DE102005050918A1

DE102005050918A1 - Vorrichtung zur Überwachung mikrochirurgischer Eingriffe mit einem Operationsmikroskop

Info

Publication number: DE102005050918A1
Application number: DE102005050918A
Authority: DE
Inventors: Marcus Dr. Pfister
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-01-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung mikrochirurgischer Eingriffe mit einem Operationsmikroskop (4), das Mikroskopbilder eines Objektbereiches eines Objekts (8) liefert. Die Vorrichtung umfasst u. a. eine Erfassungseinrichtung (14), die jeweils eine Änderung der räumlichen Orientierung und räumlichen Lage des Operationsmikroskops (4) erfasst, eine Datenverarbeitungseinheit (9) mit einer Speichereinheit (10) für die Speicherung eines 3-D-Bilddatensatzes eines den Objektbereich beinhaltenden Objektvolumens, einen Registrierungsmodul (11), mit dem eine 2-D-/3-D-Registrierung zwischen einem Mikroskopbild des Objektbereichs und dem 3-D-Bilddatensatz des Objektvolumens durchführbar ist, und eine Überlagerungseinheit (12), die auf Basis der Registrierung und von Daten der Erfassungseinrichtung (14) jeweils für eine momentane Orientierung und Lage des Operationsmikroskops (4) eine zum Mikroskopbild korrespondierende Projektion (3) aus dem 3-D-Bilddatensatz in Echtzeit berechnet, und eine Bilddarstellungseinheit (13), mit der das Mikroskopbild und die jeweilige Projektion (3) aus dem 3-D-Bilddatensatz nebeneinander oder einander lagerichtig überlagert visualisiert werden können. Bei der vorliegenden Vorrichtung wird bei einer Änderung der Orientierung und/oder Lage des Operationsmikroskops (4) die Projektion (3) des 3-D-Bilddatensatzes in Echtzeit entpsrechend nachgeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung mikrochirurgischer Eingriffe mit einem Operationsmikroskop, das Mikroskopbilder eines Objektbereiches eines Objekts liefert, das auf einer Lagerungseinrichtung unter dem Operationsmikroskop gelagert wird, und eine Verstelleinrichtung aufweist, mit der eine räumliche Orientierung und/oder Lage des Operationsmikroskops relativ zum Objekt einstellbar sind.

Im Bereich der Mikrochirurgie, bspw. bei neurochirurgischen Eingriffen, werden Operationsmikroskope eingesetzt, die ein zweidimensionales Bild der Operationsstelle in hoher Auflösung liefern. Allerdings sind diese Bilder auf einen kleinen Objektbereich begrenzt und zeigen lediglich die Oberfläche der Operationsstelle.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Überwachung mikrochirurgischer Eingriffe mit einem Operationsmikroskop anzugeben, mit der dem Arzt in Echtzeit während des Eingriffes zusätzliche Information über das Operationsgebiet vermittelt wird.

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.

Die vorliegende Vorrichtung zur Überwachung mikrochirurgischer Eingriffe beinhaltet ein Operationsmikroskop, das Mikroskopbilder eines Objektbereiches eines Objekts liefert, das auf einer Lagerungseinrichtung unter dem Operationsmikroskop gelagert wird, und eine Verstelleinrichtung aufweist, mit der die räumliche Orientierung und/oder Lage des Operationsmikro skops relativ zum Objekt einstellbar sind, und eine Erfassungseinrichtung, die eine Änderung der räumlichen Orientierung und räumlichen Lage des Operationsmikroskops erfasst. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Datenverarbeitungseinheit mit zumindest einer Speichereinheit, einem Registrierungsmodul und einer Überlagerungseinheit auf, wobei in der Speichereinheit ein 3-D-Bilddatensatz eines den Objektbereich beinhaltenden Objektvolumens hinterlegbar ist. Das Registrierungsmodul ist derart ausgebildet, dass es zumindest in einer Orientierung und Lage des Operationsmikroskops eine 2-D/3-D-Registrierung zwischen einem vom Operationsmikroskop gelieferten Mikroskopbild des Objektbereichs und dem in der Speichereinheit hinterlegten 3-D-Bilddatensatz des Objektvolumens direkt oder indirekt (d.h. z.B. über ein Anlagenteil wie einen C-Bogen, zu dem beide registriert werden oder sind) ermöglicht. Die Überlagerungseinheit berechnet auf Basis der Registrierung und von Daten der Erfassungseinrichtung jeweils für die momentane Orientierung und Lage des Operationsmikroskops, für die ein Mikroskopbild geliefert wird, eine zum Mikroskopbild korrespondierende Projektion aus dem 3-D-Bilddatensatz in Echtzeit. Die Daten der Erfassungseinrichtung liefern dabei die Information über eine Änderung der räumlichen Orientierung und/oder Lage des Operationsmikroskops relativ zu der Lage und Orientierung, bei der die Registrierung erfolgte. Dadurch wird bei einer Änderung der relativen Orientierung und/oder relativen Lage – sowie in einer vorteilhaften Ausgestaltung auch des Vergrößerungsfaktors oder Zoomfaktors – des Operationsmikroskops die Projektion des 3-D-Bilddatensatzes in Echtzeit entsprechend nachgeführt. Die Bilddarstellungseinheit der Vorrichtung visualisiert das Mikroskopbild und die jeweilige Projektion aus dem 3-D-Bilddatensatz nebeneinander oder einander lagerichtig mit einer Einblend- oder Überblendtechnik überlagert. Hierbei ist es auch möglich, die Projektion oder den 3-D-Bilddatensatz zunächst einer weiteren Bildverarbeitung zu Unterziehen, bspw. einer Segmentierung von Objektbestandteilen, so dass nur Teile der Projektion bzw. Teile aus dem 3-D-Bilddatensatz dargestellt bzw. überblendet werden.

Mit der vorliegenden Vorrichtung werden dem Arzt somit durch die Covisualisierung bzw. Überlagerung von präoperativen 3-D-Bilddaten zusätzliche Informationen über das Operationsgebiet, insbesondere zusätzliche räumliche oder andere anatomische Informationen, vermittelt. Die Visualisierung der Projektion und des Mikroskopbildes kann beispielsweise auf ein oder mehreren Monitoren erfolgen. Auch eine Einblendung der berechneten Projektion in den optischen Strahlengang des Operationsmikroskops ist möglich, so dass der Arzt beim Blick durch das Mikroskop die beiden Bilder einander überlagert sieht.

Bei dem 3-D-Bilddatensatz kann es sich bspw. um 3-D-Bilddaten handeln, die mittels Computertomographie (CT), 3-D-Angiographie oder Magnetresonanztomographie (MR) aufgezeichnet wurden. So können dem Arzt bspw. durch Einblendung des Tumorvolumens in die Mikroskopbilder die Tumorgrenzen angezeigt werden. Bei einer Darstellung der Mikroskopbilder und der Projektion des 3-D-Bilddatensatzes nebeneinander, vorzugsweise auf separaten Bildschirmen, kann bspw. die Projektion in einem anderen Maßstab dargestellt werden, um einen weit größeren Ausschnitt vom Operationsgebiet darzustellen als ihn die Mikroskopbilder erfassen. Dies kann für die Operationsplanung hilfreich sein.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Vorrichtung besteht darin, dass die Überlagerungseinheit bei Änderungen der Lage und/oder Orientierung des Operationsmikroskops die Visualisierung des Volumens (d.h. die Projektion) dem Operationsmikroskop in Echtzeit folgen lässt. Dies wird über die Registrierung des 3-D-Bilddatensatzes und eines Mikroskopbildes, und somit des Operationsmikroskops, und die Erfassung und Berücksichtigung von Änderungen in der Lage und/oder Orientierung des Operationsmikroskops erreicht. Ändern sich bspw. Angulation, Lage, Vergrößerungsfaktor, Abstand oder ähnliche Größen des Operationsmikroskops relativ zum Patienten, so wird die Visualisierung des Volumens entsprechend in Echtzeit geändert, d. h. es wird ebenfalls gedreht, verschoben oder gezoomt. Die Visualisierung des Volumens entspricht somit immer der aktuellen Ansicht des Operationsmikroskops zum Patienten. Dies erleichtert dem Arzt sowohl die Operationsplanung als auch die Durchführung der Operation.

Für die Berechnung der zum jeweiligen Mikroskopbild korrespondierenden Projektion aus dem 3-D-Bilddatensatz muss bestimmt werden, aus welcher Richtung das 3-D-Volumen projiziert werden muss, damit es mit dem Mikroskopbild in Deckung gebracht werden kann. Dies erfordert die direkte oder indirekte Erfassung der gegenseitigen Lage und Orientierung des mit dem 3-D-Volumen des 3-D-Bilddatensatzes fest verknüpften 3-D-Koordinatensystems mit dem 3-D-Koordinatensystem, das mit dem Operationsmikroskop fest verknüpft ist. Ist die zugehörige Transformationsfunktion bzw. Transformationsmatrix bestimmt, so ist das 3-D-Volumen zum Operationsmikroskop registriert. In diesem Fall kann der für die Berechnung der Projektion zu bestimmende Projektionspunkt P für eine demgegenüber geänderte Orientierung bzw. Angulation, Lage, geänderte Zoomfaktoren usw. des Operationsmikroskops einfach neu bestimmt werden, indem die entsprechenden Änderungen des Operationsmikroskops erfasst und auf den Projektionspunkt P angewendet werden.

Die Änderungen werden mit der Erfassungseinrichtung der vorliegenden Vorrichtung erfasst, die in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein kann, wie sich aus den nachfolgenden Beispielen ergibt. Auch für die Registrierung ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten, die für den Fachmann auf dem Gebiet der bildgebenden Medizintechnik grundsätzlich bekannt sind, bspw. über entsprechende künstliche oder natürliche Markierungen (sog. Landmarks) in den jeweiligen Bildern oder über die Kenntnis der Anlagenparameter, falls der 3-D-Bilddatensatz mit der gleichen Anlage aufgezeichnet wurde, an dem auch das Operationsmikroskop befestigt ist (bei unveränderter Lage des Objekts).

Im Bereich der Neurochirurgie ist der Kopf des Patienten üblicherweise in einem stereotaktischen Ring fixiert. In diesem Falle ist es ausreichend, wenn das Operationsmikroskop zur Patientenliege registriert ist, auf dem der Patient liegt. Das Mikroskop kann hierbei fest mit der Liege verbunden sein. Auch eine Verbindung mit der Raumdecke ist möglich, wobei die Liege fest mit dem Boden verbunden, jedoch über die bekannte Verschiebeeinrichtung definiert verschiebbar ist. Nach einer einmaligen Registrierung in einer Stellung des Operationsmikroskops und der Liege kann dann jederzeit die gegenseitige räumliche Lage und Orientierung zwischen Patienten und Operationsmikroskop bestimmt werden, indem jede Veränderung der relativen räumlichen Lage und/oder räumlichen Orientierung zwischen Patient und Operationsmikroskop mit der Erfassungseinrichtung erfasst wird. Diese Erfassungseinrichtung kann eine Änderung dieser Parameter bspw. mechanisch, d. h. über die Erfassung der Stellung einer Verstellmechanik der Verstelleinrichtung und/oder der Verschiebeeinrichtung der Patientenliege erfassen. In einer anderen Ausgestaltung können auch andere Sensoren, insbesondere ein oder mehrere berührungslos arbeitende Sensoren eine Veränderung der relativen Lage und/oder Orientierung des Operationsmikroskops zum Patienten messen. Hierbei kann es sich bspw. um optische Sensoren handeln. Die Erfassung über berührungslose Sensoren bietet sich vor allem dann an, wenn das Mikroskop frei beweglich, bspw. an einem Stativ befestigt ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung ist das Operationsmikroskop an einer C-Bogen-Angiographie-Anlage befestigt, wobei die Patientenliege die Liege dieser Angiographie-Anlage darstellt. In diesem Fall kann der präoperative 3-D-Bilddatensatz mit der gleichen Angiographie-Anlage unmittelbar vor der Durchführung des Eingriffes aufgezeichnet werden, so dass sich die Registrierung zwischen dem 3-D-Volumen und dem Operationsmikroskop stark vereinfacht.

Für die Darstellung der ein oder mehreren Mikroskopbilder sowie der ein oder mehreren zugehörigen Projektionen des 3-D-Bilddatensatzes ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten. Durch Überblenden des projizierten 3-D-Volumens und der Mikroskopbilder kann bspw. zusätzliche anatomische Information, bspw. die Einblendung des Tumorvolumens, in den dargestellten Bildern erreicht werden. Die Überlagerung kann hierbei bspw. in justierbaren Transparenz-Stufen durch sog. Blending erfolgen.

Die Projektionen aus dem 3-D-Bilddatensatz können durch unterschiedliche Techniken erhalten werden, bspw. durch MPR (Multi Planar Reformating). Im Falle der Überblendung wird durch die Erfassungseinrichtung auch eine Änderung des Vergrößerungs- oder Zoomfaktors des Operationsmikroskops erfasst, um eine maßstabsgetreue Projektion berechnen zu können. Bei einer Darstellung der Bilder nebeneinander kann auch ein unterschiedlicher Maßstabsfaktor genutzt werden, um bspw. auf der zur Verfügung stehenden Bildfläche der Bilddarstellungseinheit einen größeren Bereich um das Operationsgebiet in derselben Ausrichtung darstellen zu können.

Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Berechnung der Projektion aus dem 3-D-Bilddatensatz; und
2 in stark schematisierter Darstellung ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung.
Das Prinzip der Berechnung der Projektion des präoperativ aufgezeichneten 3-D-Bilddatensatzes in der Überlagerungseinheit der vorliegenden Vorrichtung zur Überlagerung mit dem Mikroskopbild ist in der 1 dargestellt. Zur besseren Darstellung ist in diesem Beispiel die 2-D/3-D-Registrierung eines 2-D-Durchleuchtungsbildes des Kopfes mit dem 3-D-Volumen gezeigt. Für die Registrierung mit einem Mikroskopbild gilt das gleiche Prinzip. Die Voraussetzung ist ein während oder vor der Operation aufgenommener 3-D-Bilddatensatz, der ein 3-D-Volumen 2 zumindest des Operationsgebiets umfasst. Es muss dann ein Projektionspunkt P bestimmt werden, von dem aus die Projektion 3 des 3-D-Volumens 2 dem 2-D-Bild 1 entspricht.
Stammt der 3-D-Bilddatensatz von einer Anlage, bspw. einer C-Bogen-Angiographieanlage wie im Beispiel der 2, an der auch das Operationsmikroskop befestigt ist, so wird der Projektionspunkt P durch die Anlagenparameter bestimmt, unter denen das aktuelle Mikroskopbild aufgenommen wurde. In diesem Fall muss lediglich das 3-D-Volumen mittels 2-D/3-D-Registrierung mit dem C-Bogen registriert werden und ist damit automatisch zum Mikroskop registriert.
Selbstverständlich kann die Registrierung auch in einem derartigen Fall manuell durch den Arzt durchgeführt werden, indem er die Ansicht des 3-D-Volumens per Hand ausrichtet. Auch andere Registrierungstechniken, bspw. über eine optische Oberflächenerfassung (z. B. des Schädels des Patienten) sind möglich. Durch die Registrierung und die Berechnung der jeweils korrespondierenden Projektion aus dem 3-D-Bilddatensatz in Echtzeit folgt die Projektion dem Blickwinkel des Operationsmikroskops bei jeder Änderung der Mikroskopparameter, so dass die Visualisierung des Volumens immer der mit dem Mikroskop erfassten aktuellen Ansicht des Operationsgebietes entspricht.
2 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, bei der das Operationsmikroskop 4 an einer C-Bogen-Angiographie-Anlage montiert ist. Am C-Bogen 6 sind hierbei in bekannter Weise die Röntgenquelle 15 und der Röntgendetektor 16 angeordnet. Das Operationsmikroskop 4 mit seiner Verstellein richtung 5 ist mit der Patientenliege 7 verbunden. Die jeweils momentane Lage und Orientierung sowie der momentane Vergrößerungsfaktor des Operationsmikroskops 4 werden mit der Erfassungseinheit 14 erfasst. Der Patient 8 ist auf der Patientenliege 7 gelagert, wobei dessen Kopf bei neurochirurgischen Eingriffen in einem in der Figur nicht dargestellten stereotaktischen Ring fixiert ist. Durch Aufzeichnung des präoperativen 3-D-Bilddatensatzes mit der Angiographie-Anlage unmittelbar vor der Operation kann die Registrierung zwischen diesem 3-D-Bilddatensatz bzw. dem 3-D-Volumen, das dieser 3-D-Bilddatenstaz darstellt, und dem Operationsmikroskop 4 in einfacher Weise realisiert werden.
Die Registrierung erfolgt im Registrierungsmodul 11 der Datenverarbeitungseinrichtung 9, mit der das Operationsmikroskop 4 verbunden ist. Diese Datenverarbeitungseinrichtung 9 umfasst weiterhin eine Speichereinheit 10 zur Speicherung des mit dem Patienten bzw. der Patientenliege registrierten 3-D-Bilddatensatzes sowie die Überlagerungseinheit 12, in der auf Basis der Registrierung sowie der Daten der Erfassungseinrichtung 14 für jedes Mikroskopbild die korrekte Projektion des 3-D-Bilddatensatzes berechnet wird. In der Überlagerungseinheit 12 erfolgt auch ggf. die Überlagerung der Projektion mit dem Mikroskopbild zur überlagerten Darstellung auf einer Bilddarstellungseinrichtung, im vorliegenden Beispiel dem Monitor 13.

Claims

Vorrichtung zur Überwachung mikrochirurgischer Eingriffe, mit – einem Operationsmikroskop (4), das Mikroskopbilder eines Objektbereiches eines Objektes (8) liefert, das auf einer Lagerungseinrichtung (7) unter dem Operationsmikroskop (4) gelagert wird, und eine Verstelleinrichtung (5) aufweist, mit der zumindest eine räumliche Orientierung und/oder Lage des Operationsmikroskops (4) relativ zum Objekt (8) einstellbar sind, – einer Erfassungseinrichtung (14), die jeweils eine Änderung der räumlichen Orientierung und räumlichen Lage des Operationsmikroskops (4) erfasst, – einer Datenverarbeitungseinheit (9) mit einer Speichereinheit (10), in der ein 3-D-Bilddatensatz eines den Objektbereich beinhaltenden Objektvolumens (2) hinterlegbar ist, einem Registrierungsmodul (11), mit dem in zumindest einer Orientierung und Lage des Operationsmikroskops (4) eine 2-D/3-D-Registrierung zwischen einem vom Operationsmikroskop (4) gelieferten Mikroskopbild des Objektbereichs und dem in der Speichereinheit (10) hinterlegten 3-D-Bilddatensatz des Objektvolumens (2) durchführbar ist, und einer Überlagerungseinheit (12), die auf Basis der Registrierung und von Daten der Erfassungseinrichtung (14) jeweils für eine momentane Orientierung und Lage des Operationsmikroskops (4), für die das Operationsmikroskop ein Mikroskopbild liefert, eine zum Mikroskopbild korrespondierende Projektion (3) aus dem 3-D-Bilddatensatz in Echtzeit berechnet, so dass bei einer Änderung der Orientierung und/oder Lage des Operationsmikroskops (4) die Projektion (3) aus dem 3-D-Bilddatensatz in Echtzeit entsprechend nachgeführt wird, und – einer Bilddarstellungseinheit (13), mit der das Mikroskopbild und die jeweilige Projektion (3) aus dem 3-D-Bilddatensatz vollständig oder in Teilen nebeneinander oder einander lagerichtig überlagert visualisiert werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Operationsmikroskop (4) an einer C-Bogen-Angiographie-Anlage befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der 3-D-Bilddatensatz mit der C-Bogen-Angiographie-Anlage aufgezeichnet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (14) so ausgebildet ist, dass sie die Lage und/oder Orientierung des Operationsmikroskops (4) über eine Stellung der Verstelleinrichtung (5) erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (14) ein oder mehrere berührungslos arbeitende Sensoren umfasst, mit denen die Lage und/oder Orientierung des Operationsmikroskops (4) erfasst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (14) auch einen momentanen Zoom- oder Vergrößerungsfaktor des Operationsmikroskops (4) erfasst und die Überlagerungseinheit (12) die Projektion (3) aus dem 3-D-Bilddatensatz so berechnet, dass das Mikroskopbild und die zugehörige Projektion (3) jeweils im gleichen Maßstab einander überlagert mit der Bilddarstellungseinheit (13) visualisiert werden.