WO2010145975A1 - Medizinsystem - Google Patents

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WO2010145975A1
WO2010145975A1 PCT/EP2010/058066 EP2010058066W WO2010145975A1 WO 2010145975 A1 WO2010145975 A1 WO 2010145975A1 EP 2010058066 W EP2010058066 W EP 2010058066W WO 2010145975 A1 WO2010145975 A1 WO 2010145975A1
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Clemens Bulitta
Rainer Graumann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3995—Multi-modality markers

Definitions

  • the invention relates to a medical system having an electromagnetically or optically operating navigation system, an X-ray system and a medical instrument.
  • Such medical systems are used to perform patient-navigated medical procedures using the instrument, assisted by patient image data.
  • the instrument is in this case e.g. a medical tool, an implant o.a.
  • registration procedure the instruments and patient image data to be used must be assigned to each other in the correct location.
  • known registration methods are either time-consuming, error-prone or can not be achieved quickly enough on-site, eg. B. in an operating room, in which the medical system was built, carry out.
  • Well-known approaches today are point-based registration based on preoperative data, surface-based registration or registration on the basis of preoperative data.
  • the combination of intraoperative 3D C-arm imaging and a navigation system is known from the "NaviLmk” system from Siemens, and image-based approaches are also known, for example the detection of X-ray-transparent Ronten marker systems in X-ray images and the consequent ones Calculation of geometries
  • the markers are usually arranged in a 3D structure
  • Such a system is known, for example, from Surgix Ltd, Tel Aviv.
  • the object of the invention is to provide an improved medical system.
  • the aim of the invention is a real-time registration of instruments, tools and patient image data, which is faster than in the known systems.
  • the object is achieved by a medical system according to patent claim 1.
  • the medical system comprises an electromagnetically or optically operating navigation system, an X-ray system and a medical instrument.
  • At the medical instrument are an X-ray marker system and a navigation marker of the
  • X-ray markers are radiopaque, e.g. small spheres arranged in a specific spatial pattern to form an X-ray marker system, so that the position and orientation of the instrument can be determined from a 2D image acquired by the instrument with the X-ray system
  • X-ray image can be determined.
  • the instrument in the instrument as a navigation marker of the navigation system z.
  • a sensor coil with 5 or 6 degrees of freedom DoF, Degrees of Freedom
  • the instrument thus represents the direct connection between the navigation system and the image data generated by the X-ray system. Registration can take place immediately without any other intermediate step using the instrument acquired in parallel by the X-ray system and the navigation system.
  • the Rontgenmarker and the navigation markers are calibrated at the Her ⁇ position of the instrument, so that their spatial relationship to each other on the instrument functions relating to your positioning and orientations of m is known to all degrees of freedom.
  • the navigation ⁇ onsmarker, z. B. a sensor coil, this can be wired or wireless, z. B. by means of an active or passive resonant circuit, be formed.
  • the inventive medical system allows very fast ⁇ le, "online" registry called, between patient data, eg. As the recorded with the Rontgensystem X-ray projection recordings in 2D or 3D, and the navigation system. Any additional surgical tool such. B.
  • a pacemaker or implant which is also equipped with a navigational marker of the navigation system or with X-ray markers, can be directly faded into X-ray images recorded by the X-ray system without additional registering X-ray markers in the reference system of the navigation system can also be determined from 2D X-ray images
  • the method or the medical system therefore also permits image-guided or navigated surgery with the exclusive use of 2D X-ray projection images.
  • the instrument is a fixable to a patient terminal.
  • the clamp is z. B. fixed to the spine of the patient as a reference clamp.
  • the instrument can also be used to establish a relationship between an intraoperatively measured 3D image data set and 2D projection images.
  • the SD data set is calculated as a digitally reconstructed X-ray image (DRR) in the camera geometry of the 2D X-ray image and displayed together with it.
  • DRR digitally reconstructed X-ray image
  • the inventive Instru ⁇ ment can be used to determine the geometry of said camera, and to calculate therefrom the DRR.
  • the camera ⁇ geometry can be determined from the 2D Rontgensent directly when both the Rontgenmarkersys- system and the navigation markers are present. Then a DRR can be calculated from the 3D data set accordingly.
  • the instrument is in ⁇ an intervention tool such.
  • an intervention tool such as an endoscope or other interventionally used instrument.
  • the instrument can also be designed as a hand-held system.
  • the position of the system can be displayed directly in 3D data because of the real-time capability.
  • the registration is done simply by combining the X-ray markers with the navigation markers and a 2D / 3D-Regist ⁇ réelle.
  • the instrument is an implant that can be introduced into a patient.
  • An implant can in this case z. B. also be a prosthesis.
  • An appropriate prosthesis or implant is typically placed firmly in a patient.
  • the instrument then has a defined geometric relationship to structural elements of the patient, eg. As tissue parts or bones. The patient position is therefore always in a fixed position relative to the implant and always known with its position in the navigation system.
  • a virtual image of the instrument or implant can also be integrated in real-time in a location-appropriate manner into the available, registered image data sets.
  • stent or endoprosthesis placement or catheter navigation are applications in the field of oral, maxillofacial or visual surgery, ear, nose and throat surgery or vascular surgery, in the form of a stent or endoprosthesis placement or catheter navigation.
  • the medical system is useful in navigating endoscopes in flexible endoscopy, such as in bronchoscopy, gastroscopy, and rigid endoscopy, e.g. B. the arthroscopy.
  • the medical ⁇ system is also a navigation of interventional catheters and needles, z.
  • kyphoplasty or RF ablation conceivable.
  • Fig. 1 is a medical system according to the invention.
  • Fig. 1 shows a medical system 2, which essentially comprises an electromagnetically operating the navigation system 4, and a Rontgensystem 6 in the form of an X-ray C-arm, and a me ⁇ dizinisches tool 8.
  • a medical measure here an interventional procedure, is performed on a patient 10.
  • a medical measure here an interventional procedure, is performed on a patient 10.
  • Navigation marker 12 and a Rontgenmarkersystem 14 fixedly mounted on the instrument. 8
  • Their relative position to each other was recorded or determined once in a calibration procedure during the manufacture of the instrument. The relative position is symbolized by a position vector R.
  • the navigation system 4 clamps on this stationary coordinate system N.
  • an X-ray image 16 is now made by the patient 10 with the aid of the X-ray system 6, which shows a part of the patient 10 and the instrument 8.
  • the position of the navigation ker 12 in the coordinate system N is known by the detection by the navigation system 4.
  • the position of the X-ray marker system 14 in the coordinate system N at the moment of the acquisition of the X-ray image 16 is therefore also known via the position vector R. Since simultaneously the Rontgenmarkersystem 14 are visible in the X-ray image 16, hence also the correct location Alloc ⁇ voltage of the X-ray image 16 in the coordinate system N is possible.
  • all the components of the medical system 2 are registered with each other in the correct location and the navigation-aided grip on the patient 10 can take place immediately.

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Abstract

Ein Medizinsystem (2) umfasst ein elektromagnetisch oder optisch arbeitendes Navigationssystem (4), ein Röntgensystem (6), und ein medizinisches Instrument (8), an dem ein Röntgenmarkersystem (14) und ein Navigationsmarker (12) des Navigationssystems (4) in bekannter Relativposition (R) zueinander fest angebracht sind.

Description

Beschreibung
Medizinsystem
Die Erfindung betrifft ein Medizinsystem mit einem elektromagnetisch oder optisch arbeitenden Navigationssystem, einem Rontgensystem und einem medizinischen Instrument.
Derartige medizinische Systeme werden verwendet, um mit Hilfe des Instruments, unterstutzt von Patientenbilddaten navigierte medizinische Maßnahmen an Patienten durchzufuhren. Das Instrument ist hierbei z.B. ein medizinisches Werkzeug, ein Implantat o.a. In einer sogenannten Registrierungsprozedur müssen die zu verwendenden Instrumente und Patientenbilddaten ortsrichtig einander zugeordnet werden. Heute bekannte Registrierungsverfahren sind entweder zeitaufwandig, fehleran- fallig oder lassen sich nicht schnell genug vor Ort, z. B. in einem Operationssaal, in welchem das Medizinsystem aufgebaut wurde, durchfuhren. Heute bekannte Ansätze sind die punktba- sierte Registrierung anhand praoperativer Daten, die oberfla- chenbasierte Registrierung oder die Registrierung anhand praoperativer Daten. Aus dem „NaviLmk"-System der Firma Siemens ist die Verbindung einer intraoperativen 3D-C-Bogenbildgebung und eines Navigationssystems bekannt. Bekannt sind auch bild- basierte Ansätze, z. B. die Erkennung von rontgenundurchlas- sigen Rontenmarkersystemen in Röntgenbildern und die daraus folgende Berechnung von Geometrien. In einem Rontgenmarker- system sind in der Regel die Marker in einer 3D-Struktur angeordnet. Ein derartiges System ist z.B. von der Firma Surgix Ltd, Tel Aviv bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Medizinsystem anzugeben .
Ziel der Erfindung ist eine Echtzeitregistrierung von Instrumenten, Werkzeugen und Patientenbilddaten, die schneller als bei den bekannten Systemen erfolgt. Die Aufgabe wird gelost durch ein Medizinsystem gemäß Patent¬ anspruch 1. Das Medizinsystem umfasst ein elektromagnetisch oder optisch arbeitendes Navigationssystem, ein Rontgensystem und ein medizinisches Instrument. Am medizinischen Instrument sind ein Rontgenmarkersystem und ein Navigationsmarker des
Navigationssystems fest angebracht. Alle Marker befinden sich hierbei in bekannter Relativposition zueinander.
Erfindungsgemaß wird also vorgeschlagen, ein einziges Instru- ment sowohl mit Röntgen- als auch Navigationsmarkern auszustatten. Die Rontgenmarker sind rontgenundurchlassig, z.B. kleine Kugeln, die in einem bestimmten räumlichen Muster zu einem Rontgenmarkersystem angeordnet sind, so dass aus Ihnen die Position und Orientierung des Instruments anhand eines vom Instrument mit dem Rontgensystem aufgenommenen 2D-
Rontgenbildes bestimmt werden kann. Zum Anderen wird im Instrument als Navigationsmarker des Navigationssystems z. B. eine Sensorspule mit 5 oder 6 Freiheitsgraden (DoF, Degrees of freedom) integriert, deren Position und Orientierung wie- derum mittels des elektromagnetischen Navigationssystems ermittelt werden kann. Das Instrument stellt somit bezuglich der räumlichen Zuordnung die direkte Verbindung zwischen dem Navigationssystem und den vom Rontgensystem erzeugten Bildda- ten dar. Die Registrierung kann sofort ohne jeglichen sonsti- gen Zwischenschritt anhand des parallel vom Rontgensystem und vom Navigationssystem erfassten Instruments geschehen. Die Rontgenmarker und die Navigationsmarker werden bei der Her¬ stellung des Instruments kalibriert, so dass ihre raumliche Beziehung zueinander auf dem Instrument bezüglich Ihrer Posi- tionen und Orientierungen m allen Freiheitsgraden bekannt ist.
Sollten die Rontgenmarker das Feld des elektromagnetischen Navigationssystems stören, kann eine Störung bei der System- kalibπerung auch sofort berücksichtigt werden. Der Navigati¬ onsmarker, z. B. eine Sensorspule, kann hierbei kabelgebunden oder kabellos, z. B. mittels eines aktiven oder passiven Schwingkreises, ausgebildet sein. Das erfindungsgemaße Medizinsystem erlaubt eine sehr schnel¬ le, auch „online" genannte Registrierung, zwischen Patientendaten, z. B. den mit dem Rontgensystem aufgenommenen Rontgen- projektionsaufnahmen in 2D oder 3D, und dem Navigationssystem. Jegliches zusätzliche chirurgische Werkzeug, z. B. ein Pomter oder Implantat, welches ebenfalls mit einem Navigati- onsmarker des Navigationssystems oder mit Rontgenmarkern ausgestattet ist, kann direkt ohne zusätzliche Registπerverfah- ren in vom Rontgensystem aufgenommene 2D-Rontgenbilder eingeblendet werden. Eine 3D Bildgebung im Rontgensystem ist nicht notwendig, da der Ort der Rontgenmarker im Bezugsystem des Navigationssystems auch aus 2D-Rontgenbildern ermittelt werden kann. Das Verfahren bzw. das Medizinsystem erlaubt daher auch eine bildgefuhrte bzw. navigierte Chirurgie bei ausschließlicher Verwendung von 2D-Rontgenprojektionsbildern .
In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform des Verfahrens ist das Instrument eine an einem Patienten fixierbare Klemme. Die Klemme wird z. B. an der Wirbelsaule des Patienten als Referenzklemme fixiert. In dieser Ausfuhrungsform sowie in allen Anderen, bei welchen das Instrument in bekannter Relativposi- tion zum Patienten liegt, können auch Bewegungen des Patien¬ ten durch die Verschiebung des Instruments mit dem Patienten sofort direkt in der Navigation und Ortsberechnung sämtlicher Komponenten berücksichtigt werden, sind also nicht mehr so störend.
Im Medizinsystem kann das Instrument auch dazu verwendet wer- den, um eine Beziehung zwischen einem intraoperativ gemessenen 3D-Bilddatensatz und 2D-Proj ektionsbildern herzustellen. Bei dieser sogenannten 2D/3D-Registπerung wird der SD- Datensatz als digital rekonstruiertes Röntgenbild (DRR) in der Kamerageometrie des 2D-Rontgenbildes berechnet und ge- meinsam mit diesem dargestellt. Das erfindungsgemaße Instru¬ ment kann dazu verwendet werden, die genannte Kamerageometrie zu bestimmen und daraus das DRR zu berechnen. Umgekehrt kann aus dem 2D-Rontgenbild auch direkt die Kamera¬ geometrie bestimmt werden, wenn sowohl das Rontgenmarkersys- tem als auch die Navigationsmarker vorhanden sind. Dann kann aus dem 3D-Datensatz entsprechend ein DRR berechnet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform ist das In¬ strument ein Interventionswerkzeug, z. B. ein Endoskop oder ein sonstiges interventionell genutztes Instrument.
Das Instrument kann hierbei auch als Hand-held-System konzipiert sein. Bei der Verwendung eines Hand-held-Systems in Röntgenaufnahmen kann wegen der Realtime-Fahigkeit die Position des Systems direkt in 3D-Daten eingeblendet werden. Die Registrierung geschieht dabei einfach durch die Kombination der Rontgenmarker mit den Navigationsmarkern und einer 2D/3D- Registπerung .
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform ist das Instrument ein in einen Patienten einbringbares Implantat. Ein Implantat kann hierbei z. B. auch eine Prothese sein. Eine entsprechende Prothese oder ein Implantat wird in der Regel fest in einem Patienten platziert. Das Instrument hat dann eine definierte geometrische Beziehung zu Strukturelementen des Patienten, z. B. Gewebeteilen oder Knochen. Die Patien- tenposition steht damit stets in fester Relativposition zum Implantat und mit dessen Position stets im Navigationssystem bekannt .
Steht die Geometrie des Instruments, insbesondere auch wenn dieses ein Implantat ist, als Datensatz zur Verfugung, so kann ein virtuelles Abbild des Instruments oder Implantats ebenfalls in Echtzeit ortsgetreu in die verfugbaren, registrierten Bilddatensatze integriert werden.
Für das Medizinsystem sind eine Vielzahl klinischer Anwendungen denkbar, unter Anderem z. B. die muskuloskelettale Chirurgie, Knie- und Huftendoprothetik, Frakturversorgung mittels Osteosynthese mit Hilfe von Platten, Markennagelung, Verschraubung sowie Wirbelsauleneingriffe, wie Pedikel- verschraubung, Bandscheibenersatz etc.
Denkbar sind auch Anwendungen in der Mund, - Kiefer- oder Ge- Sichtschirurgie, Hals-Nasen-Ohrenchirurgie oder Gefaßchirurgie, in Form eines Stents oder einer Endoprothesenplatzierung bzw. einer Katheternavigation. Das Medizinsystem ist nützlich bei der Navigation von Endoskopen in der flexiblen Endoskopie, wie in der Bronchoskopie, Gastroskopie sowie bei der starren Endoskopie, z. B. der Arthroskopie. Mit dem Medizin¬ system ist außerdem eine Navigation von interventionellen Kathetern und Nadeln, z. B. bei der Vertebroplastie, Kyphoplastie oder der HF-Ablation denkbar.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf das Aus- fuhrungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigt in einer schematischen Prinzipskizze:
Fig. 1 ein Medizinsystem gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein Medizinsystem 2, welches im Wesentlichen ein elektromagnetisch arbeitendes Navigationssystem 4 und ein Rontgensystem 6 in Form eines Röntgen C-Bogens sowie ein me¬ dizinisches Instrument 8 umfasst. Mit Hilfe des Instruments 8 wird an einem Patienten 10 eine medizinische Maßnahme, hier ein interventioneller Eingriff, durchgeführt. Erfindungsgemaß ist am Instrument 8 sowohl ein vom Navigationssystem 4 ortba¬ rer Navigationsmarker 12 als auch ein Rontgenmarkersystem 14 fest angebracht. Deren Relativposition zueinander wurde in einer Kalibrierprozedur bei der Herstellung des Instruments einmalig aufgenommen bzw. festgelegt. Die Relativposition ist durch einen Ortsvektor R symbolisiert.
Das Navigationssystem 4 spannt ein an diesem ortsfestes Koor- dmatensystem N auf. Wahrend des medizinischen Eingriffs wird nun vom Patienten 10 mit Hilfe des Rontgensystems 6 ein Röntgenbild 16 angefertigt, welches einen Teil des Patienten 10 und das Instrument 8 zeigt. Die Position der Navigationsmar- ker 12 im Koordinatensystem N ist durch die Erfassung durch das Navigationssystem 4 bekannt. Über den Ortsvektor R ist daher auch die Lage des Rontgenmarkersystems 14 im Koordinatensystem N im Moment der Aufnahme des Röntgenbildes 16 be- kannt. Da gleichzeitig das Rontgenmarkersystem 14 im Röntgenbild 16 sichtbar sind, ist somit auch die ortsrichtige Zuord¬ nung des Röntgenbildes 16 im Koordinatensystem N möglich. Somit sind sämtliche Komponenten des Medizinsystems 2 zueinander ortsrichtig registriert und der navigationsgestutzte Em- griff am Patienten 10 kann sofort erfolgen.
Bezugs zeichenliste
2 Medizinsystem
4 Navigationssystem 6 Rontgensystem
8 Instrument
10 Patient
12 Navigationsmarker
14 Rontgenmarkersystem 16 Röntgenbild
R Ortsvektor
N Koordinatensystem

Claims

Patentansprüche
1. Medizinsystem (2), mit einem elektromagnetisch oder optisch arbeitenden Navigationssystem (4), mit einem Rontgen- System (6), und mit einem medizinischen Instrument (8), an dem ein Rontgenmarkersystem (14) und ein Navigationsmar- ker (12) des Navigationssystems (4) in bekannter Relativposi- tion (R) zueinander fest angebracht sind.
2. Medizinsystem (2) nach Anspruch 1, bei dem das Instrument (8) eine an einem Patienten (10) fixierbare Klemme ist.
3. Medizinsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Instrument (8) ein Interventionswerkzeug ist.
4. Medizinsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Instrument (8) ein in einen Patienten (10) einbringbares Implantat ist.
PCT/EP2010/058066 2009-06-17 2010-06-09 Medizinsystem WO2010145975A1 (de)

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