DE69720150T2

DE69720150T2 - Bildschirmgesteuertes chirurgisches system

Info

Publication number: DE69720150T2
Application number: DE69720150T
Authority: DE
Inventors: Peter Willem VAN BRUG
Original assignee: Northern Digital Inc
Current assignee: Northern Digital Inc
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2017-05-01
Also published as: WO1997045064A1; US5817105A; DE69720150D1; JPH11510423A; EP0847253B1; EP0847253A1

Description

Die Erfindung betrifft ein bildgeführtes Chirurgiesystem mit einem optischen Positionsmesssystem zum Messen der Position eines chirurgischen Instruments relativ zu einem Patienten, wobei das optische Positionsmesssystem eine Mehrzahl von Kameras hat.
Ein bildgeführtes Chirurgiesystem dieser Art ist aus dem US-Patent 5.389.101 bekannt.
Ein bildgeführtes Chirurgiesystem (Image-Guided Surgery System) wird dazu verwendet, um einem Chirurgen während einer Operation die Position eines chirurgischen Instruments in einem Operationsbereich im Körper des Patienten zu zeigen. Vor dem chirurgischen Eingriff werden Bilder (z. B. CT- oder MRI-Bilder) von dem Patienten aufgenommen. Während des chirurgischen Eingriffs misst das Positionsmesssystem die Position des chirurgischen Instruments relativ zu dem Patienten und ein Datenprozessor berechnet die Position in einem solchen im Voraus aufgenommenen Bild, die der gemessenen Position des chirurgischen Instrumentes entspricht. Das im Voraus aufgenommene Bild wird auf einem Bildschirm angezeigt und die tatsächliche Position des chirurgischen Instrumentes darin aufgezeigt. Der Chirurg kann sehen, wo sich das chirurgische Instrument im Operationsbereich befindet, indem er das auf dem Bildschirm angezeigte Bild beobachtet, ohne dass der Chirurg es direkt sehen kann. Das Bild auf dem Bildschirm zeigt, wie der Chirurg das chirurgische Instrument im Operationsbereich ohne ernstes Risiko einer unnötigen Beschädigung von Gewebe und vor allem ohne Risiko einer Beschädigung lebenswichtiger Organe bewegen kann.
Ein bildgeführtes Chirurgiesystem dieser Art wird vorzugsweise in der Neurochirurgie verwendet, um dem Chirurgen genau zu zeigen, wo sich das chirurgische Instrument während Hirnchirurgie im Gehirn befindet.
In einem bekannten bildgeführten Chirurgiesystem misst das Positionsmesssystem die Position des chirurgischen Instruments durch Aufzeichnen von Bildern des chirurgischen
Instruments aus verschiedenen Richtungen mit Hilfe von zwei Kameras. Der Datenprozessor leitet während eines chirurgischen Eingriffs die Position des chirurgischen Instruments relativ zu dem Patienten von Bildsignalen von den einzelnen Kameras und von den Positionen der Kameras relativ zueinander ab. Der Datenprozessor hat einen Kalibrationsspeicher, in dem die Positionen der Kameras relativ zueinander betreffende Daten gespeichert werden. Der Datenprozessor liest die Positionen der Kameras relativ zueinander, die für die Berechnung der Position des chirurgischen Instruments benötigt werden, aus dem Kalibrationsspeicher. Es ist ein Nachteil dieses bekannten bildgeführten Chirurgiesystems, dass eine beträchtliche Menge Zeit verloren geht, wenn die kameratragende Einheit, d. h. die die zwei Kameras tragende Einheit, ausgewechselt werden soll.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein bildgeführtes Chirurgiesystem bereitzustellen, dessen kameratragende Einheit schnell und einfach ausgewechselt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines bildgeführten Chirurgiesystems nach Anspruch 1 hiernach gelöst, auf den jetzt Bezug zu nehmen ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Positionsdaten, die die Positionen der Kameras relativ zueinander repräsentieren, in einen Kalibrationsspeicher geladen. Die Positionsdaten werden gemessen, nachdem die Kameras in der kameratragenden Einheit montiert worden sind. Wenn eine kameratragende Einheit ersetzt wird, z. B. wegen eines Defekts in einer der Kameras, sind die Positionsdaten, die sich auf die Ersatzkameraeinheit beziehen, unmittelbar verfügbar. Grund dafür ist, dass die kameratragende Ersatzeinheit auch einen Kalibrationsspeicher hat, in dem die relevanten Positionsdaten gespeichert sind. Wenn die kameratragende Einheit eines erfindungsgemäßen bildgeführten Chirurgiesystems ausgewechselt wird, müssen die Positionen der Kameras relativ zueinander nicht erneut gemessen und in den Kalibrationsspeicher geladen werden. Dadurch wird erreicht, dass das bildgeführte Chirurgiesystem praktisch unmittelbar nach dem Ersetzen der kameratragenden Einheit wieder einsatzbereit ist.
Außerdem ist es möglich, dass separate bildgeführte Chirurgiesysteme kameratragende Einheiten gemeinsam benutzen, d. h. verschiedene kameratragende Einheiten stehen als gemeinsame Einheiten für separate bildgeführte Chirurgiesysteme zur Verfügung. Die einzelnen kameratragenden Einheiten können beliebig für einzelne bildgeführte Chirurgiesysteme benutzt werden, ohne dass der Austausch ein Risiko von Fehlern in der gemessenen Position des chirurgischen Instruments entstehen lässt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen bildgeführten Chirurgiesystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrationsspeicher mit einem Flash-EPROM versehen ist.
Ein Flash-EPROM bietet den Vorteil, dass es besonders zuverlässig ist. Darüber hinaus sind zeitgenössische Flash-EPROM vergleichsweise kostengünstig.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen bildgeführten Chirurgiesystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die kameratragende Einheit einen Mikrocontroller hat. Der Kalibrationsspeicher und der Mikrocontroller sind vorzugsweise in einer integrierten Schaltung kombiniert.
Die Hauptaufgabe des Mikrocontrollers ist die Bereitstellung der Kommunikation zwischen dem Datenprozessor und dem Kalibrationsspeicher. Für den Kalibrationsspeicher wird vorzugsweise ein Flash-EPROM verwendet, da Letzteres zusammen mit dem Mikrocontroller in einer integrierten Schaltung integriert werden kann.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die im Folgenden beschriebene Ausgestaltung ersichtlich und erläutert. In den Zeichnungen zeigt: 1 grafisch ein bildgeführtes Chirurgiesystem, in dem die Erfindung verwendet wird, und
2 grafisch die kameratragende Einheit des in 1 gezeigten bildgeführten Chirurgiesystems.
1 zeigt eine grafische Darstellung eines bildgeführten Chirurgiesystems, in dem die Erfindung verwendet wird. Zu dem bildgeführten Chirurgiesystem gehört der Datenprozessor 2 und die kameratragende Einheit 1 mit zwei Kameras 10. Der Datenprozessor 2 weist einen Computer 31 auf. Zu dem optischen Positionsmesssystem gehört die kameratragende Einheit 1 und der im Datenprozessor 2 befindliche Computer 31. Die Kameras erfassen Infrarotsignale, die von drei oder mehr Infrarotquellen 11 emittiert werden, z. B. Infrarotemittierende Dioden (IRED), die am Griff 12 eines chirurgischen Instruments 13 montiert sind. Auf der Basis der von den einzelnen Kameras 10 erfassten Bilder der IRED 11 bestimmt der Computer 31 die Position des chirurgischen Instruments 13 im Operationsbereich relativ zu dem Patienten 14, an dem der chirurgische Eingriff vorgenommen wird. Die Positionen der Kameras 10 relativ zueinander werden ebenfalls zum Berechnen der Position des chirurgischen Instruments benötigt. Diese Positionen werden von in dem Kalibrationsspeicher 3 gespeicherten Positionsdaten repräsentiert. Der Computer 31 leitet die notwendigen Positionsdaten vom Kalibrationsspeicher 3 ab. Das chirurgische Instrument 13 wird von einem Chirurgen 15 geführt. Bildinformationen des Operationsbereichs des Patienten 14 werden auf dem Bildschirm 16 angezeigt. Die Bildinformationen sind beispielsweise CT-Daten oder MRI-Daten, die präoperativ aufgezeichnet wurden, um in einer Speichereinheit 33 des Datenprozessors 2 gespeichert zu werden. Falls gewünscht, können Bildinformationen während des chirurgischen Eingriffs wieder erfasst werden; beispielsweise können neue CT-Bilder oder MRI-Bilder aufgenommen werden, falls erforderlich. Die von dem Computer 31 berechnete Position des chirurgischen Instruments 13 wird in die entsprechende Position in dem CT-Bild und/oder dem MRI-Bild transformiert. Die transformierte Position und die CT-Daten und/oder MRI-Daten werden an eine Bildverarbeitungseinheit 32 des Datenprozessors 2 gesendet, die daraus ein Bildsignal, das die Bildinformationen der CT-Daten und/oder der MRI-Daten repräsentiert, zusammen mit der Position des chirurgischen Instruments 13 ableitet. Das auf dem Bildschirm 16 angezeigte Bild zeigt auch die Position des chirurgischen Instruments im Operationsbereich an. Der Chirurg 15 wird dadurch darin unterstützt, das chirurgische Instrument eine gewünschte Stelle im Operationsbereich erreichen zu lassen. Es ist jetzt nicht notwendig, kontinuierlich Röntgenbilder aufzunehmen, und es ist nicht notwendig, große Gewebemengen zu entfernen, um die gewünschte Stelle zu erreichen, oder einen direkteren Blick auf das chirurgische Instrument im Operationsbereich zu erhalten. Mit dem bildgeführten Chirurgiesystem können ohne ungerechtfertigte Risiken für den Patienten Stellen erreicht werden, die andernfalls schwierig zu operieren sind.
Um Positionen, vor allem Koordinaten dieser, miteinander in Beziehung zu setzen, muss das bildgeführte Chirurgiesystem kalibriert werden. Bestimmte Markierungen sind in den Bildinformationen entalten: Diese Markierungen sind z. B. Röntenstrahlen absorbierende kleine Gegenstände oder kleine Gegenstände, die mit Hilfe von Magnetresonanz wahrgenommen werden können. Während der Kalibrierung des bildgeführten Chirurgiesystems wird dem chirurgischen Instrument nacheinander auf die Markierungen an dem zu operierenden Patienten gezeigt und die Positionen der Markierungen am Patienten werden mit Hilfe des optischen Positionsmesssystems gemessen. Der Computer 31 berechnet dann die Transformation zwischen den Positionen der Markierungen am Patienten und den entsprechenden Positionen der Wiedergabe der Markierungen im angezeigten Bild. Diese Transformation beschreibt auch die Beziehungen zwischen Positionen im Operationsbereich und Positionen in der Wiedergabe der Bildinformationen des relevanten Operationsbereiches.
2 zeigt grafisch die kameratragende Einheit 1 des in 1 gezeigten bildgeführten Chirurgiesystems.
Die Kameras 10 sind in einem Kamerarahmen 20 montiert, um sicherzustellen, dass der Abstand zwischen den Kameras gegenüber Temperaturschwankungen und/oder Stößen nicht übermäßig anfällig ist. Der Kamerarahmen 20 hat einen leichten Träger 21, der aus Titanlegierung ist und an einem Alumiumgehäuse 22 aufgehängt ist. Der Träger 21 ist mit Hilfe federnder Mittel 23, z. B. Stoßdämpfern, am Gehäuse 22 aufgehängt.
Nach dem Montieren der Kameras in der kameratragenden Einheit werden die Positionen der Kameras relativ zueinander genau gemessen. Diese Positionen werden als ein Kalibrationsdatensatz in dem Kalibrationsspeicher 3 gespeichert. Der Kalibrationsdatensatz wird vom Mikrocontroller 4 gelesen und über eine Kabelverbindung an den Datenprozessor 2 gesendet. Zu diesem Zweck ist ein Ausgang 24 des Mikrocontrollers 4 mit dem Kabel 25 verbunden. Vorzugsweise ist der Kalibrationsspeicher 3 ein Flash-EPROM, das zusammen mit dem Mikrocontroller 4 in einer integrierten Schaltung 5 integriert sein kann.

Claims

Bildgeführtes Chirurgiesystem mit einem optischen Positionsmesssystem (1, 10, 31) zum Messen der Position eines chirurgischen Instruments (13) relativ zu einem Patienten (14), wobei das optische Positionsmesssystem (1, 10, 31) eine kameratragende Einheit (1) mit zwei oder mehr Kameras (10) hat, und einem Kalibrationsspeicher (3) zum Speichern von die Positionen der Kameras (10) in der kameratragenden Einheit (1) relativ zueinander darstellenden Daten, wobei der Kalibrationsspeicher (3) in der kameratragenden Einheit (1) untergebracht ist.
Bildgeführtes Chirurgiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrationsspeicher (3) mit einem Flash-EPROM versehen ist.
Bildgeführtes Chirurgiesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Positionsmesssystem (1, 10, 31) einen in der kameratragenden Einheit (1) untergebrachten Mikrocontroller (4) hat.
Bildgeführtes Chirurgiesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrationsspeicher (3) und der Mikrocontroller (4) in einer integrierten Schaltung (5) integriert sind.