DE69329886T2

DE69329886T2 - Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Organs

Info

Publication number: DE69329886T2
Application number: DE69329886T
Authority: DE
Inventors: Fr-38000 Grenoble Brunie Lionel; Philippe Cinquin; Fr-38240 Meylan Dubois Francis; Fr-38000 Grenoble Lavallee Stephane; Fr-38000 Grenoble Mazier Bruno; Fr-73100 Aix-Les-Bains Peria Olivier; Fr-38320 Eybens Troccaz Jocelyne
Original assignee: Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Current assignee: Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-07-27
Publication date: 2001-08-09
Anticipated expiration: 2013-07-28
Also published as: EP0581704A1; FR2694881B1; EP0581704B1; ATE198827T1; US5447154A; JPH06254172A; CA2101451A1; ES2155445T3; DE69329886D1; CA2101451C; FR2694881A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Chirurgie und der medizinischen Untersuchung und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum Positionieren eines therapeutischen oder diagnostischen Werkzeuges aufgrund von räumlichen Bildern, wobei diese räumlichen Bilder eines Organes eines Patienten im Vorhinein (präoperative Bilder) hergestellt werden können.
In der vorliegenden Patentanmeldung wird unter dem Begriff "Werkzeug" jede Einrichtung für eine therapeutische oder diagnostische Behandlung eines Patienten verstanden. Das Werkzeug kann z. B. eine geeignete Vorrichtung zum Einführen einer Schraube in einen Knochen eines Patienten sein, eine Trokarhülse zum Ausführen einer Punktion oder um einfach eine optische Faser zu leiten, Apparatur zum Abgeben von Strahlung, die auf einen Tumor wirkt, oder eine Apparatur zum Erzeugen von medizinischen Bildern, z. B. eine Gamma-Scintigraphie-Kamera, ein Tomographiegerät zur Abgabe von Positronen (PET) oder ein Gerät zur Magnetoencephalographie (MEG).
Unter anderem ist es ein Anliegen, während einer medizinisch-chirurgischen Behandlung morphologische Informationen zu gewinnen, die durch dreidimensionale Untersuchungen im voraus erhalten werden konnten. Diese Situation ist sehr häufig im Klinikbereich. Im folgenden werden hierfür zwei Beispiele gegeben.

1. Strahlentherapie

Die Strahlen- oder Radiotherapie ist eine Behandlung, die darin besteht, auf eine vorgebebene Zone eines Patienten oder eines Organes eines Patienten einen Strahlungsfluß zu projizieren, um Tumoren in diesem Organ zu zerstören.
Derartige Behandlungen müssen im allgemeinen periodisch und wiederholt durchgeführt werden. Es ist daher bei jeder Behandlung notwendig, die Strahlungsquelle in Bezug zu dem Patienten genau zu platzieren, um die gewählte Zone zu bestrahlen, und möglichst genau in spezifischer Art zu platzieren, um zu vermeiden, dass andere Zonen des Patienten bestrahlt werden, auf die der Strahlungsfluss einen schädlichen Effekt haben könnte.
Die initiale Diagnose wird üblicherweise durch einen Scanner mit Röntgenstrahlen oder durch eine die magnetische Resonanz ausnutzende Bilderzeugung (IRM) bewirkt, mit denen das Zielgebiet und die Hindernisse visualsiert werden können, um auf diese Weise eine optimale therapeutische Strategie zu definieren. Die Schwierigkeit liegt darin, den Patienten in die richtige Stellung zu bringen, wenn man ihn behandeln will. Die zur Zeit üblicherweise verwendete Methode besteht darin, die Behandlung zu simulieren, indem der lineare Beschleuniger (d. h. die Strahlungsquelle) durch ein Röntgenrohr ersetzt wird. Man erhält damit zwei Radiographien (Ansicht und Profil) des Patienten, die man (visuell) mit dreidimensionalen Informationen vergleicht, die im Vorhinein mit dem Röntgenscanner oder dem IRM-Gerät gewonnen wurden. Der Patient wird dann anders gelegt und es werden weitere Abbildungen gemacht, so lange bis die Lage des Patienten zufriedenstellend ist. Dann wird mit einem Lichtstrahl eine Marke auf der Haut des Patienten dargestellt und zugleich wird diese Marke auf der Haut des Patienten mit Hilfe eines Markierungstiftes gekennzeichnet. Während der Bestrahlungssitzung wird der Patient so lange umplatziert, bis diese beiden Hautmarken mit Lichtbündeln zusammenfallen, die mit dem Linearbeschleuniger und dem radiologischen System zur Simulation identisch ausgerichtet sind. Dieses klassische Vorgehen hat zahlreiche Nachteile. Einer dieser Nachteile ist, dass man den Patienten auf der Behandlungsliege so platzieren muss, dass er eine gewünschte Position einnimmt, was nicht immer einfach ist und den Patienten dazu zwingt, unangenehme Positionen einzunehmen oder in einem unbequemen Zustand zu sein, sodass er seine Position nicht beibehalten kann. Es sei darauf hingewiesen, dass die Positionierung des Patienten so präzise wie möglich sein muss. Im Falle der Endphase der Radiotherapie der Prostata, wo nur dieses Organ, eingeschlossen in eine Kugel von 4 cm Durchmesser angepeilt wird, ist man zum Beispiel mit herkömmlichen Verfahren dazu gezwungen, mit Feldern von 10 cm Durchmessern zu bestrahlen, um sicher zu sein, dass die Prostata korrekt erreicht wird. Dies ist nun für die benachbarten Bereiche nicht ohne Nachteil.

2. Orthopädie

Es handelt sich hierbei darum, Material (z. B. eine Schraube) in den menschlichen Körper (üblicherweise in einen Knochen) längs eines geraden Weges einzuführen. Die Form des Knochens wird üblicherweise mit Hilfe einer dreidimensionalen Bilderzeugungseinrichtung (Röntgenscanner oder IRM-Gerät) erfasst, und die Behandlungsstrategie wird anschließend aufgrund dieses Bildes bestimmt, insbesondere im Hinblick auf die exakte Richtung, längs der das Werkzeug eingeführt werden muss, um exakt die gewünschte Platzierung zu erreichen, ohne hierbei Zonen zu passieren, wo man eine Verletzung riskiert.
Bisher verwendet man während der Operationsphase üblicherweise radiographische Verfahren, um das Einführen des Werkzeuges zu kontrollieren. Ein großer Nachteil ist, dass unter üblichen Bedingungen nicht gleichzeitig die Aufsicht und Profilansichten des Zielgebietes und des Materiales realisiert werden können. Man kann daher dieses Verfahren nur als Verifikationseinrichtung a posteriori für die Qualität der Positionierung des Materiales verwenden (das Vorbewegen kann in Echtzeit nur über eine Projektion verfolgt werden). Des weiteren kann diese Verifikation nicht in quantitativer Art realisiert werden. Die Interpretation wird hierbei dem Operateur überlassen. Aktuelle Studien zeigen, dass mit diesen Techniken in etwa 10% der Fälle die Positionierung nicht ideal ist.
Das Dokument EP-A-0 427 358 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Organes eines Patienten mit Hilfe einer bilderzeugenden Vorrichtung in einem Operationsraum, nachdem zuvor ein dreidimensionales Bild des Organes des Patienten mit einer zweiten bilderzeugenden Vorrichtung in einem Präoperationsraum erstellt wurde, wobei dieses Verfahren die Vereinigung bzw. Überlagerung der Bilder der beiden Vorrichtungen umfasst und hierzu auf dem Patienten markierte Referenzpunkte verwendet werden.
Das Dokument WO-A-92/04862 offenbart ein ähnliches Verfahren, bei dem die Bilder einer Echographiesonde, die auf einem schwenkbaren Arm befestigt ist, in einem ersten Bezugssystem überlagert werden mit biomagnetischen Bildern, die in einem zweiten Bezugssystem erhalten wurden.
Um die Verwendung des radiologischen Systems während der Operation zu verbessern, wurde vorgeschlagen, Techniken zur Überlagerung von dreidimensionalen und zweidimensionalen Bildern zu verwenden (5. Lavallee et al., "Matching 3D smooth surfaces with their 2D projections using 3D Distance Maps", SPIE 1570, Seiten 322-336, 1991). Allerdings ist dieses Verfahren teuer, da hier ein radiologisches System mit guter Qualität verwendet werden muss, mit dem das Zielgebiet unter mehreren Einfallswinkeln untersucht und dessen Signal digitalisiert werden kann. Um die Nachteile der radiologischen Systeme zu vermeiden, haben mehrere Ärztegruppen vorgeschlagen, derartige Behandlungen unter Kontrolle eines Scanners oder eines IRM-Geräts durchzuführen. Es ist zwar relativ einfach, die präoperativen Bilder und die Bilder während der Operation miteinander zu vergleichen, sofern diese mit der gleichen Vorrichtung aufgenommen worden sind. Jedoch haben auch diese Versuche zahlreiche Nachteile, z. B. dass sie die simultane Präsenz von komplizierten Bilderzeugungseinrichtungen und Operationsinstrumenten verlangen. Unter diesen Nachteilen sind vor allem die folgenden zu erwähnen:
- chirurgische Belastungen (Asepsis...);
- langes Sperren (während der gesamten Operation) eines teuren Materiales (Röntgenscanner oder IRM-Gerät), da man versucht, anstatt diese Apparate kontinuierlich für Untersuchungszwecke zu verwenden, deren Rentabilität sicherzustellen;
- die Notwendigkeit, spezielles chirurgisches Material zur Verfügung zu stellen (im Falle eines IRM-Gerätes darf dieses Material keine Artefakte erzeugen und darf insbesondere nicht ferromagnetisch sein); dies zwingt z. B. dazu, Werkzeuge aus Titan herzustellen, die besonders teuer sind;
- die Geometrie der bilderzeugenden Geräte selbst (Tunnel mit engem Durchmesser) macht das Einführen des chirurgischen Materiales schwierig.
Der Aufschwung dieser Techniken zum Überlagern von dreidimensionalen Bildern zeigt jedoch trotz aller oben erwähnten Schwierigkeiten das Interesse der Mediziner, die Präzisision der Einführung von medizinisch-chirugischem Material auf unterschiedliche Weise zu verbessern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und wenig kostenaufwendendes Verfahren anzugeben, um eine Serie von Bildern während der Operation eines Organes herzustellen, mit dem es möglich ist, ein Werkzeug auf definierte Weise in Bezug zu einer Serie von präoperativen dreidimensionalen Bildern zu positionieren.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird mit der vorliegenden Erfindung vorgesehen, eine echographische Sonde zu verwenden, um die Bilder während der Operation herzustellen, welche ein morphologisches dreidimensionales Punktebild der Oberfläche des Organes oder eines Hautbereiches, das im festen Bezug zu dem Organ steht, liefert. Danach wird dieses Punktebild der Oberfläche kombiniert (überlagert) mit dem funktionellen präoperativen dreidimensionalen Bild, das ebenso Informationen zur Lage der Oberfläche der Punkte (des Organes oder eines Hautbereiches) enthält.
Um ein morphologisches dreidimensionales Punktebild der Oberfläche des Organes zu erhalten, wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, echographische Sonden zu verwenden. Das morphologische dreidimensionale Punktebild der Oberfläche eines Hautbereiches, der in festem Bezug zu dem Organ steht, kann z. B. ein Bild eines Bereiches des Kopfes sein, der eine feste Lage in Bezug zu dem Gehirn hat.
Darüber hinaus wird mit der vorliegenden Erfindung vorgesehen, das Bezugssystem des Werkzeuges in Bezug auf das Bezugssystem des Organes selbst auszurichten, welches durch das präoperative Bild bestimmt wurde.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bildüberlagerung des Bildes der echographischen Sonde, die wie gesagt ein morphologisches dreidimensionales Bild der auf der Oberfläche eines Organes liegenden Punkte liefert, und des Bildes einer dritten bilderzeugenden Vorrichtung zu realisieren, die auf der Operationsseite gelegen und z. B. eine Gamma-Scintigraphie-Kamera ist oder ein Tomographiegerät zur Emission von Positronen (TEP) oder eine Apparatur zur Magnetoencephalographie (MEG), die funktionelle Informationen über spezifische Zonen dieses Organes liefert, mit denen es möglich ist, diese spezifischen Zonen des Organes in ihrer Lage zu bestimmen.
Um diese zweite Aufgabe zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung vor, im Vorhinein eine Anfangslage der ersten Vorrichtung und der zweiten Apparatur zu markieren, indem diese den gleichen für beide Vorrichtungen sichtbaren Zielbereich anzielen (z. B. mit Hilfe von Ultraschall und mit Gammastrahlen im Fall einer Echographiesonde bzw. einer Gamma-Scintigraphie-Kamera).
Eines der Merkmale der Erfindung liegt in der Verwendung einer Vorrichtung, die keine funktionellen Informationen, sondern lediglich Bilder der Punkte der Oberfläche liefert, um ein Zwischenbild zur Markierung der Bezugssysteme zu liefern. Insbesondere bildet die Idee, eine Echographiesonde für die Ausrichtung der Bezugssysteme zu verwenden, einen der Aspekte der vorliegenden Erfindung, nämlich, dass a priori ein Echographiebild Informationen mit geringerem Aussagewert als Verfahren mit einem IRM- Gerät oder einem Scanner liefert. Tatsächlich liefert die Echographie eine Serie von planen Schnitten unabhängig von einem Organ und kein strukturiertes Volumen als Serie von Parallelschnitten.

Anmerkungen zur Echographie

Die Echographie ist ein Verfahren zur Bilderzeugung, das in den 1970-er Jahren seinen Aufschwung erfuhr. Ein Wandler (piezoelektrischer Kristall) gibt Ultraschallwellen (mit Frequenzen von mehreren Megahertz) ab, die sich in dem menschlichen Körper ausbreiten, aber auch reflektiert werden, wenn sie auf Grenzen treffen, wo die akustische Impedanz des Körpers starke Variationen erfährt (typischerweise eine Grenze zwischen Wasser und Fett). Der gleiche Wandler kann während einer kurzen Zeitspanne als Ultraschallsender und, während einer üblicherweise längeren Zeitspanne, als Empfänger für Ultraschall dienen, der von dem menschlichen Körper reflektiert wurde. Man kann somit sowohl die Zeitspanne zwischen dem Aussenden und dem Empfangen messen (was mit Hilfe von Hypothesen hinsichtlich der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall in dem betrachteten Milieu es erlaubt, die Lage der echoerzeugenden Quelle zu bestimmen) als auch die Intensität des Echos messen (was Informationen hinsichtlich der Art des echoerzeugenden Punktes liefert).
Die einfachste Funktionsart besteht darin, Ultraschall nur in einer Richtung (Modus A) auszusenden und zu empfangen.
Man erhält damit ein Signal, welches zeitabhängig ist, falls die echoerzeugenden Strukturen beweglich sind. Dieser Funktionsmodus war der erste in der Medizin verwendete, speziell bei kardio-vaskulären Anwendungen (wo es ermöglicht wurde, die Beweglichkeit von z. B. Herzventilen zu evaluieren).
Es ist ebenso möglich, den Ultraschall in einem ebenen Bereich (üblicherweise trapezoldal) des Raumes auszusenden und zu empfangen (Modus B). Dies kann dadurch realisiert werden, dass mehrere eindimensionale feste Wandler auf einer linearen Bank nebeneinander angeordnet werden, oder dadurch, dass ein eindimensionaler Wandler (mechanisch oder elektronisch) in einer Ebene um einen festen Punkt in Rotation versetzt wird. Dieses Bilderzeugungsverfahren hat sich als sehr präzise für die Untersuchung von "weichen Organen" erwiesen, insbesondere im Gebiet der Gynäkologie und Entbindungskunde, ebenso wie der Gastroenterologie).
Es gibt des weiteren zahlreiche klinische Situationen, wo Echographien verwendet werden, die interessanteste Informationen liefern (insbesondere im Bereich der Gastroenterologie, der Gynäkologie und Entbindungskunde und in der Kardiologie). Echographen sind auch ein präzises Führungsmittel bei medizinischen Interventionen (sie erlauben z. B. das Einführen von Punktionsnadeln in das Innere des menschlichen Körpers zu kontrollieren).
Des weiteren liefert bei etwa äquivalenter Informationsqualität die Echographie in Bezug zum Röntgenscanner und einem IRM-Gerät die folgenden Vorteile:
- sie ist etwa zehnfach billiger;
- der Sender wird durch eine Sonde realisiert, die gegen den Körper gehalten wird, die jedoch leicht und einfach zu halten ist. Im Gegensatz dazu sind Röntgenscanner und IRM-Geräte Apparaturen mit erheblichen Platzbedarf, die in einem Untersuchungsraum viel Platz benötigen;
- im Gegensatz zu einem Röntgenscanner hat die Echographie ebenso wie ein IRM-Gerät den Vorteil, dass keine Nebenwirkungen auftreten.
Der wesentliche Vorteil der Echographie ist jedoch, dass es sich um ein Verfahren zur morphologischen Bilderzeugung guter Qualität handelt, das einfach in der Verwendung und billig ist.
Die meisten Vorurteile gegen Echographieverfahren werden vorgebracht, wenn es um orthopädische Untersuchungen geht, d. h. Untersuchungen der Knochen. Tatsächlich durchdringt bei üblichen Bedingungen Ultraschall nicht die Knochen, sondern wird von ihnen in erheblichem Umfang reflektiert. Es ist daher unmöglich, das Innere der Knochen durch Ultraschall zu untersuchen. Die Untersuchung der Oberfläche der Knochen ist jedoch möglich, auch wenn sie durch die erhebliche Reflexion von Ultraschall schwierig ist. Da die Reflexion praktisch nur in der durch das Gesetz von Descartes vorgebebenen Richtung auftritt, liefert jede Echographie eines Knochens nur Bilder mit sehr geringer Information: die einzigen brauchbaren Bilder sind Ansichten der Kontur des Knochens, deren Normale parallel zur Richtung des Ultraschalles ist.
Jedoch ist diese Information für die hier in Frage stehenden Anwendungen ausreichend, wie im folgenden gezeigt wird, um eine Information über einen Punkt der Oberfläche eines Knochens bei jeder Echographie zu erhalten, um das Verfahren anwenden zu können. Die Echographie kann damit auch für orthopädische Anwendungen verwendet werden.
Insbesondere liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Organes eines Patienten in Bezug zu mindestens zwei bilderzeugenden Vorrichtungen, wie es im Patentanspruch 1 beschrieben ist.
Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert, und zwar anhand der beigefügten Zeichnung, in der
Fig. 1 ein Beispiel eines echographischen Testobjekts zeigt, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und
Fig. 2 ein Beispiel eines die Echographie und die Gamma- Scintigraphie gemeinsam verwendenden Testobjektes zeigt, welches gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Wie bereits vorher erwähnt, ist es bei mehreren medizinischen und diagnostischen oder therapeutischen Behandlungen notwendig, ein erstes Bezugssystem, in dem in einer präoperativen Vorab-Untersuchung ein Bereich des Organismus untersucht und eine Operationsstrategie bestimmt werden konnte, und ein zweites Bezugssystem entsprechend dem System, in dem die Operation vorgenommen wird, miteinander zu vereinigen (d. h. in vorbestimmter Art miteinander korrespondierend zu machen).
Die aktuellen Verfahren sind im wesentlichen Verfahren, sichtbare Marken einzusetzen, und zwar sowohl während der Operation als auch während der präoperativen Untersuchung, wobei diese Verfahren, wie oben angedeutet, unpräzise und schwierig in der Anwendung sind.
Die präoperative Untersuchung muss es gestatten, anatomische Objekte (einen Wirbel, eine Prostata, das Gehirn...) zu identifizieren, wobei deren Form oder die Form der umhüllenden Haut (z. B. die Gehirnhaut für das Gehirn) als Referenz für die Vereinigung der Bezugssysteme dient. Somit wird im Falle, wo die Bezugssysteme "vereinigt" oder überlagert sind, als Referenz das Organ selbst oder dessen umgebender Hautbereich verwendet. Verschiedene Techniken zur Bildbehandlung erlauben es, diese Operationen auszuführen, z. B. durch ein als dreidimensionale Segmentation bezeichnetes Verfahren (F. Leitner, I. Marque S. Lavallee, P. Cinquin, Dynamic Segmentation: "Finding the Edges with Spline Snakes", Proc. Int. Conf. on Curves and Surfaces, Chamonix, Academic Press, Seiten 279-284, 1991).

Verwendung der echographischen Sonde

Die vorliegende Erfindung zielt ab auf ein Verfahren, bei dem das Operationsbild aus einer Punktewolke resultiert, welche durch ein echographisches Verfahren des betroffenen Bereiches erhalten wurde und die es erlaubt, im Vorhinein die Objekte segmentiert zu visualisieren.
Die Schwierigkeit liegt in der Konzeption eines Protokolles, das es erlaubt, die mit der Echographie erhaltenen Punktkoordinaten mit dem Bezugssystem während der Operation zu verbinden. Um dieses zu ermöglichen, muss die Position der echographischen Sonde in dem Bezugssystem während der Operation markiert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen werden, auf der Sonde selbst Markierungspunkte vorzusehen, die mit einem adäquaten Empfänger (z. B. Photolumineszenzdioden, Ultraschallsender) detektierbar sind, der seinerseits fest im Hinblick auf das Operations- Bezugssystem angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Sonde fest an dem Ende eines verschwenkbarem Robotarmes befestigt. Man bestimmt dann auf der einen Seite die Position der Sonde in Bezug zu dem verschwenkbarem Arm, auf der anderen Seite die Position des Bezugssytems des schwenkbaren Armes in Bezug zu dem Operations-Bezugssystem.

a) Bestimmung der relativen Position der Sonde in Bezug zum verschwenkbaren Arm

Um diese Bestimmung durchzuführen, wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Lage der Sonde in Bezug zu einem Testobjekt zu bestimmen, welches es erlaubt, mit Hilfe der Echographie Markierungspunkte zu visualisieren, deren räumliche Verteilung fest vorgegeben ist. Diese Markierungspunkte werden echographisch untersucht und ihre tatsächlichen räumlichen Positionen mit denjenigen verglichen, die von einem Koordinantenwandler des Robotarmes für eine theoretische Position der Sonde geliefert werden. Man kann dann durch ein nicht-lineares Verfahren mit kleinsten Fehlerquadraten Rotations- und Translationsparameter ermitteln, die die Lage und die Bewegung des Bezugssystems der Sonde zu demjenigen des Armes charakterisieren.
Bei einer fest am Ende des Armes befestigten Sonde handelt es sich also darum, die Transformation zu finden, die die Markierung der Sonde mit der Markierung des verschwenkbaren Armes verbindet. Hierfür vermisst man drei Referenzpunkte eines Testobjektes, die in zumindest zwei unterschiedlichen Lagen zueinander vermessen werden müssen.
Ein Ausführungsbeispiel eines Testobjektes gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Dieses Testobjekt weist in einem Ultraschall hindurchlassenden Milieu, z. B. einem Wasserbehälter 10, drei Drähte 1, 2 und 3 auf, die zwischen zwei Ebenen gespannt sind. Drei weitere Drähte 4, 5 und 6 verbinden jeweils zwei der drei Drähte 1, 2 und 3 und bilden ein Dreieck. Das Dreieck kann z. B. durch einen feinen Faden aus Echo erzeugendem Material gebildet werden, z. B. durch einen Nylonfaden. Anschließend wird mit Hilfe eines Manipulators eines verschwenkbaren Armes (nicht dargestellt) eine Sonde 11 so eingestellt, dass deren ebenes Bündel 12 coplanar mit der Ebene der drei Fäden 4, 5 und 6 ist. Wenn die Sonde in der Ebene des Dreiecks liegt, wird dieses Dreieck genau visualisiert, indem man die Spitze durch Berechnung der Schnittpunkte der Seiten ermittelt. Ausgehend von dieser Position wird die Sonde 11 diese um 180º um die Achse Z in der Ebene des echographischen Bildes gedreht. Dieses ermöglicht es, die Rotationsparameter zu identifizieren.
Anschließend wird das Testobjekt in eine andere beliebige Position gebracht und das Verfahren zum Ermitteln der Punkte des Testobjektes in zwei Positionen des verschwenkbaren Tragarmes der echographischen Sonde wiederholt, die in Bezug zueinander um 180º verschwenkt sind. Anschließend werden alle diese notwendigen Daten zur Verfügung gestellt und ein klassisches Kalibrationsverfahren angewandt, wie es z. B. durch Y. C. Shiu et al. beschrieben worden ist in dem Artikel:"Finding the Mounting Position by Solving a Homogeneous Transform Equation of Form AX = XB", CH2413-3/87/0000/1666, 1987, IEEE.

b) Bestimmen der Position des Bezugssystems des verschwenkbaren Armes und der Sonde in Bezug zu dem Bezugssystem des Operationswerkzeuges

Das Operationswerkzeug, z. B. eine Führung zum Einführen einer Nadel, kann gemeinsam mit dem die Sonde tragenden verschwenkbaren Arm hergestellt sein. In diesem Falle ergibt sich kein Problem der speziellen Positionsbestimmung.
Wenn jedoch im Gegensatz hierzu das Operationswerkzeug unabhängig von dem die Sonde tragenden verschwenkbaren Arm konzipiert ist, muss man deren jeweiligen Bezugssysteme markieren.
In einer ersten Ausführung ist das Operationswerkzeug eine Gamma-Scintigraphie-Kamera oder ein Tomographiegerät, und es wird zur Markierung ein Testobjekt verwendet, das sowohl von dem Echographiegerät und der Gamma-Scintigraphie-Kamera gesehen werden kann.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines solchen Testobjektes, das aus vier nicht parallelen Drähten 20 bis 23 gebildet ist, die zwischen zwei parallelen Ebenen verspannt sind. Diese vier Drähte sind dünne Stangen oder Rohre, die zwischen zwei Plexiglasplatten 24, 25 gespannt und mit einem radioaktiven Material gefüllt sind. Das Testobjekt, eingesetzt in einen Wasserbehälter, kann dann sowohl von dem Echographiegerät und von der Scintigraphie-Kamera gesehen werden. Bei jeder scintigraphischen Aufnahme werden dann vier radioaktive Quellen und bei jeder echographischen Aufnahme direkt die Schnittpunkte der vier Rohre 20, 21, 22 und 23, die zwischen den Plexiglasplatten 24 und 25 gespannt sind, mit der echographischen Ebene ermittelt. Ausgehend von diesen Daten kann man dann die Gleichungen der vier Geraden, 20, 21, 22 und 23 in den Bezugssystemen der Echographie und der Scintigraphie-Kamera bestimmen.
Für jedes Paar der Stangen 20, 21, 22 und 23 wird jeweils ein virtueller Punkt 30 bis 35 berechnet, der den Mittelpunkt des Segmentes definiert, dessen Länge die minimale Distanz zwischen zwei Stangen ist. Man erhält damit eine Anordnung von sechs Punkten in dem echographischen Bezugssystem und von sechs Punkten in dem Bezugssystem der Kamera. Man kann dann ein bekanntes Minimierungsverfahren anwenden, z. B. ein solches, das durch K. S. Arun et al. in IEEE "Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence", Vol. PAMI. 9, Nr. 5, Seiten 698-700 beschrieben ist.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Operationswerkzeug ein Strahlentherapiegerät, das oftmals mit Laserstrahlenquellen verbunden ist, mit denen ein Reflektor in Form eines Keiles mit orthogonalen Kanten lokalisiert werden kann. Man benutzt als kombiniertes Testobjekt ein echographisches Testobjekt, z. B. ein Testobjektes gemäß Fig. 1, in dem in bestimmtem Bezug zu den drei Drähten 4, 5 und 6 ein Teilreflektor befestigt ist, der zur anfänglichen Kalibrierung in dem Schnittpunkt der einzelnen Laserstrahlen positioniert wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wenn die echographische Sonde präzise in Bezug zu dem Operations-Bezugssystem ausgerichtet ist, das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet und ein Bild einer Punktewolke der Oberfläche des betreffenden Organes in mehreren Lagen der echographischen Sonde aufgenommen, um auf diese Weise die Position der Sonde in Bezug zu dem Bezugssystem des Organes zu bestimmen, das durch ein dreidimensionales präoperatives Bild bestimmt wurde. Man kann hierzu die Position eines Werkzeuges, das in Bezug auf die Sonde markiert ist, an eine bestimmte Strategie während der präoperativen Phase anpassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung markiert man, sofern die echographische Sonde in Bezug zu einem kombinierten Testobjekt gemäß Fig. 2 markiert ist, eine Anfangsposition in Bezug zu diesem Testobjekt für eine Gamma-Scintigraphie-Kamera oder Tomographiekamera. Die Echographiesonde wird dann in bestimmter Weise in Bezug zu dieser Anfangsposition z. B. durch einen kodiert verschwenkbaren Robotarm versetzt. Man kennt daher zu jedem Zeitpunkt präzise die wechselseitige Lage zwischen der Kamera und der Sonde. Es ist dann möglich, die (morphologischen, echographischen) Bilder und die (funktionellen) Bilder der Gamma-Scintigraphie-Kamera oder des Tomographiegerätes zu vereinigen bzw. zu überlagern, was eine präzise Hilfe für die Diagnose liefert. Es ist darüber hinaus gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung möglich, die echographischen Bilder und ein dreidimensionales morphologisches Bild, das von einer Untersuchung durch einen Röntgenscanner oder ein IRM-Gerät stammt, miteinander zu überlagern. Die Kombination dieser beiden Aspekte der Erfindung erlaubt es, die als Zwischenbilder dienenden echographischen Bilder mit dem Bild der Gamma-Scintigraphie-Kamera und dem morphologischen dreidimensionalenen Bild aus der Untersuchung durch einen Röntgenscanner oder ein IRM-Gerät zu überlagern.
Die vorliegende Erfindung kann mit den Kenntnissen eines Durchschnittsfachmannes zahlreich variiert werden, insbesondere, was die Wahl zur Herstellung der echographischen Bilder betrifft und die Maßnahmen zur Korrelation zwischen den präoperativen dreidimensionalenen Bildern und dem Bild einer Punktwolke, die durch Echographie des gleichen Organes erhalten wurde.
Wie in Vorhergehendem angemerkt, kann das Organ, das man markieren will, fest in Bezug zu einem Hautbereich des Patienten gelegen sein. Das ist z. B. der Fall für das Gehirn in Bezug zu dem Kopf des Menschen.

Anmerkungen zur Magnetoencephalographie (MEG)

Es handelt sich hierbei um einen Apparat, der dazu dient, die Funktion des Gehirnes zu untersuchen, indem das von dem Gehirn während verschiedener Gehirnaktivitäten erzeugte Magnetfeld analysiert wird. Dieses Feld ist extrem schwach (viel schwächer als das Erdmagnetfeld). Man bringt den Kopf des Patienten in eine Vorrichtung, die mehrere Sonden aufweist, mit denen das Feld an der Oberfläche des Schädels bestimmt werden kann. Die Anzahl der verwendeten Elektroden ist relativ begrenzt (die meisten herkömmlichen Apparaturen erlauben die Verwendung von 128 Elektroden). Um eine Karte der magnetischen Intensität im Inneren des Gehirnes zu bestimmen, findet man daher wesentlich schlechtere Bedingungen vor als z. B. bei der Rekonstruktion von tomodensitometrischen Bildern aus radiographischen Projektionen. Auf der einen Seite ist nämlich die Anzahl der zur Verfügung stehenden Daten viel geringer (bei der Tomodensitometrie hat man für jede Aufnahme mehrere Hunderte von Messpunkten pro Projektion und mehrere Hunderte von Projektionen). Zum anderen ist die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen sehr variabel entsprechend den elektro-physiologischen Charakteristiken der durchquerten Gewebe. Das zu lösende "inverse Problem" für die MEG wiegt daher wesentlich schwerer als bei der Tomodensitometrie. Dieses erklärt das Interesse zur Beschäftigung mit diesem Problem mit aller bisher zur Verfügung stehender Kenntnis. Realisierbare Untersuchungen vor dem MEG-Verfahren geben aber auch möglicherweise sehr wichtige Informationen für die Rekonstruktion von MEG- Bildern. Die Tomodensitometrie erlaubt z. B. die knochige Schädelstruktur sehr genau zu identifizieren. So ist nun mal die Knochenstruktur die wesentlichste Sperre bei der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen, die von dem Gehirn ausgesendet werden. Die Quantifizierung ihrer Dicke und die präzise Lokalisierung sind daher wichtige Informationen für das MEG-Verfahren. Die ventrikulären Strukturen, bei denen die elektrischen Merkmale sehr komplex sind, sind auf der anderen Seite sehr genau zu identifizieren. Die Abbildung mit Hilfe von Magnetresonanz liefert die Unterscheidungsmöglichkeit hinsichtlich grauer und weisser Bereiche mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, aber auch die Möglichkeit, die möglicherweise sendenden Zonen zu lokalisieren. Die Untersuchung mit dem MEG-Verfahren kann darin bestehen, die elektrische Aktivität des Gehirnes bei sensorischmotorischen oder präzisen gedanklichen Aufgaben zu registrieren, wenn man weiß, dass diese wohlbekannte Hirnbereiche aktivieren, die mit Hilfe eines IRM-Gerätes zu lokalisieren sind.
All dieses unterstreicht das Interesse an einem einfachen und zuverlässigen Verfahren, um das Bezugssystem bei präoperativen Untersuchungen, z. B. mit einem IRM-Gerät oder einem Scanner zu erstellen, bevor die MEG-Bilder berechnet werden. Wenn man die "Prä-MEG" Informationen, die so erhalten werden, in Rechnung stellt, hat dieses eine beachtliche Verbesserung der Qualität der MEG-Bilder zur Folge.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Organs eines Patienten in Bezug zu mindestens zwei bilderzeugenden Vorrichtungen, wobei:

die erste bilderzeugende Vorrichtung in einem, einem ersten Bezugssystem zugeordneten Operationsraum gelegen ist und ein Punktebild der Oberfläche des Organs oder eines Hautbereiches des Patienten liefert,

die zweite bilderzeugende Vorrichtung in einem einem zweiten Bezugssystem zugeordneten Präoperationsraum gelegen ist und ein dreidimensionales Bild der Oberfläche des Organs und gegebenenfalls der Hautoberfläche liefert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Bestimmen der Position der ersten Vorrichtung in Bezug zu dem ersten Bezugssystem;

Machen zumindest einer Aufnahme mit der ersten Vorrichtung, um ein erstes Bild entsprechend einer Punktewolke der Oberfläche des Organs oder des Hautbereiches zu erhalten;

Aufnehmen zumindest eines dreidimensionalen Bildes als zweites Bild des Organs und seiner Oberfläche oder der Oberfläche des Hautbereiches mit Hilfe der zweiten Vorrichtung und Identifizieren der Form dieser Oberfläche, um eine Referenz zu erhalten; und

Vereinigen des ersten und zweiten Bildes unter Verwendung der Referenz, wodurch das erste Bezugssystem in Bezug zu dem zweiten markiert wird;

wobei der Schritt zum Bestimmen der Position der ersten Vorrichtung in Bezug zu dem ersten Bezugssystem folgende Schritte aufweist:

- Befestigen der Sonde auf einem codiert verschwenkbaren Robotarm.

- Anvisieren dreier Punkte eines echographischen Testobjektes, das aus drei zwischen zwei Ebenen gespannten parallelen Drähten (1-3)und drei weiteren Drähten (4-6) aus Ultraschall reflektierendem Material gebildet ist, die in einem Dreieck zwischen den drei parallelen Drähten befestigt sind, wobei das Ensemble in ein Ultraschall hindurch lassendes Medium, zum Beispiel einen Wasserbehälter, eingetaucht ist,

- Drehen der Sonde um 180º um deren Visierlinie und nochmaliges Anvisieren der drei Punkte des Testobjektes, und

- Wiederholen der zwei vorhergehenden Schritte für eine andere Position des Testobjektes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bezugssystem das Bezugssystem der Liege des Patienten ist.

3. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Organs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die echographische Sonde in der Lage ist, bei jeder Aufnahme die Entfernungen in einer Visierebene zwischen dieser Sonde und der Grenzfläche in dieser Ebene zwischen dem Organ und dem angrenzenden Medium zu liefern, und dass der Aufnahmeschritt darin besteht, die Sonde zu verschieben und für jede der mehreren bestimmten Lagen dieser Sonde eine Aufnahme zu machen, um dadurch für jede Aufnahme die Position zumindest eines Punktes der Oberfläche des Organs in Bezug zu der Sonde zu erhalten, wodurch ein erstes Bild entsprechend einer Punktewolke der Oberfläche des Organs erhalten wird.

4. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Organs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es besteht aus:

- Bestimmen einer Aktionsachse eines Operationsinstrumentes in Bezug zu dem präoperativem Bild, das in dem zweiten Bezugssystem aufgenommen wurde,

- Identifizieren dieser Aktionsachse in dem ersten Bezugssystem, und

- Positionieren eines Instrumentes längs dieser Aktionsachse in dem ersten Bezugssystem.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei im Falle, dass das Instrument ein Analysesystem ist, das auf einem Träger in dem Operationsraum montiert, jedoch unabhängig von dem Träger der ersten Vorrichtung ist, das Identifizieren der Aktionsachse realisiert wird, indem das Testobjekt durch die erste Vorrichtung und durch das Instrument anvisiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Instrument ein Strahlentherapiegerät ist, dessen Aktionssphäre durch Laserstrahlen dargestellt ist, und bei dem dem Testobjekt ein kubischer Reflektor hinzu gefügt ist, der determiniert in Bezug zu den drei weiteren Drähten positioniert ist, und wobei dieser kubische Reflektor anfänglich in der Aktionsshäre platziert wird, indem die Laserstrahlen längs der Ränder des Kubus ausgerichtet werden.

7. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Organs nach Anspruch 1, wobei:

eine dritte bilderzeugende Vorrichtung, zum Beispiel eine Gamma-Scintigraphie-Kamera, ein TEP-, MEG- oder Synchrotron- Strahlungs-Gerät, in dem gleichen Operationsraum wie die erste Vorrichtung angeordnet wird,

die relativen Positionen der ersten und der dritten Vorrichtung durch Anvisieren des auf der Liege des Patienten gelegenen Testobjektes durch die erste und die dritte Vorrichtung bestimmt werden, und

die Bilder der ersten und der dritten Vorrichtung Vereinigt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die dritte Vorrichtung ein Gerät nach Art einer Gamma-Scintigraphie-Kamera oder ein MEG- Gerät ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Testobjekt weiterhin Hohlrohre aufweist, die mit einem radioaktiven Stoff gefüllt sind, wobei das Testobjekt vier Hohlrohre aufweist, die zueinander nicht parallel zwischen zwei parallelen Platten montiert sind.