WO2021058727A1 - Vorrichtung zum navigieren eines medizinischen instruments relativ zu einer patientenanatomie - Google Patents

Vorrichtung zum navigieren eines medizinischen instruments relativ zu einer patientenanatomie Download PDF

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WO2021058727A1 PCT/EP2020/076880 EP2020076880W WO2021058727A1 WO 2021058727 A1 WO2021058727 A1 WO 2021058727A1 EP 2020076880 W EP2020076880 W EP 2020076880W WO 2021058727 A1 WO2021058727 A1 WO 2021058727A1
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patient
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Laura Schütz
Caroline Brendle
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Stella Medical Gbr
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    • A61B2090/3762—Surgical systems with images on a monitor during operation using X-rays, e.g. fluoroscopy using computed tomography systems [CT]

Definitions

  • the present invention relates to a device for navigating a medical instrument relative to a patient's anatomy and a method for navigating a medical instrument relative to a patient's anatomy and a program element which, when executed by a computer, executes the method.
  • marker elements and / or reference units are attached to the body of a patient and to surgical instruments or devices.
  • Sensor and / or camera modules set up in the room detect these marker elements and thus detect a position of the patient and the instruments or devices in the room.
  • relative positions of the instruments, devices and the patient to one another are recorded and their movements are determined in real time.
  • a device for navigating a medical instrument relative to a patient's anatomy can therefore be improved even further.
  • the present invention includes an apparatus for navigating a medical instrument relative to a patient's anatomy.
  • the device comprises a position determination unit, a computing unit and a navigation display.
  • the position determination unit comprises a sensor module which is designed to acquire current 3D data of the patient's anatomy.
  • the position determination unit further comprises a position sensor which is designed to record current movement data of the medical instrument.
  • the computing unit is designed to match the current 3D data of the patient's anatomy and the current movement data of the medical instrument with preoperative image data of the patient's anatomy and, on this basis, to calculate navigation information for the medical instrument.
  • the navigation display is designed to show the calculated navigation information.
  • the advantage of the device according to the invention for navigating a medical instrument relative to a patient's anatomy is in particular that there is no intraoperative radiation exposure for the patient and the surgeon due to an intraoperative x-ray, computed tomography or magnetic resonance tomography recording.
  • a registration of the patient can be made possible without the use of marker elements or reference elements by real-time recording and comparison of the three-dimensional patient anatomy with the preoperative image data.
  • the position determination unit can consist of at least two parts, namely the sensor module and the position sensor.
  • the sensor module can include at least one sensor that is suitable for capturing current or real-time 3D data of the patient's anatomy, such as optical, magnetic field or ultrasonic sensors.
  • the sensor module can preferably have a plurality of sensors in order to increase the accuracy of the detection.
  • the sensor module can thus have, for example, two optical sensors and a projection source, which together detect and create a three-dimensional surface structure of a patient's anatomy.
  • the position sensor can be a speed sensor or a position sensor that detects a current movement and / or orientation of the medical instrument.
  • the recorded sensor data of the patient's anatomy and the movement of the instrument can be sent to the computing unit, where they can be compared and matched with the preoperative patient data from, for example, ultrasound, X-ray, computer tomography or magnetic resonance tomography recordings.
  • the computing unit can then provide information on the position of the medical instrument in relation to the patient and output patient data and navigation information via the navigation display.
  • the device according to the invention can also enable a smaller footprint. Furthermore, more freedom of movement and a faster construction of a navigation system can be achieved due to the need for calibration of marker elements and / or reference elements. This shortened construction time as well as the elimination of intraoperative image recordings can also save time in the operating theater and can enable hospitals to use more operating theater capacity.
  • the device further comprises the medical instrument, the position determination unit, the computing unit and / or the navigation display being / are integrated into the medical instrument.
  • the medical instrument can be a portable instrument and a surgical tool such as a drill, saw, milling cutter or an assisting instrument such as a guide rod, guide sleeve, working sleeve, trocar, endoscope or an implant such as Include screw, rod, needle, thread, tissue or the like.
  • a surgical tool such as a drill, saw, milling cutter or an assisting instrument
  • a guide rod, guide sleeve, working sleeve, trocar, endoscope or an implant such as Include screw, rod, needle, thread, tissue or the like.
  • the device according to the invention can remove a spatial separation between navigation information and situs.
  • a user can therefore have all relevant navigation information displayed directly in the operating field of view and can thus concentrate on the patient and the work area (situs).
  • the navigation information can be processed in such a way that cognitive complexity is reduced to a minimum and the user can thus focus primarily on the manual execution of critical operation steps.
  • the device with an integrated position determination unit, computing unit and / or navigation display enables a compact structure of a navigation system and thus creates freedom of movement and a free field of vision, particularly in the work area.
  • the device comprises the medical instrument, but the position determination unit, the computing unit and / or the navigation display is / are releasably attached to the medical instrument with the aid of an adapter.
  • the adapter can have a housing and a connection mechanism. At least one of the position determination unit, the computing unit and the navigation display can be installed in the housing, and the housing can be attached to the medical instrument via the connection mechanism.
  • the connection mechanism can be, for example, a clamp connection, screw connection, plug connection or adhesive connection, as a result of which the housing can be releasably attached to the medical instrument.
  • the device for navigating a medical instrument relative to a patient's anatomy can also include an external processing unit and / or an external screen output that is at a distance from the processing unit and / or the Navigation display are arranged include.
  • Current data recorded in the position determination unit can be transmitted to the external processing unit via a cable or via a wireless connection.
  • the navigation information processed by the external processing unit can then be output via the external screen output or the navigation display attached to the medical instrument.
  • the navigation display and the external screen output can be used together or individually.
  • the transmission of the sensor data and navigation information between the position determination unit and the integrated processing unit or the external processing unit can take place either via a cable or via a wireless connection.
  • the device for navigating a medical instrument relative to a patient's anatomy can have marker elements in order to support the acquisition of the 3D data of the patient's anatomy.
  • the device for navigating a medical instrument relative to a patient anatomy for a registration process can use intraoperative patient data.
  • a use of preoperative patient image data to localize a medical instrument can be preferred because there is no radiation exposure.
  • a localization of a medical instrument on the basis of intraoperative patient image data can, however, also be possible.
  • the device comprises the medical instrument and has a cylindrical or rod-like shape with a rear end facing a user.
  • the navigation display is located at the rear of the device.
  • the cylindrical or rod-like shaped medical instrument can have two end sections, a first end section being directed towards the site and having a position determination unit.
  • a second end section can face a user and have the navigation display, which also faces the user. In this way, the user can receive the current navigation information in his operating field of view without constantly averting his eyes from the site.
  • the medical instrument may have a pistol-like shape with a pistol grip and a pistol barrel, with the navigation display on rear end of the gun barrel is arranged.
  • the pistol grip can be designed to better hold the instrument and the navigation display can also face the user in order to enable a user-friendly display of the navigation information.
  • the navigation display is designed to display a note on recording the current 3D data of the patient's anatomy, a note on the registration accuracy of the patient, a note on the three-dimensional orientation and / or positioning of the medical instrument relative to the patient's anatomy and / or on the processing orientation and / or positioning of the medical instrument relative to the patient's anatomy and / or an indication of the processing progress.
  • the information can include, for example, a status of a recording process of the patient's anatomy, a patient registration, an operation planning, a place of use, an angle of use and / or a depth of use of the medical instrument, assisting instrument or the implant.
  • the instructions are displayed on the navigation display in the form of graphic patterns, preferably without image data of the patient's anatomy.
  • the navigation display can visualize the navigation instructions of the medical instrument in the form of a pattern and a color.
  • the instructions do not have to contain any patient image data or patient information and can dispense with an overlay of the image data.
  • the information can be displayed on the navigation display in the form of at least a section of a circular arc and / or a crosshair and / or a target.
  • the pattern can also be square or rectangular.
  • the navigation display can, for example, use different colors to illustrate a target accuracy and / or an instruction.
  • the device is portable, comprises the medical instrument, and the medical instrument is designed to be held in a human hand. Integrating or attaching the position determination unit, the computing unit and / or the navigation display to the medical instrument enables flexible and portable use of the device. Due to the compact design of the device, a large device footprint of the individual components of the device can also be avoided, so that a lot of space can be saved in an already very limited floor space of an operating room. Furthermore, the portable Device can be held in a user's hand or attached to a robotic arm in an automated operating environment.
  • the navigation display is a projection that is projected by a projection unit onto the patient's anatomy and / or onto a plane lying between a surgeon and a patient and / or is displayed by the latter.
  • the navigation instructions can be displayed directly on the patient's anatomy and / or on a transparent surface.
  • the navigation display can be a projection but also at the same time a display on which the navigation instructions are presented, or just a display.
  • the present invention further comprises a method for navigating a medical instrument relative to a patient's anatomy, comprising the following steps:
  • the present invention further comprises a program element which, when executed by a computer, executes the above-described method for navigating a medical instrument.
  • the present invention can be used both for navigating a medical instrument relative to a living patient anatomy and relative to an artificial anatomy simulation.
  • the navigation system can also be suitable for use in a training environment.
  • Figure 1 shows a device for navigating a medical
  • FIGS. 2a-2d show a medical instrument with an integrated position determination unit, computing unit and navigation display according to an embodiment of the invention.
  • FIGS. 3a-3c show representations of navigation information on a navigation display according to an embodiment of the invention.
  • Figures 4a-4d show a medical instrument with a detachably attached
  • Position determination unit and navigation display according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a device 12 for navigating a medical instrument 3 relative to a patient's anatomy 1.
  • the medical instrument 3 can be portable and either a surgical tool, an assisting instrument or an implant. Thus, the medical instrument 3 can be held in a human hand or attached to a robot arm.
  • the device 12 comprises a position determination unit 4, a computing unit 16 and a navigation display 14.
  • the position determination unit 4 comprises a sensor module 5 which is designed to acquire current 3D data on the patient's anatomy 1.
  • the sensor module 5 can comprise at least one sensor which is suitable for the acquisition of current or real-time 3D data of the patient's anatomy, such as optical, magnetic field or ultrasonic sensors.
  • the position determination unit 4 further comprises a position sensor 9 which is designed to acquire current movement data and / or orientation data of the medical instrument 3.
  • the position sensor 9 can, for example, be a speed or position sensor.
  • the computing unit 16 is designed to match the current 3D data of the patient's anatomy 1 and the current movement data of the medical instrument 3 with preoperative image data of the patient's anatomy 1 and, on this basis, to calculate navigation information for the medical instrument 3, for example a point of use T .
  • the navigation display 14 is designed to display the calculated navigation information.
  • patient information On an external screen output 15, patient information, registration accuracy, operation planning-related data, preoperative patient image data from, for example, ultrasound, X-ray, computer tomography or magnetic resonance tomography recordings and, if necessary, the navigation information can be displayed.
  • the user can interact with the device via an analog or digital input interface on the medical instrument 3, on the navigation display 14 or also on the external processing unit 16 or the external screen output 15.
  • Figures 2a to 2d show a medical instrument 3 with an integrated position determination unit 4, computing unit 13 and navigation display 14 according to an embodiment of the invention.
  • the medical instrument 3 can have a cylinder or rod-like shape with a rear end 3a facing a user, or a pistol-like shape with a pistol barrel 3a and a pistol grip 3b.
  • the sensor module 5 is attached to the gun barrel 3a and comprises two optical sensors 6, 7 and a projection source 8, which are designed to create a three-dimensional surface structure of the patient's anatomy. Furthermore, the position sensor 9 is integrated in the pistol barrel 3a and the arithmetic unit 13 is in the pistol grip 3b integrated. As an alternative, the position sensor 9 and the computing unit 13 can be integrated together in the pistol barrel 3a or in the pistol grip 3b.
  • the computing unit 13 supplies information on the position of the medical instrument in relation to the patient.
  • This navigation information can then be output via the navigation display 14, which is integrated at the rear end of the gun barrel 3a facing the user.
  • the navigation information can contain information on recording the current 3D data of the patient's anatomy 1, information on the three-dimensional orientation and / or positioning of the medical instrument 3 relative to the patient's anatomy 1 and / or information on the machining orientation and / or positioning of the medical instrument 3 relative to the patient's anatomy 1 and / or information on processing progress.
  • the information can be visualized on the navigation display 14 in the form of graphic patterns, preferably without image data of the patient's anatomy.
  • FIG. 3 a shows a representation of an insertion point of the medical instrument 3, which is shown in the form of a crosshair.
  • FIG. 3b shows an illustration of an insertion angle of the medical instrument 3, which is shown in the form of a circular arc.
  • FIG. 3c shows an illustration of an operating depth of the medical instrument 3, which is shown in the form of a target slide.
  • the navigation display can, for example, use different colors to illustrate target accuracy and / or instructions.
  • FIGS. 4 a to 4 d show a medical instrument 3 to which the position determination unit 4 and the navigation display 14 are detachably attached with the aid of an adapter 18.
  • the adapter 18 has a housing 17 and a connection mechanism 19. At least one of the position determination unit 4, the computing unit 13 and the navigation display 14 can be arranged in the housing 17 and the housing 17 can be releasably attached to the medical instrument 3 with the aid of the connection mechanism 19, for example a clamp connection. At least the position determination unit 4 and the navigation display 14 are preferably arranged in the housing 17, it being possible for the navigation display 14 to face the user.
  • the current sensor data acquired from the position determination unit 4 can be transmitted to the external processing unit 16 via a cable 10 or a wireless connection 11 such as WLAN or Bluetooth.
  • the processed navigation information can be displayed via the navigation display 14, optionally also the external screen output 15.
  • “comprising” and “having” do not exclude any other elements or steps. It should also be pointed out that features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be regarded as a restriction.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie und ein Verfahren zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie und ein Programmelement, welches, wenn es durch einen Computer ausgeführt wird, dieses Verfahren ausführt. Die Vorrichtung umfasst eine Positionsbestimmungseinheit, eine Recheneinheit und eine Navigationsanzeige. Die Positionsbestimmungseinheit umfasst ein Sensormodul, welches gestaltet ist, um aktuelle 3D Daten der Patientenanatomie zu erfassen. Die Positionsbestimmungseinheit umfasst weiterhin einen Positionssensor, der gestaltet ist, um aktuelle Bewegungsdaten des medizinischen Instruments zu erfassen. Die Recheneinheit ist gestaltet, um die aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie und die aktuellen Bewegungsdaten des medizinischen Instruments mit präoperativen Bilddaten der Patientenanatomie in Übereinstimmung zu bringen und auf dieser Grundlage Navigationsinformationen für das medizinische Instrument zu berechnen. Die Navigationsanzeige ist gestaltet, um die berechneten Navigationsinformationen anzuzeigen.

Description

Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie und ein Verfahren zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie und ein Programmelement, welches, wenn es durch einen Computer ausgeführt wird, das Verfahren ausführt.
Hintergrund der Erfindung
Medizinische Navigationsgeräte kommen heutzutage insbesondere in der Chirurgie zum Einsatz, beispielsweise bei einer Neuronavigation oder einer orthopädischen Navigation von Hüft-, Knie-, Schulter- oder Wirbelsäulenimplantaten. Hierfür werden Markerelemente und/oder Referenzeinheiten am Körper eines Patienten sowie an chirurgischen Instrumenten oder Geräten befestigt. Im Raum aufgestellte Sensor- und/oder Kameramodule erfassen diese Markerelemente und erfassen somit eine Position des Patienten und der Instrumente oder Geräte im Raum. Dadurch werden relative Positionen der Instrumente, Geräte und des Patienten zueinander erfasst sowie Bewegungen derselben in Echtzeit bestimmt.
Zur Ermöglichung einer Echtzeit-Positionsbestimmung und Navigationsanzeige wird bei herkömmlichen medizinischen Navigationssystemen eine ständige Aufrechterhaltung einer Sichtlinie zwischen Sensoren und Markerelementen benötigt. Diese Sichtlinie kann jedoch Operateure, als auch Operationspersonal in ihrer Bewegungsfreiheit einschränken und von ihnen eine bestimmte, starre Anordnung von Bestandteilen des Navigationssystems verlangen, in die sie sich einfügen/unterordnen müssen. Zudem weisen die herkömmlichen Navigationssysteme große Gerätestandflächen der einzelnen Bestandteile auf und nehmen somit viel Platz in einer bereits sehr begrenzten Grundfläche eines Operationssaals ein.
Der Einsatz der heutigen medizinischen Navigationssysteme bedeutet außerdem eine Strahlungsbelastung für einen Patienten und oftmals auch für einen Operateur. Grund dafür ist eine Anwendung von intraoperativen Röntgen-, Computertomographie- oder Magnetresonanztomographie- Aufnahmen, die zur Patientenregistrierung und/oder intraoperativen Lage- und Positionsbestimmung des Instruments oder Implantats verwendet werden.
Eine Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie kann daher noch weiter verbessert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie bereitzustellen, die mehr Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit in der Bedienung anbietet.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie und ein Verfahren und ein Programmelement nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie. Die Vorrichtung umfasst eine Positionsbestimmungseinheit, eine Recheneinheit und eine Navigationsanzeige. Die Positionsbestimmungseinheit umfasst ein Sensormodul, welches gestaltet ist, um aktuelle 3D Daten der Patientenanatomie zu erfassen. Die Positionsbestimmungseinheit umfasst weiterhin einen Positionssensor, der gestaltet ist, um aktuelle Bewegungsdaten des medizinischen Instruments zu erfassen. Die Recheneinheit ist gestaltet, um die aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie und die aktuellen Bewegungsdaten des medizinischen Instruments mit präoperativen Bilddaten der Patientenanatomie in Übereinstimmung zu bringen und auf dieser Grundlage Navigationsinformationen für das medizinische Instrument zu berechnen. Die Navigationsanzeige ist gestaltet, um die berechneten Navigationsinformationen anzuzeigen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie liegt insbesondere darin, dass jegliche intraoperative Strahlenbelastung durch eine intraoperative Röntgen-, Computertomographie- oder Magnetresonanztomographie- Aufnahme für Patient und Operateur entfällt. Darüber hinaus kann eine Registrierung des Patienten ohne Einsatz von Markerelementen oder Referenzelementen durch ein Echtzeit-Erfassen und Abgleichen der dreidimensionalen Patientenanatomie mit den präoperativen Bilddaten ermöglicht werden. Die Positionsbestimmungseinheit kann mindestens aus zwei Teilen, nämlich dem Sensormodul und dem Positionssensor bestehen. Das Sensormodul kann mindestens einen Sensor umfassen, der für eine Erfassung von aktuellen bzw. Echtzeit 3D Daten der Patientenanatomie geeignet ist, wie z.B. optische, Magnetfeld - oder Ultraschallsensoren. Vorzugsweise kann das Sensormodul jedoch mehrere Sensoren aufweisen, um eine Genauigkeit der Erfassung zu erhöhen. Das Sensormodul kann somit beispielsweise zwei optische Sensoren und eine Projektionsquelle aufweisen, die gemeinsam eine dreidimensionale Oberflächenstruktur einer Patientenanatomie erfassen und erstellen. Der Positionssensor kann ein Geschwindigkeitssensor oder ein Lagesensor sein, der eine aktuelle Bewegung und/oder Ausrichtung des medizinischen Instruments erfasst.
Die erfassten Sensordaten der Patientenanatomie und der Instrumentenbewegung können an die Recheneinheit geleitet werden und dort mit den präoperativen Patientendaten aus beispielsweise Ultraschall-, Röntgen-, Computertomographie- oder Magnetresonanztomographie- Aufnahme abgeglichen und in Übereinstimmung gebracht werden. Im Anschluss kann die Recheneinheit eine Angabe zur Position des medizinischen Instruments im Bezug zu dem Patienten liefern und über die Navigationsanzeige Patientendaten und Navigationsinformationen ausgeben.
Auf diese Weise kann eine Anwendung von intraoperativen Röntgen-, Computertomographie- oder Magnetresonanztomographie- Aufnahmen vermieden werden. Durch den Entfall eines im Raum aufgestellten Sensormoduls, welches üblicherweise Markerelemente erfasst, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zudem eine kleinere Standfläche ermöglichen. Weiterhin können mehr Bewegungsfreiheit und ein schnellerer Aufbau eines Navigationssystems aufgrund entfallender Kalibrierung von Markerelementen und/oder Referenzelementen erreicht werden. Diese verkürzte Dauer für den Aufbau sowie der Entfall von intraoperativen Bildaufnahmen können zudem Zeit im Operationssaal sparen und können Krankenhäusern eine höhere Operationssaal- Auslastung ermöglichen.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin das medizinische Instrument, wobei die Positionsbestimmungseinheit, die Recheneinheit und/oder die Navigationsanzeige in das medizinische Instrument integriert ist/sind.
Das medizinische Instrument kann ein tragbares Instrument sein und ein chirurgisches Werkzeug wie z.B. Bohrer, Säge, Fräse oder ein assistierendes Instrument wie z.B. Führungsstab, Führungshülse, Arbeitshülse, Trokar, Endoskop oder ein Implantat wie z.B. Schraube, Stab, Nadel, Faden, Gewebe oder Ähnliches umfassen. Durch Integration der Positionsbestimmungseinheit, der Recheneinheit und/oder der Navigationsanzeige in das medizinische Instrument kann sowohl eine Sichtlinien-Problematik aufgrund einer räumlichen Trennung zwischen einem Sensormodul und einem Instrument, als auch die kognitive Komplexität für den Operateur aufgrund einer räumlichen Trennung des Arbeitsbereichs und einer Darstellung der Navigationsinformationen behoben werden. Insbesondere kann die Navigationsanzeige, die in das medizinische Instrument integriert ist, als Hauptquelle für eine Darstellung operationsrelevanter Navigationsinformationen dienen.
Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine räumliche Trennung zwischen Navigationsinformation und Situs aufheben. Ein Benutzer kann daher alle relevanten Navigationsinformationen direkt im Operationssichtfeld dargestellt bekommen und kann sich dadurch auf den Patienten und den Arbeitsbereich (Situs) konzentrieren. Dabei kann die Navigationsinformation so aufbereitet werden, dass eine kognitive Komplexität auf ein Minimum reduziert wird und der Benutzer sich somit primär auf eine handwerkliche Ausführung von kritischen Operationsschritten fokussieren kann.
Darüber hinaus ermöglicht die Vorrichtung mit integrierter Positionsbestimmungseinheit, Recheneinheit und/oder Navigationsanzeige einen kompakten Aufbau eines Navigationssystems und schafft somit Bewegungsfreiheit und ein freies Sichtfeld insbesondere im Arbeitsbereich.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung das medizinische Instrument, aber die Positionsbestimmungseinheit, die Recheneinheit und/oder die Navigationsanzeige ist/sind mithilfe eines Adapters lösbar an dem medizinischen Instrument befestigt. Der Adapter kann ein Gehäuse und einen Verbindungsmechanismus aufweisen. Mindestens eine der Positionsbestimmungseinheit, der Recheneinheit und der Navigationsanzeige kann im Gehäuse eingebaut sein und das Gehäuse kann über den Verbindungsmechanismus an dem medizinischen Instrument angebracht sein. Der Verbindungsmechanismus kann beispielsweise eine Klemmverbindung, Schraubverbindung, Steckverbindung oder Klebeverbindung sein, wodurch das Gehäuse am medizinischen Instrument lösbar befestigt sein kann.
Die Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie kann ferner eine externe Recheneinheit und/oder eine externe Bildschirmausgabe, die beabstandet von der Recheneinheit und/oder der Navigationsanzeige angeordnet sind, umfassen. Die durch die
Positionsbestimmungseinheit erfassten aktuellen Daten können über ein Kabel oder über eine kabellose Verbindung an die externe Recheneinheit übertragen werden. Die durch die externe Recheneinheit verarbeiteten Navigationsinformationen können dann über die externe Bildschirmausgabe oder die am medizinischen Instrument angebrachte Navigationsanzeige ausgegeben werden.
Die Navigationsanzeige und die externe Bildschirmausgabe können zusammen oder einzeln verwendet werden. Die Übertragung der Sensordaten sowie Navigationsinformationen zwischen der Positionsbestimmungseinheit und der integrierten Recheneinheit oder der externen Recheneinheit kann entweder über ein Kabel oder über eine kabellose Verbindung stattfinden.
In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie Markerelemente aufweisen, um das Erfassen der 3D Daten der Patientenanatomie zu unterstützen.
In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie für einen Registrierungsvorgang intraoperative Patientendaten verwenden. Eine Verwendung von präoperativen Patientenbilddaten zur Lokalisierung eines medizinischen Instruments kann aufgrund einer entfallenden Strahlungsbelastung bevorzugt werden. Eine Lokalisierung eines medizinischen Instruments auf Basis intraoperativer Patientenbilddaten kann jedoch ebenfalls möglich sein.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung das medizinische Instrument und weist eine Zylinder- oder stabartige Form mit einem hinteren, einem Benutzer zuzuwendenden Ende auf. Die Navigationsanzeige ist am hinteren Ende der Vorrichtung angeordnet.
Das zylinder- oder stabartig geformte medizinische Instrument kann zwei Endabschnitte aufweisen, wobei ein erster Endabschnitt auf den Situs gerichtet ist und eine Positionsbestimmungseinheit aufweist. Ein zweiter Endabschnitt kann einem Benutzer zugewandt sein und die Navigationsanzeige aufweisen, die ebenfalls dem Benutzer zugewandt ist. Auf diese Weise kann der Benutzer ohne ständige Blickabwendung von dem Situs die aktuellen Navigationsinformationen in seinem Operationssichtfeld erhalten.
In einer Ausführungsform kann das medizinische Instrument eine pistolenartige Form mit einem Pistolengriff und einem Pistolenrohr aufweisen, wobei die Navigationsanzeige am hinteren Ende des Pistolenrohrs angeordnet ist. Der Pistolengriff kann zum besseren Halten des Instruments gestaltet sein und die Navigationsanzeige kann ebenfalls dem Benutzer zugewandt sein, um eine benutzerfreundliche Darstellung der Navigationsinformationen zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform ist die Navigationsanzeige gestaltet zur Anzeige eines Hinweises zur Aufnahme der aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie, eines Hinweises zur Registrierungsgenauigkeit des Patienten, eines Hinweises zur dreidimensionalen Orientierung und/oder Positionierung des medizinischen Instruments relativ zu der Patientenanatomie und/oder zur Bearbeitungsorientierung und/oder -positionierung des medizinischen Instruments relativ zu der Patientenanatomie und/oder eines Hinweises zum Bearbeitungsfortschritt. Somit können die Hinweise beispielsweise einen Status eines Erfassungsvorgangs der Patientenanatomie, eine Patientenregistrierung, eine Operationsplanung, eine Einsatzstelle, einen Einsatzwinkel und/oder eine Einsatztiefe des medizinischen Instruments, assistierenden Instruments oder des Implantats umfassen.
In einer Ausführungsform werden die Hinweise in Form von grafischen Mustern, vorzugsweise ohne Bilddaten der Patientenanatomie auf der Navigationsanzeige angezeigt. Die Navigationsanzeige kann die Navigationshinweise des medizinischen Instruments in Form eines Musters und einer Farbe visualisieren. Die Hinweise müssen jedoch keine Patientenbilddaten bzw. Patienteninformation enthalten und können auf eine Überlagerung der Bilddaten verzichten. Insbesondere können die Hinweise in Form von zumindest einem Abschnitt eines Kreisbogens und/oder eines Fadenkreuzes und/oder einer Zielscheibe auf der Navigationsanzeige angezeigt werden. Das Muster kann aber auch quadratisch oder rechteckig gebildet sein. Des Weiteren kann die Navigationsanzeige beispielsweise durch unterschiedliche Farben eine Zielgenauigkeit und/oder eine Handlungsanweisung veranschaulichen.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung portabel, umfasst das medizinische Instrument, und das medizinische Instrument ist zum Halten in einer menschlichen Hand gestaltet. Das Integrieren oder Anbringen der Positionsbestimmungseinheit, der Recheneinheit und/oder der Navigationsanzeige an das medizinische Instrument ermöglicht eine flexible und tragbare Verwendung der Vorrichtung. Durch den kompakten Aufbau der Vorrichtung kann ferner eine große Gerätestandfläche der Einzelbestandteile der Vorrichtung vermieden werden, somit kann viel Platz in einer bereits sehr begrenzten Grundfläche eines Operationssaals eingespart werden. Des Weiteren kann die portable Vorrichtung in einer Hand eines Benutzers gehalten werden oder an einem Roboterarm in einer automatisierten Operationsumgebung angebracht werden.
In einer Ausführungsform ist die Navigationsanzeige eine Projektion, die von einer Projektionseinheit auf die Patientenanatomie und/oder auf eine zwischen einem Operateur und einem Patient liegende Ebene projiziert und/oder von dieser angezeigt wird. Auf diese Weise können die Navigationshinweise direkt auf der Patientenanatomie und/oder auf einer transparenten Fläche angezeigt werden. Als Alternative kann die Navigationsanzeige eine Projektion aber auch gleichzeitig ein Display, auf dem die Navigationshinweise dargestellt werden, oder nur ein Display sein.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer Patientenanatomie, umfassend die folgenden Schritte:
Erfassen von aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie mithilfe einer Positionsbestimmungseinheit,
Erfassen von aktuellen Bewegungsdaten des medizinischen Instruments mithilfe der Positionsbestimmungseinheit, in Übereinstimmung bringen der aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie und der aktuellen Bewegungsdaten des medizinischen Instruments mit präoperativen Daten der Patientenanatomie und auf dieser Grundlage berechnen von Navigationsinformationen für das medizinische Instrument mithilfe einer Recheneinheit, und
Anzeigen der berechneten Navigationsinformationen mithilfe einer Navigationsanzeige.
Auf diese Weise kann jegliche intraoperative Strahlenbelastung für Patient und Operateur entfallen und eine Registrierung des Patienten kann durch ein Echtzeit-Erfassen und Abgleichen der dreidimensionalen Patientenanatomie mit den präoperativen Daten ermöglicht werden. Ferner können mehr Bewegungsfreiheit und ein schnellerer Aufbau eines Navigationssystems erreicht werden. Diese verkürzte Dauer für den Aufbau kann zudem Zeit im Operationssaal sparen und Krankenhäusern eine höhere Operationssaal- Auslastung ermöglichen. Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Programmelement, welches, wenn es durch einen Computer ausgeführt wird, das oben beschriebene Verfahren zum Navigieren eines medizinischen Instruments ausführt.
Die vorliegende Erfindung kann sowohl zum Navigieren eines medizinischen Instruments relativ zu einer lebenden Patientenanatomie, als auch relativ zu einer künstlichen Anatomienachbildung eingesetzt werden. Das Navigationssystem kann auch für einen Einsatz in einem Trainingsumfeld geeignet sein.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Figuren. Alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale können unabhängig von ihrer Darstellung in einzelnen Ansprüchen, Figuren, Sätzen oder Absätzen miteinander kombiniert werden. In den Figuren stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Navigieren eines medizinischen
Instruments relativ zu einer Patientenanatomie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figuren 2a - 2d zeigen ein medizinisches Instrument mit einer integrierten Positionsbestimmungseinheit, Recheneinheit und Navigationsanzeige gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figuren 3a - 3c zeigen Darstellungen von Navigationsinformationen auf einer Navigationsanzeige gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figuren 4a - 4d zeigen ein medizinisches Instrument mit einer lösbar befestigten
Positionsbestimmungseinheit und Navigationsanzeige gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 12 zum Navigieren eines medizinischen Instruments 3 relativ zu einer Patientenanatomie 1. Das medizinische Instrument 3 kann portabel sein und entweder ein chirurgisches Werkzeug, ein assistierendes Instrument oder ein Implantat sein. Somit kann das medizinische Instrument 3 in einer menschlichen Hand gehalten werden oder an einem Roboterarm angebracht werden. Die Vorrichtung 12 umfasst eine Positionsbestimmungseinheit 4, eine Recheneinheit 16 und eine Navigationsanzeige 14. Die Positionsbestimmungseinheit 4 umfasst ein Sensormodul 5, welches gestaltet ist, um aktuelle 3D Daten der Patientenanatomie 1 zu erfassen. Das Sensormodul 5 kann mindestens einen Sensor umfassen, der für die Erfassung von aktuellen bzw. Echtzeit 3D Daten der Patientenanatomie geeignet ist, wie z.B. optische, Magnetfeld - oder Ultraschallsensoren.
Die Positionsbestimmungseinheit 4 umfasst weiterhin einen Positionssensor 9, der gestaltet ist, um aktuelle Bewegungsdaten und/oder Ausrichtungsdaten des medizinischen Instruments 3 zu erfassen. Der Positionssensor 9 kann beispielsweise ein Geschwindigkeits- oder Lagesensor sein. Die Recheneinheit 16 ist gestaltet, um die aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie 1 und die aktuellen Bewegungsdaten des medizinischen Instruments 3 mit präoperativen Bilddaten der Patientenanatomie 1 in Übereinstimmung zu bringen und auf dieser Grundlage Navigationsinformationen für das medizinische Instrument 3, beispielsweise eine Einsatzstelle T, zu berechnen.
Die Navigationsanzeige 14 ist gestaltet, um die berechneten Navigationsinformationen anzuzeigen. Auf einer externen Bildschirmausgabe 15 können Patienteninformationen, Registrierungsgenauigkeit, operationsplanungsbezogene Daten, präoperative Patientenbilddaten aus beispielsweise Ultraschall-, Röntgen-, Computertomographie- oder Magnetresonanztomographie- Aufnahme und gegebenenfalls die Navigationsinformationen dargestellt werden.
Der Benutzer kann über eine analoge oder digitale Eingabeschnittstelle am medizinischen Instrument 3, an der Navigationsanzeige 14 oder auch an der externen Recheneinheit 16 oder der externen Bildschirmausgabe 15 mit der Vorrichtung interagieren.
Figuren 2a bis 2d zeigen ein medizinisches Instrument 3 mit einer integrierten Positionsbestimmungseinheit 4, Recheneinheit 13 und Navigationsanzeige 14 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das medizinische Instrument 3 kann eine Zylinder- oder stabartige Form mit einem hinteren, einem Benutzer zuzuwendenden Ende 3a oder eine pistolenartige Form mit einem Pistolenrohr 3a und einem Pistolengriff 3b aufweisen.
Das Sensormodul 5 ist an dem Pistolenrohr 3a angebracht und umfasst zwei optische Sensoren 6, 7 und eine Projektionsquelle 8, die zur Erstellung einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur der Patientenanatomie gestaltet sind. Des Weiteren ist im Pistolenrohr 3a der Positionssensor 9 integriert und im Pistolengriff 3b ist die Recheneinheit 13 integriert. Als Alternative können der Positionssensor 9 und die Recheneinheit 13 zusammen im Pistolenrohr 3a oder im Pistolengriff 3b integriert sein.
Die Recheneinheit 13 liefert auf Basis der empfangenen aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie 1 und der aktuellen Bewegungsdaten des medizinischen Instruments 3 eine Angabe zur Position des medizinischen Instruments im Bezug zu dem Patienten.
Diese Navigationsinformationen können dann über die Navigationsanzeige 14, die am hinteren, dem Benutzer zuzuwendenden Ende des Pistolenrohrs 3a integriert ist, ausgegeben werden.
Die Navigationsinformationen können Hinweise zur Aufnahme der aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie 1, Hinweise zur dreidimensionalen Orientierung und/oder Positionierung des medizinischen Instruments 3 relativ zu der Patientenanatomie 1 und/oder Hinweise zur Bearbeitungsorientierung und/oder -positionierung des medizinischen Instruments 3 relativ zu der Patientenanatomie 1 und/oder Hinweise zum Bearbeitungsfortschritt umfassen.
Wie in Figuren 3a bis 3c gezeigt, können die Hinweise in Form von grafischen Mustern, vorzugsweise ohne Bilddaten der Patientenanatomie auf der Navigationsanzeige 14 visualisiert werden. Insbesondere zeigt Figur 3a eine Darstellung einer Einsatzstelle des medizinischen Instruments 3, die in Form eines Fadenkreuzes aufgezeigt wird. Figur 3b zeigt eine Darstellung eines Einsatzwinkels des medizinischen Instruments 3, der in Form eines Kreisbogens aufgezeigt wird. Figur 3c zeigt eine Darstellung einer Einsatztiefe des medizinischen Instruments 3, die in Form einer Zielschiebe aufgezeigt wird. Des Weiteren kann die Navigationsanzeige beispielsweise durch unterschiedliche Farben eine Zielgenauigkeit und/oder Handlungsanweisungen veranschaulichen.
Auf diese Weise kann weder eine externe Recheneinheit noch eine externe Bildschirmausgabe benötigt werden, so dass das medizinische Instrument 3 zusätzlich zu seiner ursprünglichen Funktion zu einem vollfunktionsfähigen Navigationssystem wird, welches transportabel und frei beweglich ist.
Figuren 4a bis 4d zeigen ein medizinisches Instrument 3, an dem die Positionsbestimmungseinheit 4 und die Navigationsanzeige 14 mithilfe eines Adapters 18 lösbar befestigt sind. Der Adapter 18 weist ein Gehäuse 17 und einen Verbindungsmechanismus 19 auf. Mindestens eine der Positionsbestimmungseinheit 4, der Recheneinheit 13 und der Navigationsanzeige 14 kann in dem Gehäuse 17 angeordnet sein und das Gehäuse 17 kann mithilfe des Verbindungsmechanismus 19, beispielsweise einer Klemmverbindung lösbar an dem medizinischen Instrument 3 befestigt sein. Vorzugsweise sind mindestens die Positionsbestimmungseinheit 4 und die Navigationsanzeige 14 in dem Gehäuse 17 angeordnet, wobei die Navigationsanzeige 14 dem Benutzer zugewandt sein kann. Die erfassten aktuellen Sensordaten aus der Positionsbestimmungseinheit 4 können dabei über ein Kabel 10 oder eine kabellose Verbindung 11 wie z.B. WLAN oder Bluetooth an die externe Recheneinheit 16 übertragen werden. Die verarbeiteten Navigationsinformationen können über die Navigationsanzeige 14, wahlweise auch die externe Bildschirmausgabe 15 dargestellt werden. Ergänzend sei daraufhingewiesen, dass "umfassend" und "aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt. Ferner sei daraufhingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1. Eine Vorrichtung (12) zum Navigieren eines medizinischen Instruments (3) relativ zu einer Patientenanatomie (1), umfassend: eine Positionsbestimmungseinheit (4), eine Recheneinheit (13) und eine Navigationsanzeige (14), wobei die Positionsbestimmungseinheit (4) ein Sensormodul (5) umfasst, welches gestaltet ist, um aktuelle 3D Daten der Patientenanatomie (1) zu erfassen, wobei die Positionsbestimmungseinheit (4) weiterhin einen Positionssensor (9) umfasst, der gestaltet ist, um aktuelle Bewegungsdaten des medizinischen Instruments (3) zu erfassen, wobei die Recheneinheit (13) gestaltet ist, um die aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie (1) und die aktuellen Bewegungsdaten des medizinischen Instruments (3) mit präoperativen Bilddaten der Patientenanatomie (1) in Übereinstimmung zu bringen und auf dieser Grundlage Navigationsinformationen für das medizinische Instrument (3) zu berechnen, und wobei die Navigationsanzeige (14) gestaltet ist, um die berechneten Navigationsinformationen anzuzeigen.
2. Vorrichtung (12) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das medizinische Instrument (3), wobei die Positionsbestimmungseinheit (4), die Recheneinheit (13) und/oder die Navigationsanzeige (14) in das medizinische Instrument (3) integriert ist/sind.
3. Vorrichtung (12) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das medizinische Instrument (3), wobei die Positionsbestimmungseinheit (4), die Recheneinheit (13) und/oder die Navigationsanzeige (14) mithilfe eines Adapters (18) lösbar an dem medizinischen Instrument (3) befestigt ist/sind.
4. Vorrichtung (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (12) das medizinische Instrument (3) umfasst und eine Zylinder- oder stabartige Form mit einem hinteren, einem Benutzer zuzuwendenden Ende (3a) aufweist und die Navigationsanzeige (14) am hinteren Ende (3a) der Vorrichtung (12) angeordnet ist.
5. Vorrichtung (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Navigationsanzeige (14) gestaltet ist zur Anzeige eines Hinweises zur Aufnahme der aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie (1), eines Hinweises zur dreidimensionalen Orientierung und/oder Positionierung des medizinischen Instruments (3) relativ zu der Patientenanatomie (1) und/oder eines Hinweises zur Bearbeitungsorientierung und/oder -positionierung des medizinischen Instruments (3) relativ zu der Patientenanatomie (1) und/oder eines Hinweises zum Bearbeitungsfortschritt.
6. Vorrichtung (12) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Hinweise in Form von grafischen Mustern, vorzugsweise ohne Bilddaten der Patientenanatomie (1) auf der Navigationsanzeige (14) angezeigt werden.
7. Vorrichtung (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (12) portabel ist, das medizinische Instrument (3) umfasst, und das medizinische Instrument (3) zum Halten in einer menschlichen Hand gestaltet ist.
8. Vorrichtung (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Navigationsanzeige (14) eine Projektion ist, die von einer Projektionseinheit auf die Patientenanatomie (1) und/oder auf eine zwischen Operateur und Patient liegende Ebene projiziert und/oder von dieser angezeigt wird.
9. Ein Verfahren zum Navigieren eines medizinischen Instruments (3) relativ zu einer Patientenanatomie (1), umfassend die folgenden Schritte:
Erfassen von aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie mithilfe einer Positionsbestimmungseinheit (4),
Erfassen von aktuellen Bewegungsdaten des medizinischen Instruments (3) mithilfe der Positionsbestimmungseinheit (4), in Übereinstimmung bringen der aktuellen 3D Daten der Patientenanatomie und der aktuellen Bewegungsdaten des medizinischen Instruments (3) mit präoperativen Daten der Patientenanatomie und auf dieser Grundlage berechnen von Navigationsinformationen für das medizinische Instrument (3) mithilfe einer Recheneinheit (13), und
Anzeigen der berechneten Navigationsinformationen mithilfe einer Navigationsanzeige (14).
10. Ein Programmelement, welches, wenn es durch einen Computer ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 9 ausführt.
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