DE202004014857U1

DE202004014857U1 - Vorrichtung zur virtuellen Lagebetrachtung wenigstens eines in einen Körper intrakorporal eingebrachten medizinischen Instruments

Info

Publication number: DE202004014857U1
Application number: DE202004014857U
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2014-03-12
Also published as: WO2005037120A1

Abstract

Vorrichtung zur virtuellen Lagebetrachtung wenigstens eines in einen Körper intrakorporal eingebrachten medizinischen Instruments mit einem Positionserfassungssystem, das die räumliche Lage des wenigstens einen medizinischen Instrumentes erfasst, einer Bildaufbereitungseinheit, die auf der Grundlage einer von dem Positionserfassungssystem erfassten räumlichen Lageinformation ein virtuelles Abbild des medizinischen Instrumentes generiert, das lagegetreu auf einem Sichtgerät zur visuellen Darstellung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtgerät räumlich bewegbar gelagert ist, dass das Positionserfassungssystem die räumliche Lage des Sichtgerätes erfasst, und dass die Bildaufbereitungseinheit in Abhängigkeit der räumlichen Lage des Sichtgerätes das virtuelle Abbild des medizinischen Instrumentes zur Darstellung bringt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur virtuellen Lagebetrachtung wenigstens eines in einen Körper intrakorporal eingebrachten medizinischen Instruments mit einem Positionserfassungssystem, das die räumliche Lage des wenigstens einen medizinischen Instrumentes erfasst, einer Bildaufbereitungseinheit, die auf der Grundlage einer von dem Positionserfassungssystem erfassten räumlichen Lageinformation ein virtuelles Abbild des medizinischen Instrumentes generiert, das lagegetreu auf einem Sichtgerät zur visuellen Darstellung bringbar ist.
Stand der Technik
Bei der Durchführung minimal-invasiver Eingriffe, vorzugsweise in den menschlichen Körper, ist dem behandelnden Arzt die Sicht auf das distale Ende des intrakorporal in den Körper eingebrachten medizinischen Instrumentes verwehrt. Für eine exakte räumliche Positionierung der intrakorporal eingebrachten Instrumente ist es daher aus Gründen eines erwünschten diagnostischen oder therapeutischen Behandlungserfolges sowie der Vermeidung irreversibler Gewebeschädigungen durch intrakorporale Fehlpositionierungen der Instrumente unvermeidbar, dem Arzt technische Navigationshilfen zur Hand zu geben, mit denen die exakte Lage der intrakorporal eingebrachten distalen Enden der medizinischen Instrumente bestimmbar ist.
Beim Einsatz so genannter Sichtendoskope erhält der Arzt über eine im Endoskop integrierte Sichtoptik einen unmittelbaren Einblick auf den distalseits vor dem medizinischen Instrument befindlichen Gewebebereich, den der Arzt über eine direkt mit der Sichtoptik verbundene Okulareinheit oder unter Verwendung einer geeigneten Videokamera auf einem Monitor betrachten kann. Derartige Sichtendoskope, die sowohl als starre als auch flexible medizinische Instrumente ausgebildet sein können, dienen in erster Linie zu Diagnosezwecken. Es sind jedoch auch Sichtendoskope bekannt, die über wenigstens einen zusätzlichen Arbeitskanal verfügen, über den geeignete medizinische Katheterwerkzeugelemente eingeführt werden können.
Darüber hinaus existiert jedoch eine Vielzahl medizinischer Instrumente ohne die Möglichkeit längs eines vorhandenen Sichtkanals einen direkten Einblick in den zu behandelnden Körperbereich zu gewähren. Beispielsweise werden zu Gewebeuntersuchungen Biopsienadelvorrichtungen eingesetzt, die es gilt, exakt an eine gewünschte intrakorporale Gewebestelle zu platzieren, um eine gezielte Gewebeentnahme durchführen zu können. Derartige minimal-invasive Eingriffe werden bis anhin mittels geeigneter Bild gebender Verfahren, wie beispielsweise die Ultraschall-, Röntgen- oder Computertomographie-Diagnostik überwacht. Nachteilhaft beim Einsatz derartiger Bild gebender Verfahren ist jedoch die nur schlechte Abbildungsqualität, mit der körperfremde Materialien, also insbesondere die intrakorporal eingebrachten medizinischen Instrumente, in den mit Hilfe der Bild gebenden Verfahren erhaltenen medizinischen Bilddaten dargestellt und abgebildet werden. So treten in Abhängigkeit der Materialien, aus denen die medizinischen Instrumente bestehen, Bildartefakte auf, durch die eine exakte Positionierung nur mit großer Ungenauigkeit bzw. in manchen Fällen überhaupt nicht vornehmbar ist.
Aus der DE 199 51 503 A1 ist ein medizinisches System mit einem Bildgebungs- und einem Navigationssystem zu entnehmen, das die Bestimmung der Position eines medizinischen Instrumentes relativ zum Körper eines Patienten ermöglicht. So wird der zu diagnostizierende bzw. zu therapierende Körperbereich mit einem Bild gebenden System, beispielsweise einer Röntgenanordnung oder einem Ultraschallgerät, erfasst und ein medizinisches Abbild des intrakorporalen Körperbereiches, beispielsweise auf einem Bildschirm, zur Darstellung gebracht. Zur exakten Positionserfassung des intrakorporal eingebrachten medizinischen Instrumentes dient ein Navigationssystem, das eine Stereokammeranordnung umfasst, die an einem jeweiligen medizinischen Instrument angebrachte Referenzelemente erfasst und mit Hilfe eines Navigationsrechners die exakte räumliche Position der jeweiligen Referenzelemente ermittelt. Auf der Grundlage der Positionsermittlung wird ein virtuelles Abbild des jeweiligen medizinischen Instrumentes generiert und in Überlagerung mit dem durch das Bild gebende System gewonnene medizinische Abbild des erfassten Körperbereiches auf dem Bildschirm zur Darstellung gebracht.
Ein ähnliches System ist der DE 199 51 502 A1 zu entnehmen.
Mit dem vorstehend erläuterten System werden die von dem zu diagnostizierenden oder zu therapierenden Körperbereich gewonnenen Bilddaten auf einem Monitor dargestellt, auf dem in Überlagerung ebenso das virtuelle Abbild des im Einsatz befindlichen chirurgischen Instrumentes abgebildet wird, doch ist der zu behandelnde Arzt stets gezwungen, sein Blickfeld auf den Monitor zu richten, der in aller Regel vom Ort des minimal-invasiven Eingriffes verschieden ist. Zumeist ist der Arzt gezwungen, während des Eingriffes seinen Kopf ständig zwischen dem Monitor und dem zu behandelnden Körperbereich zu bewegen, was einerseits zu einer schnellen Ermüdung des praktizierenden Arztes führt und andererseits eine große Erfahrung des Arztes erfordert, um die von Seiten des Monitors erhaltenen Bildinformationen unmittelbar zur manuellen Bedienung des extrakorporal aus dem Körperbereich des Patienten herausragenden medizinischen Instrumentes anzuwenden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorstehend genannten Gattung derart weiterzubilden, dass ein Arzt während der Durchführung eines minimal-invasiven Eingriffes die vollständigen Lageinformationen über die distalen Endbereiche der intrakorporal eingebrachten medizinischen Instrumente erhält, wobei es zu vermeiden gilt, die vorstehend als unangenehm empfundenen Kopfbewegungen von Seiten des Arztes durchführen zu müssen. Insbesondere soll dafür Sorge getragen werden, dass der Arzt in einer möglichst ergonomisch günstigen und ermüdungsfreien Haltung den chirurgischen Eingriff durchführen kann.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein minimal-invasiver chirurgischer Eingriff, der von Seiten des Arztes ein Höchstmaß feinmotorischer Fähigkeiten voraussetzt, für den Arzt eine erhebliche Erleichterung bietet, wenn sich das Blickfeld des behandelnden Arztes möglichst andauern, ohne Unterbrechungen auf den zu behandelnden Körperbereich des Patienten und die dort proximalseitig aus dem Patienten herausragenden medizinischen Instrumente richtet. Sobald der Arzt jedoch zu Zwecken der Instrumentennavigation sein Blickfeld auf einen zumeist neben der Patientenliege angeordneten Sichtmonitor lenkt, gilt es für den Arzt die am Sichtmonitor visuell dargestellten Lageinformationen in feinmotorische Handgriffe umzusetzen, die sich jedoch nicht in seinem aktuellen Blickfeld befinden. Dies erfordert vom Arzt ein hohes Maß an Erfahrung sowie Konzentrationsstärke, um den jeweiligen chirurgischen Eingriff mit der erforderlichen Sorgfalt durchführen zu können.
Erfindungsgemäß ist demzufolge eine Vorrichtung zur virtuellen Lagebetrachtung wenigstens eines in einen Körper intrakorporal eingebrachten medizinischen Instruments mit einem Positionserfassungssystem, das die räumliche Lage des wenigstens einen medizinischen Instrumentes erfasst, einer Bildaufbereitungseinheit, die auf der Grundlage einer von dem Positionserfassungssystem erfassten räumlichen Lageinformation ein virtuelles Abbild des medizinischen Instrumentes generiert, das lagegetreu auf einem Sichtgerät zur visuellen Darstellung bringbar ist, derart ausgebildet, dass das Sichtgerät räumlich bewegbar gelagert ist, dass das Positionserfassungssystem die räumliche Lage des Sichtgerätes erfasst und dass die Bildaufbereitungseinheit in Abhängigkeit der räumlichen Lage des Sichtgerätes das virtuelle Abbild des medizinischen Instrumentes zur Darstellung bringt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, das Sichtgerät möglichst nahe am Operationssitus anzubringen, so dass der behandelnde Arzt sowohl das Sichtgerät als auch die für den medizinischen Eingriff erforderlichen medizinischen Instrumente gemeinsam im Blickfeld hat.
Bevorzugt eignen sich hierzu portabel ausgebildete Sichtgeräte, beispielsweise in Form von kompakt ausgebildeten Flachbildschirmen, beispielsweise LCD-Displays, die entweder freitragend oder unterstützt an einem räumlich positionierbaren Befestigungsarm in unmittelbarer Nähe zum Bereich des operativen Eingriffes positionierbar sind.
Das Positionserfassungssystem, das vorzugsweise als optische Stereokamera ausgebildet ist, vermag neben der Lageerfassung der am chirurgischen Eingriff beteiligten medizinischen Instrumente ebenso auch die räumliche Lage des Sichtgerätes selbst zu erfassen. Hierzu befinden sich sowohl an den medizinischen Instrumenten als auch dem Sichtgerät optisch, vom Positionserfassungssystem wahrnehmbare Markenelemente, deren räumliche Position, zumeist im Wege des Triangulationsverfahrens exakt bestimmbar ist. Durch die Erfassung der Relativlage zwischen dem Sichtgerät und den an der Operation beteiligten medizinischen Instrumente kann der Betrachtungswinkel ermittelt werden, unter dem die Medizinischen Instrumente aus der Position des Sichtgerätes betrachtet werden. Durch die Umsetzung der medizinischen Instrumente in ihre virtuellen Abbilder werden diese entsprechend dem vorstehend definierten Betrachtungswinkel auf dem Sichtgerät dargestellt, dessen räumliche Relativlage zu den reellen medizinischen Instrumenten den Betrachtungswinkel definiert.
Für den Arzt ist es somit möglich, das Sichtgerät derart frei zu positionieren, so dass eine für die Durchführung des minimal-invasiven Eingriffes optimale Darstellung der medizinischen Instrumente auf dem Sichtgerät erzielt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Sichtgerät in eine vom Arzt während des Eingriffes zu tragende Operationsbrille integriert werden, durch die der Arzt sowohl einen freien Blick auf den Operationsbereich am Patienten, als auch auf die virtuellen Abbilder der an der Operation beteiligten medizinischen Instrumente hat.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhält der Arzt eine klar verständliche Darstellung des Zusammenspiels der chirurgischen Instrumente und der durch die virtuellen Abbilder der medizinischen Instrumente dargestellten Behandlungssituation. Hierdurch wird die Koordination aller an der Operation beteiligter Instrumente für den Arzt erheblich erleichtert, so dass letztlich auch Ärzte mit einem geringeren Erfahrungsschatz erfolgreich derartige minimal-invasive Eingriffe vornehmen können.
Durch die von dem Arzt oder seinem Assistenten vornehmbare Positionsveränderung des Sichtgerätes können die eingesetzten medizinischen Instrumente von einem für den Arzt erwünschten Blickwinkel dargestellt werden, so dass jederzeit aus der Darstellung der virtuellen Abbilder der medizinischen Instrumente erkannt werden kann, wie die Instrumente zur Fortsetzung der Behandlung oder Untersuchung bedient werden müssen.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In der einzigen Figurdarstellung ist eine Behandlungssituation dargestellt, bei der ein Patient P im Wege eines minimal-invasiven Eingriffes mit zwei medizinischen Instrumenten 2 behandelt wird. Die medizinischen Instrumente 2 ragen mit ihren strichliert dargestellten distalen Endbereichen in den Körper des Patienten P hinein, so dass diese Bereiche von dem nicht in der Figur dargestellten Arzt visuell verborgen bleiben. Ein vorzugsweise aus einer Stereokameraeinheit bestehendes Positionserfassungssystem 1 detektiert Markenelemente 7, die jeweils am Schaftbereich der medizinischen Instrumente 2 angebracht sind. Zur eineindeutigen Lagebestimmung der medizinischen Instrumente 2 sind jeweils drei Markenelemente 7 am proximalseitigen Schaft der medizinischen Instrumente 2 angebracht. Typischerweise stellen die Markenelemente 7 passive Reflektoren dar, die von der Stereokameraeinheit 1 erfassbar sind. Mit Hilfe einer entsprechenden Recheneinheit 5 ist es möglich, unter Berücksichtigung von der Lage und Position der medizinischen Instrumente 2 die als Computermodell vorliegenden virtuellen Abbilder der medizinischen Instrumente in einer virtuellen, dreidimensionalen Szene überzuführen, die als Echtzeitmodell auf einer portablen Monitoreinheit 3 dargestellt wird und die aktuelle Behandlungssituation angibt. Zur Darstellung der Behandlungssituation gilt es den räumlichen Standpunkt der Monitoreinheit 3 zu erfassen. Hierzu kann entweder die Monitoreinheit 3 mit entsprechenden Markerelementen 7 versehen sein, oder der Arzt berührt zum Zwecke der Positionserfassung die Monitoreinheit 3 mit einem entsprechenden Zeigeinstrument 6, dessen räumliche Lage vom Positionserfassungssystem 1 erfasst und registriert wird. Durch diese Art der Wahl des Blickpunktes lässt sich die Szene intuitiv darstellen, da sie dem Blickwinkel des Arztes auf den Patienten entspricht. In der in der Figur dargestellten Szene entspricht die Darstellung einer Durchleuchtung des Patienten P, bei der die virtuellen Abbilder der medizinischen Instrumente 2 seitlich von vorn gezeigt werden. Die Recheneinheit 5 verfügt in an sich bekannter Weise über eine Tastatur sowie einen Monitor 4, auf dem weitere Darstellungen abgebildet werden können.
Ferner ist es möglich, die auf der Monitoreinheit 3 dargestellte virtuelle Szene der medizinischen Instrumente durch Eingabe weiterer Ortsinformationen zu beeinflussen. Denkbar ist es den dargestellten Blickwinkel auf die virtuellen Instrumente durch eine virtuelle Kamera vorzugeben, bspw. durch eine geeignete Positionserfassung des Zeigeinstrumentes 6, das der Arzt an einer geeigneten Stelle positioniert. Eine Ortserfassung des Zeigeinstrumentes 6 kann manuell über ein geeignetes Eingabemittel am Zeigeinstrument aktiviert werden, so dass sich die Szene an der Monitoreinheit nicht kontinuierlich verändert, sobald das Zeigeinstrument bewegt wird. Ein derartiges Eingabemittel kann optional auch an dem Sichtgerät 3 vorgesehen sein. Je nach Anwendergewohnheiten kann das Eingabemittel auch deaktiviert werden, so dass der Betrachtungswinkel der dargestellten Szene kontinuierlich verändert wird, sobald eine Bewegung des Zeigeinstrumentes oder des Sichtmonitors erfolgt.

1: Positionserfassungssystem
2: Medizinische Instrumente
3: Sichtgerät, Monitoreinheit
4: Sichtmonitor
5: Rechnereinheit
6: Zeigerinstrument
7: Markenelemente

Claims

Vorrichtung zur virtuellen Lagebetrachtung wenigstens eines in einen Körper intrakorporal eingebrachten medizinischen Instruments mit einem Positionserfassungssystem, das die räumliche Lage des wenigstens einen medizinischen Instrumentes erfasst, einer Bildaufbereitungseinheit, die auf der Grundlage einer von dem Positionserfassungssystem erfassten räumlichen Lageinformation ein virtuelles Abbild des medizinischen Instrumentes generiert, das lagegetreu auf einem Sichtgerät zur visuellen Darstellung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtgerät räumlich bewegbar gelagert ist, dass das Positionserfassungssystem die räumliche Lage des Sichtgerätes erfasst, und dass die Bildaufbereitungseinheit in Abhängigkeit der räumlichen Lage des Sichtgerätes das virtuelle Abbild des medizinischen Instrumentes zur Darstellung bringt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtgerät als Monitor ausgebildet ist, der mit einer mobilen Plattform oder an einem um den Körper bewegbaren Tragarm befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtgerät als manuell portable Monitoreinheit ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtgerät als miniaturisierte Monitoreinheit ausgebildet ist, die über eine Tragehilfe am Kopf einer Person anbringbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufbereitungseinheit das virtuelle Abbild des medizinischen Instrumentes derart generiert und auf dem Sichtgerät zu Darstellung bringt, so dass das medizinische Instrument aus der Position des Sichtgerätes betrachtbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Eingabemittel vorgesehen ist, durch das eine Positionserfassung des Sichtgerätes aktivierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeigeinstrument vorgesehen ist, das zur Lage- und Positionserfassung an das Sichtgerät führbar ist.