DE20315470U1 - Body part position determining device using navigation system and marker on body part, determines position of fixed structure relative to navigation system using data from position-determining device - Google Patents

Body part position determining device using navigation system and marker on body part, determines position of fixed structure relative to navigation system using data from position-determining device Download PDF

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Abstract

The marker (7,8) is connected to a positioning determining device(17) which determines the position of a fixed structure (4,6) of the body part (1,2) relative to the marker, and feeds the corresponding data to the navigation system (13). The navigation system uses these data and the position data of the marker relative to the navigation system to determine the position of the fixed structure relative to the navigation system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Körperteils mit einem Navigationssystem und mindestens einem an dem Körperteil gehaltenen Markierelement, dessen Lage relativ zum Navigationssystem durch das Navigationssystem bestimmbar ist.The invention relates to a device for determining the position of a body part with a navigation system and at least one held on the body part Marking element, whose location relative to the navigation system the navigation system can be determined.

Bei chirurgischen Operationen ist es inzwischen weit verbreitet, die Lage von Körperteilen, beispielsweise eines Hüftknochens oder eines Femurs, mit Hilfe eines Navigationssystems zu bestimmen. Dazu wird an dem Körperteil ein Markierelement befestigt, dessen Lage im Raum vom Navigationssystem erkannt und bestimmt wird, beispielsweise über die Aussendung von Infrarotstrahlung, die an verschiedenen Stellen des Markierelementes reflektiert und dann vom Navigationssystem wieder aufgefangen wird. Das Markierelement wird bei dem bekannten Verfahren starr mit dem Körperteil verbunden, beispielsweise durch Eindrehen von Knochenschrauben in starre Strukturen des Körperteils. Dazu müssen die Knochenschrauben durch Weichteilgewebe hindurchgeführt werden, und es entstehen an diesen Stellen Wunden, die Schmerzen und Infektionsgefahr verursachen.For surgical operations it is now widely used, the location of body parts, for example of a hip bone or a femur, using a navigation system. To is on the body part a marker attached, its location in space by the navigation system is recognized and determined, for example via the emission of infrared radiation, which is reflected at various points on the marking element and is then caught again by the navigation system. The marking element is rigidly connected to the body part in the known method, for example by screwing bone screws into rigid structures of the body part. To do this the bone screws are passed through soft tissue, and there are wounds in these places, the pain and the risk of infection cause.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszugestalten, daß die am Körperteil gehaltenen Markierelementen nicht starr mit festen Strukturen des Körperteils verbunden werden müssen.It is an object of the invention generic device so that the on the body part held marking elements not rigid with fixed structures of the body part need to be connected.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Markierelement verbunden ist mit einer Lagebestimmungseinrichtung, die die Lage einer festen Struktur des Körperteils relativ zu dem Markierelement bestimmt und die dieser Lage entsprechende Lagedaten der Navigationseinrichtung zuführt, die aufgrund dieser Lagedaten und der Lagedaten des Markierelementes relativ zum Navigationssystem die Lage der festen Struktur relativ zum Navigationssystem bestimmt.This task is done with a device of the type described in the introduction solved according to the invention in that the marking element is connected to a position determination device which determines the position of a solid structure of the body part determined relative to the marking element and corresponding to this position Position data of the navigation device that is based on this position data and the position data of the marking element relative to the navigation system determines the position of the fixed structure relative to the navigation system.

Das Markierelement wird also mit einer weiteren Lagebestimmungseinrichtung fest verbunden, und diese Lagebestimmungseinrichtung stellt die Lage einer festen Struktur im Körperteil fest, beispielsweise einer knöcherne Struktur oder eines in den Körper eingebrachten, mit der knöchernen Struktur verbundenen Markierpunktes (in der englischen Sprache "fiducial" genannt). Diese Lagebestimmungseinrichtung bestimmt also umgekehrt die relative Lage des Markierelementes zu der festen Struktur, und aus dieser doppelten Lagebestimmung einmal der Lage des Markierelementes relativ zur festen Struktur und zum anderen des Markierelementes relativ zum Navigationssystem bestimmt dieses die Lage der festen Struktur des Körperteils relativ zum Navigationssystem. Die genaue Lage des Markierelementes ist dabei nicht wesentlich, das heißt das Markierelement muß nicht in einer festen Relation zu der festen Struktur des Körperteils stehen, es genügt, wenn das Markierelement an dem Körperteil gehalten ist, dessen Lage bestimmt werden soll.The marking element is also with another position determination device firmly connected, and this Location determination device provides the location of a solid structure in the body part firm, for example a bony Structure or one in the body brought in, with the bony Structure of the connected marker point (called "fiducial" in English). This Conversely, the position determination device determines the relative Location of the marking element to and from the solid structure double determination of the position of the marking element relative relative to the fixed structure and the other of the marking element for the navigation system, this determines the position of the fixed structure of the body part relative to the navigation system. The exact location of the marking element is not essential, that is, the marking element does not have to in a fixed relation to the fixed structure of the body part stand, it is sufficient if the marking element on the body part is held, the location of which is to be determined.

Es ist beispielsweise möglich, das Markierelement auf der Körperoberfläche zu befestigen, beispielsweise mittels eines Riemens, eines Bandes oder durch Aufkleben oder Aufnähen auf die Oberfläche. Obwohl bei der Bewegung des Körperteils die zwischen dem Markierelement und der festen Struktur des Kör perteils liegenden Weichteilgewebe ihre Form ändern und damit sich auch die Position des Markierelementes relativ zur festen Struktur ändert, kann diese Änderung durch die Lagebestimmungseinrichtung bestimmt und bei der Berechnung der Lage der festen Struktur relativ zum Navigationssystem berücksichtigt werden.For example, it is possible To attach the marking element to the surface of the body, for example by means of a belt, a tape or by gluing or sew on to the surface. Although when moving the body part the perteil between the marking element and the solid structure of the body lying soft tissue change their shape and thus the Position of the marking element changes relative to the fixed structure, can this change determined by the location determination device and in the calculation the location of the fixed structure relative to the navigation system become.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lagebestimmungseinrichtung mehrere Ultraschallsender und Ultraschallempfänger umfaßt, insbesondere können diese Ultraschallsender und -empfänger in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sein, so daß diese Ultraschallsender und -empfänger sozusagen ein rasterförmiges Abbild der festen Struktur des Körperteils liefern, beispielsweise die Randkontur eines Femurs, und die Veränderung der Lage dieser speziellen Kontur ist gleichzeitig ein Maß für die Veränderung der Position des Markierelementes relativ zu der festen Struktur.It is particularly advantageous if the position determination device comprises a plurality of ultrasound transmitters and ultrasound receivers; Ultrasound transmitters and receivers be arranged in a two-dimensional grid so that these Ultrasound transmitters and receivers a grid-like, so to speak Image of the solid structure of the body part deliver, for example the edge contour of a femur, and the change The location of this special contour is also a measure of the change the position of the marking element relative to the fixed structure.

Es können auch andere Lagebestimmungseinrichtungen verwendet werden, beispielsweise Kernspintomographen mit Oberflächenspulen oder sogenannte Low-Dose X-Ray Digitizers.Other location determination devices can also be used are used, for example magnetic resonance tomographs with surface coils or so-called low-dose X-Ray digitizers.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments the invention serves in conjunction with the drawing for a more detailed explanation. Show it:

1: eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Körperteils unter Verwendung eines Navigationssystems und am Körperteil gehaltener Markierelemente; 1 : a device for determining the position of a body part using a navigation system and marking elements held on the body part;

2: eine schematische Schnittansicht durch ein Körperteil mit daran gehaltenem Markierelement und einer schematischen Anzeige einer mit dem Markierelement verbundenen Lagebestimmungseinrichtung für feste Strukturen des Körperteils. 2 : A schematic sectional view through a body part with the marking element held thereon and a schematic display of a position determining device connected to the marking element for solid structures of the body part.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der Bestimmung der Lage eines Oberschenkels 1 und eines Unterschenkels 2 beschrieben, im Oberschenkel 1 umschließt Weichgewebe 3 den Femur 4, im Unterschenkel 3 umschließt Weichgewebe 5 die Tibia 6. Für die operative Lagebestimmung sind die Lagen des Femur 4 und der Tibia 6 von Bedeutung, beispielsweise zur Bestimmung der Lage des Kniegelenks.The invention is described below using the example of determining the position of a thigh 1 and a lower leg 2 described in the thigh 1 encloses soft tissue 3 the femur 4 , in the lower leg 3 encloses soft tissue 5 the tibia 6 , The positions of the femur are used to determine the operative position 4 and the tibia 6 important, for example to determine the position of the knee joint.

Um diese Lagen zu bestimmen, werden auf die Außenseite des Oberschenkels 1 und des Unterschenkels 2 Markierelemente 7, 8 befestigt, diese Markierelemente 7, 8 sind gleich aufgebaut, nachstehend wird nur noch das Markierelement 7 näher erläutert.To determine these locations, be on the outside of your thigh 1 and the lower leg 2 marking elements 7 . 8th attached, these marking elements 7 . 8th have the same structure, only the marking element is shown below 7 closer he purifies.

Dieses umfaßt einen plattenförmigen Fuß 9 mit einem starr mit diesem verbundenen Halter 10, an dem im Abstand zueinander Strahlungsquellen 11 angeordnet sind. Dabei kann es sich um aktive Strahlungsquellen handeln, beispielsweise Leuchtdioden, die Infrarotstrahlung absenden, oder aber auch um Reflexionsflächen, die empfangene Infrarotstrahlung reflektieren. Die Markierelemente 7, 8 werden derart an der Außenseite des Oberschenkels 1 beziehungsweise des Unterschenkels 2 angeordnet, daß die plattenförmigen Füße 9 flächig an der Außenseite von Oberschenkel und Unterschenkel anliegen und in dieser Lage beispielsweise durch Riemen 12 gehalten werden, die das Bein umfassen. Hier können auch andere Bänder und Haltevorrichtungen verwendet werden, es ist auch möglich, den Fuß 9 an der Körperoberfläche durch Verklebung zu halten, insbesondere, wenn die Markierelemente kleiner ausgebildet sind als in dem in der Zeichnung dargestellten Fall, in dem diese Markierelemente aus Gründen der Deutlichkeit besonders groß gezeichnet sind.This includes a plate-shaped foot 9 with a holder rigidly connected to it 10 , on the radiation sources at a distance from each other 11 are arranged. These can be active radiation sources, for example light-emitting diodes which emit infrared radiation, or else reflective surfaces which reflect received infrared radiation. The marking elements 7 . 8th be like this on the outside of your thigh 1 or the lower leg 2 arranged that the plate-shaped feet 9 lie flat against the outside of the thigh and lower leg and in this position, for example, by straps 12 are held, which include the leg. Other straps and holding devices can also be used here, it is also possible to use the foot 9 to hold on the body surface by gluing, especially if the marking elements are made smaller than in the case shown in the drawing, in which these marking elements are drawn particularly large for reasons of clarity.

Den Markierelementen 7, 8 ist ein ortsfestes Navigationssystem 13 zugeordnet, welches mehrere im Abstand zueinander angeordnete Empfangseinrichtungen 14 aufweist, die von den Strahlungsquellen 11 ausgesandte Strahlung auffangen können und die auch selbst eine entsprechende Strahlung abstrahlen können, wenn die Strahlungsquellen 11 nicht aktiv emittierende Strahlungsquellen sind, sondern nur reflektierende Strahlungsquellen.The marking elements 7 . 8th is a fixed navigation system 13 assigned to which several receiving devices arranged at a distance from each other 14 has that from the radiation sources 11 can emit emitted radiation and can also emit a corresponding radiation if the radiation sources 11 are not actively emitting radiation sources, but only reflective radiation sources.

Durch die aufgenommene Strahlung können die Empfangseinrichtungen 14 die Lage der Strahlungsquellen 11 im Raum feststellen und damit die Lage der Halter 10.The receiving devices can use the radiation 14 the location of the radiation sources 11 in the room and thus the position of the holder 10 ,

Diese Lagedaten können einer dem Navigationssystem 13 zugeordneten Datenverarbeitungseinrichtung 15 zugeführt werden. Außerdem ist dem Navigationssystem 13 und der Datenverarbeitungseinrichtung 15 ein Bildschirm 16 zugeordnet.This location data can one of the navigation system 13 assigned data processing device 15 be fed. In addition, the navigation system 13 and the data processing device 15 a screen 16 assigned.

Im Fuß 9 der Markierelemente 7, 8 ist eine Lagebestimmungseinrichtung 17 in Form eines Rasters einer größeren Anzahl von Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern angeordnet, diese Anordnung umfaßt mehrere parallel zueinander verlaufende Reihen derartiger Ultraschallsender und -empfänger, und mit Hilfe dieser Lagebestimmungseinrichtung 17 wird Ultraschallstrahlung durch das Weichgewebe 3 und 5 des Oberschenkels 1 beziehungsweise des Unterschenkels 2 hindurchgesandt, die an den knöchernen Strukturen, also am Femur 4 beziehungsweise der Tibia 6 reflektiert und von der Lagebestimmungseinrichtung 17 wieder empfangen wird. Aus dieser Strahlung kann die Lagebestimmungseinrichtung 17 die Relativposition der knöchernen Struktur zum Fuß 9 bestimmen, und die entsprechenden Daten werden über Verbindungsleitungen 18, 19 der Datenverarbeitungseinrichtung 15 zugeführt. Dieser Vorgang läßt sich automatisieren, wenn eine bestimmte Kontur der knöchernen Struktur betrachtet wird, beispielsweise die Umfangslinie eines Femurs. Bei einer Verschiebung des Fußes 9 und damit eines Markierelementes 7, 8 verschiebt sich auch diese Kontur und gibt damit Auskunft über die Lage des Fußes 9 relativ zu dieser Kontur und damit zu der knöchernen Struktur des Femurs oder der Tibia.In the foot 9 of the marking elements 7 . 8th is an orientation device 17 arranged in the form of a grid of a larger number of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, this arrangement comprises a plurality of parallel rows of such ultrasonic transmitters and receivers, and with the aid of this position determination device 17 becomes ultrasound radiation through the soft tissue 3 and 5 of the thigh 1 or the lower leg 2 sent through that on the bony structures, i.e. on the femur 4 or the tibia 6 reflected and from the orientation device 17 is received again. The position determination device can use this radiation 17 the relative position of the bony structure to the foot 9 determine, and the corresponding data is via connecting lines 18 . 19 the data processing device 15 fed. This process can be automated if a certain contour of the bony structure is considered, for example the circumferential line of a femur. When the foot moves 9 and thus a marking element 7 . 8th this contour also shifts and thus provides information about the position of the foot 9 relative to this contour and thus to the bony structure of the femur or tibia.

In 2 ist als Beispiel die Abbildung 17a eines solchen zweidimensionalen Rasters oder Arrays von Ultraschallsendern- und empfängern dargestellt. Jedes Feld dieses Arrays zeigt den Empfang reflektierter Ultraschallstrahlung an, so daß insgesamt ein Bild einer die Ultraschallstrahlung reflektierenden Knochenstruktur, beispielsweise des Femurs oder der Tibia, auf dem Bildschirm 16 erzeugt wird. Dadurch erhält der Operateur zusätzlich eine Möglichkeit, die Lage der Markierelemente relativ zu der knöchernen Struktur auch optisch zu überwachen. Die genaue Auswertung der Verschiebung der knöchernen Struktur in diesem Array erfolgt durch die Datenverarbeitungseinrichtung, die damit zusammen mit der Lagebestimmungseinrichtung 17 die genaue Positionierung der Markierelemente 7, 8 relativ zu der knöchernen Struktur feststellt.In 2 Figure 17a of such a two-dimensional grid or array of ultrasonic transmitters and receivers is shown as an example. Each field of this array indicates the reception of reflected ultrasound radiation, so that overall an image of a bone structure reflecting the ultrasound radiation, for example the femur or the tibia, is displayed on the screen 16 is produced. This gives the surgeon an additional possibility of optically monitoring the position of the marking elements relative to the bony structure. The exact evaluation of the displacement of the bony structure in this array is carried out by the data processing device, which together with the position determination device 17 the exact positioning of the marking elements 7 . 8th relative to the bony structure.

Die Datenverarbeitungseinrichtung 15 kann aus den Lagedaten, die die Empfangseinrichtung 14 einerseits und die Empfangseinrichtung 14 des Navigationssystems 13 andererseits liefern, einmal die Lage des Fußes 9 und damit der Markierelemente 7, 8 relativ zu der knöchernen Struktur bestimmen, und zum anderen aus den Lagedaten der Empfangseinrichtungen 14 die Lage der Strahlungsquellen 11 und damit der Markierelemente 7, 8 relativ zum Navigationssystem 13. Aus diesen Lagedaten läßt sich dann auch die Lage von Femur 4 beziehungsweise Tibia 6 relativ zum Navigationssystem 13 berechnen. Diese Berechnung ist unabhängig davon, ob sich die Lage der Markierelemente 7, 8 beispielsweise durch eine Bewegung des Oberschenkels und / oder des Unterschenkels relativ zu der knöchernen Struktur verändert hat. Trotzdem kann dieses System jederzeit die Lage von Femur und Tibia relativ zum Navigationssystem bestimmen.The data processing device 15 can from the location data that the receiving device 14 on the one hand and the receiving device 14 of the navigation system 13 on the other hand, deliver the position of the foot 9 and thus the marking elements 7 . 8th determine relative to the bony structure, and on the other hand from the location data of the receiving devices 14 the location of the radiation sources 11 and thus the marking elements 7 . 8th relative to the navigation system 13 , The position of the femur can then also be determined from these position data 4 or tibia 6 relative to the navigation system 13 to calculate. This calculation is independent of whether the position of the marking elements 7 . 8th for example, by moving the thigh and / or the lower leg relative to the bony structure. Nevertheless, this system can determine the position of the femur and tibia relative to the navigation system at any time.

Es ist also mit diesem Verfahren und dieser Vorrichtung nicht notwendig, die Markierelemente 7, 8 starr mit Femur und Tibia zu verbinden, sondern es genügt, wenn diese Markierelemente 7, 8 an dem interessierenden Körperteil so festgelegt sind, daß die knöchernen Strukturen, deren Lage bestimmt werden sollen, durch die Empfangseinrichtung 14 erreicht werden.With this method and this device it is therefore not necessary to use the marking elements 7 . 8th rigidly connected to the femur and tibia, but it suffices if these marking elements 7 . 8th are fixed to the body part of interest in such a way that the bony structures, the position of which is to be determined, by the receiving device 14 can be achieved.

Claims (5)

Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Körperteils mit einem Navigationssystem und mindestens einem an dem Körperteil gehaltenen Markierelement, dessen Lage relativ zum Navigationssystem durch das Navigationssystem bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement (7, 8) verbunden ist mit einer Lagebestimmungseinrichtung (17), die die Lage einer festen Struktur (4, 6) des Körperteils (1, 2) relativ zu dem Markierelement (7, 8) bestimmt und die dieser Lage entsprechenden Lagedaten der Navigationseinrichtung (13) zuführt, die aufgrund dieser Lagedaten und der Lagedaten des Markierelementes (7, 8) relativ zum Navigationssystem (13) die Lage der festen Struktur (4, 6) relativ zum Navigationssystem (13) bestimmt.Device for determining the position of a body part with a navigation system and at least one marking element held on the body part, the position of which can be determined by the navigation system relative to the navigation system, characterized in that the marking element ( 7 . 8th ) is connected to a position determination device tung ( 17 ), the location of a solid structure ( 4 . 6 ) of the body part ( 1 . 2 ) relative to the marking element ( 7 . 8th ) determined and the position data of the navigation device corresponding to this position ( 13 ) which, based on these position data and the position data of the marking element ( 7 . 8th ) relative to the navigation system ( 13 ) the location of the solid structure ( 4 . 6 ) relative to the navigation system ( 13 ) certainly. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagebestimmungseinrichtung (17) mehrere Ultraschallsender und -empfänger umfaßt.Device according to claim 1, characterized in that the position determination device ( 17 ) comprises several ultrasonic transmitters and receivers. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsender und -empfänger in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind.Device according to claim 2, characterized in that the ultrasonic transmitter and recipients are arranged in a two-dimensional grid. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement (7, 8) ein um das Körperteil (1, 2) herumlegbares flexibles Befestigungselement (12) trägt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the marking element ( 7 . 8th ) around the body part ( 1 . 2 ) Foldable flexible fastening element ( 12 ) wearing. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement (7, 8) auf die Oberfläche des Körperteils (1, 2) aufgeklebt ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the marking element ( 7 . 8th ) on the surface of the body part ( 1 . 2 ) is glued on.
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