DE29707276U1 - Bildgeführtes Operationssystem - Google Patents

Bildgeführtes Operationssystem

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Description

Die Neuerung betrifft ein bildgeführtes Operationssystem mit einem Positionsdetektionssystem.
Ein solches bildgeführtes Operationssystem ist aus dem US-Patent US 5 389 101 bekannt.
Ein bildgeführtes Operationssystem wird verwendet, um während einer chirurgischen Operation dem Chirurgen die Position eines chirurgischen Instruments innerhalb eines Operationsgebiets zu zeigen. Vor der Operation werden von dem Patienten Bilder erstellt, z.B. CT- oder MRI-Bilder. Während der Operation mißt das Positionsdetektionssystem die Position des chirurgischen Instruments relativ zum Patienten, und ein Datenprozessor berechnet die Position, die in einem solchen zuvor erstellten Bild der gemessenen Position des chirurgischen Instruments entspricht. Auf einem Monitor wird das zuvor erstellte Bild zusammen mit darin der tatsächlichen Position des chirurgischen Instruments wiedergegeben. In dem Bild auf dem Monitor kann der Chirurg sehen, wo im Operationsgebiet sich das chirurgische Instrument befindet, ohne daß er es direkt im Gesichtsfeld hat. In diesem Bild auf dem Monitor ist zu sehen, wie der Chirurg das chirurgische Instrument im Operationsgebiet bewegen kann, ohne große Risikos einer unnötigen Beschädigung von Gewebe und insbesondere ohne Gefahr einer
20 Beschädigung vitaler Teile.
Ein solches bildgeführtes Operationssystem wird vorzugsweise bei der Neurochirurgie verwendet, um während einer Hirnoperation dem Chirurgen genau zu zeigen, wo sich das chirurgische Instrument im Gehirn befindet.
Das Positionsdetektionssystem des bekannten bildgeführten Operationssystems umfaßt zwei Kameras, die Bilder des chirurgischen Instruments aus verschiedenen Richtungen aufnehmen. Das bildgeführte Operationssystem enthält einen Datenprozessor, um die räumliche Position des chirurgischen Instruments aus Bildsignalen beider Kameras abzuleiten. Während der Operation werden Bilder, die bereits früher aufgenommen worden sind, dem Chirurgen gezeigt. Beispielsweise können Computer-
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tomographie-(CT-)Bilder oder Kernspinresonanz-(MRI-)Bilder, die vor der Operation erzeugt worden sind, auf einem Monitor wiedergegeben werden. Der Datenprozessor berechnet die entsprechende Position des chirurgischen Instruments in dem Bild. In dem wiedergegebenen Bild wird die tatsächliche Position des chirurgischen Instruments zusammen mit einem Bild eines Gebiets dargestellt, in dem das chirurgische Instrument verwendet wird.
Ein Nachteil des bekannten bildgeführten Operationssystems ist, daß es schwer zu vermeiden ist, daß das chirurgische Instrument aus dem Meßfeld heraus bewegt wird. Sollte das Instrument außerhalb des Meßfeldes bewegt werden, dann kann das Positionsdetektionssystem die Position des chirurgischen Instruments nicht mehr detektieren.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bildgeführtes Operationssystem mit einem Positionsdetektionssystem zu verschaffen, das sehr genau auf das Operationsgebiet gerichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß durch ein bildgeführtes Operationssystem gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Positionsdetektionssystem mit einem Indikatorsystem zum Markieren eines Gebiets versehen ist, für das das Positionsdetektionssystem empfindlich ist.
Das Operationsgebiet ist ein Raum, in dem das chirurgische Instrument während der chirurgischen Behandlung bewegt wird. Das Indikatorsystem zeigt, relativ zum Operationsgebiet, den Teil des Raumes, für den das Positionsdetektionssystem empfindlich ist, d.h. das Meßfeld des Positionsdetektionssystems. Das Meßfeld ist der Teil des Raumes, aus dem die Kameraeinheit Bilder aufnimmt. Das Positionsdetektionssystem wird gerichtet, indem die Kameraeinheit und das Operationsgebiet relativ zueinander angeordnet werden. Vorzugsweise wird die Kameraeinheit auf das Operationsgebiet gerichtet, aber der zu operierende Patient kann auch bewegt werden, so daß das Operationsgebiet sich innerhalb des Meßfeldes des Positionsdetektionssystem bewegt. Das Indikatorsystem gibt an, ob das Meßfeld mit dem Operationsgebiet gut übereinstimmt oder nicht. Die Kameraeinheit des Positionsdetektionssystems wird in einfacher Weise genau gerichtet, indem das Gebiet, für das das Positionsdetektionssystem empfindlich ist, d.h. das Meßfeld, im wesentlichen mit dem Operationsgebiet übereinstimmt. So werden Komplikationen, die auftreten würden, falls das chirurgische Instru-
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ment das Meßfeld verläßt, in einfacher Weise vermieden. Dies verringert den Druck auf den Chirurgen, der eine komplizierte Operation ausfuhrt. Außerdem macht das neuerungsgemäße bildgeführte Operationssystem umfangreiche Testläufe zur genauen Ausrichtung der Kameraeinheit, bevor mit der tatsächlichen Operation begonnen werden kann, überflüssig. Das neuerungsgemäße bildgeführte Operationssystem bietet diese Vorteile nicht nur bei chirurgischen Operationen am Gehirn oder Rückenmark eines Patienten, sondern auch bei Eingriffen an anderen Körperteilen.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines neuerungsgemäßen bildgeführten Operationssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Indikatorsystem angeordnet ist, um den Mittelpunkt des genannten Gebiets zu markieren.
Das Indikatorsystem zeigt den Mittelpunkt, das heißt eine Position im wesentlichen in der Mitte des Meßfeldes. Das Positionsdetektionssystem ist genau auf das Operationsgebiet gerichtet, wenn der von dem Indikatorsystem dargestellte Mittelpunkt nahezu mit dem Mittelpunkt des Operationsgebiets zusammenfällt. Als Alternative ist das Indikatorsystem angeordnet, um eine Begrenzung des Meßfeldes darzustellen. Im letzteren Fall ist das Positionsdetektionssystem genau auf das Operationsgebiet gerichtet, wenn sich zeigt, daß die Grenzen des Meßfeldes das Operationsgebiet umgeben.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines neuerungsgemäßen bildgeführten Operationssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Indikatorsystem angeordnet ist, um eine Wiedergabe des genannten Gebiets auf einer Display-Vorrichtung zu verschaffen.
Eine Wiedergabe des genannten Gebiets auf einer Display-Vorrichtung ist beispielsweise eine Kontur, die den Umriß des Meßfeldes darstellt, oder ein Zeichen, das den Mittelpunkt des Meßfeldes angibt. Die Wiedergabe des Meßfeldes wird auf der Display-Vorrichtung zusammen mit dem Operationsgebiet dargestellt. Somit ist es einfach, das Positionsdetektionssystem genau so zu richten, daß das Meßfeld mit dem Operationsgebiet übereinstimmt. Während nämlich das Positionsdetektionssystem ausgerichtet wird, wird das tatsächliche Meßfeld zusammen mit dem Operationsgebiet wiedergegeben. Also zeigt die Display-Vorrichtung, wie das Meß feld mit dem Operationsgebiet in Übereinstimmung gebracht wird.
Eine weitere bevorzugte Ausfuhrungsform eines neuerungsgemäßen bildgeführten Operationssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Indikatorsystem angeordnet ist, um ein Operationsgebiet zu messen.
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Das Indikatorsystem ist angeordnet, um eine Lichtquelle zu detektieren, die sich in dem Operationsgebiet befindet, in dem das chirurgische Instrument bewegt werden soll. In dieser Ausführungsform wird die Kameraeinheit des Positionsdetektionssystems vorzugsweise auch verwendet, um ebenfalls die Lichtquelle zu detektieren. Statt eine separate Lichtquelle zu verwenden, kann der zu operierende Patient detektiert werden. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Infrarot-Kamera verwendet, die auch eine Kamera des Positionsdetektionssystems sein kann. Das Indikatorsystem ist weiterhin eingerichtet, um das Bild der Lichtquelle oder des Patienten selbst auf der Display-Vorrichtung wiederzugeben. Wenn das Meßfeld nicht genügend mit dem Operationsgebiet übereinstimmt, kann das Indikatorsystem die Lichtquelle oder den Patienten nicht detektieren. Bei einer nur geringen Überlappung des Meßfeldes mit dem Operationsgebiet wird die Lichtquelle oder der Patient in einem Randgebiet des Meßfeldes detektiert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines neuerungsgemäßen bildgeführten Operationssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Indikatorsystem angeordnet ist, um eine sichtbare Markierung in dem genannten Gebiet zu erzeugen.
Die sichtbare Markierung gibt an, wo sich das Meßfeld befindet. Insbesondere zeigt die sichtbare Markierung den Mittelpunkt des Meßfeldes. Somit wird die Lage des Meßfeldes angezeigt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines neuerungsgemäßen bildgeführten Operationssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Indikatorsystem eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtbündels durch das genannte Gebiet hindurch umfaßt, wobei die Lichtquelle auf dem Positionsdetektionssystem montiert ist.
Das Lichtbündel fällt auf das Operationsgebiet und erzeugt einen Lichtfleck, der eine sichtbare Markierung bildet. Vorzugsweise wird das Lichtbündel durch die Mitte des Meßfeldes geschickt. Dann zeigt der Lichtfleck den Mittelpunkt des Meßfeldes in dem Operationsgebiet. Wenn das bildgeführte Operationssystem beispielsweise für Hirnoperationen verwendet wird, ist das Positionsdetektionssystem genau gerichtet, wenn der Lichtfleck auf eine geeignete Position des Kopfes des Patienten fällt. Solche geeigneten Positionen sind beispielsweise die Mitte des Kopfes des Patienten oder eine Position leicht oberhalb der Mitte. Der Chirurg oder ein Assistent, der die Position wählt, wo der Lichtfleck auffallen sollte, berücksichtigt das Gebiet, in dem die Operation ausgeführt werden soll. Außerdem wird vermieden, daß das Meßfeld der Kamera-
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einheit durch irgendein Gerät, das in der Nähe des bildgeführten Operationssystems aufgestellt ist, versperrt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines neuerungsgemäßen bildgeführtes Operationssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen Halbleiterlaser umfaßt.
Ein Halbleiterlaser emittiert ein schmales Lichtbündel. Außerdem ist ein Halbleiterlaser preiswert und verbraucht wenig Leistung. Vorzugsweise wird ein Halbleiterlaser der Klasse I verwendet, der für den Patienten und das Personal unschädlich ist und der sichtbares Licht emittiert.
Ausführungsbeispiele der Neuerung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines neuerungsgemäßen bildgeführten Operationssystems.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines neuerungsgemäßen bildgeführten Operationssystems. Das bildgeführte Operationssystem umfaßt ein Positionsdetektionssystern 1,2, das eine Kameraeinheit 1 mit einer oder mehreren Kameras 10 und einen Datenprozessor 2 enthält. Die eine oder die mehreren Kameras nehmen aus verschiedenen Richtungen Bilder eines chirurgischen Instruments 11 auf. Beispielsweise enthält die Kameraeinheit 1 zwei auf einem starren Rahmen montierte CCD-Bildsensoren. Der Rahmen kann bewegt werden, um so die CCD-Sensoren auf das Operationsgebiet zu richten. Die Bildsignale aus separaten Kameras oder nachfolgende Bildsignale aus der einzelnen Kamera, aber aus aufeinanderfolgenden Kamerapositionen, werden dem Datenprozessor 2 zugeführt. Hierzu ist die Kameraeinheit 10 mit dem Datenprozessor 2 mittels eines Kabels 17 gekoppelt. Der Datenprozessor 2 enthält einen Computer 21, der anhand der Bildsignale die Position des chirurgischen Instruments relativ zum Patienten 12, der sich einer chirurgischen Operation unterzieht, berechnet. Der Bildprozessor 22 ist in dem Datenprozessor 2 untergebracht. Das chirurgische Instrument ist mit Licht oder Infrarotstrahlung emittierenden Dioden 13 (LEDs oder IREDs) versehen, die Strahlung emittieren, für die die Kameras 10 empfindlich sind. Der Computer 21 berechnet auch die entsprechende Position des chirurgischen Instruments 11 in einem bereits früher erzeugten Bild, wie einem CT-BiId oder einem MRI-
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Bild. Die CT-Daten und/oder MRI-Daten sind in einer Speichereinheit 23 gespeichert.
In den Bilddaten werden Vergleichsmarkierungen abgebildet, die auf speziellen Positionen auf dem Patienten plaziert worden sind. Bleimarkierungen oder MR-empfindliche Markierungen werden beispielsweise auf den Ohren, der Nase und der Stirn des Patienten plaziert. Zu Beginn der Operation werden die Vergleichsmarkierungen mit einem mit LEDs oder IREDs versehenen chirurgischen Instrument angezeigt und ihre räumlichen Positionen vom Positionsdetektionssystem gemessen. Der Computer 21 berechnet die Transformationsmatrix, die die räumlichen Positionen der Vergleichsmarkierungen mit den entsprechenden Positionen der Abbildungen der Markierungen in dem früher erzeugten Bild verbindet. Diese Transformationsmatrix wird anschließend verwendet, um eine entsprechende Position in dem Bild für eine beliebige räumliche Position in dem tatsächlichen Operationsgebiet zu berechnen.
Die Daten aus der Speichereinheit 23 werden dem Bildprozessor 22 zugeführt. Die von dem Computer 21 berechneten Positionsdaten werden ebenfalls dem Bildprozessor 22 zugeführt. Der Computer 21 kann auch so programmiert sein, daß er die Koordinaten der Position des chirurgischen Instruments bezüglich eines festen Bezugsystems berechnet, der Bildprozessor 22 ist dann eingerichtet, um diese Koordinaten in die entsprechende Position in dem Bild umzusetzen. Der Bildprozessor ist weiterhin eingerichtet, um anhand der Position des chirurgischen Instruments einen geeigneten Satz Bilddaten zu selektieren. Ein solcher geeigneter Satz stellt z.B. CT- oder MRI-Bilddaten einer speziellen Schicht durch das Operationsgebiet dar. Der Bildprozessor 22 erzeugt ein Bildsignal, das die früher erzeugten Bilddaten mit der entsprechenden Position des chirurgischen Instruments kombiniert. Bei einer Wiedergabe der früher erzeugten Bildinformation wird auch die entsprechende Position des chirurgischen Instruments wiedergegeben. So kann der Chirurg 7, der das chirurgische Instrument 11 hantiert, die tatsächliche Position des chirurgischen Instruments 11 in dem Operationsgebiet auf der Display-Vorrichtung 5 sehen. Auf der Display-Vorrichtung 5 wird z.B. ein CT-BiId mit einem Bild 8 des chirurgischen Instruments in der entsprechenden Position in dem CT-BiId gezeigt. Somit wird die Position des chirurgischen Instruments in dem Operationsgebiet auf der Display-Vorrichtung 5 gezeigt. Die Display-Vorrichtung ist z.B. ein Monitor mit einer Kathodenstrahlröhre, aber ein LCD-Bildschirm kann ebenso gut verwendet werden.
Die Kameraeinheit 1 umfaßt ein Indikatorsystem 3,4, das beispielsweise
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einen Halbleiterlaser 3 enthält. Der Halbleiterlaser 3 ist auf der Kameraeinheit zwischen den Kameras montiert. Der Halbleiterlaser 3 emittiert ein schmales Lichtbündel, durch das Meßfeld der Kameraeinheit hindurch. Vorzugsweise wird dieses Lichtbündel durch die Mitte des Meßfeldes der Kameraeinheit ausgesendet. An der Stelle, wo das Lichtbündel auf das Operationsgebiet fällt, wird ein Lichtfleck 6 erzeugt. Um die Kameraeinheit genau zu richten, so daß das Meßfeld der Kameraeinheit das Operationsgebiet abdeckt, wird der Lichtfleck 6 auf dem Mittelpunkt des Operationsgebiets positioniert. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Meßfeld sich vom Mittelpunkt des Operationsgebiets aus in ungefähr gleichem Maße in alle Richtungen erstreckt. Die Wahrscheinlichkeit, daß das chirurgische Instrument über das Meßfeld der Kameraeinheit hinaus bewegt wird, ist somit gering. Außerdem wird vermieden, daß das Meßfeld der Kameraeinheit durch irgendein Gerät, das nahe dem bildgeführten Operationssystem aufgestellt ist, versperrt wird. Sollte sich nämlich ein Gerät zwischen der Kameraeinheit und dem Operationsgebiet befinden, dann erzeugt das Laserstrahlenbündel den Lichtfleck 6 eher auf dem im Weg stehenden Gerät als auf dem Patienten. Die die Kameraeinheit ausrichtende Person wird somit unmittelbar darauf aufmerksam gemacht, daß das Meßfeld der Kameraeinheit durch ein Gerät blockiert wird, und dieses Gerät sollte vor Beginn des Eingriffs umgestellt werden.
Als Alternative enthält das Indikatorsystem eine Strahlungsquelle 4, die beim Operationsgebiet positioniert ist. Mit den Kameras 10 wird die Strahlungsquelle 4 beobachtet. Die Bildsignale der Kameras werden von dem Computer 21 verarbeitet und mittels des Bildprozessors 22 wird ein Bild der Strahlungsquelle auf der Display-Vorrichtung 5 wiedergegeben. Vorzugsweise werden der Bildprozessor 22 und der Monitor 5 so angeordnet, daß der Mittelpunkt des Meßfeldes der Kameraeinheit 1 im Mittelpunkt des Bildschirms des Monitors 5 wiedergegeben wird. Dann ist die Kameraeinheit 1 genau gerichtet, wenn die Strahlungsquelle 4 in der Mitte des Bildschirms abgebildet wird. Vorzugsweise wird als Strahlungsquelle eine im Infraroten emittierende Diode (IRED) verwendet, die Infrarotstrahlung emittiert, für die die Kameras 10 wesentlich empfindlich sind. Anstelle einer gesonderten IRED kann auch der Patient selbst genommen werden. In diesem Fall nehmen die Kameras 10 Infrarotbilder des Patienten auf, die auf dem Monitor wiedergegeben werden.

Claims (7)

PHN 15.775 .:..%.' ·..* ;8 „· : 29.01.1997 SCHUTZANSPRÜCHE
1. Bildgeführtes Operationssystem mit
einem Positionsdetektionssystem (1,2)
dadurch gekennzeichnet, daß
5
das Positionsdetektionssystem mit einem Indikatorsystem (3,4) zum Markieren eines Gebiets versehen ist, für das das Positionsdetektionssystem (1,2) empfindlich ist.
2. Bildgeführtes Operationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß
das Indikatorsystem zur Markierung des Mittelpunktes des genannten Gebiets eingerichtet ist,
3. Bildgeführtes Operationssystem nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß
das Indikatorsystem zur Verschaffung einer Wiedergabe des genannten Gebiets auf einer Display-Vorrichtung (5) eingerichtet ist,
4. Bildgeführtes Operationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß
das Indikatorsystem zur Messung eines Operationsgebiets eingerichtet ist.
5. Bildgeführtes Operationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Indikatorsystem zur Erzeugung einer sichtbaren Markierung (6) in dem genannten Gebiet eingerichtet ist.
6. Bildgeführtes Operationssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich-
• · ♦
PHN 15.775 .:,.'.·* ·.,· :9' IV' I 29.01.1997
net, daß
das Indikatorsystem eine Lichtquelle (4) zum Aussenden eines Lichtbündels durch das genannte Gebiet hindurch umfaßt,
wobei die Lichtquelle auf dem Positionsdetektionssystem montiert ist.
7. Bildgeführtes Operationssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen Halbleiterlaser umfaßt.
DE29707276U 1996-04-29 1997-04-23 Bildgeführtes Operationssystem Expired - Lifetime DE29707276U1 (de)

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EP (1) EP0836438B1 (de)
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