NL1034672C2 - Medisch navigatiesysteem met gereedschap- en/of implantaatintegratie in fluoroscopische beeldprojecties en werkwijze voor het gebruik daarvan. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Medisch navigatiesysteem met gereedschap- en/of implantaatintegratie in fluoroscopische beeldprojecties en werkwijze voor het gebruik daar van.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op beeld-geleide chirurgie (of chirurgische navigatie). In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een medisch navigatiesysteem met gereedschap- en/of implantaatintegratie in fluoroscopische beeldprojecties.

Beoefenaars van de geneeskunde, zoals doktoren, chirurgen en andere beoefenaars 5 van het medische beroep, vertrouwen dikwijls op de techniek bij het uitvoeren van een medische procedure, zoals een beeld-geleide operatie of onderzoek. Een volgsysteem kan positie-informatie voor het medische instrument ten opzichte van bijvoorbeeld de patiënt of een refe-rentiecoördinatensysteem verschaffen. Een arts kan het volgsysteem raadplegen om de positie van het medische instrument vast te stellen, wanneer het instrument zich niet binnen het ge-10 zichtsveld van de arts bevindt. Een volgsysteem kan ook behulpzaam zijn bij planning van een operatie.

Het volg- of navigatiesysteem maakt het voor de arts mogelijk om de anatomie van de patiënt te bekijken en de positie en oriëntatie van het instrument te volgen. De arts kan het volgsysteem gebruiken om te bepalen wanneer het instrument op een gewenste locatie is ge-15 positioneerd. De arts kan een gewenst of beschadigd gebied lokaliseren en daarin werken terwijl andere structuren worden vermeden. Een verhoogde nauwkeurigheid bij het plaatsen van medische instrumenten in een patiënt kan voorzien in een minder invasieve medische procedure door middel van het bevorderen van een verbeterde besturing van kleinere instrumenten, die minder invloed op de patiënt hebben. Een verbeterde besturing en nauwkeurigheid met kleine-20 re, meer verfijnde instrumenten kan ook met meer invasieve procedures, zoals open chirurgie, verbonden risico's verminderen.

Medische navigatiesystemen volgens dus de nauwkeurige locatie van chirurgische instrumenten in relatie tot meerdimensionale afbeeldingen van de anatomie van een patiënt. Medische navigatiesystemen gebruiken bovendien visualisatiegereedschappen om de Chirurg te 25 voorzien van in lijn liggende aanzichten van deze chirurgische instrumenten met de anatomie van de patiënt. Deze functionaliteit wordt typisch verschaft door het opnemen van componenten van het medische navigatiesysteem op een van wielen voorziene kar (of karren), die in de operatiekamer kunnen worden verplaatst.

Volgsystemen kunnen bijvoorbeeld met ultrageluid, traagheidspositie of elektromag-30 netische straling werkende volgsystemen zijn. Elektromagnetische volgsystemen kunnen spoelen als ontvangers en zenders toepassen. Elektromagnetische volgsystemen kunnen in 1034672 -2- stellen van drie zenderspoelen en drie ontvangerspoelen, zoals een industriestandaard spoel-architectuur (ISCA) configuratie, zijn ingericht. Elektromagnetische volgsystemen kunnen ook met een enkele zenderspoel, die wordt gebruikt bij een array van ontvangerspoelen, of met een array van zenderspoelen met een enkele ontvangerspoel zijn ingericht. Door de zender-5 spoel(en) gegenereerde magnetische velden kunnen door de ontvangerspoel(en) worden gedetecteerd. Voor verkregen parametermetingen kan positie- en oriëntatie-informatie worden vastgesteld voor de zender- en/of ontvangerspoel(en).

Bij medische en chirurgische afbeelding, zoals inwendige of uitwendige afbeelding, worden afbeeldingen van een gebied van het lichaam van een patiënt gevormd. De afbeeldin-10 gen worden gebruikt om behulpzaam te zijn bij een aan de gang zijnde procedure, waarbij een chirurgisch gereedschap of instrument op de patiënt wordt toegepast en wordt gevolgd in relatie tot een uit de afbeeldingen gevormd referentiecoördinatensysteem. Beeld-geleide chirurgie heeft een bijzondere toepassing bij chirurgische procedures, zoals hersenchirurgie en op de knie, pols, schouder of wervelkolom uitgevoerde arthroscopische procedures alsmede bepaal-15 de typen van angiografie, hartprocedures, interventieradiologie en biopsies, waarin röntgenaf-beeldingen kunnen worden vervaardigd om een bij de procedure betrokken gereedschap of instrument weer te geven, de positie daarvan te corrigeren of op andere wijze te navigeren.

Verschillende gebieden van de chirurgie brengen zeer nauwkeurige planning en besturing voor het plaatsen van een langwerpige probe of ander object in weefsel of bot, dat in-20 wendig is of moeilijk direct te bekijken is, met zich mee. In het bijzonder worden voor hersenchirurgie stereotactische frames, die een invoerpunt, probehoek en probediepte definiëren, gebruikt om toegang te verkrijgen tot een plaats in de hersenen, in het algemeen in samenhang met vooraf gecompileerde driedimensionale diagnostische afbeeldingen, zoals magnetische-resonantieafbeelding (MRI), positronemissietomografie (PET) of computertomografie (CT) 25 scanafbeeldingen, die nauwkeurige weefselafbeeldingen verschaffen. Voor plaatsing van steel-schroeven in de wervelkolom, waar visuele en fluoroscopische afbeeldingsrichtingen geen axiaal aanzicht kunnen opvangen om een profiel van een inbrengingsbaan in bot te centreren, zijn dergelijke systemen bruikbaar gebleken.

Bij gebruik bij bestaande CT-, PET- of MRI-afbeeldingsreeksen, definiëren vooraf ge-30 registreerde diagnostische afbeeldingsreeksen een driedimensionaal (3D) rechthoekig coördinatensysteem, ofwel als gevolg van hun nauwkeurige aftastformatie of door de ruimtelijke mathematica van hun reconstructiealgoritmen. Het kan echter wenselijk zijn om de beschikbare fluoroscopische aanzichten en anatomische kenmerken, die vanaf het oppervlak of in fluoroscopische afbeeldingen zichtbaar zijn, te correleren met kenmerken in de 3D diagnostische 35 afbeeldingen en externe coördinaten van toegepaste gereedschappen. Correlatie wordt dikwijls uitgevoerd door middel van het verschaffen van geïmplanteerde ijkpunten en/of het toevoegen van extern zichtbare of volgbare markeringen, die kunnen worden afgebeeld. Onder gebruik- -3- making van een toetsenbord, muis of andere aanwijzer, kunnen ijkpunten worden geïdentificeerd in de verschillende afbeeldingen. In de verschillende afbeeldingen kunnen dus gemeenschappelijke reeksen van coördinaatregistratiepunten worden geïdentificeerd. De gemeenschappelijke reeksen van coördinaatregistratiepunten kunnen ook op een geautomatiseerde 5 wijze door middel van een externe coördinaatmeetinrichting te volgen zijn, zoals een geschikt geprogrammeerde, uit voorraad leverbaar optisch volgsamenstel. In plaats van af te beelden ijkpunten, die bijvoorbeeld in zowel fluoroscopische als MRI- of CT-afbeeldingen kunnen worden afgebeeld, kunnen dergelijke systemen in belangrijke mate werken met eenvoudige optische volgwerking van het chirurgische gereedschap en kunnen dergelijke systemen een initiali-10 seringsprotocol toepassen, waarin een chirurg een aantal botkenmerken of andere herkenbare anatomische kenmerken aanraakt of aanwijst om externe coördinaten in relatie tot de anatomie van een patiënt te definiëren en om programmatuur, die de anatomische kenmerken opspoort, te initialiseren.

In het algemeen werken beeld-geleide chirurgiesystemen met een afbeeldingsweer-15 gave, die in een gezichtsveld van de chirurg is gepositioneerd en die een aantal panelen weergeeft, zoals een geselecteerde MRI-afbeelding en verschillende, onder verschillende hoeken genomen röntgen- of fluoroscopische aanzichten. Driedimensionale diagnostische afbeeldingen hebben typisch een ruimtelijke resolutie, die zowel rechthoekig is als nauwkeurig tot binnen een zeer kleine tolerantie, zoals binnen één mm of minder. Daarentegen kunnen fluoroscopische 20 aanzichten worden vervormd. De fluoroscopische aanzichten zijn schaduwgrafisch, aangezien zij de dichtheid van weefsel, waardoorheen de kegelvormige röntgenbundel is heengegaan, representeren. In gereedschapnavigatiesystemen kan de voor de chirurg zichtbare weergave een afbeelding van een chirurgisch gereedschap, biopsie-instrument, steelschroef, probe of andere op een fluoroscopische afbeelding geprojecteerde inrichting tonen, zodat de chirurg de 25 oriëntatie van het chirurgische instrument in relatie tot de afgebeelde anatomie van een patiënt kan bekijken. Ook kan een correct gereconstrueerde CT- of MRI-afbeelding, die kan corresponderen met de gevolgde coördinaten van het probe-uiteinde, worden weergegeven.

Van de systemen, die zijn voorgesteld voor het implementeren van dergelijke weergaven, berusten vele op het nabij volgen van de positie en oriëntatie van het chirurgische instru-30 ment in externe coördinaten. De verschillende stellen van coördinaten kunnen door middel van mechanische robotverbindingen en codeerinrichtingen worden gedefinieerd, of meer gebruikelijk, worden gedefinieerd door een vaste patiëntondersteuning, twee of meer ontvangers, zoals videocamera's, die aan de ondersteuning bevestigd kunnen zijn, en een aantal aan een geleider of frame aan het chirurgische instrument bevestigde signaleringselementen, die het moge-35 lijk maken dat de positie en oriëntatie van het gereedschap met betrekking tot de patiëntondersteuning en het cameraframe op automatische wijze kunnen worden bepaald door middel van trigoniometrische berekening, zodat verschillende transformaties tussen respectieve coördina- -4- ten kunnen worden berekend. Driedimensionale volgsystemen, die twee videocamera's en een aantal zenders of andere positiesignaleringselementen toepassen, zijn reeds lang commercieel verkrijgbaar en zijn eenvoudig aangepast aan dergelijke operatiekamersystemen. Dergelijke systemen kunnen ook externe positiecoördinaten bepalen onder gebruikmaking van commer-5 deel verkrijgbare akoestische afzoeksystemen, waarin drie of meer akoestische zenders worden geactiveerd en het geluid daarvan wordt gedetecteerd met meerdere ontvangers om hun relatieve afstanden tot de detecterende samenstellen te bepalen, en definiëren dus door middel van eenvoudige trigoniometrie de positie en oriëntatie van de frames of ondersteuningen, waarop de zenders zijn gemonteerd. Wanneer opgespoorde ijkpunten in de diagnostische af-10 beeldingen verschijnen, is het mogelijk om een transformatie tussen operatiekamercoördinaten en de coördinaten van de afbeelding te definiëren.

Meer recentelijk is een aantal systemen voorgesteld, waarin de nauwkeurigheid van de diagnostische 3D-gegevensafbeeldingsreeksen wordt benut om de nauwkeurigheid van operatiekamerafbeeldingen te verbeteren, door middel van het aanpassen van deze 3D-afbeel-15 dingen aan patronen, die in intra-operatieve fluoroscopische afbeeldingen optreden. Deze systemen kunnen volg- en overeenstemmingsrandprofielen van botten, het morfologisch deformeren van één afbeelding op een andere om een coördinatentransformatie te bepalen of een ander correctieproces gebruiken. De procedure van het correleren van de niet-vlakke fluoroscopische afbeeldingen van mindere kwaliteit met vlakken in de 3D-afbeeldingsgegevensreeksen 20 kan tijdrovend zijn. In technieken, die ijkpunten of toegevoegde markeringen gebruiken, kan een chirurg een langdradig initialisatieprotocol of een langzame en in rekentechnische zin intensieve procedure volgen om markeringen tussen verschillende reeksen van afbeeldingen te identificeren en te correleren. Deze factoren hebben alle de snelheid en de toepasbaarheid van intra-operatieve beeld-geleide systemen of navigatiesystemen nadelig beïnvloed.

25 Correlatie van de patiëntanatomie of intra-operatieve fluoroscopische afbeeldingen met voorgecompileerde 3D diagnostische afbeeldingsgegevensreeksen kunnen ook worden gecompliceerd door interveniërende beweging van de afgebeelde structuren, in het bijzonder zacht-weefselstructuren, tussen de tijden van oorspronkelijke afbeelding en de intra-operatieve procedure. Transformaties tussen drie of meer coördinaatsystemen voor twee reeksen van 30 afbeeldingen en de fysieke coördinaten in de operatiekamer kunnen dus een groot aantal regi-stratiepunten met zich meebrengen om een effectieve correlatie te verschaffen. Voor het volgen van de ruggengraat om steelschroeven te positioneren, kan het volgsamenstel op tien of meer punten op een enkele ruggenwervel worden geïnitialiseerd om een geschikte nauwkeurigheid te verkrijgen. In gevallen, waarin een groeiend tumor of evoluerende toestand de weef-35 selafmeting of positie tussen afbeeldingssessies actueel verandert, kunnen verder verwarrende factoren optreden.

-5-

Wanneer het doel van beeld-geleide volgwerking het definiëren van een operatie op een starre of botachtige structuur nabij het oppervlak is, zoals het geval is bij het plaatsen van steelschroeven in de ruggengraat, kan de uitlijning als alternatief worden bewerkstelligd zonder voortdurende verwijzing naar volgafbeeldingen, onder gebruikmaking van een computermo-5 delleringsprocedure, waarin een gereedschapsuiteinde wordt aangeraakt en geïnitialiseerd bij elk van verschillende botachtige kenmerken om de coördinaten en verplaatsing daarvan vast te stellen, waarna beweging van de ruggengraat als een geheel wordt gemodelleerd door middel van optische beginuitlijning en het daarna volgen van het gereedschap in relatie tot de positie van deze kenmerken, terwijl een virtuele representatie van de ruggengraat mechanisch wordt 10 gemodelleerd waarbij een volgelement of frame aan de ruggengraat is bevestigd. Een dergelijke procedure rekent af met de tijdrovende en rekentechnisch intensieve correlatie van verschillende afbeeldingsreeksen afkomstig van verschillende bronnen en door middel van het substitueren van het optisch volgen van punten kan deze procedure het aantal röntgenbelich-tingen, dat wordt gebruikt om op effectieve wijze de gereedschapspositie in relatie tot de pa-15 tiëntanatomie met de aanvaardbare mate van nauwkeurigheid te bepalen, elimineren of verminderen.

De voorgaande aanpakken, die afbeeldingsgegevensreeksen van hoge kwaliteit correleren met meer vervormde schaduwgrafische projectieafbeeldingen en volggegevens gebruiken om een gereedschapspositie weer te geven, of die een eindige reeks van punten op een 20 dynamisch anatomisch model, waarop extrinsiek gedetecteerde gereedschapscoördinaten zijn gesuperponeerd, vastleggen, resulteren echter in een proces, waardoor machineberekeningen een synthetische afbeelding produceren of een bestaand diagnostisch gegevensbasisvlak selecteren om de chirurg met betrekking tot de huidige gereedschapspositie te begeleiden. Hoewel verschillende mallen en eigen subsamenstellen zijn bedacht om elk individueel coördinaat-25 detectie- of afbeeldingshanteringssysteem eenvoudiger of redelijk betrouwbaar te kunnen gebruiken, blijft het gebied onnodig complex. Systemen gebruiken niet alleen dikwijls correlatie van diverse reeksen van afbeeldingen en uitgebreide punt-voor-punt initialisatie van de wer-kings-, volg- en afbeeldingsruimtecoördinaten of -kenmerken, maar deze systemen zijn onderhevig aan voorwaarden als gevolg van de eigendomsbeperkingen van diverse fabrikanten van 30 apparatuur, de door volgsystemen opgelegde fysische beperkingen en de complexe program-meertaak voor koppeling aan vele verschillende afbeeldingsbronnen in aanvulling op het bepalen van hun schaal, oriëntatie en relatie tot andere afbeeldingen en coördinaten van het systeem.

Verschillende voorstellen zijn gedaan, waarbij fluoroscopische afbeeldingen worden 35 gecorrigeerd om hun nauwkeurigheid te verbeteren. Dit is een complexe onderneming, aangezien de aard van de fluoroscopische 3D naar 2D projecterende afbeeldingswerking resulteert in verlies van een groot deel van informatie in elk schot, zodat de omgekeerde omzetting sterk -6- onderbepaald is. Veranderingen in afbeeldingsparameters als gevolg van camera- en bronpo-sitie en oriëntatie, die optreden bij elk schot, compliceren het probleem verder. Dit gebied is in enige mate door één fabrikant aangepakt, welke fabrikant een stijvere en isocentrische C-arm-structuur heeft verschaft. De toegevoegde positionele nauwkeurigheid van betreffend afbeel-5 dingssysteem biedt het vooruitzicht dat men door middel van het nemen van een grote reeks van fluoroscopische schoten van een geïmmobiliseerde patiënt, die kalm is onder bepaalde omstandigheden, in staat kan zijn enige vorm van vlakke afbeeldingsreconstructie te ondernemen. Dit blijkt echter in rekentechnische zin zeer kostbaar te zijn en de huidige stand van de techniek stelt voor dat, hoewel het mogelijk kan zijn om gecorrigeerde fluoroscopische afbeel-10 dingsgegevensreeksen met enigszins minder kostbare apparatuur te produceren dan met de voor conventionele CT-afbeelding gebruikte apparatuur, zal intra-operatieve fluoroscopische afbeeldingsgeleiding voortgaan om toegang tot MRI-, PET- of CT-gegevensreeksen met zich mee te brengen en om te vertrouwen op extensieve chirurgische invoer en opstelling voor volgsystemen, die het mogelijk maken om positie- of afbeeldingscorrelaties uit te voeren.

15 Het blijft dus uiterst wenselijk om eenvoudige, lage-dosis en lage-kosten fluoroscopi sche afbeeldingen voor chirurgische geleiding te gebruiken, maar om ook een verbeterde nauwkeurigheid voor kritische gereedschapspositionering te verkrijgen.

Uitlijning is een proces van het correleren van twee coördinaatsystemen, zoals een patiëntafbeeldingscoördinatensysteem en een elektromagnetisch volgcoördinatensysteem.

20 Verschillende werkwijzen kunnen worden toegepast om coördinaten in afbeeldingstoepassin-gen uit te lijnen. "Bekende" of vooraf gedefinieerde objecten worden in een afbeelding gelokaliseerd. Een bekend object bevat een dooreen volgsysteem gebruikte sensor. Zodra de sensor in de afbeelding is gelokaliseerd, maakt de sensor uitlijning van de twee coördinatensystemen mogelijk.

25 U.S. octrooi nr. 5,829,444 van Ferre et al., verleend op 3 november 1998, verwijst naar een werkwijze van volgen en uitlijnen onder gebruikmaking van bijvoorbeeld een hoofdset. Een patiënt draagt een hoofdset, die radiopaak markeringen bevat, wanneer aftastafbeeldingen worden geregistreerd. Op basis van een vooraf gedefinieerde referentie-eenheidsstructuur, kan de referentie-eenheid vervolgens op automatische wijze delen van de referentie-eenheid op de 30 afgetaste afbeeldingen lokaliseren, waardoor een oriëntatie van de referentie-eenheid met betrekking tot de afgetaste afbeeldingen wordt geïdentificeerd. Een veldgenerator kan met de referentie-eenheid zijn verbonden om een positie-karakteristiek veld in een gebied te genereren. Wanneer een relatieve positie van een veldgenerator met betrekking tot de referentie-eenheid is vastgesteld, kan de uitlijneenheid vervolgens een correcte afbeeldingsfunctie genereren.

35 Gevolgde oppervlakken kunnen vervolgens met betrekking tot de opgeslagen afbeeldingen worden gelokaliseerd.

-7-

Uitlijning onder gebruikmaking van een op de patiënt en op afstand van de fluoro-scoopcamera geplaatste referentie-eenheid introduceert echter onnauwkeurigheden in coördi-natenuitlijning als gevolg van de afstand tussen de referentie-eenheid en de fluoroscoop. Bovendien is de op de patiënt geplaatste referentie-eenheid typisch klein of anders kan de een-5 heid interfereren met afbeeldingsaftasting. Een kleinere referentie-eenheid kan minder nauwkeurige positiemetingen produceren en dus invloed hebben op de uitlijning.

Typisch wordt een door een navigatiesysteem gebruikt referentieframe uitgelijnd met een anatomie voorafgaande aan chirurgische navigatie. Uitlijning van het referentieframe heeft invloed op de nauwkeurigheid van een genavigeerd gereedschap in relatie tot een weergege-10 ven fluoroscopische afbeelding.

Tijdens een procedure dient een chirurg, die een ruggengraat opereert, een nauwkeurige waarneming van complexe anatomische 3D-relaties te handhaven. Fluoroscopie wordt conventioneel intra-operatief gebruikt om visualisatie van een anatomie (bijv., de steel) en plaatsing van gereedschappen of implantaten (bijv., een geleidedraad of een steelschroef) te 15 vergemakkelijken. Hoewel fluoroscopie bruikbaar is, is deze momenteel beperkt tot alleen 2D-projecties van een complexe 3D-structuur. Verder is fluoroscopie slechts uitvoerbaar langs assen rond het dwarsvlak, waarbij anteroposteriore (AP) en mediolaterale (ML) aanzichten het meest gebruikelijk zijn. In dit geval leidt een chirurg op cognitieve wijze chirurgische plaatsing langs een superieure/inferieure as af (d.w.z., een axiaal aanzicht) op basis van interpretatie van 20 aanduidingen in de afbeeldingen en kennis van de anatomie. Deze typen van afleidingen kunnen leiden tot variërende onnauwkeurigheidsgraden bij het plaatsen van bijvoorbeeld steel-schroeven in de ruggengraat.

Computertomografie(CT)afbeelding levert voor elke patiënt specifieke volumetrische 3D-afbeeldingen op. Deze reeks van afbeeldingen kunnen vanuit praktisch elke kijkrichting op-25 nieuw worden weergegeven en wordt conventioneel gepresenteerd als een reeks van axiale dwarsdoorsneden. Dit wordt gewoonlijk in het vooroperatieve stadium gebruikt om een toestand te diagnosticeren en om een chirurgische strategie te plannen.

Beeld-geleide navigatie is in klinisch gebruik voor ruggengraatchirurgie naast andere toepassingen. Beeld-geleide toepassingen gebruiken typisch fluoroscopische 2D-afbeeldingen 30 of 3D CT-gegevensreeksen. 3D-gebaseerde systemen vereisen een expliciete uitlijning van de gegevensreeks met de patiënt, gewoonlijk bewerkstelligd door middel van handmatige digitali-satie (bijv., het nemen van punten) van de anatomie van de patiënt. 2D-gebaseerde systemen zijn eenvoudiger te gebruiken, aangezien afbeeldingen intrinsiek worden uitgelijnd door middel van het volgen van de afbeeldingsinrichting (bijv., een fluoroscoop) ten opzichte van de patiënt. 35 Een hybride 2D/3D-navigatiesysteem, dat het gebruiksgemak en reële-tijdbijwerkingen van een 2D-systeem tezamen met een eenvoudig uitgelijnde 3D CT-gegevensreeks bevat, zou dus uiterst wenselijk zijn.

-8-

Tijdens een navigatieprocedure worden fluoroscopische afbeeldingen genomen, waarin een gereedschap kan worden genavigeerd. In tegenstelling tot CT/MRI-afbeeldingen (die dunne plakken van de anatomie zijn) zijn de fluoroscopische afbeeldingen projecties door een volume van de anatomie heen. Wanneer het genavigeerde gereedschap wordt voortge-5 trokken lijkt het "zwevend" te zijn bovenop de afbeelding (zelfs wanneer het gereedschap zich binnen of achter de structuur bevindt (zie fig. 1). Een zwevende afbeelding is geen nauwkeurige representatie van de gereedschapslocatie en vereist dat de chirurg constant de aan hem of haar gegeven weergave dient te corrigeren.

Er bestaat dus behoefte aan systemen en werkwijzen voor het integreren van een in-10 strument/gereedschap in een fluoroscopische afbeelding.

Bepaalde uitvoeringsvormen van de uitvinding verschaffen systemen en werkwijzen voor het representeren van een gereedschap of een implantaat in een afbeelding.

Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen een werkwijze voor het weergeven van een gereedschap of implantaat met betrekking tot een afbeelding. De werkwijze bevat het vaststel-15 len van een oppervlakgrens voor een gebied van belang, dat in een afbeelding is weergegeven; het bepalen van een positie van een gereedschap of implantaat met betrekking tot de oppervlakgrens; en het weergeven van een representatie van het gereedschap of implantaat op de afbeelding. Een deel van het gereedschap of het implantaat binnen de oppervlakgrens wordt weergegeven in de representatie met een mate van transparantheid in vergelijking met een 20 deel van het gereedschap of implantaat buiten de oppervlakgrens.

Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen een gebruikerkoppelingssysteem voor het weergeven van een representatie van een gereedschap of een implantaat met betrekking tot een afbeelding. Het systeem bevat een processor, die is ingericht om een oppervlakgrens voor een gebied van belang, dat in de afbeelding is weergegeven, vast te stellen en om een positie 25 van het gereedschap of het implantaat met betrekking tot de oppervlakgrens te bepalen, en een weergave, die is ingericht om op dynamische wijze de afbeelding en de representatie voor een gebruiker weer te geven. De processor genereert een representatie van het gereedschap of het implantaat op basis van de positie met betrekking tot de oppervlakgrens. Een deel van het gereedschap of het implantaat binnen de oppervlakgrens wordt weergegeven in de repre-30 sentatie met een mate van transparantheid in vergelijking met een deel van het gereedschap of implantaat buiten de oppervlakgrens.

Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen een computer-leesbaar medium, dat een reeks van instructies voor uitvoering op een computer heeft. De reeks van instructies bevat een grensbepalingsroutine voor het vaststellen van een oppervlakgrens voor een gebied van be-35 lang, dat in een afbeelding is weergegeven, op basis van volginformatie; een implantaatrepre-sentatieroutine voor het genereren van een representatie van een gereedschap of implantaat met betrekking tot de oppervlakgrens op basis van volginformatie; en een weergaveroutine -9- voor het weergeven van de representatie van het gereedschap of het implantaat op de afbeelding. Een deel van het gereedschap of het implantaat binnen de oppervlakgrens wordt weergegeven in de representatie met een mate van transparantheid in vergelijking met een deel van het gereedschap of implantaat buiten de oppervlakgrens.

5 Fig. 1 toont een bekende weergave van een driedimensionaal implantaat bovenop een tweedimensionale fluoroscopische afbeelding.

Fig. 2 toont een medisch navigatiesysteem, dat wordt gebruikt volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Fig. 3 toont een medisch navigatiesysteem, dat wordt gebruikt volgens een uitvoe-10 ringsvorm van de uitvinding.

Fig. 4 toont een medisch navigatiesysteem, dat wordt gebruikt volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Fig. 5 toont een voorbeeld van een driedimensionaal implantaat, gezien in samenhang met een fluoroscopische afbeelding volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

15 Fig. 6 toont een vereenvoudigde representatie van een gereedschap, dat verschillende arcering op basis van de afstand onder een grensoppervlak toont volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Fig. 7 toont een stroomschema voor een werkwijze voor implan-taat/gereedschapsrepresentatie in een afbeelding, gebruikt volgens een uitvoeringsvorm van 20 de uitvinding.

Fig. 8 toont een voorbeeld van een afbeeldings- en volgsysteem, dat wordt gebruikt volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

De voorgaande samenvatting alsmede de volgende gedetailleerde beschrijving van bepaalde uitvoeringsvormen van de uitvinding zullen beter begrepen kunnen worden, wanneer 25 deze worden gelezen in samenhang met de bijgevoegde tekeningen. Voor illustratiedoeleinden van de uitvinding zijn bepaalde uitvoeringsvormen weergegeven in de tekeningen. Het zal echter duidelijk zijn, dat de uitvinding niet tot de in de bijgevoegde tekeningen weergegeven inrichtingen en instrumenten is beperkt.

Er wordt nu verwezen naar fig. 2, waarin een medisch navigatiesysteem (bijv., een chi-30 rurgisch navigatiesysteem), dat in het algemeen met het verwijzingscijfer 10 is aangeduid, welk systeem een draagbare computer 12, een weergave 14 en een navigatiekoppeling bevat, is getoond. Het medische navigatiesysteem 10 is ingericht om met een elektromagnetisch-veld-generator 20 en een elektromagnetische sensor 22 samen te werken teneinde de locatie van een inrichting 24 te bepalen. Hoewel het systeem 10 en/of ander navigatie- of volgsysteem kan 35 worden gebruikt in samenhang met een verscheidenheid aan volgtechnieken, waaronder elektromagnetische, optische, ultrageluid-, traagsheidspositie- en/of andere volgsystemen, is het -10- systeem 10 hieronder voor illustratiedoeleinden beschreven met betrekking tot elektromagnetische volgwerking.

Een tafel 30 is gepositioneerd nabij de elektromagnetische sensor 22 om een patiënt 40 tijdens een chirurgische procedure te ondersteunen. Een kabel 50 is voorzien voor de over-5 dracht van gegevens tussen de elektromagnetische sensor 22 en het medische navigatiesysteem 10. Het medische navigatiesysteem 10 is gemonteerd op een verrijdbare kar 60 met een tweede weergave 18 in de in fig. 2 getoonde uitvoeringsvorm.

De elektromagnetische sensor 22 kan bijvoorbeeld een gedrukte-schakelingsplaat zijn. Bepaalde uitvoeringsvormen kunnen een elektromagnetische sensor 22, die een gedrukte-10 schakelingsplaat ontvangerarray 26 met een aantal spoelen en spoelparen en elektronica voor het digitaliseren van in de gedrukte-schakelingsplaat ontvangerarray 26 gedetecteerde magne-tisch-veldmetingen omvat, bevatten. De magnetisch-veldmetingen kunnen worden gebruikt om de positie en oriëntatie van de elektromagnetisch-veldgenerator 20 volgens enige geschikte methode of enig geschikt systeem te berekenen. Nadat de magnetisch-veldmetingen zijn gedi-15 gitaliseerd onder gebruikmaking van elektronica in de elektromagnetische sensor 22, worden de gedigitaliseerde signalen via de kabel 50 naar de navigatiekoppeling 16 gezonden. Zoals hieronder in detail zal worden toegelicht, is het medische navigatiesysteem 10 ingericht om een locatie van de inrichting 24 op basis van de ontvangen gedigitaliseerde signalen te berekenen.

Het hierin beschreven medische navigatiesysteem 10 is in staat vele verschillende ty-20 pen inrichtingen tijdens verschillende procedures te volgen. Afhankelijk van de procedure kan de inrichting 24 een chirurgisch instrument (bijv. een afbeeldingskatheter, een diagnostische katheter, een therapeutische katheter, een geleidedraad, een wondexcisie-inrichting, een afzui-ginrichting, een geleider, enz.), een chirurgisch implantaat (bijv., een kunstmatige schijf, een botschroef, een omleiding, een steelschroef, een plaat, een intramedullaire staaf, enz.) of enige 25 andere inrichting zijn. Afhankelijk van de context van het gebruik van het medische navigatiesysteem 10, kan enig aantal geschikte inrichtingen worden gebruikt.

Met betrekking tot fig. 3, is een voorbeeld van een blokdiagram van het medische navigatiesysteem 100 verschaft. Het medische navigatiesysteem 100 is in concept getoond als een verzameling van modules, doch kan worden uitgevoerd onder gebruikmaking van enige 30 combinatie van toegewijde moederborden, digitale signaalprocessors, veld-programmeerbare poortarrays en processors. Als alternatief kunnen de modules worden uitgevoerd onder gebruikmaking van een uit voorraad leverbare computer met een enkele processor of meerdere processors, waarbij de functionele bewerkingen tussen de processors zijn verdeeld. Als een voorbeeld kan het wenselijk zijn om een toegewijde processor voor positie- en oriëntatiebere-35 keningen alsmede een toegewijde processor voor visualisatiebewerkingen te hebben. Als een verdere optie kunnen de modules worden uitgevoerd onder gebruikmaking van een hybride configuratie, waarin bepaalde modulaire functies worden uitgevoerd onder gebruikmaking van -11 - toegewijde hardware, terwijl de resterende modulaire functies worden uitgevoerd onder gebruikmaking van een uit voorraad leverbare computer. De bewerkingen van de modules kunnen door een systeemstuureenheid 210 worden bestuurd.

De navigatiekoppeling 160 ontvangt gedigitaliseerde signalen van een elektromagneti-5 sche sensor 222. In de in fig. 2 getoonde uitvoeringsvorm bevat de navigatiekoppeling 16 een Ethemet-poort. Deze poort kan bijvoorbeeld zijn voorzien van een Ethernet-netwerkkoppelings-kaart of adapter. Volgens verschillende alternatieve uitvoeringsvormen kunnen de gedigitaliseerde signalen echter vanaf de elektromagnetische sensor 222 naar de navigatiekoppeling 160 worden verzonden onder gebruikmaking van alternatieve bedrade of draadloze communi-10 catieprotocols en -koppelingen.

De door de navigatiekoppeling 116 ontvangen gedigitaliseerde signalen representeren door een elektromagnetische sensor 222 gedetecteerde magnetisch-veldinformatie. In de in fig. 3 getoonde uitvoeringsvorm zendt de navigatiekoppeling 160 de gedigitaliseerde signalen via een lokale koppeling 215 naar het volgmoduul 250. Het volgmoduul berekent positie- en oriën-15 tatie-informatie op basis van de ontvangen gedigitaliseerde signalen. Deze positie- en oriënta-tie-informatie verschaft een locatie van een inrichting.

Het volgmoduul 250 communiceert de positie- en oriëntatie-informatie via een lokale koppeling 215 naar het navigatiemoduul. Als voorbeeld is deze lokale koppeling 215 een Peripheral Component Interconnect (PCI) bus. Volgens verschillende alternatieve uitvoeringsvor-20 men kunnen echter equivalente bustechnieken worden gesubstitueerd zonder het kader van de uitvinding te verlaten.

Na ontvangst van de positie- en oriëntatie-informatie wordt het navigatiemoduul 260 gebruikt om de locatie van de inrichting met de verworven patiëntgegevens uit te lijnen. In de in fig. 3 getoonde uitvoeringsvorm zijn de verworven patiëntgegevens op een schijf 245 opgesla-25 gen. De verworven patiëntgegevens kunnen computertomografiegegevens, magnetische-reso-nantiegegevens, positronemissietomografiegegevens, ultrageluidsgegevens, röntgengegevens of andere geschikte gegevens alsmede combinaties daarvan bevatten. Bij wijze van voorbeeld is de schijf 245 een harde-schijfstation, maar andere geschikte opslaginrichtingen en/of geheugens kunnen worden gebruikt.

30 De verworven patiëntgegevens worden vanaf de schijf 245 in geheugen 220 geladen.

Het navigatiemoduul 260 leest de verworven patiëntgegevens uit geheugen 220. Het navigatiemoduul 260 lijnt de locatie van de inrichting met de verworven patiëntgegevens uit en genereert afbeeldingsgegevens, die geschikt zijn om de patiëntafbeeldingsgegevens en een representatie van de inrichting te visualiseren. In de in fig. 3 getoonde uitvoeringsvorm worden de 35 afbeeldingsgegevens via een lokale koppeling 215 naar een weergavestuureenheid 230 gezonden. De weergavestuureenheid 230 wordt gebruikt om de afbeeldingsgegevens aan twee weergaven 214 en 218 af te geven.

- 12 -

Hoewel in de uitvoeringsvorm van fig. 3 twee weergaven 214 en 218 zijn getoond, kunnen alternatieve uitvoeringsvormen verschillende weergaveconfiguraties bevatten. Verschillende weergaveconfiguraties kunnen worden gebruikt om de ergonomie van de operatiekamer te verbeteren, verschillende aanzichten weer te geven of op verschillende locaties infor-5 matie aan personeel te tonen. Zoals is getoond in fig. 2, kan een eerste weergave 14 bijvoorbeeld zijn opgenomen in het medische navigatiesysteem 10 en is een tweede weergave 18, die groter is dan de eerste weergave 14, gemonteerd op een verrijdbare kar 60. Als alternatief kunnen één of meer van de weergaven 214 en 218 aan een chirurgische zwaaiarm zijn gemonteerd. De chirurgische zwaaiarm kan aan het plafond zijn gemonteerd, aan een chirurgi-10 sche tafel bevestigbaar zijn of op een verrijdbare kar zijn gemonteerd.

Er wordt nu verwezen naar fig. 4, waarin een alternatieve uitvoeringsvorm van een medisch navigatiesysteem 300 is getoond. Het medische navigatiesysteem 300 omvat een draagbare computer met een relatief kleine voetafdruk (bijv., ongeveer1000 cm2) en een geïntegreerde weergave 382. Volgens verschillende alternatieve uitvoeringsvormen kan een ge-15 schikte kleinere of grotere voetafdruk worden gebruikt.

De navigatiekoppeling 370 ontvangt gedigitaliseerde signalen van een elektromagnetische sensor 372. In de in fig. 4 getoonde uitvoeringsvorm zendt de navigatiekoppeling 370 de gedigitaliseerde signalen via een lokale koppeling 315 naar een volgerkoppeling 350. In aanvulling op de volgerkoppeling 350 bevat het volgmoduul 356 een processor 352 en een geheu-20 gen 354 om positie- en oriëntatie-informatie op basis van de ontvangen gedigitaliseerde signalen te berekenen.

De volgerkoppeling 350 communiceert de berekende positie- en oriëntatie-informatie via een lokale koppeling 315 aan de visualisatiekoppeling 360. In aanvulling op de visualisatie-koppeling 360 bevat het navigatiemoduul 366 een processor 362 en een geheugen 364 om de 25 locatie van de inrichting uit te lijnen met de verworven, op een schijf 392 opgeslagen patiëntgegevens en genereert afbeeldingsgegevens, die geschikt zijn om de patiëntafbeeldingsgege-vens en een representatie van de inrichting te visualiseren.

De visualisatiekoppeling 360 zendt de afbeeldingsgegevens via een lokale koppeling 315 naar een weergavestuureenheid 380. De weergavestuureenheid 380 wordt gebruikt om de 30 afbeeldingsgegevens aan de weergave 382 af te geven.

Het medische navigatiesysteem 300 bevat ook een processor 342, een systeemstuur-eenheid 344 en een geheugen 346, die worden gebruikt voor aanvullende rekentoepassingen, zoals planning, bijwerken van patiëntgegevens of andere geschikte toepassingen. De werking van het medische navigatiesysteem 300 is verbeterd door gebruik te maken van een processor 35 342 voor algemene rekentoepassingen, een processor 352 voor positie- en oriëntatiebereke-ningen en een processor 362, die is toegewijd aan visualisatiebewerkingen. Niettegenstaande -13- de beschrijving van de uitvoeringsvorm van fig. 4, kunnen alternatieve systeemarchitecturen worden gesubstitueerd zonder het kader van de uitvinding te verlaten.

Zoals verder hieronder zal worden beschreven, verschaffen bepaalde uitvoeringsvormen van de uitvinding intra-operatieve navigatie op 3D computertomogra-5 fie(CT)gegevensreeksen, zoals een axiaal aanzicht, in aanvulling op fluoroscopische 2D-af-beeldingen. In bepaalde uitvoeringsvormen wordt de CT-gegevensreeks intra-operatief uitgelijnd met de patiënt via correlatie tot standaard anteroposteriore en laterale fluoroscopische afbeeldingen. Aanvullende 2D-afbeeldingen kunnen worden verworven en genavigeerd wanneer de procedure voortschrijdt zonder de behoefte aan heruitlijning van de CT-gegevensreeks. 10 Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen gereedschappen, die plaatsing van meer- voudig-niveauprocedures mogelijk maken. Sjabloonvorming op een scherm kan worden gebruikt om lengte en omvang van een implantaat te selecteren. Het systeem kan de locatie van op meerdere niveaus geplaatste implantaten in geheugen opslaan. Een gebruiker kan opgeslagen overlappingen terugroepen voor referentie tijdens plaatsing van aanvullende implanta-15 ten. Bovendien zijn bepaalde uitvoeringsvormen behulpzaam bij het elimineren van proefondervindelijke aanpassing van componenten door middel van het uitvoeren van genavigeerde metingen. In bepaalde uitvoeringsvormen verschijnen annotaties op het scherm naast relevante anatomie en implantaten.

Bepaalde uitvoeringsvormen gebruiken een correlatie op basis van een uitlijnalgoritme 20 om betrouwbare uitlijning te verschaffen. Standaard anteroposteriore (AP) en laterale (Lat) fluoroscopische afbeeldingen kunnen worden verworven. Een wervelniveau wordt geselecteerd en de afbeeldingen worden uitgelijnd. De wervelniveausefectie wordt bewerkstelligd door middel van het doen wijzen van een genavigeerd instrument naar bijvoorbeeld de werkelijke anatomie.

Bepaalde uitvoeringsvormen van het systeem werken in samenhang met een familie 25 van ruggengraatinstrumenten en -gereedschapskisten, zoals een ruggengraatvisualisatie-in-strumentkist, chirurgische ruggengraat-instrumentkist, een nekinstrumentkist, navigatietoe-gangsnaald, enz. Deze instrumenten vergemakkelijken de plaatsing van bijvoorbeeld een stroom van standaard steel schroeven. Een verzameling van schroefgeometrieën wordt gebruikt om deze schroeven te representeren en een overlap van draadframe op volledig overscha-30 duwde modellen te bevorderen. De overlappingen kunnen worden opgeslagen en teruggeroepen voor elk wervelniveau.

In bepaalde uitvoeringsvormen kunnen teruggeroepen overlappingen worden weergegeven met verschillende automatische metingen, waaronder afstand tussen meervoudig-niveau steelschroeven, kromming tussen meervoudig-niveau steelschroeven en annotaties van niveau 35 (bijv., Linker L4 wervel). Deze metingen vergemakkelijken een nauwkeurige selectie van im-plantaatlengte en -omvang. Deze metingen zijn ook behulpzaam bij het elimineren van proefondervindelijke aanpassingen van componenten.

-14-

Bepaalde uitvoeringsvormen zijn een chirurg dus behulpzaam bij het lokaliseren van anatomische structuren ergens op het menselijk lichaam tijdens open of onderhuidse procedures. Bepaalde uitvoeringsvormen kunnen worden gebruikt op bijvoorbeeld lumbale- en/of sa-crale-wervelniveaus. Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen Digital Imaging en Communica-5 tions in Medicine (DICOM) flexibiliteit en ondersteuning voor portaalkanteling en/of variabele plaktussenruimte. Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen automatische venstervorming en centrering met opgeslagen profielen. Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen een correlatie-gebaseerd 2D/3D uitlijnalgoritme en maken bijvoorbeeld reële-tijd meervlaksuitsnijding mogelijk.

10 Bepaalde uitvoeringsvormen staan een gebruiker toe om genavigeerde plaatsingen op te slaan en terug te roepen. Bepaalde uitvoeringsvormen staan een gebruiker toe om een afstand tussen meervoudig-niveau steelschroeven en/of andere implantaten/instrumenten te bepalen. Bepaalde uitvoeringsvormen staan een gebruiker toe om bijvoorbeeld lengte en kromming van een verbindingsstaaf te berekenen.

15 Fig. 5 toont een voorbeeld van een 3D-implantaat, dat in samenhang met een fluoro- scopische afbeelding volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding is weergegeven. De afbeelding 500 bevat een gereedschap/implantaat 510 en een anatomie 550. Het gereed-schap/implantaat 510 bevat een gedeelte 520 buiten de anatomie 550 en een gedeelte 530 binnen de anatomie 550.

20 Onder gebruikmaking van door een gebruiker verschafte informatie over waar een grens aanwezig dient te zijn, zoals de huid van een patiënt, kan het systeem bepalen welke delen van het gereedschap/implantaat 510 zich binnen 530 en buiten 520 de "doel"anatomie 550 bevinden. Gedeelten 530 van het gereedschap/implantaat 510, die beneden het grensvlak liggen, kunnen worden aangepast om bijvoorbeeld transparant, half-transparant en/of anders- 25 zins opaak te zijn in variërende maten. Fig. 6 toont bijvoorbeeld een vereenvoudigde representatie van een gereedschap, dat verschillende arcering op basis van de afstand onder een grensoppervlak toont. Het verschaffen van een mate van transparantheid kan het gereedschap/implantaat 510 de illusie geven van binnen de fluoroscopische afbeelding te liggen, zoals bijvoorbeeld weergegeven in fig. 5.

30 In bepaalde uitvoeringsvormen klikt een gebruiker op of selecteert, benadrukt en/of identificeert anderzijds één of meer punten om het oppervlak of grens van de anatomie 550 of ander object in de afbeelding aan te geven. Een punt en/of een vlak wordt dus gebruikt om een grens, waarboven het gereedschap/implantaat 510 in een afbeelding als een massief object wordt weergegeven, en waaronder het gereedschap/implantaat 510 als een semi-transparant 35 object wordt weergegeven, te bepalen. Het gereedschap/implantaat 510 kan voorafgaande aan afbeeldingswerking worden gemodelleerd om het systeem in staat te stellen de positie van het gereedschap/implantaat 510 beneden en boven de grens te beoordelen en postionerings- en -15- transparanthejdsinfomnatie aan een gebruiker te verschaffen. De gebruiker kan de ene of meerdere grenspunten selecteren door middel van het indrukken van een knop en/of het uitoefenen van druk op een gereedschap of aanwijzer en/of door het positioneren van het ge-reedschap/implantaat 510 en het selecteren van een punt via programmatuur (bijv., gebaseerd 5 op toetsenbord en/of muisinvoer).

In bepaalde uitvoeringsvormen kan opaciteit/transparantheid worden gewogen op basis van afstand tot de oppervlakgrens. Wanneer een implantaat 510, zoals een steelschroef, zich bijvoorbeeld verder en verder onder de huid van een patiënt uitstrekt, wordt het uiteinde van de schroef in toenemende mate transparant. De lengte van de schroef onder de huid wordt 10 in de afbeelding met variërende graden van transparantheid weergegeven om inzicht in diepte binnen de patiënt te verschaffen.

Fig. 7 toont een stroomschema voor een werkwijze 700 voor implantaat/gereed-schapsrepresentatie in een afbeelding, gebruikt volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding. In stap 710 geeft een gebruiker één of meer meetpunten, die representatief zijn voor een 15 grens, zoals de huid van een patiënt, aan. De gebruiker kan één of meer punten aangeven door middel van bijvoorbeeld het indrukken van een knop en/of het uitoefenen van druk op een gereedschap of aanwijzer en/of door middel van het positioneren van een gereedschap/implan-taat en het selecteren van een punt via programmatuur (bijv., gebaseerd op toetsenbord- en/of muisinvoer), enz., om aanwezigheid van een grens aan te geven.

20 In stap 720 wordt een positie van een gereedschap/implantaat gemeten met betrek king tot een doel, zoals een patiënt. De positie kan worden gemeten op basis van enige techniek van een verscheidenheid aan volg/navigatietechnieken, zoals hierboven toegelicht. In stap 720 wordt onder gebruikmaking van door de gebruiker met betrekking tot de locatie van de grens en positie-informatie voor het gereedschap/implantaat verschafte informatie een bepaling 25 uitgevoerd met betrekking tot welk gedeelte van het gereedschap/implantaat zich binnen de grens bevindt en welk gedeelte van het gereedschap/implantaat zich buiten de grens bevindt. Een gedeelte van het gereedschap/implantaat onder de grens kan bijvoorbeeld worden gerepresenteerd met een zekere mate van transparantheid op een weergegeven afbeelding van het patiëntgebied. Een gedeelte van het gereedschap/implantaat boven de grens kan bijvoorbeeld 30 worden gerepresenteerd als een opaak object of icoon. Het verschaffen van een mate van transparantheid kan een gebruiker behulpzaam zijn bij het verkrijgen van een beter begrip van gereedschap/implantaatpositie met betrekking tot de grens en het doelgebied.

In stap 740 wordt een afbeelding weergegeven aan een gebruiker, welke afbeelding het gereedschap/implantaat met betrekking tot een doel, zoals de anatomie van een patiënt, 35 toont. Gedeelten van het gereedschap/implantaat zijn opaak en/of transparant in overeenstemming met de grenslocatie, zoals hierboven beschreven. De afbeelding kan worden bijgewerkt wanneer het gereedschap/implantaat door een gebruiker wordt gepositioneerd.

- 16-

In bepaalde uitvoeringsvormen kan een mate van opaciteit/transparantheid worden gewogen op basis van de afstand vanaf de oppervlakgrens. Wanneer bijvoorbeeld een gereed-schap/implantaat zich verder en verder onder de grens uitstrekt, wordt (worden) het distale gedeelte (gedeelten) van het gereedschap/implantaat in toenemende mate transparant. De lengte 5 van het gereedschap/implantaat onder de grens kan in de afbeelding worden weergegeven met variërende maten van transparantheid om inzicht in diepte binnen het doel te verschaffen. De mate van transparantheid en de positie met betrekking tot een weergegeven afbeelding kunnen op dynamische wijze worden aangepast wanneer het gereedschap/implantaat door een gebruiker wordt bewogen.

10 Bepaalde uitvoeringsvormen maken het voor een chirurg dus mogelijk om een meer realistische representatie van een 3D-gereedschap en/of implantaat en de locatie daarvan in een anatomie te zien. Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen systemen en werkwijzen voor het integreren van 3D gevolgde gereedschappen (of implantaten) in projectieafbeeldingen (bijv., fluoroscopische afbeeldingen). Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen een mogelijk-15 heid om "op visuele wijze" te representeren, dat een gereedschap/implantaat zich bijvoorbeeld in een bot bevindt, op een 2D-aanzicht (bijv., een fluoroscopisch of röntgenafbeeldingsaan-zicht), waardoor een benaderd 3D-effect op een 2D-afbeelding wordt gecreëerd. Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen een dynamische, aanpassende bijwerking wanneer een gebruiker een gereedschap/implantaat beweegt en/of een ander/aanvullend gereedschap en/of implan-20 taat op een patiënt gebruikt.

Bepaalde uitvoeringsvormen verschaffen dus een werkstroomverbetering voor chirurgische navigatie en meting. Bovendien kunnen genavigeerde steelschroeven en/of andere implantaten op grafische wijze worden weergegeven en gerepresenteerd als een overlapping van een afbeelding voor waarneming door een arts. De overlapping is behulpzaam bij het handha-25 ven van visualisatie van bijvoorbeeld schroef- en/of andere implantaatlocaties.

Bepaalde uitvoeringsvormen werken in samenhang met een 2D/3D hybride navigatiesysteem, dat reële-tijdbijwerking en gebruiksgemak van een 2D-systeem tezamen met een eenvoudig uitgelijnde 3D CT-gegevensreeks bevat. Veiligheid en nauwkeurigheid van medische procedures kunnen worden verbeterd met een 2D/3D-navigatiesysteem. Het gebruik van 30 een CT-gegevensreeks tezamen met 2D intra-operatieve afbeeldingswerking draagt bij aan visualisatie en begrip van een anatomie in een operatiekamer. Een dergelijk systeem kan toepassing vinden in een verscheidenheid aan medische procedures, zoals ruggengraatprocedu-res, schedelprocedures en andere klinische procedures. Ruggengraatprocedures kunnen pos-tero-laterale open en minimaal invasieve chirurgische (MIS) steelschroeven, posteriore C1-C2 35 transarticulaire schroeffixatie, transorale odontoïdefixatie, cervicale laterale massaplaat schroeffixatie, anteriore thoracale schroeffixatie, scoliosis, kyfosis, kyfoplastie, vertebroplastie, -17- transforaminale lumbaal interlichaamsfunctie (TLIF), kunstschijven, burstfracturen, excisie van paraspinale neoplasmen, enz. bevatten.

Verschillende uitvoeringsvormen zijn hierboven beschreven onder verwijzing naar de tekeningen. Deze tekeningen tonen bepaalde details van specifieke uitvoeringsvormen, die de 5 systemen en werkwijzen en programma's van de uitvinding implementeren. Het beschrijven van de uitvinding met tekeningen dient echter niet te worden opgevat als aan de uitvinding opgelegde beperkingen, die met in de tekeningen weergegeven kenmerken zijn verbonden. De uitvinding beoogt werkwijzen, systemen en programmaproducten op machine-leesbare media voor het bewerkstelligen van de bewerkingen daarvan. Zoals hierboven vermeld, kunnen de 10 uitvoeringsvormen van de uitvinding worden geïmplementeerd onder gebruikmaking van een bestaande computerprocessor of door middel van een computerprocessor voor speciale doeleinden, die voor dit of een ander doel is opgenomen, of door middel van een bedraad systeem.

Zoals hierboven vermeld bevatten uitvoeringsvormen binnen het kader van de uitvinding programmaproducten, die machine-leesbare media voor het dragen of bevatten van op 15 een machine uitvoerbare instructies of daarop opgeslagen gegevensstructuren omvatten. Dergelijke machine-leesbare media kunnen elk beschikbaar medium zijn, waartoe door een computer voor algemene of speciale doeleinden of door een andere machine met een processor toegang kan worden verkregen. Bij wijze van voorbeeld kunnen dergelijke machine-leesbare media RAM, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash, CD-ROM of andere optische-schijfop-20 slag, magnetische-schijfopslag of andere magnetische-opslaginrichtingen of enig ander medium, dat kan worden gebruikt om gewenste programmacode in de vorm van op een machine uitvoerbare instructies of gegevensstructuren te dragen of op te slaan en waartoe toegang kan worden verkregen door middel van een computer voor algemene of speciale doeleinden of andere machine met een processor. Wanneer informatie wordt overgedragen of verschaft via een 25 netwerk of andere communicatieverbinding (bedraad, draadloos of een combinatie van bedraad en draadloos) aan een machine, ziet de machine de verbinding op correcte wijze als een ma-chine-leesbaar medium. Een dergelijke verbinding wordt dus op correcte wijze een machineleesbaar medium genoemd. Combinaties van het bovenstaande zijn eveneens opgenomen binnen het kader van machine-leesbare media. Op machine uitvoerbare instructies omvatten 30 bijvoorbeeld instructies en gegevens, die een computer voor algemene doeleinden, een computer voor speciale doeleinden of procesmachines voor speciale doeleinden een bepaalde functie of groep van functies doen uitvoeren.

Uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn beschreven in de algemene context van werkwijzestappen, die in één uitvoeringsvorm kunnen worden geïmplementeerd door middel 35 van een programmaproduct, dat machine-uitvoerbare instructies, zoals programmacode, bijvoorbeeld in de vorm van door machines in netwerkomgevingen uitgevoerde programmamo-dules, bevat. In het algemeen bevatten programmamodules routines, programma's, objecten, -18- componenten, gegevensstructuren, enz., die bepaalde taken uitvoeren of bepaalde abstracte gegevenstypen implementeren. Machine-uitvoerbare instructies, bijbehorende gegevensstructuren en programmamodules representeren voorbeelden van programmacode voor het uitvoeren van de hierin geopenbaarde stappen van de werkwijzen. De bijzondere sequentie van der-5 gelijke uitvoerbare instructies of bijbehorende gegevensstructuren representeren voorbeelden van corresponderende handelingen voor het implementeren van de in dergelijke stappen beschreven functies.

Figuur 8 toont een voorbeeld van een afbeeldings- en volgsysteem, dat wordt gebruikt volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding. Bepaalde uitvoeringsvormen kunnen worden 10 gebruikt in samenhang met een afbeeldings- en volgsysteem, zoals het in figuur 8 getoonde voorbeeld van een afbeeldings- en volgsysteem. Het weergegeven systeem bevat een afbeel-dingsinrichting 810, een tafel 820, een patiënt 830, een volgsensor 840, een medische inrichting of implantaat 850, volgerelektronica 860, een beeldprocessor 870, en een weergave-inrich-ting 880. De afbeeldingsinrichting 810 is weergegeven als een C-arm, die bruikbaar is voor het 15 verkrijgen van röntgenbeelden van een anatomie van de patiënt 830, maar kan elke afbeeldingsinrichting 810 zijn, die bruikbaar is in een volgsysteem. De afbeeldingsinrichting 810 staat in verbinding met de beeldprocessor 870. De beeldprocessor 870 staat in verbinding met de volgerelektronica 860 en de weergave-inrichting 880.

Uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen in een netwerkomgeving in praktijk wor-20 den gebracht onder gebruikmaking van logische verbindingen met één of meer computers of afstand, welke computers processors hebben. Logische verbindingen kunnen een lokaal-ge-biednetwerk (LAN) en een groot-gebiednetwerk (WAN) bevatten, die hier bij wijze van voorbeeld en niet als beperking zijn gepresenteerd. Dergelijke netwerkomgevingen zijn gebruikelijk in kantoor-brede of firma-brede computernetwerken, intranetten en het Internet en kunnen een 25 grote verscheidenheid aan verschillende communicatieprotocols gebruiken. De vakman zal onderkennen, dat dergelijke netwerkcomputeromgevingen typisch vele typen computersys-teemconfiguraties zullen omvatten, waaronder computers voor persoonlijke doeleinden, in de hand te houden inrichtingen, multi-processorsystemen, microprocessor-gebaseerde of programmeerbare consumentelektronica, netwerk-PC's, minicomputers, mainframecomputers.

30 Uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen ook worden uitgevoerd in verdeelde computerom-gevingen, waarin taken worden uitgevoerd door lokale bewerkingsinrichtingen en bewerkingsin-richtingen op afstand, die via een communicatienetwerk met elkaar zijn verbonden (door middel van bedrade verbindingen, draadloze verbindingen of door een combinatie van bedrade en draadloze verbindingen). In een verdeelde computeromgeving kunnen programmamodules in 35 zowel lokale geheugenopslaginrichtingen als geheugenopslaginrichtingen op afstand zijn geplaatst.

-19-

Een voorbeeld van een systeem voor het uitvoeren van het totale systeem of delen van de uitvinding kunnen een computerinrichting voor algemene doeleinden in de vorm van een computer, waaronder een verwerkingseenheid, een systeemgeheugen en een systeembus, die verschillende systeemcomponenten, waaronder het systeemgeheugen, aan de verwerkings-5 eenheid koppelt. Het systeemgeheugen kan alleen-lezen geheugen (ROM) en willekeurig toegankelijk geheugen (RAM) bevatten. De computer kan ook een magnetische harde-schijf-station voor het lezen vanaf of schrijven op een magnetische harde schijf, een magnetisch schijfstation voor het lezen vanaf of schrijven op een verwijderbare magnetische schijf, en een optische-schijfstation voor het lezen vanaf of schrijven op een verwijderbare optische schijf, 10 zoals een CD ROM of andere optische media, bevatten. De stations en hun bijbehorende ma-chine-leesbare media verschaffen niet-vluchtige opslag van op een machine uitvoerbare instructies, gegevensstructuren, programmamodules of andere gegevens voor de computer.

De voorgaande beschrijving van uitvoeringsvormen van de uitvinding is gepresenteerd voor illustratie- en beschrijvingsdoeleinden. Het is niet de bedoeling dat de beschrijving uitput-15 tend is of dat de uitvinding tot de geopenbaarde nauwkeurige vorm wordt beperkt, en modificaties en variaties zijn mogelijk in het licht van de bovenstaande beschrijving of kunnen worden verworven bij het uitvoeren van de uitvinding. De uitvoeringsvormen werden gekozen en beschreven om de principes van de uitvinding en de praktische toepassing daarvan toe te lichten om een vakman in staat te stellen de uitvinding in verschillende uitvoeringsvormen en met ver-20 schillende modificaties, zoals deze geschikt zijn voor het beoogde bijzondere gebruik, te gebruiken.

De vakman zal onderkennen, dat de hierin geopenbaarde uitvoeringsvormen kunnen worden toegepast op de vorming van enig medisch navigatiesysteem. Bepaalde kenmerken van de uitvoeringsvormen van het geclaimde onderwerp van de uitvinding zijn getoond zoals 25 hierin beschreven, echter zullen nu vele modificaties, substituties, veranderingen en equivalenten voor de vakman duidelijk zijn. Hoewel verschillende functionele blokken en relaties daartussen in detail zijn beschreven, wordt er bovendien beoogd, dat verschillende van de bewerkingen door de vakman kunnen worden uitgevoerd zonder het gebruik van andere, of aanvullende functies of relaties tussen functies kunnen worden vastgesteld, die nog in overeen-30 stemming met het geclaimde onderwerp van de uitvinding zijn. Het zal daarom duidelijk zijn, dat de bijgevoegde conclusies zijn bedoeld om dergelijke modificaties en veranderingen als vallende binnen de werkelijke gedachte van de uitvinding van het geclaimde onderwerp van de uitvinding bestrijken.

-20-

ONDERDELENLIJST

10 Medisch navigatiesysteem 12 Draagbare computer 14 Weergave 16 Navigatiekoppeling 18 Tweede weergave 20 Elektromagnetisch-veldgenerator 22 Elektromagnetische sensor 24 Inrichting 26 Gedrukte-schakelingsplaat ontvangerarray 30 Tafel 40 Patiënt 50 Kabel 60 Verrijdbare kar 100 Medisch navigatiesysteem 160 Navigatiekoppeling 200 Processor 210 Systeemstuureenheid 214,218 Weergave 215 Lokale koppeling 220 Geheugen 222 Elektromagnetische sensor 230 Weergavestuureenheid 240 Schijfstuureenheid 245 Schijf 250 Volgermoduul 260 Navigatiemoduul 300 Lokale koppeling 342 Processor 344 Systeemstuureenheid 346 Geheugen 350 Volgerkoppeling 352 Processor 354 Geheugen 356 Volgermoduul 360 Visualisatiekoppeling -21 - 362 Processor 364 Geheugen 366 Navigatiemoduul 370 Navigatiekoppeling 372 Elektromagnetische sensor 380 Weergavestuureenheid 382 Weergave 390 Schijfstuureenheid 392 Schijf 500 Afbeelding 510 Gereedschap/lmplantaat 520 Uitwendig gedeelte 530 Inwendig gedeelte 550 Anatomie

Fig. 6 Illustratie

Fig. 7/700 Stroomschema 710 Geef grenspunt(en) aan 720 Meet gereedschap/implantaatpositie 730 Bepaal gereedschapspositie en arcering met betrekking tot grens 740 Geef afbeelding weer 810 afbeeldingsinrichting 820 Tafel 830 Patiënt 840 Volgsensor 850 Medische inrichting of implantaat 860 Volgerelektronica 870 Beeldprocessor 880 Weergave-inrichting 1034672

Claims (10)

1. Werkwijze (700) voor het weergeven van een gereedschap of implantaat (510) met betrekking tot een afbeelding (500), waarbij de werkwijze (700) omvat: 5 het vaststellen van een oppervlakgrens voor een in een afbeelding (500) (710) weer gegeven gebied van belang (550); het bepalen van een positie van een gereedschap of implantaat (510) met betrekking tot de oppervlakgrens (720, 730); en het weergeven van een representatie van het gereedschap of implantaat (510) op de 10 afbeelding (500), waarin een gedeelte (530) van het gereedschap of implantaat (510) binnen de oppervlakgrens wordt weergegeven in de representatie met een mate van transparantheid in vergelijking met een gedeelte (520) van het gereedschap of implantaat (510) buiten de oppervlakgrens (740).

2. Werkwijze (700) volgens conclusie 1, waarin het gedeelte (530) van het gereed-15 schap of implantaat (510) binnen de oppervlakgrens wordt weergegeven in de representatie met een aantal maten van transparantheid op basis van een afstand binnen de oppervlakgrens.

3. Werkwijze (700) volgens conclusie 1 of 2, waarin de representatie een driedimensionaal aanzicht van het gereedschap of implantaat (510) op een tweedimensionale afbeelding weergeeft.

4. Werkwijze (700) volgens enige van de voorgaande conclusies, waarin de opper vlakgrens wordt vastgesteld onder gebruikmaking van een volginrichting (22, 222, 372).

5. Werkwijze (700) volgens enige van de voorgaande conclusies, waarin de stap van het vaststellen van een oppervlakgrens voor een in een afbeelding (500) weergegeven gebied van belang (550) verder het vaststellen van een oppervlakgrens voor een in een afbeelding 25 (500) weergegeven gebied van belang (550) op basis van identificatie van een locatie van één of meer punten op een oppervlak van het gebied van belang (550) omvat.

6. Gebuikerkoppelingssysteem voor het weergeven van een representatie van een gereedschap of implantaat (510) met betrekking tot een afbeelding (500), waarbij het systeem omvat: 30 een processor (12, 342, 352, 362), die is ingericht om een oppervlakgrens voor een in de afbeelding (500) weergegeven gebied van belang (550) vast te stellen en om een positie van het gereedschap of implantaat (510) met betrekking tot de oppervlakgrens te bepalen, waarin de processor (12, 342, 352, 362) een representatie van het gereedschap of implantaat (510) genereert op basis van de positie met betrekking tot de oppervlakgrens, en waarin een 35 gedeelte (530) van het gereedschap of implantaat (510) binnen de oppervlakgrens wordt weergegeven in de representatie met een mate van transparantheid in vergelijking met een gedeelte (520) van het gereedschap of implantaat (510) buiten de oppervlakgrens; en 1034672 -23- een weergave (14, 214, 218, 382), die is ingericht om de afbeelding (500) en de representatie op dynamische wijze voor een gebruiker weer te geven.

7. Systeem volgens conclusie 6, waarin het gedeelte (530) van het gereedschap of implantaat (510) binnen de oppervlakgrens wordt weergegeven in de representatie met een 5 aantal maten van transparantheid op basis van een afstand binnen de oppervlakgrens.

8. Systeem volgens conclusie 6 of 7, waarin de representatie een driedimensionaal aanzicht van het gereedschap of implantaat (510) op een tweedimensionale afbeelding weergeeft.

9. Systeem volgens conclusie 6, 7 of 8, waarin de oppervlakgrens wordt vastgesteld 10 onder gebruikmaking van een volginrichting (22, 222, 372).

10. Systeem volgens enige van conclusies 6-9, waarin de oppervlakgrens wordt vastgesteld op basis van identificatie van een locatie van één of meer punten op een oppervlak van het gebied van belang (550). 1034672