übernimmt die Rolle eines "virtuellen Tasters".
Vorteilhaft ist es, wenn man einen Ultraschallkopf verwendet, der Ultraschallstrahlung über eine Vielzahl von Sende- und Empfangseinrichtungen aussendet beziehungsweise empfängt, die in einer Reihe angeordnet sind und die Ultraschallstrahlung in eine gemeinsame Ebene abstrahlen. Dadurch wird gleichzeitig eine vollständige Ebene mit Ultraschallstrahlung abgetastet, und der Operateur kann beim Ansetzen des Ultraschallkopfes an den Körper den Ultraschallkopf so ausrichten, daß die zu erfassende markante Struktur optimal auf der Anzeige abgebildet wird, also klar sichtbar ist. Dies führt automatisch auch dazu, daß der Ultraschallkopf relativ zu einer bestimmten Struktur in praktisch immer der gleichen Weise angesetzt wird, beispielsweise immer so, daß der Ultraschallkopf parallel zu einem Beckenkamm verläuft. Dies gewährleistet eine weitgehend reproduzierbare Abtastung der markanten Struktur mit der Ultraschallstrahlung.
Um die auf der Anzeige dargestellte Abbildung auswerten zu können, kann der Operateur auf der Abbildung bestimmte charakteristische Punkte auswählen, beispielsweise durch Anfahren einer optischen Markierung und Speicherung der entsprechenden Positionsdaten dieser Markierung. In einigen Fällen ist dies aber nicht ohne weiteres möglich, da die dargestellten Strukturen die Auswahl eines bestimmten exakten Punktes nicht ermöglichen. Es ist dann vorteilhaft, wenn man die markante Struktur auf der Anzeige mit einer vorgegebenen geometrischen Struktur möglichst gut zur Deckung bringt und aus der Lage der vorgegebenen geometrischen Struktur auf der Anzeige Strukturdaten der markanten Struktur des Körpers bestimmt. Eine solche vorgegebene geometrische Struktur kann beispielsweise eine gerade oder eine gebogene Linie sein, insbesondere kann es sich dabei beispielsweise um einen Kreis handeln, der so an eine annähernd kreisförmige Struktur der Anzeige angepaßt wird, daß eine möglichst gute Überdeckung erfolgt, gegebenenfalls auch nur in einem bestimmten Teilbereich der vorgegebenen geometrischen Struktur.
Bei Verwendung eines Kreises kann es vorteilhaft sein, wenn man als Strukturdaten der vorgegebenen geometrischen Struktur eine Kugel bestimmt mit dem Kreis der vorgegebenen Struktur als Großkreis. Diese Kugel wird zur Charakterisierung einer bestimmten markanten Struktur verwendet.
Das beschriebene Verfahren kann an verschiedenen Stellen des Körpers durchgeführt werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß man als markante Struktur die linken und rechten Beckenkämme und zusätzlich die Symphyse des Hüftknochens auswählt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn man aus den beiden Beckenkammabbildungen und der Symphyseabbildung auf der Anzeige je einen markanten Punkt be stimmt und aus diesen drei Punkten eine für den Hüftknochen charakteristische Ebene berechnet.
Insbesondere kann man die charakteristische Ebene dabei derart wählen, daß in ihr ein charakteristischer Punkt der Symphyse liegt, der direkt aus der Anzeige bestimmbar ist, und daß man den beiden Beckenkämmen in der oben beschriebenen Weise Kugeln zuordnet, an deren Oberfläche die charakteristische Ebene anliegt. Eine solche Ebene kann man als charakteristische Ebene des Hüftknochens bezeichnen, diese Ebene kann beispielsweise als Grundlage für die geometrische Beschreibung des Hüftknochens und die Wahl eines hüftknochenfesten Koordinatensystems dienen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1 : eine schematische Ansicht eines navigierten mechanischen Tasters zur Abtastung markanter Strukturen im Körper entsprechend dem Stand der Technik;
2 : eine schematische Ansicht eines navigierten Ultraschallkopfes in Anlage an einem Beckenkamm des Hüftknochens mit zugehöriger Darstellung der vom Ultraschallkopf gelieferten Abbildung auf einer Anzeige;
3 : eine Ansicht ähnlich 2 mit dem Ultraschallkopf in Anlage am anderen Beckenkamm;
4 : eine Ansicht ähnlich 2 mit dem Ultraschallkopf in Anlage an das Symphyse des Hüftknochens;
5 : eine schematische Darstellung zur Auswertung der Abbildungen der 2 bis 4 und zur Bestimmung einer für den Hüftknochen charakteristischen Ebene;
6 : eine Ansicht ähnlich 2 mit der Anlage des Ultraschallkopfes an einem Oberschenkelknochen und
7 : eine Ansicht ähnlich 2 mit einem an das Fußgelenk angelegten Ultraschallkopf.
In 1 ist eine herkömmliche Vorrichtung zur mechanischen Abtastung einer markanten Struktur des Körpers dargestellt. Diese Einreichung umfaßt einen mechanischen Taster 1, an dem ein Markierelement 2 eines herkömmlichen Navigationssystems 3 festgelegt ist, dieses Navigationssystem 3 umfaßt mehrere Sende- und Empfangseinheiten 4, die elektromagnetische Strahlung aussenden, die an Reflektoren 5 des Markierelementes 2 reflektiert und von den Sende- und Empfangseinheiten 4 wieder aufgefangen wird. Aus diesen Signalen kann das Navigationssystem 3 in an sich bekannter Weise die genaue Lage und Orientierung des Markierelementes 2 und damit des Tasters 1 im Raum feststellen. Die entsprechenden Positionsdaten werden einer Datenverarbeitungsanlage 6 zugeführt.
Ein weiteres Markierelement 7, das gleich aufgebaut ist wie das Markierelement 2, ist an einem Teil des Körpers 8 befestigt, dessen markante Struktur bestimmt werden soll. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Markierelement 7 an einem Hüftknochen 9 festgelegt, beispielsweise mittels einer in den Hüftknochen 9 eingeschraubten Knochenschraube. Derartige Markierelemente werden zu Operationen üblicherweise verwendet und dienen dann der Bestimmung der Lage und Orientierung des entsprechenden Körperteils während einer Operation.
Es ist aber auch ohne weiteres möglich, derartige Markierelemente am ungeöffneten Körper anzuordnen, beispielsweise mit Hilfe von Haltern, die an der Außenseite des Körpers durch die Weichgewebeteile hindurch festgelegt werden, eine solche Festlegung kann über Bänder erfolgen etc.
Das Navigationssystem 3 kann auf diese Weise sowohl Lage und Orientierung des Tasters 1 als auch Lage und Orientierung des Körperteils bestimmen, an dem eine Struktur lokalisiert werden soll. Diese Lokalisierung erfolgt bei der in 1 beschriebenen Vorrichtung, die dem bekannten Stand der Technik entspricht, dadurch, daß die Spitze des Tasters 1 an die entsprechende Struktur angelegt wird, dazu muß der Körper geöffnet sein, die entsprechende Struktur muß freigelegt werden.
Um dies zu vermeiden, wird bei einem Verfahren, wie es nachstehend anhand der 2 bis 7 erläutert wird, statt eines mechanischen Tasters ein Ultraschallkopf 10 verwendet, der an sich zur Untersuchung körperinnerer Strukturen bekannt ist und der mittels einer Anlagefläche 11 an der Außenseite des Körpers anlegbar ist. Ein solcher Ultraschallkopf 10 strahlt beispielsweise über mehrere Sende- und Empfangseinheiten, die in einer Reihe angeordnet sind, Ultraschallstrahlung in eine allen Sende- und Empfangseinheiten gemeinsame Ebene ab und empfängt an inneren Körperstrukturen reflektierte Ultraschallstrahlung, die in dieser Ebene zurückgeworfen wird. Aus der Laufzeit zwischen Aussenden und Empfangen der Strahlung läßt sich der Abstand der reflektierenden Fläche an der inneren Struktur des Körpers zum Ultraschallkopf 10 bestimmen, und diese Daten werden der Datenverarbeitungsanlage 6 zugeführt.
Am Ultraschallkopf 10 ist das Markierelement 2 befestigt, so daß die Lage des Ultraschallkopfes und dessen Orientierung durch das Navigationssystem 3 bestimmt werden.
Das vom Ultraschallkopf 10 erzeugte Muster wird auf einem Bildschirm 12 dargestellt, so daß der Operateur am Bildschirm 12 das Reliefmuster der Ultraschallstrahlung, also der Laufzeitmessungen der Ultraschallstrahlung, ablesen kann. Dieses Muster zeigt bestimmte Strukturen, die sich aus der Struktur der die Ultraschallstrahlung reflektierenden Fläche ergeben, also beispielsweise einer Knochenoberfläche.
Am Beispiel eines Hüftknochens 9 wird anhand der 2 bis 4 erörtert, wie auf diese Weise bestimmte Strukturen des Hüftknochens bestimmt werden können und wie diese Strukturen zur Charakterisierung des Hüftknochens Verwendung finden können.
Der Ultraschallkopf 10 wird zunächst an einer Seite des Hüftknochens 9 so auf den Körper 8 aufgesetzt, daß er im wesentlichen mit dem Beckenkamm 14 ausgerichtet ist. Die genaue Ausrichtung kann der Operateur anhand der Anzeige auf dem Bildschirm 12 vornehmen, da sich bei exakter Ausrichtung zum Beckenkamm 14 eine besonders scharfe und deutlich erkennbare Struktur ergibt, dadurch läßt sich der Ultraschallkopf weitgehend reproduzierbar an Hüftknochen 9 unterschiedlicher Patienten anlegen.
Dabei ergibt sich eine für diesen Beckenkamm 14 des Hüftknochens 9 charakteristische Abbildung auf dem Bildschirm 12, bei dieser Abbildung sind bogenförmige Bereiche 15 deutlich erkennbar.
In gleicher Weise wird am gegenüberliegenden Beckenkamm 16 vorgegangen. Man erhält dabei eine im wesentlichen gleiche Darstellung am Bildschirm 12 mit bogenförmigen Bereichen 17.
In einem dritten Schritt wird der Ultraschallkopf in der Mitte des Hüftknochens 9 an dessen unterem Ende im Bereich der Symphyse 18 angelegt, dabei erhält man auf dem Bildschirm 12 eine deutliche nach unten weisende Spitze 19, welche die Symphysenstruktur widerspiegelt.
Um aus den abgebildeten Strukturen die notwendigen Positions- und Orientierungsdaten zu erhalten, können auf dem Bildschirm 12 Symbole mit vorgegebener geometrischer Struktur dargestellt und verschoben werden, beispielsweise Kreise 20, 21 (2 und 3) und Punkte 22 (4). Diese Symbole kann der Operateur so auf dem Bildschirm 12 verschieben, daß mit den dargestellten Ultraschallbildern eine bewußte Koordinierung erfolgt, beispielsweise können die Kreise 20 und 21 optimal an die bogenförmigen Bereiche 15 beziehungsweise 17 angelegt werden, der Punkt 22 kann auf die Spitze 19 aufgelegt werden. Damit lassen sich geometrische Datensätze bestimmen, die der Datenverarbeitungsanlage 6 zugeführt werden und die jeweils charakteristisch sind für die mit dem Ultraschallkopf bestrahlten Körperbereiche und markanten Strukturen.
Die Datenverarbeitungsanlage legt durch die beiden Kreise 20, 21 eine Kugel, die denselben Mittelpunkt und denselben Radius aufweist wie die Kreise, so daß die Kreise Großkreise bilden. Dann berechnet die Datenverarbeitungsanlage aus der Lage des Punktes 22 einerseits und den auf diese Weise bestimmten Kugeln andererseits eine Ebene, in der der Punkt 22 liegt und die sich tangential an die beiden Kugeln anlegt (5). In dieser Ebene liegt ein Punkt jedes Beckenkammes 14, da die Kreise 20, 21 an die bogenförmigen Bereiche 15, 17 des Beckenkammes angelegt waren, so daß dies auch für die Kugel zutrifft. Es wird also eine Ebene bestimmt, die je einen Punkt jedes Beckenkammes und den an der Symphyse bestimmten Punkt enthält, eine solche Ebene ist eine charakteristische Ebene für die Lage und Orientierung des Hüftknochens, und diese Ebene kann verwendet werden, um in einem weiteren Operationsverlauf ein hüftknocheneigenes Koordinatensystem zu bestimmen und relativ zum Hüftknochen notwendige Positionierungen von Implantaten, Bearbeitungswerkzeugen etc. vorzunehmen.
Vorstehend ist die berührungslose Bestimmung charakteristischer Körperstrukturen am Beispiel des Hüftknochens erörtert worden, in ähnlicher Weise lassen sich markante Strukturen an anderen Körperstellen auffinden, beispielsweise am hüftsgelenksseitigen Ende eines Femurknochens 23 (6), an den der Ultraschallkopf 10 in charakteristischer Weise angelegt wird, oder am knöchelseitigen Ende eines Tibiaknochens 24 (7). Diese Darstellungen sind lediglich als Anwendungsbeispiele zu sehen. Es versteht sich, daß der Ultraschallkopf 10 an der Körperaußenseite angelegt wird, eine Eröffnung des Körpers also nicht notwendig ist, um die körperinneren Strukturen abzutasten.

Claims

Vorrichtung zur eingriffslosen Bestimmung der Lage und Orientierung markanter Strukturen im Inneren eines menschlichen oder tierischen Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ultraschallkopf (10) zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallstrahlung sowie eine Anzeige (12) zur Darstellung einer der Laufzeit einer ausgesandten, an einer markanten Struktur (14, 16, 18) des Körpers (8) reflektierten Ultraschallstrahlung entsprechenden Abbildung umfaßt, daß Markierelemente (2, 7) für den Ultraschallkopf (10) und den Körper (8) vorgesehen sind, die Teil eines Navigationssystems (3) sind, und daß eine Datenverarbeitungsanlage (6) vorgesehen ist, die aus der Relativposition und der Relativorientierung des Ultraschallkopfes (10) zum Körper (8) und der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes (10) und der gemessenen Laufzeit der Ultraschallstrahlung die Lage und Orientierung einer auf der Anzeige (12) dargestellten markanten Struktur (14, 16, 18) relativ zum Körper bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkopf (10) über eine Vielzahl von Sende- und Empfangseinrichtungen Ultraschallstrahlung aussendet beziehungsweise empfängt, die in einer Reihe angeordnet sind und die Ultraschallstrahlung in eine gemeinsame Ebene abstrahlen. Strahlung in eine gemeinsame Ebene abstrahlen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die markante Struktur auf der Anzeige mit einer vorgegebenen geometrischen Struktur möglichst gut zur Deckung bringt und aus der Lage der vorgegebenen geometrischen Struktur auf der Anzeige Strukturdaten der markanten Struktur des Körpers bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene geometrische Struktur ein Kreis ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Strukturdaten der vorgegebenen geometrischen Struktur eine Kugel bestimmt mit dem Kreis der vorgegebenen Struktur als Großkreis.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als markante Strukturen die linken und rechten Beckenkämme und zusätzlich die Symphyse eines Hüftknochens auswählt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man aus beiden Beckenkamm-Abbildungen und der Symphyse-Abbildung auf der Anzeige je einen markanten Punkt bestimmt und aus diesen drei Punkten eine für den Hüftknochen charakteristische Ebene berechnet.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die charakteristische Ebene derart wählt, daß in ihr ein charakteristischer Punkt der Symphyse liegt und daß man den beiden Beckenkämmen Kugeln zuordnet, an deren Oberfläche die charakteristische Ebene anliegt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ultraschallkopf (10) zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallstrahlung sowie eine Anzeige (12) zur Darstellung einer der Laufzeit einer ausgesandten, an einer markanten Struktur (14, 16, 18) des Körpers (8) reflektierten Ultraschallstrahlung entsprechenden Abbildung umfaßt, daß Markierelemente (2, 7) für den Ultraschallkopf (10) und den Körper (8) vorgesehen sind, die Teil eines Navigationssystems (3) sind, und daß eine Datenverarbeitungsanlage (6) vorgesehen ist, die aus der Relativposition und der Relativorientierung des Ultraschallkopfes (10) zum Körper (8) und der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes (10) und der gemessenen Laufzeit der Ultraschallstrahlung die Lage und Orientierung einer auf der Anzeige (12) dargestellten markanten Struktur (14, 16, 18) relativ zum Körper bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkopf (10) über eine Vielzahl von Sende- und Empfangseinrichtungen Ultraschallstrahlung aussendet beziehungsweise empfängt, die in einer Reihe angeordnet sind und die Ultraschallstrahlung in eine gemeinsame Ebene abstrahlen.