ITRM20130009A1 - "sistema di tracking spaziale a multipla unita' ottica, da utilizzare nella neurochirurgia e nella stimolazione magnetica transcranica guidate da immagini radiologiche" - Google Patents

Description

SISTEMA DI TRACKING SPAZIALE A MULTIPLA UNITÀ OTTICA, DA UTILIZZARE NELLA NEUROCHIRURGIA E NELLA STIMOLAZIONE MAGNETICA TRANSCRANICA GUIDATE DA IMMAGINI RADIOLOGICHE;

I sistemi di navigazione stereotassica guidata da “bioimmagini†, come ad esempio le immagini di risonanza magnetica, le immagini ecografiche, le immagini radiologiche, ecc., sono apparati che consentono di guidare dall’esterno il raggiungimento manuale, mediante strumenti, di organi e tessuti umani interni. Questi sistemi trovano utilizzo in differenti discipline chirurgiche (maxillo-facciale, ortopedica, neurochirurgia, chirurgia endoscopica, prelevamento di campioni bioptici, ecc.), oppure nella somministrazione di particolari terapie (radioterapia, stimolazione magnetica transcranica, ecc). In questi sistemi, la posizione e l’orientamento spaziale del paziente e dello strumento utilizzato sono registrate in tempo reale mediante l’utilizzo di un sistema di tracking spaziale. Grazie ad una procedura di co-registrazione tra lo spazio del soggetto e lo spazio dell’immagine radiologica (o ecografica, o scintigrafica o tac, o altro) utilizzata, la posizione e l’orientamento spaziale dello strumento utilizzato sono riportate graficamente e in modo virtuale sull’immagine stessa. In questo modo l’operatore dispone di utili informazioni visive che lo guidano nel raggiungimento del target prestabilito, consentendo una significativa riduzione del livello di invasività del suo intervento.

Sistemi di tracking spaziale

Esistono differenti tipi di sistemi di tracking spaziale, che si differenziano tra loro a seconda del principio fisico utilizzato per effettuare le registrazioni dei dati spaziali: meccanici, ultrasonici, elettromagnetici e ottici.

Generalmente, questi sistemi sono costituiti da un’unità di tracking e da (uno o più) sensori di posizione.

L’unità di tracking à ̈ posizionata all’interno della stanza in cui si opera, in prossimità del paziente. Essa registra, in tempo reale, la posizione e l’orientamento spaziale solo dei sensori di posizione che si trovano posizionati all’interno di una particolare porzione finita di spazio, detta “volume utile di misurazione†. I dati spaziali dei sensori di posizione sono riferiti ad uno spazio di riferimento cartesiano tridimensionale arbitrario che ha la sua origine spaziale coincidente con un particolare punto dell’unità di tracking stessa. Ad ogni unità di tracking à ̈ associato un proprio sistema di riferimento.

I sensori di posizione sono posizionati stabilmente sullo strumento utilizzato e sul paziente stesso, nel caso in cui sia necessario monitorare la sua posizione o eventuali suoi movimenti. I sensori di posizione possono essere di tipo passivo o di tipo attivo. A differenza dei sensori di tipo attivo, i sensori di tipo passivo necessitano di essere cablati.

Requisiti principali di un sistema di tracking

I requisiti fondamentali che un sistema di tracking dovrebbe possedere quando viene utilizzato per la navigazione guidata da immagini radiologiche sono i seguenti:

· precisione della misura spaziale confrontabile con la risoluzione spaziale delle immagini radiologiche utilizzate;

· frequenza di acquisizione dei dati spaziale idonea a seguire in tempo reale anche rapidi movimenti degli strumenti monitorati;

· misurazione spaziale affidabile e continua. Questa caratteristica à ̈ correlata ad una bassa sensibilità del sistema rispetto alla presenza di particolari materiali e/o strutture in grado di influire negativamente e in modo aleatorio sulla precisione delle misurazioni spaziali del sistema e/o di impedire o limitare le misurazioni stesse, non permettendo di monitorare la posizione del sensore in modo continuo, qualunque sia la sua dislocazione spaziale;

· maneggevolezza d’uso, associata ad un ridotto ingombro del sistema, ad una ridotta dimensione dei sensori di posizione, all’assenza di cavi di collegamento tra l’unità di tracking e i sensori stessi e ad un ampio volume utile di misurazione; · monitorare più sensori di posizione contemporaneamente.

Attualmente, nessuno dei sistemi di tracking meccanici, ultrasonici, elettromagnetici e ottici esistenti presenta contemporaneamente tutti questi requisiti e differenti strategie sono state proposte al fine di realizzare un sistema di tracking ottimale.

Sistemi di tracking meccanici

I sistemi di tracking meccanici sono costituiti da una serie di bracci metallici collegati tra loro mediante snodi dotati di misuratori di angoli. Le misure degli angoli sono utilizzate per stabilire la posizione e l’orientamento spaziale dello strumento fissato alla fine dell’ultimo braccio metallico presente.

Questa tipologia di sistemi di tracking presenta una precisione ed una frequenza di misurazione molto elevate. Per contro questi sistemi sono ingombranti e poco maneggevoli, in quanto hanno un limitato range di movimento e quindi un ridotto volume utile di misurazione. Inoltre possono monitorare la posizione di un solo strumento.

Per questi motivi, i sistemi di tracking meccanici, utilizzati nei primi sistemi di navigazione, oggi non sono più adoperati.

Sistemi di tracking ultrasonici

I sistemi di tracking ad ultrasuoni si basano sul principio fisico della propagazione del suono. In questa tipologia di sistemi, il sensore di posizione à ̈ un emettitore di ultrasuoni (piezoelettrico o a scintilla) collegato mediante cavi all’unità di tracking. L’unità di tracking à ̈ formata da minimo 3 microfoni posizionati in prossimità del paziente. La posizione del sensore di posizione à ̈ determinata sulla base dei differenti tempi con cui il suono emesso da questo raggiunge i microfoni. Per stabilire anche l’orientamento spaziale di un sensore di posizione à ̈ necessario utilizzare 3 emettitori di ultrasuoni per sensore. Per questo motivo, i sensori di posizione sono generalmente di grandi dimensioni.

Essendo basato sul principio fisico della propagazione del suono, la precisione spaziale di un sistema di tracking ultrasonico risente delle variazioni di temperatura, di umidità, della composizione gassosa dell'aria, delle correnti d'aria, del rumore di fondo e della presenza di eventuali echi. Gran parte di queste variazioni sono causate dalla presenza stessa del personale e della strumentazione presente nella stanza. Per questo motivo la precisione di un sistema di tracking ultrasonico à ̈ nell’ordine di 5 millimetri, inferiore alla risoluzione spaziale delle immagini radiologiche più comunemente utilizzate, come ad esempio le immagini di risonanza magnetica, che hanno una risoluzione spaziale anche inferiore al millimetro.

La frequenza di campionamento spaziale di questi sistemi dipende dal numero di sensori di posizione monitorati e decresce all’aumentare di essi.

Anche se i sensori di posizione sono di tipo cablato, questi sistemi presentano una maneggevolezza ed un volume utile di misurazione maggiore rispetto ai sistemi di tracking meccanici. Tuttavia, la sensibilità alle variazioni ambientali e le elevate dimensioni dei sensori di posizione, limitano l’utilizzo di questi sistemi di tracking nei sistemi di navigazione. Attualmente un numero molto esiguo di sistemi di navigazione utilizzano questo tipo di sistemi di tracking.

Sistemi di tracking ottici

Nei sistemi di tracking ottici l’unità di tracking consiste in 2 telecamere a infrarossi non complanari. I sensori di posizione sono costituiti da strutture rigide sulle quali sono applicati diodi emettitori di luce (sensore di tipo attivo, cablato) o sfere riflettenti (sensore di tipo passivo, non cablato). Le 2 telecamere essendo non complanari, localizzano la posizione dei diodi o delle sfere riflettenti rispetto a differenti angolazioni. Queste informazioni spaziali sono utilizzate per stabilire la posizione e l’orientamento spaziale del sensore di posizione, utilizzando algoritmi di triangolazione.

La precisione di un sistema di tracking ottico à ̈ molto elevata, generalmente inferiore al millimetro ed à ̈ possibile monitorare con una idonea frequenza di campionato più sensori di posizione. Per questi motivi, i sistemi di navigazione che utilizzano sistemi di tracking ottici sono i più utilizzati. L’unico inconveniente presentato da questo tipo di sistemi di tracking à ̈ che per determinare la posizione e l’orientamento spaziale di un sensore di posizione, questo deve essere completamente visibile dalle telecamere dell’unità di tracking. Generalmente, le apparecchiature presenti nella sala operatoria, la presenza del personale medico e infermieristico, la posizione del paziente possono creare zone d’ombra che non consentono la continua e completa visibilità da parte dell’unità centrale dei sensori di posizione utilizzati.

Sistemi di tracking elettromagnetici

Un sistema di tracking elettromagnetico stabilisce la posizione e l’orientamento spaziale di un suo sensore di posizione sfruttando il principio fisico dell’induzione elettromagnetica. L’unità di tracking consiste in un generatore di campo magnetico, mentre un sensore di posizione à ̈ formato da 3 solenoidi disposti perpendicolarmente tra loro. I sensori di posizione sono provvisti di cavi di collegamento e, generalmente, sono di piccole dimensioni. Quando il sensore di posizione à ̈ all’interno del campo magnetico del generatore, i suoi 3 solenoidi rilevano differenti valori di gradiente elettromagnetico, correlati alla sua posizione e al suo orientamento spaziale.

Al pari dei sistemi ultrasonici, i sistemi di tracking elettromagnetico possono monitorare più sensori di posizione contemporaneamente, richiedono la cablatura degli stessi e sono caratterizzati da una buona maneggevolezza, mentre presentano un volume utile di misurazione inferiore.

Inoltre, la presenza di materiali ferromagnetici e le interferenze prodotte da altri campi magnetici eventualmente presenti possono compromettere la precisione e l’affidabilità delle sue misurazioni spaziali. Tipicamente, l’accuratezza spaziale di un sistema di tracking elettromagnetico, in assenza di interferenze, à ̈ nell’ordine dei 1.5-2.5mm.

I sistemi di tracking elettromagnetici sono utilizzati in diversi sistemi di navigazione attualmente commercializzati, a motivo delle ridotte dimensioni dei loro sensori di posizione e della possibilità di monitorare la loro posizione e il loro orientamento spaziale con continuità.

Procedura di co-registrazione spaziale

La posizione e l’orientamento spaziale del soggetto in esame e dello strumento utilizzato sono riferite allo stesso sistema di riferimento: quello stabilito dal sistema di tracking. Invece, i dati anatomici forniti dall’immagine radiologica (o altra bioimmagine) del soggetto in esame sono riferiti ad un altro sistema di riferimento, differente da quello del sistema di tracking. Per poter riportare su questa immagine la posizione e l’orientamento spaziale dello strumento utilizzato à ̈ quindi necessario individuare la relazione geometrica esistente tra il sistema di riferimento dell’immagine e quello del soggetto in esame. Questa relazione geometrica viene individuata mediante una procedura detta di co-registrazione che si basa, in genere, su due set di dati corrispondenti, individuati, rispettivamente, sul paziente e sulla sua immagine radiologica. In genere, la procedura di coregistrazione viene utilizzata in tutti i casi nei quali l’immagine à ̈ stata acquisita in precedenza (ad es. immagini di risonanza magnetica) oppure quando non à ̈ possibile riferirla direttamente al sistema di riferimento utilizzato per acquisire i dati spaziali relativi al soggetto in esame.

Invenzione proposta

Premessa

Attualmente i sistemi di navigazione utilizzano prevalentemente i sistemi di tracking elettromagnetici e quelli ottici. Rispetto ai sistemi elettromagnetici, i sistemi ottici hanno una maggiore precisione spaziale, un maggiore volume utile di misurazione, offrono la possibilità di monitorare la posizione e l’orientamento spaziale di un maggiore numero di strumenti con una elevata frequenza di campionamento e la presenza di strutture ed apparati metallici presenti nell’area di lavoro non influenzano l’affidabilità delle loro misurazioni spaziali.

Per contro, i sistemi di tracking ottici utilizzano sensori di posizione di dimensioni maggiori rispetto a quelli utilizzati dai sistemi di tracking elettromagnetici e, per poter individuare la loro posizione e il loro orientamento spaziale, i marker (attivi o passivi) dei sensori di posizione devono essere visibili dalle due telecamere dell’apparecchiatura di tracking.

Per le finalità di utilizzo dei sistemi di navigazione, l’affidabilità e la precisione della misurazione hanno un maggiore peso rispetto agli altri requisiti esaminati. Per questo motivo i sistemi ottici sono maggiormente utilizzati per il tracking spaziale nei sistemi di navigazione rispetto a quelli elettromagnetici.

Negli ambienti in cui sono normalmente sono utilizzati i sistemi di navigazione (camere operatorie, laboratori di registrazioni, cabine silenti ecc.) à ̈ molto probabile che vi siano strutture metalliche (letti operatori, rack metallici, tavolini porta utensili, sedie, apparati di monitoraggio e di registrazione, ecc.) che potrebbero influire negativamente sull’affidabilità delle misurazioni spaziali effettuate con un sistema di tracking elettromagnetico. Queste stesse strutture e, in aggiunta ad esse, oggetti di altro materiale, come anche parti corporee del personale e del soggetto in esame, potrebbero altresì limitare la visuale ottica dell’unità principale di un sistema di tracking ottico, creando coni o zone d’ombra all’interno delle quali non à ̈ possibile monitorare la posizione e l’orientamento spaziale dei sensori di posizione ottici, perché non visibili dall’unità principale. Questa limitazione influisce negativamente sulla maneggevolezza di utilizzo del sistema di navigazione.

Al fine di risolvere questo problema sono stati proposti sistemi di tracking ibridi, che utilizzano contemporaneamente un sistema ottico e un sistema elettromagnetico, dove quest’ultimo à ̈ utilizzato per monitorare la posizione e l’orientamento spaziale degli strumenti utilizzati quando questi non sono visibili dall’unità principale del sistema di tracking ottico. Per contro questi sistemi ibridi richiedono l’applicazione sugli strumenti utilizzati e sul paziente di entrambe le tipologie di sensori di posizione ottiche ed elettromagnetiche, di una procedura di calibrazione finalizzata ad unificare le misurazioni spaziali effettuate dai due sistemi di tracking e comunque non assicurano che le misurazioni effettuate dal solo sistema elettromagnetico non risentano delle interferenze dovute ai materiali ferromagnetici.

Razionale

Scopo principale della presente invenzione, quindi, à ̈ quello di superare detti limiti e svantaggi della tecnica nota proponendo una innovativa soluzione, alternativa all’utilizzo di sistemi ibridi. Essa consiste nell’utilizzo di due o più unità di tracking ottiche disposte in modo da riprendere l’area di lavoro da angolazioni differenti e tra loro complementari. In questo modo le zone d’ombra possono essere anche completamente eliminate, in quanto almeno una delle unità ottiche utilizzate sarà in grado di avere visuale libera e monitorare idoneamente la posizione e l’orientamento spaziale dei sensori di posizione utilizzati. Ne consegue che le misurazioni spaziali effettuate dalle varie unità di tracking ottiche devono essere riferite ad un unico sistema di riferimento, comune a tutte le unità, in modo da poter utilizzare indistintamente le misurazioni effettuate da una qualsiasi delle unità ottiche, per determinare la prima che à ̈ in grado di registrare la posizione e l’orientamento spaziale dell’indicatore di posizione.

Una migliore comprensione del trovato, si avrà con la seguente descrizione dettagliata e con riferimento alle figure allegate che illustrano a puro titolo esemplificativo e non già limitativo, una preferita forma di realizzazione dell’invenzione.

Nei disegni:

La figura 1 schematizza un sistema di riferimento solidale ad un sensore S rispetto ad un sistema di riferimento solidale ad una unità di tracking ottica U;

Le figure 2A-2B sono, rispettivamente, un diagramma di flusso che schematizza la procedura di calibrazione ed un esempio di calibrazione nel caso di sistema di navigazione con N unità di tracking ottiche;

La figura 3 à ̈ un diagramma di flusso che schematizza la registrazione dei dati spaziali relativi ai sensori di posizione utilizzati mediante più unità di tracking ottiche;

La figura 4 mostra schematicamente un sistema di navigazione a 3 unità ottiche: 1 unità ottica principale (UP) e 2 unità ottiche secondarie (US2 e US3).

Nell’invenzione proposta questo sistema di riferimento comune coincide con il sistema di riferimento di una delle unità ottiche utilizzate, detta “unità principale†(UP). Le registrazioni dei dati spaziali effettuate con le altre unità ottiche utilizzate, dette “unità secondarie†(US), devono essere opportunamente trasformate in modo da essere riferite al sistema di riferimento comune della UP.

Il cambio di sistema di riferimento, dal sistema proprio di una generica US al sistema comune della UP, richiede la conoscenza di una matrice di trasformazione geometrica, computata sulla base della posizione e dell’orientamento spaziale della unità principale UP e di ciascuna delle unità secondarie US. Per ogni unità secondaria US utilizzata, deve essere computata una corrispondente matrice di trasformazione. Il calcolo delle matrici di trasformazione geometrica associate alle unità secondarie US utilizzate viene eseguito dopo aver posizionato queste unità all’interno della camera operatoria e prima dell’utilizzo del sistema di navigazione, mediante una particolare procedura detta di calibrazione illustrata nel seguito.

Misurazione della posizione e dell’orientamento spaziale dei sensori di posizione

Prima di illustrare la procedura di calibrazione à ̈ necessario introdurre alcuni concetti di base relativi ai sensori di posizione. In generale, per stabilire la posizione e l’orientamento spaziale di un corpo rigido libero di muoversi nello spazio rispetto ad un sistema di riferimento fisso, à ̈ necessario stabilire un ulteriore sistema di riferimento solidale con il corpo rigido e individuare i parametri che lo caratterizzano rispetto al sistema fisso: le coordinate dell’origine del sistema di riferimento solidale e il suo orientamento angolare, descritto mediante i coseni direttori oppure gli angoli di Eulero.

Per questo motivo, al fine di determinare la posizione e l’orientamento spaziale di un sensore di posizione rispetto al sistema di riferimento stabilito dall’unità di tracking à ̈ necessario associare al sensore stesso un sistema di riferimento solidale con esso. Questo sistema di riferimento, stabilito dal costruttore, ha in genere la sua origine spaziale coincidente con il centro di uno dei diodi emettitori o di una delle sue sfere riflettenti e i suoi 3 assi, tra loro perpendicolari, arbitrariamente orientati. I sistemi di tracking restituiscono i dati spaziali relativi che caratterizzano la posizione e l’orientamento spaziale di un sensore di posizione sotto forma dei valori delle 3 coordinate x, y, z dell’origine del sistema solidale e dei valori dei coseni direttori/angoli di Eulero.

La posizione e l’orientamento spaziale di un sensore di posizione rispetto al sistema di riferimento stabilito dall’unità di tracking possono essere descritte in modo integrato utilizzando una matrice di trasformazione omogenea, che considera sia i valori di posizione che di orientamento angolare.

Se, con riferimento alla figura 1, indichiamo con:

U(Ou, xu, yu, zu) il sistema di riferimento di una generica unità di tracking U

e con

S(Os, xs,ys, zs) il sistema di riferimento solidale con un generico sensore di posizione S allora la posizione e l’orientamento spaziale del sensore di posizione rispetto al sistema di riferimento U(Ou, xu, yu, zu) à ̈ rappresentato dalla la matrice di trasformazione omogenea (4x4):

=

dove:

sono gli elementi della matrice di rotazione 3x3 del sistema di riferimento S(Os, xs,ys, zs) rispetto al sistema di riferimento U(Ou, xu, yu, zu), calcolati sulla base dei valori dei coseni direttori e

, , sono le coordinate dell’origine del sistema di riferimento S(Os, xs,ys, zs) riferite al sistema di riferimento U(Ou, xu, yu, zu)

La matrice non solo descrive la posizione e l’orientamento spaziale del sensore S descritti nel sistema di riferimento dell’unità U, ma permette anche di calcolare il cambio di riferimento da S(Os, xs,ys, zs) a U(Ou, xu, yu, zu). Infatti, se indichiamo con Psun punto originariamente riferito al sistema di riferimento S(Os, xs,ys, zs)di coordinate omogenee (xs, ys, zs, 1), e con Pulo stesso punto riferito al sistema di riferimento U(Ou, xu, yu, zu),le sue coordinate omogenee (xu, yu, zu, 1)sono espresse dalla relazione:

Pu= . Ps

Ipotizziamo ora di utilizzare un numero N >= 2 di unità ottiche per monitorare e registrare la posizione di un sensore di posizione e che la prima unità ottica U<1>sia scelta come UP e le rimanenti unità ottiche U<i>con i =2,..., N siano considerate come US.

In altre parole, si otterrebbe: U<1>

=UP, U<2>

=US2, U<3>

=US3, ... U<N>

=USN.

In generale, la posizione e l’orientamento spaziale di un sensore di posizione S rispetto ad una generica unità ottica U<i>(UP oppure US) saranno descritte dalla matrice:

=

Per utilizzare il sistema di riferimento della UP come sistema di riferimento comune a tutte le US considerate, per ognuna delle US dobbiamo calcolare la relativa matrice di trasformazione che ci consente di riferire al sistema comune le posizioni spaziali originariamente riferite al suo sistema di riferimento:

PU<1>= . PU<i>

dove

PU<i>Ã ̈ un punto riferito al sistema di riferimento della US U<i>, al quale sono associate le coordinate omogenee (xU<i>, yU<i>, zU<i>, 1)

PU<1>Ã ̈ lo stesso punto riferito al sistema di riferimento comune della UP, al quale sono associate le coordinate omogenee (xU<1>, yU<1>, zU<1>, 1)

e

=

à ̈ la matrice di trasformazione omogenea che può essere espressa come il prodotto delle seguenti matrici:

= .

Dove la matrice corrisponde alla matrice inversa di :

= ( )<-1>=

Ne consegue che l’individuazione di un sistema di riferimento comune a più unità ottiche può essere effettuato utilizzando i dati spaziali relativi ad un unico sensore di posizione che devono essere registrati dall’UP e dalla generica US in esame.

Procedura di calibrazione

Come già accennato in precedenza, in un sistema di navigazione che utilizza N >= 2 unità ottiche, la procedura di calibrazione à ̈ finalizzata alla individuazione delle matrici di trasformazione omogenee che consentono di riferire le registrazioni dei dati spaziali effettuate dalle US al sistema di riferimento comune, coincidente con quello della UP.

La procedura di calibrazione viene eseguita una sola volta, dopo che le N unità ottiche sono state posizionate stabilmente all’interno della camera operatoria e prima che il sistema di navigazione venga utilizzato. Il diagramma a blocchi della figura 2A illustra il funzionamento della procedura di calibrazione. Una unità ottica à ̈ utilizzata come unità principale UP, mentre le N-1 unità ottiche rimanenti sono utilizzate come unità secondarie US.

Un sensore di posizione qualsiasi C viene posizionato nello spazio utile di misurazione comune a tutte le unità ottiche utilizzate, in modo che la sua posizione e il suo orientamento spaziale sia registrato da tutte le unità ottiche.

Dopo aver verificato il corretto posizionamento del sensore di posizione C, la sua posizione e il suo orientamento spaziale vengono registrate da ognuna delle N unità ottiche utilizzate. Quando à ̈ l’unità principale UP a registrare i dati spaziali del sensore C, viene calcolata la matrice di trasformazione omogenea , mentre quando à ̈ utilizzata una delle unità secondarie US<i>per registrare detti dati spaziali, vengono calcolate la matrice di trasformazione omogenea e la sua inversa .

Infine per ognuna delle N-1 unità secondarie US viene calcolata la matrice di trasformazione omogenea :

= .

che consente di riferire allo spazio comune della unità principale UP le misurazioni spaziali originariamente effettuate mediante una delle US.

Registrazioni dei dati spaziali mediante multiple unità ottiche

Dopo aver eseguito la procedura di calibrazione, sono noti i valori delle matrici di trasformazione omogenee di ognuna delle unità secondarie US. La registrazione dei dati spaziali relativi ai sensori di posizione utilizzati mediante più unità di tracking ottiche à ̈ descritta nel diagramma di flusso di figura 3.

Ipotizziamo di utilizzare un sistema formato da N unità ottiche delle quali una di queste à ̈ scelta come UP e le rimanenti N-1 unità sono considerate come US.

Ipotizziamo inoltre di voler monitorare M sensori di posizione.

La registrazione dei dati spaziali del generico j-esimo sensore di posizione à ̈ effettuata nel seguente modo:

Se l’unità ottica in grado di registrare la posizione e l’orientamento spaziale di questo sensore di posizione C à ̈ l’UP, questi dati spaziali rappresentano l’output finale della procedura di registrazione ed à ̈ possibile passare ad esaminare un altro sensore di posizione.

Se l’UP non à ̈ in grado di registrare la posizione e l’orientamento di questo sensore, perché à ̈ posizionato in una zona d’ombra rispetto a questa unità, si effettua la registrazione utilizzando in modo successivo le N-1 US disponibili.

Se una delle US à ̈ in grado di registrare la posizione e l’orientamento spaziale di questo sensore di posizione, questi dati spaziali devono essere dapprima riferiti allo spazio comune utilizzando la matrice di trasformazione omogenea relativa alla US stessa e quindi possono essere resi disponibile come output finale della procedura di registrazione ed à ̈ possibile passare ad esaminare un altro sensore di posizione.

Se nessuna delle US disponibili à ̈ in grado di registrare la posizione e l’orientamento spaziale del sensore di posizione, viene restituito un messaggio di errore.

Con particolare riferimento alla figura 4, à ̈ importante notare che la presenza del paziente, del personale medico e delle attrezzature possono causare zone d’ombra che impediscono la registrazione della posizione e dell’orientamento spaziale del sensore di posizione (S) utilizzato per monitorare i dati spaziali di uno strumento operatorio utilizzato.

A titolo di esempio, nella figura 4 à ̈ mostrato un sistema di navigazione a 3 unità ottiche: 1 unità ottica principale (UP) e 2 unità ottiche secondarie (US2 e US3).

Con riferimento alla figura 4, l’UP e l’US2 non sono in grado di monitorare correttamente la posizione e l’orientamento spaziale del sensore S in quanto: una delle 2 telecamere dell’UP ed entrambe le telecamere dell’US2 non hanno la visuale libera (linee tratteggiate). Mentre, le 2 telecamere dell’US3 hanno la visuale libera (linee continue). L’US3 sarà quindi utilizzata per registrare i dati spaziali di S che saranno poi riferiti al sistema di riferimento dell’UP.

E’ appena il caso di osservare che se il paziente - o almeno la parte del suo corpo che à ̈ interessata dall’intervento - à ̈ bloccato sul tavolo operatorio (tramite opportuni dispositivi stereotassici e/o di immobilizzazione di tipo noto), diventa immediato posizionare virtualmente sull’immagine radiologica di riferimento ciascuno degli strumenti utilizzati dall’operatore, in modo che detta posizione corrisponda EFFETTIVAMENTE alla posizione dello strumento rispetto al corpo del paziente. Va però detto che tali dispositivi stereotassici e/o di immobilizzazione, sono invasivi ed ingombranti, e riducono significativamente la libertà operativa.

Se invece il sistema utilizzato à ̈ di tipo “frameless†, cioà ̈ senza vincoli per il corpo del paziente, secondo il trovato à ̈ prevista l’applicazione sul paziente di sensori di posizione vincolati in opportuni punti di riferimento sul paziente stesso, in modo da poterne determinare i movimenti e la posizione in tempo reale.

L’impiego di sistemi di tracking ottici, secondo la presente invenzione, à ̈ particolarmente utile nel caso di sistemi frameless per la grande libertà di movimenti lasciata agli operatori.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI: 1. Sistema di navigazione spaziale a multipla unità ottica, da utilizzare in interventi chirurgici o terapeutici o bioptici, guidati da immagini della zona del paziente sulla quale si deve intervenire, caratterizzato dal fatto di comprendere, in combinazione: - due o più unità di tracking ottiche (UP, US2, ..., USN) disposte in modo da riprendere l’area di lavoro da angolazioni differenti e tra loro complementari; - una pluralità di sensori di posizione (S) fissati agli strumenti utilizzati sul paziente; - una pluralità di sensori di posizione (SP) fissati sul paziente; - almeno un monitor o display per l’operatore, sul quale à ̈ visualizzata l’immagine radiologica o ecografica, o scintigrafica o TAC, o di altro tipo utile, nella quale à ̈ anche riportata l’effettiva posizione istantanea degli strumenti in uso; - almeno una unità di calcolo atta a ricevere i segnali dalle unità di tracking ottiche (UP, US2, ..., USN) per aggiornare in tempo reale le immagini corrispondenti al paziente mostrate su detto display o monitor, modificando la posizione degli strumenti rispetto a dette immagini visualizzate; in cui dette unità di tracking ottiche (UP, US2, ..., USN) sono atte a rilevare i movimenti dei sensori (S) solidali agli strumenti e dei sensori (SP) solidali al paziente e ad inviare i dati relativi a detti movimenti a detta unità di calcolo.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che comprende una unità di tracking ottica principale (UP) ed almeno una unità di tracking ottica secondaria (US2)e che i dati spaziali relativi ai movimenti dei sensori (S) solidali agli strumenti e dei sensori (SP) solidali al paziente sono rilevati nel sistema di coordinate di riferimento dell’unità ottica che ha campo di visione libero e sono tutti convertiti nel sistema di coordinate di riferimento corrispondente all’unità di tracking ottica principale (UP), che à ̈ comune a tutte; ottenendosi così di poter utilizzare indistintamente i dati spaziali relativi alle misurazioni effettuate da una qualsiasi delle unità ottiche, per determinare la prima che à ̈ in grado di registrare la posizione e l’orientamento spaziale di ciascun sensore di posizione.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il cambio di sistema di riferimento, dal sistema proprio di una unità di tracking ottica secondaria (US) al sistema comune della unità di tracking ottica principale (UP), prevede una matrice di trasformazione geometrica, che à ̈ computata sulla base della posizione e dell’orientamento spaziale della unità principale (UP) e di ciascuna delle unità secondarie (US), dopo aver posizionato queste unità all’interno della camera operatoria e prima dell’utilizzo del sistema di navigazione.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che per utilizzare il sistema di riferimento della unità principale (UP) come sistema di riferimento comune a tutte le unità secondarie (US) prevede, per ognuna di queste ultime, una rispettiva matrice di trasformazione che consente di riferire al sistema di riferimento comune le posizioni spaziali originariamente riferite al sistema di riferimento della specifica unità secondaria: PU<1>= . PU<i> dove PU<i>à ̈ un punto riferito al sistema di riferimento della unità secondaria U<i>, al quale sono associate le coordinate omogenee (xU<i>, yU<i>, zU<i>, 1) PU<1>à ̈ lo stesso punto riferito al sistema di riferimento comune della UP, al quale sono associate le coordinate omogenee (xU<1>, yU<1>, zU<1>, 1) e = à ̈ la matrice di trasformazione omogenea che può essere espressa come il prodotto delle seguenti matrici: = . Dove la matrice corrisponde alla matrice inversa di : = ( )<-1>=
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui non siano previsti vincoli per il corpo del paziente, sono previsti dei sensori di posizione vincolati sul paziente stesso, applicati in opportuni punti di riferimento, in modo da poterne determinare i movimenti e la posizione in tempo reale; in questo caso dette unità di tracking ottiche (UP, US2, ...., USN) essendo atte a monitorare e rilevare anche la posizione dei sensori di posizione collocati sul paziente.
6. 6. Metodo per riportare graficamente e in modo virtuale, su un’immagine della zona del paziente sulla quale si deve intervenire, la posizione e l’orientamento spaziale dello strumento utilizzato in interventi chirurgici o terapeutici o bioptici, caratterizzato dal fatto di prevedere: - l’utilizzo un sistema di navigazione spaziale comprendente due o più unità di tracking ottiche (UP, US2, ..., USN), delle quali la prima à ̈ detta unità principale (UP) e le successive N-1 sono dette unità secondarie (USi); - la disposizione di dette unità di tracking ottiche in modo da riprendere l’area di lavoro da angolazioni differenti e tra loro complementari, per eliminare le zone d’ombra, in quanto almeno una delle unità ottiche utilizzate sarà in grado di avere visuale libera - il rilevamento, continuo ed in tempo reale, dei dati spaziali relativi alla posizione ed all’orientamento spaziale dei sensori di posizione solidali agli strumenti e/o al paziente; - la visualizzazione virtuale grafica, dell’effettiva posizione degli strumenti utilizzati, sull’immagine della zona del paziente sulla quale si sta intervenendo.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che prevede di trasformare le registrazioni dei dati spaziali effettuate con le unità ottiche secondarie (USi) in modo da essere riferite al sistema di riferimento comune corrispondente alla unità principale (UP).
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che prevede che il cambio di sistema di riferimento, dal sistema proprio di una generica unità secondaria (USi) al sistema comune della unità principale (UP), venga effettuato mediante una matrice di trasformazione geometrica, opportunamente computata sulla base della posizione e dell’orientamento spaziale della unità principale (UP) e di ciascuna delle unità secondarie (Usi); per ogni unità secondaria (Usi) utilizzata, essendo prevista la computazione di una corrispondente matrice di trasformazione.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che prevede di eseguire il calcolo delle matrici di trasformazione geometrica, associate alle unità secondarie (Usi) utilizzate, dopo aver posizionato queste unità all’interno della camera operatoria e prima dell’utilizzo del sistema di navigazione, mediante una opportuna procedura di calibrazione. 10. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che prevede una procedura di calibrazione finalizzata alla individuazione delle matrici di trasformazione omogenee che consentono di riferire le registrazioni dei dati spaziali effettuate dalle unità secondarie (USi) al sistema di riferimento comune, coincidente con quello della unità principale (UP), la quale procedura comprende le seguenti fasi operative: - posizionare un sensore di posizione qualsiasi (C) nello spazio utile di misurazione comune a tutte le unità ottiche utilizzate, in modo che la sua posizione e il suo orientamento spaziale sia registrato da tutte le unità ottiche; - verifica del corretto posizionamento del sensore di posizione (C); - registrazione della posizione e dell’orientamento spaziale di detto sensore (C) da parte di ognuna delle (N) unità ottiche utilizzate; - calcolo della matrice di trasformazione omogenea utilizzando i dati spaziali del sensore (C) registrati dall’unità principale (UP); - calcolo della matrice di trasformazione omogenea e la sua inversa utilizzando i dati spaziali del sensore (C) registrati dall’unità secondaria (US<i>), per ciascuna delle N-1 unità secondarie; - calcolo, per ognuna delle N-1 unità secondarie (US), della matrice di trasformazione omogenea : = . che consente di riferire allo spazio comune della unità principale (UP) le misurazioni spaziali originariamente effettuate mediante una delle (US).
10. 10. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 6 in poi, caratterizzato dal fatto che se il corpo del paziente, o la sua parte interessata all’intervento, non à ̈ vincolato rispetto al sistema di riferimento comune corrispondente alla unità principale (UP), prevede l’applicazione sul paziente di sensori di posizione vincolati in opportuni punti di riferimento sul paziente stesso, in modo da poterne determinare i movimenti e la posizione in tempo reale.