DE69533935T2

DE69533935T2 - Positions- und Bilderfassung zur Anwendung im medizinischen Gebiet

Info

Publication number: DE69533935T2
Application number: DE69533935T
Authority: DE
Inventors: Maurice R. Ferre; Peter D. Jakab; James S. Tieman
Original assignee: OEC Medical Systems Inc
Current assignee: OEC Medical Systems Inc
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1995-09-13
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2015-09-14
Also published as: ATE286681T1; DE69533935D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft die computergestützte medizinische Chirurgie und bezieht sich insbesondere auf Systeme zur Anzeige voraufgezeichneter visueller Bilder während chirurgischer Operationen.
Derzeit verfügbare medizinische Bildgebungsverfahren wie etwa CAT (Computer-Axial-Tomographie), MRI (Magnetresonanzbildgebung) und PET (Positronen-Emissions-Tomographie) sind bekannterweise nicht nur für diagnostische Zwecke hilfreich, sondern auch, um eine Unterstützung während chirurgischer Eingriffe zu bieten. Während chirurgischer Operationen können voraufgezeichnete Bilder angezeigt werden, um dem Chirurgen veranschaulichende Referenzabbildungen von sachdienlichen Abschnitten des Körpers eines Patienten zu liefern.
Spurverfolgungssysteme zur Überwachung der Position eines medizinischen Instruments sind auch zur Verwendung mit Bildanzeigesystemen entwickelt worden. Generell werden, wenn der Chirurg das medizinische Instrument in Bezug auf den Körper des Patienten bewegt, in Ansprechen auf die Bewegung des Instruments zugehörige voraufgezeichnete Bilder angezeigt. Solche Spurverfolgungssysteme beinhalten typischerweise entweder die Anwendung eines passiven Gelenkarms, der an dem medizinischen Instrument angebracht ist, einer optischen Erkennung oder einer Ultraschallerkennung.
Spurverfolgungssysteme, die einen an einem medizinischen Instrument angebrachten passiven mechanischen Gelenkarm nutzen, sind in den US-Patenten 5,186,174 und 5,230,623 offenbart. Generell zeichnen, wenn der Chirurg das chirurgische Instrument in Bezug auf den Patientenkörper bewegt, Mikroaufzeichnungsvorrichtungen an den Gelenken des Gelenkarms die jeweiligen Bewegungsbeträge jedes Armelements auf. Die Ausgangssignale der Mikroaufzeichnungsvorrichtungen werden verarbeitet und die Position des medizinischen Instruments in Bezug auf die Basis des Gelenkarms wird dadurch überwacht. Es werden dann in Ansprechen auf die Bewegung des chirurgischen Instruments ein oder mehrere voraufgezeichnete Bilder angezeigt. Solche Spurverfolgungssysteme mit Gelenkarm erfordern jedoch, dass das Instrument an einem hinderlichen mechanischen Arm angebracht ist. Außerdem ist es möglich, dass, obgleich theoretisch die freie Bewegung der Spitze des Arms im dreidimensionalen Raum möglich sein kann, der Chirurg Schwierigkeiten mit der Positionierung des Instruments an bestimmten Stellen und in gewünschten Ausrichtungen in dem Körper hat.
Spurverfolgungssysteme, die eine optische Erkennung nutzen (Videokameras und/oder CCDs (Charged Coupled Devices)), wurden zur Überwachung der Position eines medizinischen Instruments in Bezug auf eine Referenzeinheit vorgeschlagen, wie in US-Patent 5,230,623 erwähnt ist. Solche Systeme erfordern jedoch, dass die Referenzeinheit und das Instrument sich beide im Sichtfeld der Kamera befinden. Dies schränkt nicht nur die Bewegung des chirurgischen Personals ein, sondern macht außerdem erforderlich, dass zumindest ein Teil des medizinischen Instruments außerhalb des Patientenkörpers bleibt.
Spurverfolgungssysteme, die eine Ultraschallerkennung nutzen, sind allgemein in US-Patent 5,230,623 offenbart. Es ist jedoch offenbart, dass solche Systeme in ähnlicher Weise wie bei der optischen Erkennung genutzt werden, d. h. über Tri angulation der übertragenen Signale. Die übertragenen Signale werden von einem oder mehreren Sendern zu dem/den zugehörigen Empfänger(n) gesendet und die von den Signalen zurückgelegten Strecken werden entweder aus Takt- oder Amplitudenänderungen bestimmt. Wiederum muss der Übertragungsweg unverdeckt bleiben.
Ein weiterer Nachteil, der allen zuvor erwähnten Spurverfolgungssysteme gemein ist, besteht darin, dass sich der Patient während der Operation nicht bewegen darf. Obgleich der Patient wahrscheinlich vollständig narkotisiert ist, könnte der Patientenkörper unbeabsichtigt von dem chirurgischen Personal bewegt werden oder der Chirurg könnte den Körper bewegen wollen, um ihn besser zu positionieren. Wenn der Körper bewegt wird, nachdem das Spurverfolgungssystem initialisiert worden ist, wird die Spurverfolgung fehlausgerichtet sein.
Es besteht daher ein Bedarf an einem System zur Überwachung der Position eines medizinischen Instruments in Bezug auf einen Patientenkörper, bei dem diese und andere Nachteile derzeitiger Vorrichtungen vermieden sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 13 definiert. Sie bezieht sich auf ein System zur Überwachung der Position eines medizinischen Instruments in Bezug auf den Körper eines Patienten und zum Anzeigen mindestens eines von einer Mehrzahl voraufgezeichneter Bilder des Körpers in Ansprechen auf die Position des medizinischen Instruments. Das System umfasst eine Referenzeinheit, eine in Entfernung vorgesehene Einheit, auch als Ferneinheit bezeichnet, einen Generator für ein positionscharakteristisches Feld, einen Feldsensor, eine Positionserfassungseinheit sowie ein Ausgabedisplay.
In einer Ausführungsform ist die Referenzeinheit gegen Verschiebung in Bezug auf mindestens einen Teil des Körpers des Patienten in solcher Weise gesichert, dass die Referenzeinheit in Bezug auf eine Operationszielstelle im Wesentlichen unbeweglich ist. Die Ferneinheit ist an dem medizinischen Instrument angebracht. Der Feldgenerator ist entweder mit der Referenzeinheit oder der Ferneinheit verknüpft und erzeugt ein positionscharakteristisches Feld wie beispielsweise ein gemultiplextes Magnetfeld in einem Bereich, der die Operationszielstelle einschließt. Der Feldsensor ist mit der anderen Einheit, der Referenzeinheit oder der Ferneinheit, verknüpft und spricht auf das Vorhandensein des Feldes an, indem er ein Sensorausgangssignal erzeugt, welches für das abgefühlte Feld kennzeichnend ist.
Die Positionserfassungseinheit steht in Verbindung mit dem Sensorausgangssignal und erzeugt Positionsdaten, die für die Position der Ferneinheit in Bezug auf die Referenzeinheit kennzeichnend sind. Die Ausgabedisplayeinheit steht in Kommunikation mit der Positionserfassungseinheit, um in Ansprechen auf die Positionsdaten mindestens eines der voraufgezeichneten Bilder anzuzeigen.
Das System beinhaltet ferner eine Lageausrichtungseinheit in Kommunikation mit einer Speichereinheit und den Positionsdaten. Die Speichereinheit speichert die mehreren voraufgezeichneten Bilder des Körpers. Jedes voraufgezeichnete Bild stellt einen ebenen Bereich innerhalb des Körpers dar, und zwar in solcher Weise, dass die mehreren ebenen Bereiche, die durch die voraufgezeichneten Bilder dargestellt werden, ein erstes Koordinatensystem definieren. Die Lageausrichtungseinheit korreliert die Positionsdaten eines zweiten Koordinatensystems (wie es durch die Positionserfassungseinheit definiert wird) mit den mehreren voraufgezeichneten Bildern des ersten Koordinatensystems und identifiziert ein gewünschtes voraufgezeichnetes Bild, das der Position der Ferneinheit in Bezug auf den Körper des Patienten zugeordnet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Referenzeinheit, die am Kopf eines Patienten angebracht werden kann, sowie auf ein medizinisches Instrument wie etwa eine Absaugeinrichtung, das dazu angepasst ist, entfernbar eine Positionserfassungseinheit aufzunehmen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung kann weitergehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in welchen:
1 eine schematische Ansicht eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine Ansicht der in 1 gezeigten, am Kopf anbringbaren Einheit von vorn ist;
3 eine entlang der Linie 3-3 aus 2 genommene Seitenansicht der in 1 gezeigten, am Kopf anbringbaren Einheit ist;
4 eine entlang der Linie 4-4 aus 3 genommene Ansicht eines Teils der in 1 gezeigten, am Kopf anbringbaren Vorrichtung von hinten ist;
5 eine auseinandergezogene Seitenansicht des in 1 gezeigten chirurgischen Instruments und des Fernsensors ist;
6 eine entlang der Linie 6-6 aus 5 genommene Endansicht des in 1 gezeigten zusammengesetzten chirurgischen Instruments und Sensors ist;
7 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines chirurgischen Instruments und einer Sensoreinheit der Erfindung entsprechend einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist;
8 eine Seitenansicht des in 7 gezeigten chirurgischen Instruments ist;
9 eine Endansicht des in 7 gezeigten chirurgischen Instruments ist;
10 ein Aufriss des in 7 gezeigten chirurgischen Instruments ist;
11 eine Ansicht einer Fernsensoreinheit von oben ist, die zur Anwendung mit dem in den 7–10 gezeigten chirurgischen Instrument angepasst ist;
12 eine Seitenansicht eines anderen chirurgischen Instruments zusammen mit der in den 7 und 11 gezeigten entfernbaren Fernsensoreinheit ist;
13 eine schematische Darstellung des Systems ist, das zur Voraufzeichnung von CT-Bildern zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen System angewandt wird;
14 eine schematische Darstellung eines manuellen Lageausrichtungsvorgangs der Erfindung ist;
15 ein Aufriss der Bestandteile eines Bezugsmarkierungssystems entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist;
16 eine Ansicht der Bestandteile des Systems aus 15, entlang der Linie 16-16 in dieser genommen, von oben ist;
17 ein Ablaufdiagramm des Vorgangs der Verwendung des Bezugsmarkierungssystems aus 15 ist;
18 eine Seitenansicht einer am Kopf anbringbaren Einheit entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
19 eine Endansicht der in 18 gezeigten, am Kopf anbringbaren Einheit entlang der Linie 19-19 in dieser genommen ist;
20 eine Ansicht eines Senders ist, der zur Verwendung mit der in 18 gezeigten, am Kopf anbringbaren Einheit angepasst ist;
21 eine Teilansicht eines Abschnitts der in 19 gezeigten, am Kopf anbringbaren Einheit entlang der Linie 21-21 in dieser genommen ist;
22 ein Ablaufdiagramm eines automatischen Lageausrichtungsvorgangs der Erfindung ist;
23 eine schematische Ansicht der Positionserkennungskomponenten entsprechend einem System der Erfindung ist; die
24 und 25 schematische Ansichten der Prinzipien eines Berechnungsvorgangs zur Fehlererkennung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist; die
26 und 27 schematische Ansichten der durch den Prozess aus den 24 und 25 erkannten Fehler sind;
28 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist; und die
29–32 schematische Ansichten weiterer Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Systemen sind.
Detaillierte Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein erfindungsgemäßes System 10 eine am Kopf anbringbare Vorrichtung 12, auch als Headset bezeichnet, die an einem Patienten 14 angebracht wird, ein medizinisches Instrument 16, ein Steuersystem 18 sowie eine Anzeigevorrichtung 20, auch als Display bezeichnet. Das Steuersystem 18 umfasst eine Positionserfassungseinheit 22, eine Lageausrichtungseinheit 24 und eine Bildspeichereinheit 26.
Die Bildspeichereinheit 26 speichert Sätze von voraufgezeichneten Bildern wie etwa CAT-, MRI- oder PET-Abtastbilder. Jeder Bildsatz kann beispielsweise in koronaler, sagittaler oder axialer Richtung aufgenommen sein. Wie in 1 gezeigt ist, zeigt die Anzeigevorrichtung 20 drei Bilder an, ein koronales Bild 21a, ein sagittales Bild 21b und axiales Bild 21c. Es können auch Textinformationen angezeigt werden, wie bei 21d in 1 gezeigt ist.
Wie ferner in den 2–4 gezeigt ist, umfasst das Headset 12, zwei Ohrbefestigungen 28 an Seitenelementen 30 sowie eine Nasenrückenbefestigung 32 an einem mittigen Element 34. Das Headset 12 sollte aus einem elastischen Kunststoff hergestellt sein, sodass es eng anliegend am Kopf eines Patienten angebracht werden kann, und kann in verschiedenen Größen bereitgestellt werden. Die Hauptaufgabe des Headsets besteht darin, eine Referenzeinheit bereitzustellen, die einfach am Kopf eines Patienten angebracht werden kann und von diesem entfernt werden kann, wobei das Headset wiederholt mit einem hohen Genauigkeitsgrad an exakt der gleichen Stelle angebracht werden kann. In anderen Ausführungsformen können die Seitenelemente 30 des Headsets 12 drehbar aneinander befestigt sein und die Ohrbefestigungen 28 können aufeinander zu vorgespannt sein. Ferner kann das mittige Element 34 in Bezug auf die Seitenelemente 30 drehbar sein und kann ebenso in Richtung der Ohrbefestigungen 28 vorgespannt sein.
Das in den 1–4 gezeigte Headset 12 umfasst außerdem eine Referenzeinheit 36, die über Kommunikationsleitungen 38 mit der Positionserfassungseinheit 22 verbunden ist. Die Referenzeinheit 36 kann mit Hilfe herkömmlicher Klemm- oder Befestigungsmittel lösbar an dem Headset 12 angebracht sein. In einer Ausführungsform kann die Referenzeinheit 36 einen Generator für ein positionscharakteristisches Feld beinhalten, der in der Lage ist, ein multidirektionales Feld in drei Dimensionen zu erzeugen, und kann die Nutzung von entweder elektromagnetischen oder Ultraschallwellen beinhalten. Das positionscharakteristische Feld unterscheidet sich teilweise von dem Triangulations-Sende/Empfangs-System, da es nicht auf dem Vergleich eines gesendeten Signals mit einem anderen beruht, wie das bei der Triangulation der Fall ist. Dadurch kann der Weg zwischen dem Feldgenerator und dem Fernsensor durch Materialien verdeckt sein, die das erzeugte Feld nicht wesentlich ändern. Beispielsweise könnte die Position des medizinischen Instruments sogar dann festgestellt werden, wenn sich dieses im Körper eines Patienten befindet, wenn das erzeugte Feld ein Magnetfeld ist. Außerdem kann die Referenzeinheit auch einen Referenzsensor 37 enthalten, um eine Überprüfung des richtigen Systembetriebs zu liefern.
In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Feldgenerator drei orthogonal angeordnete magnetische Dipole (z. B. Stromschleifen oder Elektromagneten), und die orthogonal zueinander liegenden Magnetfelder, die jeweils von den drei Dipolen erzeugt werden, sind voneinander unterscheidbar (z. B. über ein Phasen-, Frequenz- oder Zeitmultiplexing). Für die Positionserfassung kann man sich auf die Nahfeldeigenschaften der gemultiplexten Magnetfelder verlassen, wie beispielsweise allgemein in US-Patent 4,054,881 beschrieben ist. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Feldgenerator irgendwo anders als an dem Headset angeordnet sein und das Headset kann zwei Feldsensoren 36, 37 aufweisen. Wenn der Abstand zwischen den Sensoren 36, 37 bekannt ist, kann der zweite Sensor verwendet werden, um als Reserve oder Referenzprüfung zur Überwachung des richtigen Betriebs des Systems zu dienen. Wenn die abgefühlten Felder widersprüch lich sind, wird ein Fehlersignal optisch und/oder akustisch ausgegeben.
In anderen Ausführungsformen kann das Headset 12 in Systemen angewandt werden, die auf der Triangulation von Signalen basieren, wobei die Referenzeinheit 36 ein oder mehrere Signalsender und/oder ein oder mehrere Signalempfänger umfasst. Bei einem solchen Triangulationssystem wird die Positionserfassung über den Vergleich bestimmter Eigenschaften eines gesendeten Signals mit denen eines zweiten gesendeten Signals zur Bestimmung der zurückgelegten relativen Strecken erreicht. Die gesendeten Signale können elektromagnetisch (z. B. Funk, Laserlicht oder Lichtemitterdioden) sein oder können Ultraschallsignale sein. Die Position des Patientenkopfes in Bezug auf das chirurgische Instrument kann dadurch überwacht werden.
Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, kann das medizinische Instrument eine Absaugeinrichtung sein, die dazu angepasst ist, entfernbar einen Fernsensor 40 zum Erfassen von beispielsweise dem von dem Generator für das positionscharakteristische Feld erzeugten Feld aufzunehmen. Der Sensor 40 kann durch eine Bemessung für einen Festsitz oder über die Verwendung eines nachgiebigen Schnappelements in der Wandöffnung 42 in dem Instrument 16 gehalten werden. Da eine Absaugeinrichtung üblicherweise bei den meisten chirurgischen Operationen verwendet wird, wird durch den Einbau des Fernsensors in die Absaugeinrichtung dem Chirurgen eine praktische Positionserfassungsvorrichtung bereitgestellt, welche den Operationsbereich nicht mit unnötigen Gegenständen befrachtet. Das Instrument 16 kann ferner einen zweiten Reserve-Feldsensor 41 für eine Fehlererkennung des Systems enthalten, wie vorstehend in Bezug auf den Sensor 37 beschrieben worden ist.
Die Fernsensoren 40, 41 sind von der Absaugeinrichtung abnehmbar und können austauschbar in irgendeines einer Vielzahl von speziell angepassten chirurgischen Instrumenten eingesetzt werden. In der dargestellten Ausführungsform werden die Fernsensoren 40, 41 durch eine Öffnung 42 im nahen Ende des Instruments 16 aufgenommen und sind mit der Positionserfassungseinheit 22 über Kommunikationsleitungen 44 verbunden. Die Sensoren 40, 41 können ebenfalls jeweils drei orthogonal angeordnete Dipol-Abfühlelemente zur Erfassung des Vorhandenseins des durch den Feldgenerator erzeugten Feldes enthalten. In einer Ausführungsform umfassen der Feldgenerator und die Sensoren beispielsweise jeweils drei orthogonal angeordnete elektrische Drahtschleifen. Der Generator erzeugt immer einzeln durch eine Generatorschleife einen Wechselstrom, sodass ein zeitgemultiplextes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Die Sensorschleifensignale werden jeweils in synchroner Taktung mit den Generatorschleifen verarbeitet, um in Ansprechen auf jedes jeweilige elektromagnetische Wechselfeld Ausgangssignale zu erzeugen.
Das distale oder ferne Ende des Instruments 16 weist ein starres Ansaugrohr 46 mit einer konisch erweiterten Spitze 48 auf. Die Lage der Spitze 48 in Bezug auf die Mitte des Fernsensors 40 ist eine bekannte Konstante und der Chirurg kann diese während der Operation leicht sehen. Das Ansaugrohr 46 steht über das proximate oder nahe Ende des Instruments 16 über einen Innenkanal 52 und ein Verbinderelement 54 in flüssigkeitsdurchlässiger Verbindung mit einem Ansaugkatheter 50. Der Ansaugkatheter (in 1 gezeigt) ist mit einer (nicht gezeigten) Vakuumansaugeinheit verbunden.
Im Betrieb überwacht die Positionserfassungseinheit die Position des medizinischen Instruments 16 in Bezug auf die Referenzeinheit 36. Die Lageausrichtungseinheit 24 korreliert die Lageänderungen des Instruments 16 mit der räumlichen Ausrichtung der gespeicherten Bilder. Wenn der Chirurg das medizinische Instrument 16 bewegt, erscheinen auf dem Display 20 Bilder in Abhängigkeit von der Lage des medizinischen Instruments 16. Somit ist es ermöglich, dass der Chirurg immer die der exakten Position der Spitze 48 des Instruments 16 zugehörigen koronalen, sagittalen und axialen Ansichten verfügbar hat, unabhängig davon, ob sich die Spitze 48 im Inneren des Patienten 14 befindet. Darüber hinaus kann, da der Feldgenerator am Kopf des Patienten angebracht ist, der Patient frei bewegt werden, ohne dass die Spurverfolgungsfähigkeiten verloren gehen. Das Display 20 kann ferner die Lage der Spitze 48 auf jedem der angezeigten Bilder kenntlich machen, wie bei 56 in 1 gezeigt ist. Bei anderen Ausführungsformen kann auch die Ausrichtung des Ansaugrohrs 46 auf den angezeigten Bildern kenntlich gemacht werden. In weiteren Ausführungsformen kann auf Grundlage der voraufgezeichneten Bilder ein dreidimensionales zusammengesetztes Bild angezeigt werden.
Wie in den 7–11 gezeigt, kann eine andere Ausführungsform einer entfernbaren Fernsensoreinheit 58 mit einer Ansaugvorrichtung 60 verwendet werden. Die Sensoreinheit 58, die zwei Sensoren 62, 64 enthält, kann entfernbar an der Vorrichtung 60 angebracht werden, indem zuerst die Finger 68 an der Vorrichtung 60 in Eingriff in die Aussparungen 66 an der Einheit 58 gebracht werden. Eine Zunge 70 an der Einheit 58 wird dann zwischen Scharnierzapfen 72 an der Vorrichtung 60 aufgenommen und zuletzt sicher an ihrem Platz befestigt, indem der Riegel 74 aus einer offenen Stellung, wie sie in 8 gezeigt ist, in eine geschlossene Stellung gedreht wird, wie sie in 7 gezeigt ist. Der Riegel 74 weist bei 76 einen ausgesparten Bereich auf, der dazu angepasst ist, reibungsschlüssig die Zunge 70 an der Sensoreinheit 58 in Eingriff zu nehmen.
Die Sensoreinheit 58 besitzt ferner die Fähigkeit festzustellen, welches von einer Mehrzahl von medizinischen Instrumenten zu irgendeinem Zeitpunkt an der Sensoreinheit 58 befestigt ist. Speziell weist die Einheit 58 mehrere Hall-Effekt-Transistoren 78 auf, und das medizinische Instrument 60 weist einen oder mehrere kleine Permanentmagneten 80 auf. Durch die Anzahl und/oder die Positionierung der Magneten 80 stellen die Transistoren 78 fest, welches der medizinischen Instrumente an der Sensoreinheit 58 angebracht ist.
Wenn beispielsweise alle Transistoren 78 das Vorhandensein eines Magneten 80 fühlen, dann ist bekannt, dass das in den 7–11 gezeigte Instrument 60 an der Sensoreinheit 58 angebracht ist, da das Instrument 60 drei Magneten aufweist. Wenn nur zwei Magneten 82 erfasst werden, ist das an der Sensoreinheit 58 angebrachte medizinische Instrument ein anderes Instrument 84, wie es in 12 gezeigt ist. Wenn keine Magnete gefühlt werden, dann weiß man, dass die Sensoreinheit 58 an keinem medizinischen Instrument angebracht ist. Dadurch, dass es die Identität des angebrachten medizinischen Instruments kennt, kann das System automatisch die Positionserfassungseinheit derart anpassen, dass die Unterschiede in der Lage der Instrumentenspitze in Bezug auf die Position der Sensoren 62, 64 für verschiedenartige medizinische Instrumente kompensiert werden. Durch das Merkmal der entfernbaren Anbringbarkeit der Sensoreinheit ist nicht nur eine Vielseitigkeit gegeben, sondern es wird auch die Verwendung von sterilisierten medizinischen Instrumenten erleichtert.
Wie in den 13 und 14 dargestellt ist, beinhaltet der Lageausrichtungsvorgang zwei grundlegende Schritte: 1) Aufzeichnen der Abtastbilder in einer vorgegebenen Ausrichtung, und 2) Abbilden der räumlichen Ausrichtung des Positionserfassungssystems auf die aufgezeichneten Bilder. Beispielsweise kann die Ausrichtung der voraufgezeichneten Bilder in der sagittalen (i-j-Ebene), der koronalen (k-j-Ebene) und/oder der axialen Ebene (k-i-Ebene) liegen, wie in 13 gezeigt ist. Die Bilder können digital gespeichert werden, und der Abstand zwischen jedem abgetasteten Bild wird aufgezeichnet, wie auch die relativen Ausrichtungen jedes Bildsatzes. Wie Fachleuten klar sein wird, können in alternativen Ausführungsformen bestimmte Bilder aus anderen Bildern erstellt werden, ohne dass jeweils die sagittale, die koronale und die axiale Ansicht aufgezeichnet zu werden braucht. Beispielsweise können durch Mehrebenen-Umformatierung die sagittalen und koronalen Bilder aus den axialen Bildern erstellt werden.
Bei einer Ausführungsform werden vor dem Abtasten mit dem Abtastgerät 92 Bezugsmarkierungen 90 auf dem Patientenkopf 14 platziert. Die Markierungen erscheinen dann auf bestimmten der abgetasteten Bilder und können von dem Positionserfassungssystem lokalisiert werden, wie in 14 gezeigt ist. Wenn, genauer gesagt, die jeweilige Markierung 90 nacheinander lokalisiert wird, beispielsweise mit der Spitze 48 eines medizinischen Instruments 16, lokalisiert der Benutzer die gleiche Markierung auf den voraufgezeichneten Bildern unter Verwendung von beispielsweise einer Computermaus. Der Benutzer steuert dann die Eingabe der Lageausrichtungsdaten über entweder eine Computertastatur 94, eine Maus oder einen Fußschalter. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Lageausrichtungseinheit jedes voraufgezeichnete digitale Bild beginnend von einer Ecke abtasten, bis sie die gekennzeichnete Markierung lokalisiert.
Bei weiteren Ausführungsformen, welche die Verwendung von Bezugsmarkierungen beinhalten, die vor der Aufzeichnung der Abtastbilder auf dem Körper des Patienten (z. B. dem Gesicht) platziert werden, können Bezugsmarkierungen 90' auf Zwischenklebestreifen 91 geklebt werden, die direkt auf der Haut 93 des Patienten aufgeklebt werden, wie in den 15 und 16 gezeigt ist.
Die Bezugsmarkierungen 90' enthalten ein strahlenundurchlässiges Element 95, und die Streifen 91 weisen ein kleines Stichloch oder eine andere Markierung 97 auf. Bezug nehmend auf 17 beginnt (Schritt 1700) der Verwendungsvorgang der Bezugsmarkierungen 90' damit, dass zuerst die Streifen 91 auf der Haut des Patienten platziert werden (Schritt 1702). Danach werden die Bezugsmarkierungen 90' derart auf den Streifen 91 platziert, dass die strahlenundurchlässigen Elemente 95 mit den Markierungen 97 auf den Streifen 91 ausgerichtet sind (Schritt 1704). Dann werden die Abtastbilder aufgezeichnet (Schritt 1706) und danach können die Bezugsmarkierungen 90' von dem Patienten entfernt werden (Schritt 1708). Während der manuellen Lageausrichtung kann der Chirurg oder Techniker die Markierungen 97 mit der Spitze eines Zeigers lokalisieren (Schritt 1710) und dadurch die Positionen der strahenundurchlässigen Bezugsmarkierungselemente 95 in Bezug auf den Sender aufzeichnen. Die Verwendung der Zwischenstreifen 91 bietet nicht nur einen besseren Komfort für den Patienten nach der Bildaufnahme und vor der Operation, sondern erleichtert auch die exakte Lageausrichtung. Da die strahlenundurchlässigen Elemente 95 direkt über den Markierungen 93 zentriert werden, ist die Genauigkeit der Lageausrichtung verbessert, da der Benutzer nun die kleineren Markierungen 93 lokalisieren kann, anstatt undefinierter einen Teil der größeren strahlenundurchlässigen Elemente 95 mit der Zeigerspitze zu lokalisieren.
Wenn alle Markierungen unter Verwendung der Positionserfassungseinheit lokalisiert sind, erzeugt die Lageausrichtungseinheit eine Abbildungsfunktion, um die Positionserfassungsdaten (in x-y-z-Koordinaten) in die Ausrichtungsdaten für die gespeicherten Bilder (in i-j-k-Koordinaten) umzusetzen. Insbesondere wird die Abbildungsgleichung unter Verwendung des Powell'schen Verfahrens wie folgt bestimmt
Die Bildpunkte werden jeweils als Matrix der Form
verarbeitet und die erfassten Sensorpunkte werden jeweils als Matrix der Form
verarbeitet.
Ein Computerprozessor berechnet dann iterativ die optimalen Werte für die Transformationsmatrizen
um die folgende Gleichung zu lösen:
sodass für die Aufsummierung aller erfassten Bildpunkte (i_c – i_i)² + (j_c – j_i)² + (k_c – k_i)² minimal ist. Bei dem Optimierungsverfahren wird die Abstandsminimierung angewandt, und für dieses Verfahren sind mindestens drei Bildpunkte erforderlich.
Die optimalen Werte für die Transformationsmatrizen umfassen die Transformationsgleichung und können nun verwendet werden, um die Position des medizinischen Instruments in Bezug auf den Sender in dem x-y-z-Koordinatensystem in die geeignete Ausrichtung der voraufgezeichneten Bilder in dem i-j-k-Koordinatensystem umzurechnen.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Headsets kann bei einem automatischen Lageausrichtungsvorgang verwendet werden. Beispielsweise weist eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Headsets 100, wie in den 18 und 19 gezeigt ist, zwei Ohrbefestigungen 28, Seitenelemente 30 sowie eine Nasenrückenbefestigung 32 an dem mittigen Element 34 auf, wie zuvor unter Bezugnahme auf die 2–4 erörtert worden ist. Das Headset 100 weist ferner eine zentrale Platte 102 an dem mittigen Element 34 auf. Die zentrale Platte 102 ist dazu angepasst, einen Sender 104 aufzunehmen, wie er schemenhaft in 19 gezeigt ist und in 21 von der Unterseite der Platte 102 aus gezeigt ist. Der Sender 104 weist zwei Zapfen 106 sowie ein Verriegelungselement 108, das frei um einen Stift 110 herum drehen kann, auf.
Um den Sender 104 an der zentralen Platte 102 anzubringen, wird das Verriegelungselement durch eine längliche Öffnung 112 in der Platte 102 durchgeführt und die Zapfen 106 werden jeweils in Zapfenöffnungen 114 aufgenommen. Eine der Zapfenöffnungen 114 ist vorzugsweise als Schlitz ausgebildet, um eine enge Passung für den Sender zu ermöglichen und dennoch Abweichungen zwischen Headsets auf Grund von Herstellungstoleranzen Rechnung zu tragen. Das Verriegelungselement 108 kann dann gedreht werden, um den Sender an der nach außen zeigenden Oberfläche der Platte 102 zu verriegeln. Der Sender 104 kann dann von dem Headset entfernt werden und mit hohem Genauigkeitsgrad an der gleichen Stelle und in der gleichen Ausrichtung an identischen Headsets angebracht werden.
Das Headset 100 weist ferner sehr kleine (z. B. mit einem Durchmesser von etwa 2 mm) Bezugskugeln 116 aus Metall auf, die in der zentralen Platte 102 befestigt sind, wie in 18 gezeigt ist. Bei dem automatischen Lageausrichtungsvorgang werden die Kugeln 116 auf den voraufgezeichneten Abtastbildern lokalisiert, und da die räumliche Lagebeziehung zwischen den Kugeln 116 und dem Sender 104 bekannt ist, wird automatisch die Abbildungsfunktion zur Umrechnung aus dem Koordinatensystem des Senders in das Bildkoordinatensystem erzeugt.
Speziell, und Bezug nehmend auf 22, beginnt der automatische Lageausrichtungsvorgang (Schritt 2200) mit dem Laden der voraufgezeichneten Bilder (Schritt 2202) und danach dem Erzeugen eines dreidimensionalen Datensatzes (Schritt 2204). Danach werden Pixel, deren Intensität in einem bestimmten Bereich liegt, identifiziert (Schritt 2206), und Gruppen von benachbarten Pixeln werden lokalisiert (Schritt 2208) und zusammen als eine einzelne Gruppe klassifiziert. Das Volumen jeder Gruppe wird berechnet (Schritt 2210) und Gruppen, deren Volumen nicht innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt, werden zurückgewiesen (Schritt 2212). Gruppen, die nicht mindestens ein Pixel mit einem Intensitätswert in mindestens einer bestimmten Höhe aufweisen, werden zurückgewiesen (Schritt 2214). Wenn die Anzahl der übrig bleibenden Gruppen geringer als die Anzahl der Bezugskugeln 116 ist (Schritt 2216), z. B. 7, dann endet das Programm, wobei die automatische Lageausrichtung fehlgeschlagen ist (Schritte 2218 und 2220).
Danach wird der Mittelpunkt jeder Gruppe lokalisiert und die Abstände zwischen jedem Gruppenmittelpunkt und den anderen Mittelpunkten werden berechnet und in einer mindestens 7 × 7-Matrix aufgezeichnet (Schritt 2222). Die bekannten Abstände zwischen den Bezugskugeln umfassen eine vorgegebene 7 × 7-Matrix. Das Programm vergleicht dann jeden der bekannten Abstände mit den verschiedenen vorgegebenen Abständen zwischen den Bezugskugeln und erzeugt dann die am besten passende Näherung der Korrelation zwischen den Abstandssätzen (Schritt 2224). Wenn die Abstandskorrelation eine Näherung außerhalb einer vorgegebenen Toleranz liefert (Schritt 2226), dann endet das Programm (Schritte 2218 und 2220), wobei die automatische Erzeugung der Transformationsmatrizen fehlgeschlagen ist. Wenn die Korrelation der Abstände innerhalb der Toleranz liegt und es sieben Gruppen gibt (Schritt 2228), dann werden die Bilddaten in der Bildmatrix aufgezeichnet (Schritt 2230). Wenn die Anzahl der Gruppen größer als sieben ist, wird eine geometrische Korrelation ausgeführt, wobei die Geometrie der Gruppen mit der bekannten Geometrie der Bezugskugeln verglichen wird (Schritt 2232). Wenn die Geometriekorrelation erfolgreich ist (Schritt 2234), werden die Transformationsmatrizen aufgezeichnet (Schritt 2230), und wenn dies nicht der Fall ist, meldet das Programm den Fehlerzustand (Schritt 2218).
Wenn die Bildpunktmatrix erfolgreich erzeugt wurde (Schritt 2230) und da die Sensorpunktmatrix auf der bekannten Konfiguration der Bezugsmarkierungen in Bezug auf den Sender basiert, kann die Abbildungsgleichung nun automatisch erzeugt werden, wie zuvor unter Bezugnahme auf das Powell'sche Verfahren erörtert worden ist.
Bei anderen Ausführungsformen, bei denen der Patient eine Referenzeinheit trägt, wenn die Abtastbilder voraufgezeichnet werden, kann das Lageausrichtungsprogramm automatisch Teile der Referenzeinheit selbst auf den abgetasteten Bildern lokalisieren und dadurch die Ausrichtung der Referenzeinheit in Bezug auf die abgetasteten Bilder feststellen. Da die relative Ausrichtung des Feldgenerators in Bezug auf die Referenzeinheit bekannt ist, kann die Lageausrichtungseinheit dann wiederum die geeignete Abbildungsfunktion erzeugen. Bei weiteren Ausführungsformen können die Oberflächen der Haut des Patienten nachverfolgt werden, beispielsweise mit einem Laserlichtzeiger oder einem Zeiger mit bewegbarer Spitze, die in Vorwärtsrichtung gedrückt ist. Die nachverfolgten Oberflächen können dann auf den gespeicherten Bildern lokalisiert werden. Bei weiteren Ausführungsformen könnte die Lageausrichtungseinheit darauf programmiert sein, charakteristische Strukturen oder Merkmale des Körpers des Patienten zu identifizieren und dadurch eine vollständig automatische Lageausrichtung zu liefern. Beispielsweise könnte das System, wenn es die Größe und Gestalt eines Headsets kennt, feststellen, wo das Headset auf dem Kopf des Patienten platziert wäre, selbst wenn dieses nicht auf dem voraufgezeichneten Bildern erscheint.
Das Positionserfassungssystem kann mit Hilfe eines beliebigen gewünschten Prinzips arbeiten, das zur Erzeugung eines Feldes geeignet ist, in welchem die Positionserfassung an jeder beliebigen Stelle in dem Feld erreicht werden kann. Beispielsweise ist festgestellt worden, dass das von Polhemus, Inc., Colchester, Vermont verkaufte Produkt 3Space^®Fastrak^TM über Prinzipien arbeitet, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Dieses Produkt nutzt drei orthogonal angeordnete magnetische Dipole sowohl für den Sender als auch den Sensor und erzeugt elektromagnetische Wechselfelder von 8–14 kHz, die zeitgemultiplext sind.
Speziell, und auf 23 Bezug nehmend, weisen sowohl die Magnetfeldquelle 101 als auch der Magnetfeldsensor 103 drei orthogonal angeordnete Spulen auf, wie gezeigt ist. Ein elektrischer Wechselstrom von einem Verstärker 105 wird nacheinander durch jede der Quellenspulen geführt, wobei sequenzielle Magnetfelder erzeugt werden. Eine Verarbeitungseinheit 107 erzeugt die Taktungssignale und steuert einen Digital/Analog-Wandler 109. Die Magnetfelder induzieren Spannungen in den drei Spulen des Sensors 103. Die induzierten Spannungen werden durch einen Verstärker 111 verstärkt, durch einen Analog/Digital-Wandler 113 digitalisiert und dann von der Verarbeitungseinheit 107 verarbeitet.
Die zeitgemultiplexte Anregung der drei Spulen der Quelle erzeugt eine einzigartige Magnetfeldsequenz in dem gesamten Feld der Quelle. Für jeden Punkt im Feld der Quelle können Daten mit sechs Freiheitsgraden aus den an den drei Spulen des Sensors vorliegenden Daten berechnet werden. Die Informationen mit den sechs Freiheitsgraden werden dann an einen Hauptrechner 115 gesendet.
Die Position eines Sensors S in Bezug auf den Feldgenerator, welche einen Bezugskoordinatenrahmen definiert (X, Y, Z), kann zu einem gegebenen Zeitpunkt mit Hilfe des Produkts 3Space^®Fastrak^TM als Satz aus sechs Werten x_s, y_s, z_s ω_azs, ω_els und ω_ros erzeugt werden. Die Werte x_s, y_s, z_s geben die Position des Mittelpunkts des Sensors in dem X, Y, Z-Koordinatenbezugsrahmen an, und die Winkel ω_azs, ω_els und ω_ros geben die Ausrichtung des Sensors S in Bezug auf den X, Y, Z-Koordinatenbezugsrahmen an.
Der Wert ω_azs stellt den Azimuthwinkel des Sensors dar. Der Azimuthwinkel kennzeichnet den Betrag der Drehung der X- und der Y-Referenzachse zusammen um die Z-Achse zu einer neuen Position, in welcher die Achse X mit dem Mittelpunkt des Sensors in der Z-Richtung ausgerichtet ist. Die neuen Positionen der X- und der Y-Achse sind als X' bzw. Y' definiert.
Der Wert ω_els stellt den Höhenwinkel des Sensors dar. Der Höhenwinkel kennzeichnet den Betrag der Drehung der X'- und der Z-Achse zusammen um die Y'-Achse zu einer neuen Position, in welcher die Achse X' mit dem Mittelpunkt des Sensors S ausgerichtet ist. Die neuen Positionen der X'- und der Z-Achse sind als X'' bzw. Z' definiert.
Der Wert ω_ros stellt den Rollwinkel des Sensors dar. Der Rollwinkel bezeichnet den Betrag der Drehung der Y'- und der Z'-Achse zusammen um die X''-Achse zu einer neuen Position, welche neue Achsen Y'' bzw. Z'' definiert. Der Sensor ist in dem X'', Y'', Z''-Referenzrahmen ausgerichtet und diese Ausrichtung ist durch die Werte ω_azs, ω_els und ω_ros definiert.
Die kombinierte Leistung aller Sensordaten ist umgekehrt proportional zum Abstand des Sensors von der Quelle. Das Verhältnis zwischen den Sensordatenkomponenten, die durch die einzelnen Quellenspulen erzeugt werden, bestimmt die x, y, z- Positionskoordinate des Sensors. Das Verhältnis zwischen den einzelnen Sensorspulendaten bestimmt die Ausrichtung des Sensors.
Da das medizinische Instrument in Bezug auf den Sender frei beweglich ist, und zwar mit Geschwindigkeiten, die höher sein können als die Geschwindigkeit, mit welcher die Elektronik die Informationen verarbeiten kann, sollte die Geschwindigkeit des Instruments überwacht werden. Wenn die Geschwindigkeit der Bewegung des Instruments oberhalb eines definierten Schwellwertes liegt, dann sollten die widersprüchlichen Sensorablesewerte ignoriert werden, bis die Geschwindigkeit unter den Schwellwert abfällt. Die Geschwindigkeit kann überwacht werden, indem eine gewichtete Summe der Differenzen zwischen den jeweiligen x-, y- und z-Koordinaten in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen t₁ und t₂ berechnet wird.
Das Vorhandensein eines Signals von einer anderen Quelle oder das Magnetfeld des Wirbelstroms in einem leitfähigen Objekt oder der feldverzerrende Effekt eines ferromagnetischen Objekts ändert die Größe/Richtung des ursprünglichen Magnetfeldes der Quelle. Daraus resultiert ein Fehler in der Sensorposition/-ausrichtung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, welche die Erkennung der Feldintegrität beinhaltet, und Bezug nehmend auf die 1–3, kann ein Referenzsensor 37 sicher an der Senderanordnung 12 in einem feststehenden Abstand vom Mittelpunkt des Senders 36 befestigt werden. Die Position und die Ausrichtung dieses Referenzsensors sollten durch einen Kalibrierungsvorgang unter kontrollierten Bedingungen bestimmt werden und sollten danach kontinuierlich berechnet und verifiziert werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann eine gewichtete Summe aller sechs Sensorausgangsparameter x_s, y_s, z_s ω_azs, ω_els und ω_ros kontinuierlich als Anzeichen für eine gefährdete Feldintegrität überwacht werden.
Wie ebenfalls zuvor angemerkt wurde und in den 7–12 gezeigt ist, kann der Fernsensor 58 mehrere Sensoren (62, 64) umfassen, deren Ausgangssignale zum Zwecke der Fehlererkennung verglichen werden. Potentielle Fehlerzustände, die durch ein solches System erkennbar wären, schließen einen Sensorausfall, bei dem ein Sensor aufhört, richtig zu arbeiten, als auch ungleichmäßig liegende Feldverzerrungen im Bereich des medizinischen Instruments ein.
Es ist ferner festgestellt worden, dass durch einfachen Vergleich der Sensorausgangssignale möglicherweise nicht alle Arten von Fehlerzuständen, die auftreten können, ausreichend festgestellt werden, selbst wenn der Abstand zwischen den Sensoren in Rechnung gezogen wird. Ein solcher potentiell nicht erkennbarer Fehlerzustand kann bestehen, wenn ein ferromagnetisches Fremdobjekt in das elektromagnetische Feld eintritt und identische Verzerrungen an jedem der Sensoren erzeugt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Fremdobjekt einheitliche ferromagnetische Eigenschaften aufweist, wenn sich das Fremdobjekt den beiden Sensoren aus dem gleichen Abstand und mit derselben Geschwindigkeit nähert und wenn die Sensoren gleich weit von dem Generator entfernt sind.
In diesem Fall würden die Ausgänge der Sensoren identische Ausgangssignale erzeugen und ein Fehlererkennungssignal würde daher möglicherweise nicht erzeugt werden, selbst wenn sich ein Fremdobjekt in dem elektromagnetischen Feld befinden würde, welches das elektromagnetische Feld als auch die erfassten Positionsdaten ändert. Obgleich die Verwendung zusätzlicher Sensoren die Gefahr verringern kann, dass dies geschieht, wird dadurch nicht die Möglichkeit ausgeschlossen, dass ein Fehlerzustand unerkannt bleibt.
Es ist festgestellt worden, dass ein Fehlererkennungssystem, das ausreicht, um lokale gleichmäßige Verzerrungen im Bereich des medizinischen Instruments oder des Headsets festzustellen, unter Verwendung zweier Sensoren gestaltet werden kann, die in einem festgelegten Abstand voneinander angeordnet sind, wie in den 7–12 gezeigt ist, und indem die Positionen von zwei oder mehr virtuellen Punkten überwacht werden. Wie in 25 gezeigt ist, sind die Sensoren S₁ und S₂ in einem Abstand 2d voneinander angeordnet und sind der Zweckmäßigkeit halber so definiert, dass sie entlang einer Achse wie etwa der Y-Achse positioniert sind, wie gezeigt ist. Der Sensor S₁ definiert eindeutig eine X-Z-Ebene, in welcher er liegt, und S₂ definiert eindeutig eine X-Z-Ebene, in welcher dieser liegt, wie gezeigt ist. Ein erster virtueller Punkt v_a wird derart gewählt, dass er zwischen den durch die Sensoren definierten X-Z-Ebenen liegt, während ein zweiter virtueller Punkt v_b derart gewählt wird, dass er außerhalb der durch die Sensoren definierten X-Z-Ebenen liegt, wie in 25 gezeigt ist. Die Punkte v_a und v_b sind virtuelle Punkte, die fortlaufend berechnet werden und mit werkseitig definierten Positionen verglichen werden.
In der Ausführungsform, die schematisch in den 24 und 25 gezeigt ist, sind die virtuellen Punkte v_a (–d, –d, –d in Bezug auf S₂) und v_b (d, d, d, in Bezug auf S₂) gleich weit von S₂ entfernt. Der Sensor S₂ ist bei dieser Ausführungsform der geschützte Sensor, und der Sensor S₁ wird als Referenz genutzt, um die Fehlererkennung für S₂ zu ermöglichen. Der Betrag des resultierenden Vektors von S₂ zu v_a ist gleich dem von S₂ zu v_b, wobei diese aber entgegengesetzt gerichtet sind, und dieser Betrag beträgt etwa die Hälfte des Abstands zwischen S₁ und S₂.
Die Positionen von v_a und v_b in dem Referenzkoordinatensystem (d. h. in Bezug auf S₁) müssen berechnet werden und sollen als v_a1 und v_b1 bezeichnet werden. Die Position (PS) und die Ausrichtung des geschützten Sensors (S₁) in Bezug auf den Referenzsensor müssen bestimmt werden. Die Lagematrix (A) wird aus den Ausrichtungswerten des geschützten Sensors berechnet:
Danach berechnen sich die Positionen der virtuellen Punkte zu va1 = A·va2 + PS vb2 = A·vb2 + PS
Um einen Referenzwert für die Position des virtuellen Punktes in dem Koordinatensystem des Referenzsensors festzulegen, wird eine Messung in einer verzerrungsfreien Umgebung während einer werkseitigen Kalibrierung vorgenommen. Diese gespeicherten Referenzwerte werden als v_ae und v_be bezeichnet. Während der gesamten Nutzung des Systems werden die tatsächlich gemessenen Werte der virtuellen Punkte (v_am, v_bm) mit den gespeicherten Referenzwerten für die virtuellen Punkte (v_ae, v_be) verglichen. Wenn der Abstand zwischen der festgelegten und der gemessenen Position (Δ) für einen der virtuellen Punkte größer als ein vorgegebener Wert (ε) ist, wird eine Nachricht betreffs der Verletzung der Feldintegrität ange zeigt und der normale Betrieb des Systems wird eingestellt. Insbesondere, und Bezug nehmend auf 26, bei: |va1m – va1e| > ε oder |vb1m – vb1e| > ε
Die Funktionsweise basiert teilweise auf dem Prinzip, dass, wenn der Positionsfehler durch den Ausrichtungsfehler an dem einen virtuellen Punkt reduziert wird, der Fehler an dem anderen virtuellen Punkt erhöht wird, was bewirkt, dass ein Feldintegritäts-Verletzungssignal erzeugt wird. Wenn beispielsweise ein Fehler in der gemessenen Position und Ausrichtung des geschützten Sensors vorhanden ist, dann wird der gemessene Wert einen Fehler aufweisen, der zu dem festgelegten Wert hinzukommt. Die Überprüfung der Feldintegrität erfolgt in diesem Fall folgendermaßen: |((Ae + AmΔ)·va2 + PSe + PSmΔ) – (Ae·va2 + PSe)| > εoder |((Ae – AmΔ)·vb2 + PSe + PSmΔ) – (Ae·vb2 + PSe)| > ε,was gleich |AmΔ·va2 + PSmΔ| > εoder |AmΔ·vb2 + PSmΔ| > ε ist.
Setzt man AmΔ·va2 = OPSamΔ und AmΔ·vb2 = OPSbmΔ,so kann diese Beziehung schematisch wie in 27 gezeigt dargestellt werden. Die Position der Spitze des medizinischen Instruments sollte anfangs mit Bezug auf den geschützten Sensor (S₂) definiert werden und sollte bei der Bestimmung der Position der Spitze in Bezug auf die Quelle genutzt werden.
Die Integrität des durch den Feldgenerator erzeugten Feldes kann wie zuvor beschrieben überwacht werden, indem ein Referenzsensor in einem feststehenden Abstand von dem Genera tor positioniert wird und dessen Position kontinuierlich auf etwaige Änderungen hin überwacht wird. Die Berechnungen, die mit der vorstehenden Analyse zur Erkennung der Feldintegrität im Zusammenhang stehen, welche die beiden Sensoren S₁ und S₂ betreffen, können auch für ein System zur Feldintegrationserkennung mit einem Sender und einem einzigen Sensor ausgeführt werden. Speziell können die Berechnungen erfolgen, indem der geschützte Sensor (S₂) durch den Feldsender ersetzt wird und indem der Referenzsensor (S₁) durch den einzigen Sensor ersetzt wird. Diese Feldintegritätsanalysen können auch genutzt werden, um das Halbfeld der Operationsumgebung zu identifizieren.
Wie in 28 gezeigt ist, kann bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung eine Referenzeinheit 120, die einen Feldgenerator 122 enthält, in einem geringen Abstand von dem Körperteil des Patienten 14 (wie etwa dem Kopf) an einem Gelenkarm 124 angeordnet werden. Ein Headset 12, das einen Referenzsensor 126 enthält, kann an dem Körper des Patienten angebracht werden, und das medizinische Instrument 16 weist einen Fernsensor 40 auf, wie zuvor unter Bezugnahme auf die 1–6 erörtert worden ist. Sobald der Feldgenerator 122 an einer geeigneten Stelle positioniert ist, kann er an seinem Platz fixiert werden, indem die Gelenke des Gelenkarms festgestellt werden. Die Position des Patienten in Bezug auf den Feldgenerator kann dementsprechend überwacht werden. Die Position des Instruments 16 in Bezug auf den Patienten kann ebenfalls bestimmt werden und das System kann dann arbeiten, um die geeigneten voraufgezeichneten Bilder wie nachstehend erörtert anzuzeigen.
In verschiedenartigen Ausführungsformen kann die Position des Feldgenerators 122 während der chirurgischen Operation angepasst werden, indem die Verbindungsgelenke bewegt werden.
Wenn weder der Fernsensor 40 noch der Referenzsensor 126 in Bezug aufeinander bewegt werden, dann sollte eine Bewegung des Feldgenerators 122 das Positionserfassungssystem nicht beeinflussen. Wenn die Genauigkeit des Systems insgesamt von den relativen Positionen der Feldgeneratoren 122 und der Sensoren 40, 126 abhängt, dann kann es wünschenswert sein, den Feldgenerator 122 während der chirurgischen Operation zu bewegen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das System auf den Nahfeldeigenschaften eines gemultiplexten Magnetfeldes beruht, wobei es wünschenswert sein kann, die Sensoren 40, 126 generell in gleichem Abstand von dem Generator 122 zu halten. Bei weiteren Ausführungsformen kann das System periodisch den Nutzer auffordern, den Generator 122 umzupositionieren, etwa durch visuelle Hinweise auf dem Display. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die relative Positionierung des Feldgenerators und des einen oder der mehreren Feldsensoren in keinster Weise auf die gezeigte beschränkt ist.
Die Überwachung der Position des Patienten kann mit anderen Mitteln als unter Verwendung eines Headsets und Referenzsensors erreicht werden. Beispielsweise kann eine Kamera 128, die mit einem Bildprozessor 130 verbunden ist, angeordnet werden, um die Position des Feldgenerators in Bezug auf den Zieloperationsbereich des Patienten aufzuzeichnen, wie in 29 gezeigt ist. Wenn entweder der Patient oder der Feldgenerator bewegt wird, wird der Bildprozessor 130 den Betrag der relativen Ortsänderung feststellen und die Positionserfassungseinheit 22 dementsprechend anweisen. In weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Kameras angewandt werden, die derart angeordnet werden, dass sie den Patienten aus mehreren Richtungen anvisieren.
Wie in 30 in einer alternativen Ausführungsform gezeigt ist, kann das System ein flexibles Band 132 zur sicheren Anbringung an einem Körperteil 14 des Patienten (z. B. einem Kopf oder Brustkorb) beinhalten. Das Band 132 enthält den Feldgenerator 134 und einen Referenzsensor 136, der eine Rückkopplung zu dem Signalgenerator in der Positionserfassungseinheit 22 liefert. Die Positionserfassungseinheit 22 ist über Kommunikationsleitungen 138 mit dem flexiblen Band 132 verbunden und ist über Kommunikationsleitungen 140 mit einem flexiblen medizinischen Instrument 142 verbunden, das an seiner Spitze 144 einen Fernsensor aufweist. Da das medizinische Instrument 142 nicht starr ist, sollte der Sensor ausreichend nah an der Spitze des Instruments 142 angeordnet sein, um eine exakte Positionserfassung und -überwachung im Körper des Patienten zu liefern. Das Display 20 kann auf einem oder auf mehreren Bildern die relative Ausrichtung des Instruments 142 anzeigen, wie gezeigt ist.
Wie in den 31 und 32 gezeigt ist, kann ein erfindungsgemäßes System ein flexibles medizinisches Instrument 150 mit einem Sensor 152 an dessen ferner Spitze 154 sowie ein faseroptisches Endoskop 156 mit einem Sensor 158 an dessen ferner Spitze 160 umfassen. Das faseroptische Endoskop 156 ist an seinem nahen Ende mit einer Kamera 162 verbunden, welche mit einem Bildprozessor 164 in Verbindung steht. Da es möglich ist, dass sich der Feldgenerator 134 an dem Referenzband 132 bewegt, beispielsweise wenn der Patient atmet, kann sich die Position des Fernsensors 152 zu bewegen scheinen, wenn sich das medizinische Instrument 150 tatsächlich nicht bewegt hat.
Um dieses Problem zu korrigieren, kann das faseroptische Endoskop 156 verwendet werden, um die Position der Spitze 154 des Instruments 150 in Bezug auf die Innenseite des Körpers des Patienten zu überwachen, wie gezeigt ist. Jede etwaig erfasste Bewegung des Sensors 152 in Bezug auf den Feldgenerator 134 kann mit Bezugnahme darauf bewertet werden, ob sich die Spitze 154 in Bezug auf das Innere des Patientenkörpers, bewegt hat. Wenn die Kamera beobachtet, dass sich die Spitze 154 nicht bewegt hat, der Sensor 152 aber anzeigt, dass sie sich bewegt hat, kann das System dann feststellen, dass diese Bewegung auf die Bewegung des Feldgenerators und nicht des Sensors 152 zurückzuführen ist. Das System kann dann automatisch eine solche Änderung korrigieren. Des Weiteren kann das faseroptische Endoskop 156 selbst einen Sensor 158 enthalten, um festzustellen, ob sich die Spitze 160 der Faseroptik bewegt hat. Dies sollte die Genauigkeit des Korrektursystems weiter verbessern. Außerdem kann die Kamera 162 eine kontinuierliche Lageausrichtung der voraufgezeichneten Bilder auf der Basis der inneren Struktur des Patientenkörpers liefern.

Claims

System (10) zum Überwachen der Position eines medizinischen Instruments (16) in Bezug auf den Körper eines Patienten und zum Anzeigen von Bildern des Körpers des Patienten in Ansprechen auf die Position des medizinischen Instruments, wobei das System umfasst: a) eine Referenzeinheit (36), die gegen eine Bewegung in Bezug auf den Körper des Patienten gesichert befestigt werden kann; b) eine in Entfernung vorgesehene Einheit, die entfernbar an dem medizinischen Instrument (16) befestigt werden kann; c) einen Feldgenerator, der entweder mit der Referenzeinheit (36) oder der entfernt vorgesehenen Einheit verknüpft ist, um ein positionscharakteristisches Feld zu erzeugen; d) einen Feldsensor (40), der mit der anderen Einheit, der Referenzeinheit (36) oder der entfernt vorgesehenen Einheit, verknüpft ist und auf das Vorhandensein des Feldes anspricht, indem er ein Sensorausgangssignal erzeugt, welches für das abgefühlte Feld kennzeichnend ist; e) eine Positionserfassungseinheit (22) in Kommunikation mit dem Feldsensor (40), wobei die Positionserfassungseinheit derart konfiguriert ist, dass sie Positionsdaten in Ansprechen auf das Ausgangssignal des Feldsensors (40) erzeugt, welche für die Position der entfernt vorgesehenen Einheit in Bezug auf die Referenzeinheit (36) kennzeichnend sind; f) eine Bildspeichereinheit (26), die dafür konfiguriert ist, Sätze von voraufgezeichneten Bildern des Körpers des Patienten zu speichern; g) eine Lageausrichtungseinheit (24) in Kommunikation mit der Positionserfassungseinheit und mit der Bildspeichereinheit (26); und h) ein Ausgabedisplay (20) in Kommunikation mit der Bildspeichereinheit (26), wobei das Ausgabedisplay dafür konfiguriert ist, mindestens eines der voraufgezeichneten Bilder in Ansprechen auf die Positionsdaten anzuzeigen.
System nach Anspruch 1, bei welchem der Feldgenerator dafür konfiguriert ist, ein multidirektionales Feld in drei Dimensionen zu erzeugen.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Feldgenerator dafür konfiguriert ist, ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen.
System nach Anspruch 3, bei welchem das elektromagnetische positionscharakteristische Feld mindestens drei zeitgemultiplexte elektromagnetische Felder umfasst.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Referenzeinheit ein Headset (12) beinhaltet, welches zwei Ohrbefestigungselemente und ein Nasenbefestigungselement zum Anbringen des Headsets (12) am Kopf des Patienten umfasst.
System nach Anspruch 5, bei welchem jedes dieser Befestigungselemente an einem fernen Ende eines länglichen Befestigungsarms angeordnet ist.
System nach Anspruch 6, bei welchem die Befestigungsarme ein strukturell elastisches Material umfassen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Referenzeinheit ein flexibles Band (132) zum Anbringen an einem Teil des Körpers des Patienten aufweist.
System nach Anspruch 8, bei welchem das flexible Band ferner den Feldgenerator (134) und mindestens einen Referenzsensor (136) zum Erzeugen einer Rückkopplung zu dem Feldgenerator in der Positionserfassungseinheit (22) enthält.
System nach Anspruch 1, bei welchem das medizinische Instrument flexibel ist (150) und der Feldsensor (152) an einem fernen Ende (154) des flexiblen Elements angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Positionserfassungseinheit (22) dafür konfiguriert ist, die Position des medizinischen Instruments (16) in Bezug auf die Referenzeinheit (36) zu überwachen und die Lageausrichtungseinheit dafür konfiguriert ist, die Positionsänderungen des medizinischen Instruments (16) mit der räumlichen Ausrichtung der gespeicherten Bilder zu korrelieren.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Referenzeinheit (36) oder die entfernt vorgesehene Einheit einen Referenzsensor (37, 41) zur Erkennung eines Systemfehlers enthält.
System (10) zum Überwachen der Position eines medizinischen Instruments (16) in Bezug auf den Körper eines Patienten und zum Anzeigen von Bildern des Körpers des Patienten in Ansprechen auf die Position des medizinischen Instruments, wobei das System umfasst: a) eine Referenzeinheit (120), die einen Feldgenerator (122) umfasst, welcher an einem Gelenkarm (124) angeordnet ist und in einem Abstand zu einem Teil des Körpers des Patienten positionierbar ist, wobei der Feldgenerator (122) dafür konfiguriert ist, ein positionscharakteristisches Feld zu erzeugen; b) ein Headset (12), das am Kopf des Patienten angebracht werden kann, wobei das Headset einen Referenzsensor (126) beinhaltet, welcher auf das Vorhandensein des Feldes anspricht; c) eine in Entfernung vorgesehene Einheit, die entfernbar an dem medizinischen Instrument (16) befestigt werden kann; d) einen Feldsensor (40), der mit der entfernt vorgesehenen Einheit verknüpft ist und auf das Vorhandensein des Feldes anspricht; e) eine Positionserfassungseinheit (22) in Kommunikation mit dem Referenzsensor (126) und dem Feldsensor (40), wobei die Positionserfassungseinheit derart konfiguriert ist, dass sie Positionsdaten in Ansprechen auf die Ausgangssignale des Referenz- und des Feldsensors erzeugt, welche für eine Position des Patienten in Bezug auf den Feldgenerator und eine Position der entfernt vorgesehenen Einheit in Bezug auf den Patienten kennzeichnend sind; f) eine Bildspeichereinheit (26), die dafür konfiguriert ist, Sätze von voraufgezeichneten Bildern des Körpers des Patienten zu speichern; g) eine Lageausrichtungseinheit (24) in Kommunikation mit der Positionserfassungseinheit und mit der Bildspeichereinheit (26); und h) ein Ausgabedisplay (20) in Kommunikation mit der Bildspeichereinheit (26), wobei das Ausgabedisplay dafür konfiguriert ist, mindestens eines der voraufgezeichneten Bilder in Ansprechen auf die Positionsdaten anzuzeigen.