CH691655A5 - Verfahren zum Referenzieren zweidimensionaler Schnittbilder eines Körpers für die Korrelation dieser Bilder mit Instrumentenpositionen und Vorrichtung dafür. - Google Patents

Description

  



  Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Anspruch 10 und eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1. 



  Bei Eingriffen am menschlichen oder auch am tierischen Körper muss gewährleistet werden, dass der gewünschte Effekt erzielt wird, ohne dass wichtige angrenzende Strukturen zerstört werden. Daher wird bei Operationen der Operationsbereich freigelegt und unter ständiger Augenkontrolle gearbeitet. Der Aufwand und das Risiko bei Operationen ist beachtlich gross, insbesondere auch weil die meisten Operationen unter Narkose erfolgen. Das Verheilen der Operationswunde bedarf einer stationären pflegerischen Betreuung. Wegen der nötigen Sterilität werden diese konventionellen chirurgischen Eingriffe in Operationssälen durchgeführt. Bevor die Operation aber in Angriff genommen wird, müssen Informationen von bildgebenden Verfahren vorliegen, die zeigen, was das gesundheitliche Problem ist, bzw. welcher Eingriff nötig sein wird.

   Es handelt sich somit um ein zweistufiges Verfahren, bei dem in einem ersten Schritt analysiert und in einem zweiten Schritt eingegriffen wird. Die beiden Schritte erfolgen sowohl zeitlich als auch räumlich getrennt und benötigen daher viel Zeit, Raum und Personal. 



  Um den Aufwand verschiedener Eingriffe zu verkleinern, wurde der Bereich der interventionellen Radiologie entwickelt. Das Ziel der interventionellen Radiologie ist es, Untersuchung und Eingriff in einem einstufigen Verfahren zu kombinieren. Dabei soll nicht die bildgebende Untersuchung im kostenintensiven Operationssaal durchgeführt werden, sondern die Eingriffe sollen mit minimalen Eröffnungen des Körpers, also ohne direkte Sichtkontrolle, in einem nicht sterilen Raum bei einem bildgebenden Untersuchungsgerät erfolgen. Grundsätzlich könn ten sehr viele verschiedene Eingriffe, bei denen im Körper etwas verbunden, getrennt, eingesetzt oder auch entnommen wird, ausserhalb des Operationssaales durchgeführt werden.

   Entscheidend für die Eingriffe ist es, dass gutes Bildmaterial des zu bearbeitenden Körperbereiches vorliegt, und dass die Instrumente, mit denen der Eingriff durchgeführt wird, richtig geführt werden. 



  Zum Bestätigen eines Befundes und zum Planen eines Eingriffes eignen sich besonders Schnittbilder, die etwa mittels Computertomografie (CT) und/oder bildgebender Magnetresonanzbestimmung (MRI) und/oder Positronemissions Tomografie (PET) erzeugt werden. Die zur Bilderzeugung verwendete Strahlung und die Innenmasse der Bildaufnahmevorrichtung erlauben es nicht, dass die operierende Person die Instrumente während der Bildaufnahme, bzw. unter Bildkontrolle in den Körper einführt. Die Bildaufnahme und der Eingriff müssen somit getrennt erfolgen. 



  Aus dem Bereich der Hirnchirurgie ist beispielsweise gemäss dem US-Patent 5 383 454 ein Verfahren bekannt, bei dem eine am Kopf der zu behandelnden Person mit Schrauben befestigte Lokalisiervorrichtung (frame) in jedem Schnittbild Bildpunkte liefert, aus denen die Lage des Schnittbildes relativ zur Lokalisiervorrichtung bestimmbar ist. Die Bilder sind dadurch in einem kopffesten Koordinatensystem referenzierbar. Nach der Analyse der Bilder wird später für einen Eingriff ein Teil der Lokalisiervorrichtung in der gleichen Lage am Kopf montiert, wie während der Bilderfassung, sodass auch die Lage der Instrumentenspitze relativ zur gleich montierten Lokalisiervorrichtung, bzw. im gleichen kopffesten Koordinatensystem erfassbar ist und die Instrumentenpositionen den vorgängig erfassten und kopffest referenzierten Schnittbildern zugeordnet werden können.

   Zu jeder Lage der Instrumentenspitze kann ein Schnittbild gefunden werden, dem die Position der Instrumentenspitze am nächsten liegt oder in dem sich die Position sogar befindet. Durch das gemeinsame Darstellen von Schnittbildern und Positionen der Instrumentenspitze kann die Bewegung des Instrumentes in einem virtuellen Raum visualisiert werden. 



  Das Verfahren nach dem US-Patent 5 383 454 hat den Nachteil, dass die Lage des Schnittbildes mittels aufwändiger Auswertungsschritte aus den Bildpunkten der Lokalisiervorrichtung bestimmt werden muss. Zudem ist es nur im Bereich des Kopfes, an dessen festen Schädelknochen die Lokalisiervorrichtung verschiebungsfrei befestigt werden kann, mit genügend grosser Genauigkeit anwendbar. In den anderen Bereichen des Körpers ist dieser weich und beweglich, sodass keine Lokalisiervorrichtung genügend genau und ohne grössere, die zu behandelnde Person störende Eingriffe am Körper befestigt werden kann. 



  Aus dem Bereich der Krebsbehandlung sind bildgeführte stereotaktische und Laser geführte Freihand Verfahren bekannt. Diese Verfahren werden vor allem für Biopsien verwendet. Aus den CT- oder MRI-Bildern wird etwa bestimmt, an welcher Körperstelle ein Instrument in welcher Ausrichtung und wie weit in den Körper eingeführt werden muss, um die gewünschte Stelle zu erreichen. Die Eintrittsstelle wird am Körper markiert, während dieser noch im bildaufnehmenden Gerät ist. Nach dem Anbringen der Eintrittsmarke wird der Körper so weit aus der Bildaufnahmevorrichtung herausgezogen, dass das von einer mechanischen oder einer optomechanischen bzw. laserkontrollierten Einstellvorrichtung geführte Instrument bei der markierten Stelle in den Körper eingeführt werden kann.

   Die Einstellvorrichtung gewährleistet die gewünschte Instrumenten-Ausrichtung und -Bewegung in den Körper. 



  Bei den stereotaktischen und den Laser geführten Freihand-Verfahren hängt das Resultat stark von Technikern ab, die die Einstellvorrichtung so bedienen müssen, dass das Instrument an eine vorgängig in Schnittbildern definierte Position gelangt. Für einen verantwortlichen Arzt ist es nicht befriedigend, wenn die entscheidenden Eingriffsschritte im Wesentlichen nicht von ihm, sondern von technischen Hilfs personen abhängen. Zudem können bereits kleine Fehler beim Markieren und/oder beim Einstellen der Instrumentenausrichtung dazu führen, dass die Instrumentenspitze nicht zur gewünschten Stelle gelangt. Um die erreichte Endlage durch eine Bildaufnahme zu kontrollieren, muss die zu behandelnde Person wieder in das bildaufnehmende Gerät eingeführt werden, was mit einem grossen Zeitaufwand verbunden ist. 



  Um unter Echtzeit-Bildkontrolle zu arbeiten, wurde bereits vorgeschlagen, im CT- oder MRI-Bildaufnahmegerät mit Robotern Eingriffe auszuführen. Dabei sind aber die Eingriffsmöglichkeiten auf Grund der engen Platzverhältnisse und der Störungsanfälligkeit von Robotern in starken inhomogenen Feldern wesentlich eingeschränkt. Zudem fehlt wiederum die sensible Führung der Instrumente durch eine erfahrene Hand. 



  Die erfindungsgemässe Aufgabe besteht nun darin, eine Lösung zu finden, bei der Instrumentenpositionen Schnittbildern des Körpers überlagert werden können, ohne dass dazu am Körper eine Lokalisiervorrichtung befestigt wird, aus deren Bildpunkten die Lage der Schnittbilder relativ zum Körper zu bestimmen ist. 



  Die erfindungsgemässe Lösung sieht vor, dass der Körper im Wesentlichen bewegungslos auf einer Auflagefläche liegt und diese Fläche von einem Bildaufnahmebereich einer Bildaufnahmevorrichtung in einen Eingriffsbereich bewegbar ist. Die in der Bildaufnahmevorrichtung erfassten zweidimensionalen Schnittbilder des Körpers, bzw. die Lage jeder einem zweidimensionalen Schnittbild zugeordneten Schnittebene und des darin erfassten Bildausschnittes mitsamt einer Längen-Skalierung bzw. einem Vergrösserungsfaktor, wird zumindest im Eingriffsbereich so der Auflagefläche und somit dem Körper zuordnungsbar gemacht, dass gewünschte Schnittbilder zusammen mit gemessenen Instrumentenpositionen korreliert darstellbar sind. 



  Um die Schnittbilder zu referenzieren bzw. ihre Lage zu kennzeichnen, wird keine am Körper befestigte Loklalisiervorrichtung, deren Bildpunkte die Lage der Schnittbilder charakterisieren, verwendet. An Stelle der Referenzierung relativ zum Körper erfolgt das Erfassen der Schnittbilder in mindestens einer Ebene, deren Lage und deren erfasster Ausschnitt in einem vom Körper unabhängigen, vorzugsweise einem raumfesten Koordinatensystem bekannt ist bzw. mittels Kalibrierung bestimmt wird. Um die Schnittbilder dem Körper richtig zuordnen zu können, wird auch die Lage der Auflagefläche, auf der der Körper bewegungslos liegt, beim Erfassen der Schnittbilder und beim Eingriff so erfasst, dass die Lage der Auflagefläche im raumfesten Koordinatensystem bestimmbar ist. 



  Weil bei der Bildaufnahme sowohl die Lage der Schnittebene als auch die Lage der Auflagefläche in einem gemeinsamen nicht an den Körper gebundenen Koordinatensystem bekannt ist, kann beispielsweise die Lage jedes Schnittbildes mit kleinem Aufwand in ein mit der Auflagefläche verbundenes Koordinatensystem umgerechnet werden. Für jede im raumfesten Koordinatensystem bekannte Lage der Auflagefläche ist auch die mit der Auflagefläche verschobene Lage eines vorgängig erfassten Schnittbildes im raumfesten Koordinatensystem bestimmbar, indem etwa die Bilderfassungsschnittebene entsprechend der Bewegung der Auflagefläche von ihrer Lage bei der Erfassung des Bildes zu ihrer aktuellen Lage im raumfesten Koordinatensystem bewegt wird. 



  Bei der Anordnung der Auflagefläche im Eingriffsbereich werden Instrumentenpositionen und die Lage der Auflagefläche im raumfesten Koordinatensystem erfasst. Dadurch kann auch jede Instrumentenposition mit kleinem Aufwand in ein mit der Auflagefläche verbundenes Koordinatensystem umgerechnet werden. Da die Instrumentenpositionen und die Lagen der Schnittbilder im gleichen mit der Auflagefläche verbundenen oder raumfesten Koordinatensystem bekannt sind, können sie richtig überlagert dargestellt werden, sodass die Instrumentenbewegungen im Be reich des realen Körpers in einem virtuellen Körper verfolgt werden können. 



  Bei der erfinderischen Lösung wurde das Vorurteil überwunden, zur exakten Korrelation von Schnittbildern, die in einer Bildaufnahmevorrichtung erfasst werden, und Instrumentenpositionen, mit denen ausserhalb der Bildaufnahmevorrichtung in den Körper eingegriffen wird, müssten körperfeste Referenzen bzw. körperfixierte Lokalisiervorrichtungen oder am Körper angebrachte Markierungen verwendet werden. Die Lage eines Schnittbildes muss nicht durch eine Analyse von Bildpunkten der Lokalisiervorrichtung im Schnittbild bestimmt werden. Die erfinderische Referenzierung mittels raumfester Lagebestimmungen ist einfach und bedarf keiner Interaktionen mit der zu behandelnden Person. Dies wurde möglich, weil die erfinderische Lösung nicht wie die Lösungen aus dem Stande der Technik auf ein körperbezogenes Korrelieren von Schnittbildern und Instrumentenpositionen eingeschränkt ist.

   Sie korreliert vielmehr Schnittbilder und Instrumentenpositionen, die in verschiedenen Lagen eines verschiebbaren Raumbereichs erfasst werden. 



  Die Korrelation, bzw. die zur Korrelation nötige Referenzierung, hängt nicht davon ab, ob sich ein Körper im verschiebbaren Raum befindet. Der verschiebbare Raumbereich und seine Verschiebbarkeit sind durch die Bildaufnahmevorrichtung und die Verschiebbarkeit der Auflagefläche gegeben. Wenn ein zu behandelnder Körper auf der Auflagefläche liegt, sind Lagen der in der Bildaufnahmevorrichtung erfassten Schnittbilder dieses Körpers entsprechend den Bewegungen der Auflagefläche mitführbar, sodass diesen zumindest im Eingriffsbereich Instrumentenpositionen überlagerbar sind. 



  Um die Lage des von der Bildaufnahmevorrichtung erfassten Schnittbildes beim Erfassen zu kennen, wird in einem ersten Kalibrationsschritt in raumfesten Koordinaten zumindest die Lage eines einen Bildpunkt erzeugenden Punktes im Aufnahmebereich einer Bildaufnahmeebene der Bildaufnahmevorrichtung be stimmt. Gegebenenfalls wird zudem die Ausrichtung der Bildaufnahmeebene durch die Bestimmung der Positionen von mindestens drei, in einer zur Bildaufnahmeebene parallelen Ebene liegende, mit dem bildaufnehmenden Teil verbundene Positionselemente bestimmbar gemacht. Vorzugsweise werden mindestens drei, insbesondere aber fünf Punkte der Bildaufnahmeebene in raumfesten Koordinaten bestimmt und auf einem Schnittbild festgehalten. Dieser erste Kalibrationsschritt muss zumindest nach der Installation der Bildaufnahmevorrichtung durchgeführt werden.

   Gegebenenfalls wird er in grösseren zeitlichen Abschnitten wiederholt, um zu kontrollieren, ob sich der von der Bildaufnahmevorrichtung erfassbare Ausschnitt in den raumfesten Koordinaten der Positionsbestimmungsvorrichtung verschoben hat. 



  Bei der Durchführung des ersten Kalibrationsschrittes wird etwa auf der Auflagefläche eine Kalibrationseinheit mit mindestens drei, vorzugsweise aber fünf, in einer Ebene liegenden, die Enden von mindestens zwei verschieden ausgerichteten Vektoren definierenden, Positionselementen befestigt. Die Lage der Auflagefläche relativ zur Bildaufnahmeebene wird verändert, bis mindestens ein Positionselement in der Bildaufnahmeebene liegt. Anschliessend wird die Ebene mit den Positionselementen ausgerichtet und gegebenenfalls parallel verschoben, bis alle Positionselemente in der Bildaufnahmeebene liegen und im Schnittbild ein Koordinatensystem definieren, dessen raumfesten Koordinaten durch die Bestimmung der raumfesten Lage mindestens dreier Positionselemente bestimmbar ist.

   Durch Distanzbestimmungen zwischen mindestens zwei Positionselementen und den von diesen stammenden Bildpunkten des Schnittbildes wird gegebenenfalls ein Vergrösserungsfaktor bestimmt. Vorzugsweise wird der Vergrösserungsfaktor aber direkt von der Bildaufnahmevorrichtung übernommen. 



  In einem zweiten Kalibrationsschritt wird mindestens für eine Lage der Auflagefläche gleichzeitig die Lage der Auflagefläche in raumfesten Koordinaten und eine von der Bildaufnahmevorrichtung stammende geräteabhängige Lage der Auflagefläche erfasst. Ist die Auflagefläche lediglich in einer Geradführung verschiebbar und ist sowohl die raumfeste als auch die geräteabhängige Lage eine Länge entlang der Geradführung, so unterscheiden sich die beiden Längen lediglich um eine additive Konstante. Zur Bestimmung dieser Konstanten muss zumindest einmal für eine Lage der Auflagefläche gleichzeitig die raumfeste und die geräteabhängige Position in der Richtung der Geradführung bestimmt werden. Danach kann jede geräteabhängige in eine raumfeste Position und jede raumfeste in eine geräteabhängige Position umgerechnet werden.

   Da der Nullpunkt der geräteabhängigen Position der Auflagefläche bei den meisten Bildaufnahmevorrichtungen wählbar ist und auch bei jeder untersuchten Person wieder neu eingestellt wird, muss der zweite Kalibrationsschritt vorzugsweise bei jeder zu untersuchenden Person, insbesondere am Anfang des Bilderfassungsschrittes, durchgeführt werden. Der Aufwand dafür ist verschwindend klein, da es sich lediglich um zwei Positionsbestimmungen bei unveränderter Lage der Auflagefläche handelt. 



  Die Verwendung zweier verschiedener Lageangaben für die Lage der Auflagefläche rührt davon her, dass die Bilderfassung mit einer Standard-Bilderfassungsvorrichtung erfolgt, deren Bilder mit der geräteabhängigen Position der Auflagefläche gekennzeichnet sind. Es versteht sich von selbst, dass an Stelle der Bestimmung einer additiven Konstanten auch der Nullpunkt der geräteabhängigen Positionsangabe so gewählt werden könnte, dass er mit dem raumfesten Nullpunkt übereinstimmt und somit für die Position der Auflagefläche nur noch eine Positionsangabe verwendet würde. 



  Zumindest ausserhalb der Bildaufnahmevorrichtung bzw. im Eingriffsbereich, aber gegebenenfalls auch im Bildaufnahmebereich, kann die Auflagefläche beliebig bewegbar sein. Natürlich muss dabei gewährleistet sein, dass die Person sich nicht relativ zur Auflagefläche bewegt. Die raumfeste und gegebenenfalls auch die geräteabhängige Lage der Auflagefläche besteht dann nicht nur aus einer Position entlang einer Achse, sondern umfasst etwa die Lage eines zweidimensionalen, insbesondere sogar eines dreidimensionalen Auflageflächen-Koordinatensystems in einem dreidimensionalen raumfesten bzw. gerätefesten Koordinatensystem. 



  Damit die Schnittbilder auch bei einer Bewegbarkeit der Auflagefläche in der Bildaufnahmevorrichtung mit mehr als einem Freiheitsgrad und/oder bei Bildaufnahmevorrichtungen, deren Bilderfassungsebene bzw. Schnittbildebene bewegbar ist, immer richtig referenziert sind, muss gegebenenfalls beim Erfassen jedes Schnittbildes auch die raumfeste Lage der Auflagefläche und/oder die raumfeste Lage der Schnittbildebene erfasst werden. Dadurch kann beispielsweise die Lage jedes Schnittbildes in einem auflagefesten Koordinatensystem bestimmt werden. 



  Wenn die Auflagefläche mit der zu behandelnden Person etwa nach dem Bilderfassungsschritt vom Raum mit der Bildaufnahmevorrichtung in einen Behandlungsraum bewegt wird und dort behandelt werden soll, so muss sowohl die Instrumentenposition als auch die Lage der Auflagefläche in raumfesten Koordinaten des Behandlungsraumes erfassbar sein. Die Instrumentenposition kann etwa in Koordinaten eines mit der Auflagefläche verbundenen Koordinatensystems, bzw. in auflagefeste Koordinaten, umgerechnet werden, denen dann wiederum die nächstgelegenen Schnittbilder bzw. deren auflagefesten Lagen zugeordnet werden können. Dadurch können die Bildinformationen des gewünschten Schnittbildes bezogen und korreliert mit der Instrumentenposition dargestellt werden.

   Es versteht sich von selbst, dass die Lagen der Schnittebenen und der darin angeordneten Bildausschnitte sowohl in raumfesten als auch in Koordinaten der Auflagefläche bestimmbar sind. Das Gleiche gilt für die Instrumenten-Positionen. 



  Im Bilderfassungsschritt wird mindestens ein Schnittbild des Körpers mitsamt der dabei vorliegenden geräteabhängigen Lage der Auflagefläche erfasst. Im einfachsten Fall, bei einer Geradführung der Auflagefläche und bei lediglich um eine addi tive Konstante voneinander abweichenden geräteabhängiger und raumfester Lage der Auflagefläche, wird nach dem zweiten Kalibrationsschritt zu jedem Schnittbild lediglich die geräteabhängige Lage erfasst. Bei einem komplizierteren Zusammenhang zwischen geräteabhängiger Lage und raumfester Lage der Auflagefläche wird vorzugsweise zu jedem Schnittbild die raumfeste Lage der Auflagefläche erfasst. Das Schnittbild wird durch diese raumfeste Lage, oder durch eine dieser eindeutig zugeordneten geräteabhängigen Lage gekennzeichnet. 



  In einem anschliessenden Eingriffsschritt wird mindestens eine Instrumentenposition bzw. die Lage eines Instrumentes und die Lage der Auflagefläche während des Eingriffs in raumfesten Koordinaten erfasst, sodass in einem Darstellungsschritt von einer Auswertungsvorrichtung mindestens ein Schnittbild-Ausschnitt und eine Instrumentenposition durch die Transformation von Bilddaten und Instrumentenpositionsdaten in ein gemeinsames Koordinatensystem korreliert darstellbar sind. Beim gemeinsamen Koordinatensystem handelt es sich vorzugsweise um ein mit der Auflagefläche verbundenes oder um ein raumfestes. 



  Die Instrumentenbewegungen im Bereich des realen Körpers dürfen nur dann auf den vorgängig erfassten Schnittbildern verfolgt werden, wenn der Körper und etwa auch seine inneren Organe vom Beginn der Bilderfassung bis zum Abschluss des Eingriffs im Wesentlichen bewegungsfrei auf der Auflage liegen. Um dies zu kontrollieren, wird gegebenenfalls die Körperlage auf der Auflagefläche zumindest im Eingriffsbereich, vorzugsweise aber auch im Bildaufnahmebereich überwacht. Zur Überwachung können etwa am Körper Positionselemente angeordnet werden, deren Lage relativ zur Auflagefläche oder in raumfesten Koordinaten erfassbar sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Lage von Körperpunkten und/oder Körperbereichen und/oder inneren Organen mittels Bilderfassung und Bildverarbeitung bestimmt wird.

   Die Bilderfassung erfolgt etwa optisch, insbesondere im sichtbaren, gegebenenfalls aber im infraroten Bereich, oder aber mittels Ultraschall-Sonogra fie, bei der auch Veränderungen der Lage der Organe erfassbar sind. 



  Analog zum Erfassen der Lage eines Instrumentes kann auch die Lage eines bildaufnehmenden Sensorkopfes im raumfesten Koordinatensystem erfasst werden. Bei den Sensorköpfen handelt es sich etwa um Aufnahmeteile von Endoskopen oder Ultraschallgeräten, die Bilder des Körpers bzw. seines Inneren aufnehmen. Wenn gegebenenfalls zusätzlich zur Lage eines Sensorkopfes auch die den Bildbereich charakterisierenden Geräteeinstellungen erfasst werden, kann zumindest bei Ultraschallschnittbildern aus der Lage des Sensorkopfes und aus den erfassten Einstellungen die Lage des aufgenommenen Bildes bestimmt werden, sodass insbesondere auch zumindest verzerrungsfreie bzw. entzerrte Ausschnitte dieses Bildes den in der Bildaufnahmevorrichtung vorgängig erfassten Schnittbildern überlagert werden können. 



  Während des Eingriffes besteht somit gegebenenfalls die Möglichkeit, Echtzeit-Ultraschallbilder vorgängig erfassten CT-Scans zu überlagern. Dadurch können beispielsweise spezielle Eigenschaften der Körperstrukturen besser veranschaulicht werden und zudem ist einfach erkennbar, wenn sich diese Strukturen zwischen der CT-Bildaufnahme und dem aktuellen Stand des Eingriffs verschoben haben. Um Strömungen, insbesondere in Gefässen, zu erfassen, ist es gegebenenfalls zweckmässig, Doppler-Ultraschallmessungen durchzuführen und deren Informationen räumlich korreliert den vorgängig aufgenommenen Schnittbildern zu überlagern. 



  Bei den zu behandelnden Körpern handelt es sich gegebenenfalls um Gegenstände, die nur schwer oder nicht eröffnet werden können. Zum Manipulieren im Inneren der Gegenstände ist zumindest eine kleine Einführöffnung für ein Manipulationsinstrument vorgesehen. 



  Analog zu den Verfahrensansprüchen sind weitere Vorrichtungsansprüche denkbar, die gegenständliche Merkmale aufweisen mit denen die entsprechenden Verfahrensschritte durchgeführt werden können. 



  Die Zeichnungen erläutern die Erfindung anhand schematisch dargestellter Ausführungsformen, auf welche die Erfindung aber nicht eingeschränkt ist. 
 
   Fig. 1: Perspektivische Darstellung der Vorrichtung während eines Eingriffs; 
   Fig. 2: Perspektivische Darstellung eines ersten Kalibrationsschrittes. 
 



  Fig. 1 zeigt eine zu behandelnde Person 1, die auf einer Auflagefläche 2 einer Bildaufnahmevorrichtung 3, etwa eines Computer-Tomografen (CT) liegt. Eine den Eingriff durchführende Person 4 steht seitlich neben der Auflagefläche 2 und hält mit einer Hand ein Instrument 5, das mit einem Ende durch eine kleine \ffnung in die Person eingeführt werden kann und an dessen anderen Ende ein Positionierteil 6 angeordnet ist. Das Positionierteil umfasst zumindest ein, vorzugsweise aber zwei Positionselemente 7. 



  Zum Bestimmen einer Instrumentenposition in raumfesten Koordinaten sind mindestens zwei, eine Instrumentenachse definierende, insbesondere aber etwa mindestens drei, eine Achse und eine Drehausrichtung um diese Achse definierende, Positionselemente vorgesehen. Die Art des Instrumentes bzw. seine Ausdehnung relativ zu den Positionselementen, insbesondere seine Länge entlang der Instrumentenachse, kann den Positionselementen zugeordnet werden. 



  Die Positionselemente 7 gehören zu einer Positionsbestimmungsvorrichtung, die auch eine Kontrolleinheit 8 und einen vorzugsweise linearen, raumfest montierten Sensorarray 9 mit insbesondere drei Sensoren 9 min  umfasst. Sowohl die Positionselemente als auch die Sensoren 9 min  sind mit der Kontrolleinheit verbunden. Die Positionselemente sind vorzugsweise Infrarot- LEDs und die Sensoren Infrarotsensoren. Die Kontrolleinheit 8 bestimmt aus den von den Sensoren 9 min  empfangenen und von den Positionselementen stammenden Infrarotsignalen die Positionen der Positionselemente in einem raumfesten Koordinatensystem. Es versteht sich von selbst, dass auch eine beliebige andere Positionsbestimmungsvorrichtung verwendet werden kann, wenn diese die Lage von Positionselementen bestimmbar macht. 



  An der Auflagefläche 2 ist mindestens ein Lagebestimmungsteil 10 mit mindesten einem Positionselement 7 befestigt. Das Lagebestimmungsteil 10 steht von der Auflagefläche 2 nach oben und macht zumindest die Lage der Auflagefläche 2 in einer Geradführung bestimmbar, gegebenenfalls aber umfasst das Lagebestimmungsteil 10 mindestens vier, ein dreidimensionales Koordinatensystem definierende Positionselemente 7, sodass im Wesentlichen eine beliebige Ausrichtung der Auflagefläche 2 bestimmbar ist. 



  Zur Auswertung und Transformation der Bild- und der Lageinformationen ist eine Auswertungsvorrichtung 11 vorgesehen, die mit der Positionsbestimmungsvorrichtung 9 und der Bildaufnahmevorrichtung 3 über deren Steuervorrichtung 12 verbunden ist. Der Auswertungsvorrichtung 11 sind von der Positionsbestimmungsvorrichtung 7, 8, 9 die Lagen der Positionselemente 7 und von der Bildaufnahmevorrichtung 3, 12 Bildinformationen und eine geräteabhängige Lage der Auflagefläche, sowie gegebenenfalls andere Parameter, wie etwa Vergrösserungsfaktoren und/oder Ausschnitte definierende Parameter zuführbar. In einem Darstellungsschritt sind mindestens ein Schnittbild-Ausschnitt und eine Instrumentenposition durch die Transformation von Bilddaten und Positionsdaten in ein gemeinsames Koordinatensystem auf mindestens einem Monitor darstellbar.

   Die Auswertungsvorrichtung 11 umfasst einen Computer mit einer Videokarte und Ein- bzw. Ausgängen zur Verbindung des Computers mit der Positionsbestimmungsvorrichtung 8, der Bildaufnahmevorrichtung 3, 12, einer Eingabetastatur und mindestens einem Monitor 13. 



  Die den Eingriff durchführende Person 4 sieht nun auf dem Monitor 13 die aktuelle Position des Instrumentes 5 bzw. die Lage der Instrumentenspitze und gleichzeitig das der Instrumentenspitze nächstgelegene Schnittbild. Dazu muss die Auswertungsvorrichtung 11, beispielsweise ausgehend von der Lage der Instrumentenspitze, die Lage des nächstgelegenen Schnittbildes ermitteln und dieses zur Darstellung bringen. Entsprechend ist es auch möglich, von einem ausgewählten Schnittbild auszugehen und anzugeben, wie das Instrument zu bewegen ist, damit seine Spitze in die Ebene dieses Schnittbildes gelangt. 



  Um einen besseren Überblick über den Eingriffsbereich zu geben, werden vorzugsweise mehrere nebeneinanderliegende Schnittbilder gleichzeitig, dargestellt. Die Ziellage eines Instrumentes, vorzugsweise die Lage der Instrumentenspitze und die Instrumenten-Ausrichtung, bzw. die Projektion der Ausrichtung auf die Schnittbildebene kann gegebenenfalls, vorzugsweise mittels Cursorfunktionen, der Auswertungsvorrichtung eingegeben werden. Auf mindestens einem Schnittbild wird dann die Ziellage eines Instrumentes bzw. die Instrumentenspitze und die Instrumenten-Ausrichtung dargestellt. Die Darstellung der aktuellen Lage eines Instrumentes wird gegebenenfalls durch die Angabe der Abweichung, insbesondere der Ausrichtung und der Distanz, zwischen der aktuellen Instrumentenlage und der Ziellage ergänzt.

   Es versteht sich von selbst, dass im Darstellungsschritt viele weitere Darstellungsmöglichkeiten, die etwa aus anderen bildkontrollierten Eingriffsverfahren bekannt sind, angewendet werden können. 



  Fig. 2 zeigt eine Auflagefläche 2, auf der eine Kalibrationseinheit 14 mit mindestens einem Positionselement 7 angeordnet ist. Zumindest nach der Installation der Referenziervorrichtung wird in einem ersten Kalibrationsschritt in raumfesten Koordinaten die Lage des Aufnahmebereichs einer Bildaufnahmeebene 15 der Bildaufnahmevorrichtung 3 durch die Bestimmung mindestens eines Punktes der Bildaufnahmeebene 15 bestimmt. Die auf der Auflagefläche 2 befestigbare und mit der Auflagefläche 2 zur Bildebene 15 bewegbare Kalibrationseinheit 14 umfasst in einer Halteebene 16 mindestens drei, vorzugsweise aber fünf, insbesondere an den Ecken und im Zentrum eines Quadrates angeordnete, Positionselemente 7.

   Die Halteebene 16 ist vorzugsweise um eine, insbesondere aber um zwei, senkrecht zueinander stehende Ausrichtungsachsen 17a, 17b drehbar und gegebenenfalls in zwei eine Ebene aufspannende Richtungen parallel verschiebbar, sodass die Halteebene 16 exakt in der Bildaufnahmeebene 15 ausrichtbar ist, sowie gegebenenfalls die Positionselemente 7 in eine gewünschte Lage im Bildausschnitt bringbar sind. Die Lage im Bildausschnitt wird gegebenenfalls auf dem Monitor 13 kontrolliert.

Claims (10)

1. Referenzier-Vorrichtung zum Referenzieren zweidimensionaler Schnittbilder eines Körpers für die Korrelation dieser Bilder mit Instrumentenpositionen, wobei der Körper auf einer Auflagefläche liegt und diese Fläche einem Bildaufnahmebereich einer Bildaufnahmevorrichtung und einem Eingriffsbereich zugeordnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Lage jeder, einem zweidimensionalen Schnittbild zugeordneten, Schnittebene und des darin erfassten Bildausschnittes mitsamt einer Skalierung zumindest im Eingriffsbereich so der Auflagefläche (2) und somit dem Körper zuordnungsbar macht, dass gewünschte Schnittbilder zusammen mit gemessenen Instrumentenpositionen korreliert darstellbar sind, wobei die Vorrichtung a)

in einem ersten Kalibrationsschritt zumindest die Lage eines einen Bildpunkt erzeugenden Punktes im Aufnahmebereich einer Bildaufnahmeebene (15) der Bildaufnahmevorrichtung (3) bestimmbar macht; b) in einem Bilderfassungsschritt mindestens ein Schnittbild mitsamt der beim Erfassen vorliegenden Lage der Auflagefläche (2), oder der Relativlage zwischen der Auflagefläche (2) und der Bildaufnahmevorrichtung (3) erfassbar macht;

und c) in einem Eingriffsschritt mindestens eine Instrumentenposition und die beim Eingriff vorliegende Lage der Auflagefläche (2) in raumfesten Koordinaten, oder mindestens eine Instrumententenposition relativ zur Auflagefläche (2) erfassbar macht, sodass in einem Darstellungsschritt von einer Auswertungsvorrichtung (11) mindestens ein Schnittbild-Ausschnitt und eine Instrumentenposition durch die Transformation von Bilddaten und Instrumentenpositionsdaten in ein gemeinsames Koordinatensystem korreliert darstellbar sind.

2.

Referenzier-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem zweiten Kalibrationsschritt mindestens für eine Lage der Auflagefläche (2) gleichzeitig die Lage der Auflagefläche (2) in raumfesten Koordinaten, oder die Relativlage zwischen der Auflagefläche (2) und der Bildaufnahmevorrichtung (3), und eine von der Bildaufnahmevorrichtung (3) stammende geräteabhängige Lage der Auflagefläche (2) erfassbar macht, wobei letztere ein Mass für die relative Lage der Auflagefläche (2) zur Bildaufnahmeebene (15) der Bildaufnahmevorrichtung (3) ist.

3.

Referenzier-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittbilder mittels Computertomografie (CT) und/oder bildgebender Magnetresonanzbestimmung (MRI) und/oder Positronemissions-Tomografie (PET) erzeugt werden und dass zum Erfassen verschiedener Schnittbilder die geräteabhängige Lage der Auflagefläche (2) relativ zur Bildaufnahmeebene (15), vorzugsweise durch das Bewegen der Auflagefläche (2), insbesondere entlang einer Geradführung, gegebenenfalls aber auch durch das kontrollierte Verstellen der Bildaufnahmeebene (15), veränderbar ist.

4.

Referenzier-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Instrumentenposition durch das Erfassen a) der Lage mindestens zweier, eine Instrumentenachse definierender, insbesondere aber mindestens dreier, eine Achse und eine Drehausrichtung um diese Achse definierender, Positionselemente (7) und b) der Art des Instrumentes und seiner Ausdehnung relativ zu den Positionselementen (7), insbesondere seiner Länge entlang der Instrumentenachse, bestimmbar ist.

5.

Referenzier-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie für den Darstellungs schritt mindestens eines der folgenden Merkmale vorsehbar macht, a) es ist mindestens ein Schnittbild, vorzugsweise aber sind mehrere Schnittbilder gleichzeitig, darstellbar; b) auf mindestens einem dargestellten Schnittbild ist die Ziellage eines Instrumentes (5), vorzugsweise durch die Instrumentenspitze und die Instrumenten-Ausrichtung, bzw. die Projektion der Ausrichtung auf die Schnittbildebene, vorzugsweise mittels Cursorfunktionen, der Auswertungsvorrichtung (11) eingebbar; c) auf mindestens einem dargestellten Schnittbild ist die Ziellage eines Instrumentes (5), vorzugsweise durch die Instrumentenspitze und die Instrumenten-Ausrichtung, bzw. die Projektion der Ausrichtung auf die Schnittbildebene, darstellbar;

c) auf mindestens einem dargestellten Schnittbild ist die aktuelle Lage eines Instrumentes (5), vorzugsweise durch die Instrumentenspitze und die Instrumenten-Ausrichtung, bzw. die Projektion der Ausrichtung auf die Schnittbildebene, darstellbar, und gegebenenfalls sind Abweichungen der aktuellen Instrumentenlage zur Ziellage, insbesondere Ausrichtungsabweichungen und/oder Distanzabweichungen der Instrumentenspitze, angebbar.

6.

Referenzier-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie im ersten Kalibrationsschritt mindestens eines der folgenden Kalibrationsvorgehen mindestens einmal durchführbar macht, a) auf der Auflagefläche (2) ist eine Kalibrationseinheit mit mindestens einem Positionselement (7) befestigbar und anschliessend ist die Lage der Auflagefläche (2) relativ zur Bildaufnahmeebene (15) verschiebbar, bis das Positionselement (7) in der Bildaufnahmeebene liegt und im Schnittbild einen Bildpunkt definiert, dessen raumfesten Koordinaten bestimmbar sind; gegebenenfalls ist zudem die Ausrichtung der Bildaufnahmeebene (15) durch die Bestimmung der Positionen von mindestens drei, in einer zur Bildaufnahmeebene (15) parallelen Ebene liegende, mit dem bildaufnehmenden Teil verbundene Positionselemente (7) bestimmbar;

b) auf der Auflagefläche (2) ist eine Kalibrationseinheit (14) mit mindestens drei in einer Ebene liegenden, die Enden von mindestens zwei verschieden ausgerichteten Vektoren definierenden, Positionselementen (7) befestigbar, die Lage der Auflagefläche (2) relativ zur Bildaufnahmeebene (15) ist veränderbar, bis mindestens ein Positionselement (7) in der Bildaufnahmeebene (15) liegt, zudem ist die Ebene (16) mit den Positionselementen (7) ausrichtbar und gegebenenfalls parallel verschiebbar, bis alle Positionselemente (7) in der Bildaufnahmeebene (15) liegen und im Schnittbild ein Koordinatensystem definieren, dessen raumfesten Koordinaten durch die Bestimmung der raumfesten Lage mindestens dreier Positionselemente (7) bestimmbar ist.

7.

Referenzier-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperlage auf der Auflagefläche (2) zumindest im Eingriffsbereich, vorzugsweise aber auch im Bildaufnahmebereich, kontrollierbar ist, um gegebenenfalls Bewegungen des Körpers zu erkennen, wobei mindestens eines der folgenden Merkmale vorgesehen ist, a) am Körper sind Positionselemente befestigt, deren Lage relativ zur Auflagefläche (2) und/oder in raumfesten Koordinaten erfassbar sind, und b) mittels Bilderfassung und Bildverarbeitung ist die Lage von Körperpunkten und/oder Körperbereichen bestimmbar, wobei die Bilderfassung optisch, insbesondere im sichtbaren, gegebenenfalls aber im infraroten Bereich, oder aber mittels Ultraschall-Sonografie, bei der auch Veränderungen der Lage der Organe erfassbar sind, erfolgt.

8.

Referenzier-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Teil einer Positionsbestimmungsvorrichtung (7, 8, 9) raumfest angeordnet ist, um Positionen der Positionselemente (7) in raumfesten Koordinaten bestimmbar zu machen; b) eine auf der Auflagefläche (2) befestigbare Kalibrationseinheit (14) mit mindestens einem der Positionselemente (7) vorgesehen ist, die für einen Kalibrationsschritt in raumfesten Koordinaten die Lage des Aufnahmebereichs der Bildaufnahmeebene (15) der Bildaufnahmevorrichtung (3) durch die Bestimmung mindestens eines Punktes der Bildaufnahmeebene (15) bestimmbar macht; c) zur Bestimmung der Lage der Auflagefläche (2) in raumfesten Koordinaten mindestens ein Lagebestimmungsteil (10) mit mindestens einem der Positionselemente (7) an der Auflagefläche (2) befestigbar ist;

d) mindestens ein Instrument (5) mit mindestens einem der Positionselemente (7) versehen ist, sodass in einem Eingriffsschritt mindestens eine Instrumentenposition bestimmbar ist; und e) die Auswertungsvorrichtung (11) zur Auswertung und Transformation der Bild- und der Lageinformationen vorgesehen ist, die mit der Positionsbestimmungsvorrichtung (8) und der Bildaufnahmevorrichtung (3, 12) verbunden ist und der von der Positionsbestimmungsvorrichtung (7, 8, 9) die Lagen der Positionselemente (7) und von der Bildaufnahmevorrichtung (3) Bildinformationen und eine geräteabhängige Lage der Auflagefläche (2) zuführbar sind, sodass in einem Darstellungsschritt mindestens ein Schnittbild-Ausschnitt und eine Instrumentenposition durch die Transformation von Bilddaten und Positionsdaten in ein gemeinsames Koordinatensystem korreliert darstellbar sind.

9.

Referenzier-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Merkmale vorgesehen ist, a) die Positionsbestimmungsvorrichtung (7, 8, 9) umfasst eine Kontrolleinheit (8) und mindestens einen vorzugsweise linearen, raumfest montierten Sensorarray (9) mit insbesondere drei Sensoren (9 min ), wobei die Kontrolleinheit (8) vorzugsweise aus von den Sensoren (9 min ) empfangenen, von Positionselementen (7) stammenden, Infrarotsignalen die Position der Positionselemente (7) bestimmbar macht; b) die Positionselemente (7) sind Infrarot-LEDs;

c) die auf der Auflagefläche (2) befestigbare und mit der Auflagefläche (2) zur Bildebene (15) bewegbare Kalibrationseinheit (14) umfasst in einer Halteebene (16) mindestens drei, vorzugsweise aber fünf, insbesondere an den Ecken und im Zentrum eines Quadrates angeordnete Positionselemente (7), und die Halteebene (16) ist vorzugsweise um eine, insbesondere aber um zwei senkrecht zueinander stehende, Ausrichtungsachsen (17a, 17b) drehbar und gegebenenfalls in zwei eine Ebene aufspannende Richtungen parallel verschiebbar, sodass die Halteebene (16) exakt in der Bildaufnahmeebene (15) ausrichtbar ist, sowie gegebenenfalls die Positionselemente (7) in eine gewünschte Lage im Bildausschnitt bringbar sind;

d) das Lagebestimmungsteil (10) steht von der Auflagefläche (2) nach oben und macht zumindest die Lage der Auflagefläche (2) in einer Geradführung bestimmbar, gegebenenfalls aber umfasst das Lagebestimmungsteil (10) mindestens vier, ein dreidimensionales Koordinatensystem definierende Positionselemente (7), sodass im Wesentlichen eine beliebige Ausrichtung der Auflagefläche (2) bestimmbar ist; e) die Auswertungsvorrichtung (11) umfasst einen Computer mit einer Videokarte und Ein- bzw. Ausgängen zur Verbindung des Computers mit der Positionsbestimmungsvorrichtung (7, 8, 9), der Bildaufnahmevorrichtung (3), einer Eingabetastatur und mindestens einem Monitor (13).

10.

Verfahren zum Referenzieren zweidimensionaler Schnittbilder eines toten Körpers für die Korrelation dieser Bilder mit Instrumentenpositionen, wobei der tote Körper bewegungslos auf einer Auflagefläche liegt und diese Fläche von einem Bildaufnahmebereich einer Bildaufnahmevorrichtung in einen Eingriffsbereich bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage jeder, einem zweidimensionalen Schnittbild zugeordneten, Schnittebene und des darin erfassten Bildausschnittes mitsamt einer Skalierung zumindest im Eingriffsbereich so der Auflagefläche (2) und somit dem toten Körper zuordnungsbar ist, dass gewünschte Schnittbilder zusammen mit gemessenen Instrumentenpositionen korreliert darstellbar sind, dazu wird a) in einem ersten Kalibrationsschritt zumindest die Lage eines einen Bildpunkt erzeugenden Punktes im Aufnahmebereich einer Bildaufnahmeebene (15)

der Bildaufnahmevorrichtung (3) bestimmt; b) in einem Bilderfassungsschritt mindestens ein Schnittbild mitsamt der beim Erfassen vorliegenden Lage der Auflagefläche (2), oder der Relativlage zwischen der Auflagefläche (2) und der Bildaufnahmevorrichtung (3) erfasst; und c) in einem Eingriffsschritt mindestens eine Instrumentenposition und die beim Eingriff vorliegende Lage der Auflagefläche (2) in raumfesten Koordinaten, oder die Instrumentenposition relativ zur Auflagefläche (2), erfasst, sodass in einem Darstellungsschritt von einer Auswertungsvorrichtung (11) mindestens ein Schnittbild-Ausschnitt und eine Instrumentenposition durch die Transformation von Bilddaten und Instrumentenpositionsdaten in ein gemeinsames Koordinatensystem korreliert darstellbar sind.