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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines medizinischen
Navigationssystems und ein medizinisches Navigationssystem.
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Für medizinische
Verfahren an Patienten, wie z. B. Diagnosen, Therapien oder insbesondere operative
Eingriffe ist eine möglichst
hohe Ortsgenauigkeit wünschenswert.
Bei chirurgischen Eingriffen z. B. am Gehirn oder der Wirbelsäule eines Patienten
ist es sogar unabdingbar, mit einem medizinischen Instrument einen
genau bestimmten Ort im Patienten zu bearbeiten. Seit langem existieren
hierzu sogenannte medizinische Navigations- oder Trackingsysteme.
Im Wesentlichen weiden hierbei optisch oder elektromagnetisch arbeitende
Systeme unterschieden. Ein medizinisches Navigationssystem arbeitet
derart, dass z. B. am Patienten und an zu benutzenden chirurgischen
Instrumenten jeweils ein Ortsanzeiger in Form eines Markers angebracht wird.
Dieser Marker, im optischen Fall z. B. ein Dreibein aus optisch
gut erkennbaren Kugeln, im elektromagnetischen Fall eine Sensorspule,
interagiert mit einer ortsfest montierten Navigationseinrichtung
des Navigationssystems, im optischen Fall einer oder mehreren Kameras
und im magnetischen Fall einer oder mehreren Feldspulen. Im optischen
Fall erkennt die Kamera die Ortsposition der Marker, im elektromagnetischem
Fall wird die Ortsposition durch Auswertung des in der Sensorspule
empfangenen Feldes der Feldspule ermittelt. Bei deckengestützten Navigationssystemen
ist die Navigationseinrichtung an der Raumdecke, z. B. des Operationssaals
angebracht. Mobile Systeme beinhalten z. B. eine auf einem Stativ
montierte Kamera als Navigationseinrichtung, welche frei beliebig
im Raum, z. B. im Operationssaal platzierbar ist.
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Die
Navigationseinrichtung deckt hierbei nur ein gewisses Raumvolumen,
das sog. Trackingvolumen als Navigationsbereich ab, wobei nur innerhalb dieses
Navigationsbereichs die Position des Ortsanzeigers erfasst werden
kann. Insbesondere bei optischen Navigationssystemen müssen die
optischen Kamerasysteme bei einer Änderung des OP-Setup nachjustiert
werden, wenn hierdurch die Kamera keine Sichtverbindung mehr zu
Markern an Instrumenten oder Patient hat. Im Falle einer optischen
Verdeckung, z. B. als Resultat einer Umlagerung des Patienten, muss
also der Benutzer das optische Trackingsystem manuell umstellen,
d. h. z. B. die auf einem Stativ oder an der OP-Saaldecke angeordnete Kamera
verschieben, um ausreichend Sichtbarkeit auf die Ortsanzeiger im
interessanten Gebiet, z. B. dem Situs zu gewährleisten. Bei elektromagnetischen
Navigationssystemen erzeugt der Feldgenerator lediglich in einem
begrenzten Raumbereich ein Magnetfeld, in welchem die Empfängerspulen,
hinreichend genau funktionieren. Fallweise muss dann der Feldgenerator
verschoben werden.
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Bezüglich des
OP-Workflow ist dies nicht gewünscht,
da Aufwand nötig
ist und sich Zeitverzögerungen
ergeben, der OP-Workflow
gestört
wird. Z. B. wird das Tracking gestoppt, sobald keine Sichtverbindung
besteht. Liegt der Ortsanzeiger nämlich nicht mehr im Trackingvolumen,
so ist dem Navigationssystem kurzzeitig unbekannt, wo sich ein chirurgischen
Instrument im Patienten gerade befindet. Der medizinische Eingriff
muss ohne die Ortsinformation unterbrochen werden. Z. B. bei Eingriffen
an der Wirbelsäule
eines Patienten in Nähe
des Rückenmarks ist
dies problematisch, da hier unbeabsichtigte Verletzungen zu Komplikationen
für den
Patienten führen
können.
Bei bekannten Navigationssystemen ist daher durch das OP-Personal
genau darauf zu achten, dass in jeder denkbaren Situation des Eingriffs die
Ortsanzeiger im Navigationsbereich liegen bzw. die Navigationseinrichtung
einen geeigneten Navigationsbereich erzeugt und der Navigationsbereich durch
das OP-Setup in keiner Situation des Eingriffes gestört wird.
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Bei
bekannten Systemen muss also in den oben genannten Fällen die
Navigationseinrichtung von Hand durch z. B. einen Arzt oder OP-Personal nachjustiert
werden. Zusätzlich
ist in einer sterilen OP-Umgebung hierbei hinderlich, dass Sterilitätsaspekte
zu beachten sind. Das Navigationssystem ist in der Regel unsteril
und mit entsprechenden sterilen Abdeckungen oder Verpackungen versehen,
welche bei Nachführung
des Systems mitverlagert werden müssen. Händischer Kontakt mit dem unsterilen
Navigationssystem ist besonders problematisch.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines
medizinischen Navigationssystems und ein verbessertes medizinisches
Navigationssystem anzugeben.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum
Betreiben eines medizinischen Navigationssystems, wobei das Navigationssystem
eine Navigationseinrichtung aufweist, welcher ein begrenzter Navigationsbereich
zugeordnet ist. Das Navigationssystem umfasst außerdem mindestens einen Ortsanzeiger,
welcher an einem zu ortenden Objekt anbringbar ist und welcher lediglich innerhalb
des Navigationsbereiches ortbar ist. Das Navigationssystem weist
einen motorischen Antrieb zur Orts- und Lageveränderung der Navigationseinrichtung
auf. Durch die Ortsveränderung
der Navigationseinrichtung wird auch Lage und Ausrichtung des mit
ihr unweigerlich gekoppelten Navigationsbereiches verändert. Das
Navigationssystem weist außerdem
eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der aktuellen Lage und
Ausrichtung von Navigationsbereich und Ortsanzeiger auf. Erfindungsgemäß erfasst das
Navigationssystem die durch den motorischen Antrieb durchgeführte Lageveränderung
der Navigationseinrichtung. Zusätzlich
steuert eine Regelung unter Berücksichtigung
der Koordinaten der Lageveränderung
den Antrieb derart über
ein Steuersignal an, dass der Navigationsbereich jederzeit den Ortsanzeiger
enthält.
Hierzu benutzt die Regelung ein Eingangssignal von der Erfassungseinrichtung,
welche über
die aktuelle Lage des Navigationsbereiches des Ortsanzeigers informiert.
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Die
Erfindung beruht mit anderen Worten auf der Idee, durch einen motorischen
Antrieb und eine entsprechend geeignete Steuerung bzw. Regelung die
Navigationseinrichtung stets so zu verfahren, dass das Trackingvolumen,
also der Navigationsbereich jederzeit auf den gerade benötigten Raumbereich
ausgerichtet ist. Der Raumbereich wird also durch die Steuerung
automatisch stets so gehalten bzw. gewählt, dass sich die benötigten Ortsanzeiger, z.
B. des medizinischen Instruments und die Patientenreferenz, also
der am Patienten angebrachte Ortsanzeiger, stets innerhalb befinden.
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Durch
die integrierte Regelung kann sich mit anderen Worten das Navigationssystem
bzw. dessen Navigationseinrichtung selbst optimal ausrichten, wenn
z. B. Instrumente mit entsprechenden Ortsanzeigern in ungünstigen
Winkeln oder Abständen
zur Navigationseinrichtung gehalten oder bewegt werden. Mit anderen
Worten sucht also die Regelung stets eine optimale bzw. verbesserte
Position, falls durch Veränderung
des Navigationsbereiches der Ortsanzeiger besser in diesem platzierbar
ist. Ein manuelles Nachjustieren der Navigationseinrichtung z. B.
durch OP-Personal ist nicht mehr notwendig. Der Benutzer des Navigationssystems
verliert keine Zeit und muss sich generell nicht um das geeignete Platzieren
der Navigationseinrichtung kümmern, muss
z. B. beim OP-Setup nicht auf die Einstellung optimaler Sichtverhältnisse
für eine
Navigationskamera nachdenken. Der Benutzer muss sich nicht durch
Kontakt mit Komponenten des Navigationssystems unsteril machen und
verliert keine Zeit mit für ihn
lästiger
Arbeit. Die Navigation wird durch dieses Verfahren komfortabler
zu benutzen und somit seine Akzeptanz erhöht. Das Risiko für den Patienten
wird deutlich verringert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung steuert die Regelung
den Antrieb derart an, dass die Navigationseinrichtung einen bestimmten Abstand
zum Ortsanzeiger aufweist. So kann beispielsweise ein für ein gegebenes
Navigationssystem optimaler Abstand zwischen Kamera und Marker oder
Feldgenerator und Empfängerspule
vorgewählt, also
bestimmt werden, und die Navigationseinrichtung durch die Steuerung
in entsprechend optimaler Entfernung gehalten werden.
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In
der Regel weist das medizinische Navigationssystem mindestens zwei
Ortsanzeiger auf. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens steuert
die Regelung den Antrieb derart an, dass die Navigationseinrichtung
bezüglich
der Ortsanzeiger zentriert ist. Mit anderen Worten wird die Navigationseinrichtung
an einen Ort verbracht, der z. B. einen mittleren möglichst
gleichen Abstand zu den verschiedenen Ortsanzeigern ermöglicht bzw.
die Ortsabstände
zwischen Navigationseinrichtung und den Ortsanzeigern eine möglichst
geringe Schwankungsbreite um einen optimalen Abstand aufweisen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens arbeitet die Navigationseinrichtung optisch und arbeitet
gleichzeitig als Erfassungseinrichtung. Mit anderen Worten wird
z. B. eine Trackingkamera gleichzeitig zur eigentlichen Navigation aber
auch zur Erfassung des aktuellen Navigationsbereiches, eben des
Blickwinkels bzw. Sichtbereiches der Navigationskamera benutzt.
Eine zusätzliche
separate Erfassungseinrichtung ist demnach überflüssig.
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In
einer alternativen Verfahrensvariante arbeitet die Navigationseinrichtung
elektromagnetisch und der Ortsanzeiger arbeitet gleichzeitig als
Erfassungseinrichtung. Mit anderen Worten wird hier eine Sensorspule
sowohl zur Navigation als auch zur Ausmessung des von der Navigationseinrichtung
erzeugten elektromagnetischen Feldes benutzt, um so den Navigationsbereich
zu ermitteln. Eine zusätzliche
separate Erfassungseinrichtung ist hier ebenfalls nicht nötig.
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Im
Falle einer elektromagnetischen Navigationseinrichtung steuert in
einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens die Regelung den Antrieb auch derart an, dass das
von der Navigationseinrichtung am Ort des Ortsanzeigers erzeugte
elektromagnetische Feld eine bestimmt Ausrichtung aufweist. Beispielsweise
kann die Steuerung die Feldspule stets derart ausrichten, dass das
erzeugte Feld am Ort der Sensorspule stets optimale Feldausrichtung besitzt,
diese z. B. senkrecht durchtritt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens überwacht
die Erfassungseinrichtung den Navigationsbereich auf störende Fremdobjekte
hin. Im Falle einer Trackingkamera beispielsweise überwacht
die Erfassungseinrichtung deren Sichtfeld auf das Eindringen störender,
d. h. die Kamerasicht verdeckender Fremdkörper, z. B. OP-Personal oder
ein voluminöses
Instrument wie z. B. ein Röntgen-C-Bogen.
Die Ortsposition der entsprechenden Fremdobjekte kann dann erfasst
werden und die Regelung eine neue Position für die Navigationseinrichtung
ermitteln, so dass wieder freie Sicht auf den Ortsanzeiger besteht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens überwacht
die Erfassungseinrichtung den Navigationsbereich mit Hilfe einer
mit einem Bildverarbeitungssystem gekoppelten Kamera. Eine Überwachung
des Navigationsbereiches auf Fremdobjekte ist hierdurch besonders
einfach möglich.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird durch redundante bzw. zusätzliche Komponenten der Erfassungseinrichtung
zusätzliches
Wissen bzw. zusätzliche
Daten erfasst. Z. B. kann durch eine zweite Kamera ein größerer Navigationsbereich
getrackt werden. Wenn eine Kamera durch Verdeckung „blind” wird,
liefert die zweite, also redundante Kamera weiter Trackinginformation.
In dieser Zeit kann das verdeckte System, also die erste Kamera
sich eine neue, optimale Position suchen. Die Steuerung nutzt dann
diese Daten bzw. das Wissen für
die Optimierung der Position der Navigationseinrichtung. Redundante
bzw. zusätzliche
Komponenten sind z. B. ein zweites optisches Trackingsystem oder
eine Videokamera mit angeschlossener Bildverarbeitung, die Bildinformationen
hinsichtlich Bewegungen, Ortsverschiebungen von Komponenten des
OP-Setup o. ä.
aufnehmen und auswerten kann. Für
optische Navigationssysteme könnte
eine solche z. B. in der Navigationseinrichtung, die die Navigationskameras
trägt,
eingebaut sein. Zusätzliches Wissen
bzw. Daten sind dann z. B. bei einer technisch komplexen Umsetzung
Ortsinformationen über das
OP-Setup, beteiligte Personen, die Geometrie des OP-Saales etc.
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Hinsichtlich
des Navigationssystem wird die Aufgabe gelöst durch ein medizinisches
Navigationssystem der oben genannten Ausgestaltung, welches erfindungsgemäß also insbesondere
eine Erfassungseinrichtung und eine entsprechend arbeitende Regelung
umfasst. Das medizinische Navigationssystem wurde zusammen mit seinen
Vorteilen und den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen
bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich erläutert.
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Für eine weitere
Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen hingewiesen.
Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 ein
optisch arbeitendes Navigationssystem, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben wird,
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2 ein
entsprechendes elektromagnetisch arbeitendes Navigationssystem.
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1 zeigt
einen Operations-, also OP-Saal 2 mit einer Liege 4,
auf der ein Patient 6 gelagert ist. Im OP-Saal 2 ist
ein optisches Navigationssystem 8 installiert. Am Patienten 6 wird
mit Hilfe eines Instrumentes 10 ein chirurgischer Eingriff
durchgeführt,
der bezüglich
des Eingriffsortes des Instruments 10 am Patienten 6 hohe
Ortspräzision
erfordert. Der Eingriff wird daher mit Hilfe des Navigationssystems 8 ortskoordiniert.
Zu ortende Objekte sind also de Patient 6 und das Instrument 10.
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Das
Navigationssystem verfügt über zwei optische
Marker in Form des Ortsanzeigers 12a, welcher ortsfest
am Patienten 6 angebracht ist und des Ortsanzeigers 12b,
welcher ortsfest am Instrument 10 angebracht ist. Eine
Doppelkamera als Navigationseinrichtung 14 erfasst die
Ortspositionen Pa und Pb der
Ortsanzeiger 12a, b optisch. Die Navigationseinrichtung 14 hat
hierbei als optischen Erfassungsbereich einen Navigationsbereich 16,
innerhalb dessen sich die Marker 12a, b aufhalten müssen, damit
deren Ortspositionen Pa,b im Navigationssystem 8 bestimmbar
sind.
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Erfindungsgemäß ist die
Navigationseinrichtung 14 an der Decke 18 des
OP-Saals 2 mit Hilfe eines Schienensystems 20 montiert,
welches zwei elektrische Motoren 22 umfasst. Mit deren
Hilfe ist die Navigationseinrichtung 14 in Richtung der
Pfeile x und y an eine beliebige Position PN verschiebbar. Hierdurch
ist auch die Position PE des Navigationsbereiches 16 verschiebbar.
Das Navigationssystem 8 umfasst außerdem eine in die Navigationseinrichtung 14 integrierte
Erfassungseinrichtung 24, welche sowohl die augenblickliche
Lage bzw. Position PE des Erfassungsbereiches 16 in
der augenblicklichen Position der Navigationseinrichtung 14 als
auch die Positionen Pa,b der Ortsanzeiger 12a,
b ermittelt. In einer alternativen Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung
eine separate Baueinheit, die unabhängig von der Navigationseinrichtung 14 installiert
ist bzw. bewegt werden kann. In einer alternativen Ausführungsform
bilden die Kameras der Navigationseinrichtung 14 gleichzeitig
einen Teil der Erfassungseinrichtung 24, da deren Bilder
auch zur Auswertung bzw. Bestimmung von Position bzw. Lage PE des Navigationsbereiches 16 benutzt
werden. Die Kameras können
außerdem
zur Beobachtung des Navigationsbereiches 16 benutzt werden,
indem sie diesem auf das Eindringen von Fremdobjekten 34a,
b überwachen,
z. B. einer die Sicht der Kamera verdeckenden Person oder eines
voluminösen
medizinischen Gerätes.
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Die
Erfassungseinheit 24 übermittelt
die erfassten Positionen Pa,b,E als Messgrößen 26 an
eine zum Navigationssystem 8 gehörende Regelung 28. Diese
errechnet aus den Messgrößen 26 ein
Steuersignal 30 zur Bedienung der Elektromotoren 22.
Die Steuerung 28 ermittelt hierbei die Steuersignale 30 derart,
dass die Navigationseinrichtung 14 mit Hilfe der Elektromotoren 22 bzw.
des Schienensystems 20 zu einer Position PN entlang
der Pfeile x, y verfahren wird, in welcher der Erfassungsbereich 16 so
gerichtet ist, also eine solche Lage PE aufweist,
dass die Ortsanzeiger 12a, b innerhalb diesem liegen. Die
Regelung 28 ist hierbei eine automatisch arbeitende Steuerung
und Regelung. Die Kamera in der Navigationseinrichtung 14 ist
in einer alternativen Ausführungsform
zusätzlich
durch nicht dargestellte weitere Motoren auch dreh- und schwenkbar,
um den Erfassungsbereich 16 entsprechend flexibel in geeignete Positionen
PE ausrichten zu können.
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In
einer alternativen Ausführungsform
steuert die Regelung 28 die Motoren 22 derart
an, dass die Abstände
da,b von Navigationseinrichtung 14 zu den
Ortsanzeigern 12a, b einem vorgegebenen Abstand entsprechen
oder zumindest von diesem möglichst
wenig oder um möglichst
den gleichen oder einen maximalen Betrag abweichen.
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2 zeigt
den OP-Saal 2 aus 1 mit dem
Patienten 6, an welchem jedoch mit einem alternativen Instrument 10 eine
andere medizinische Maßnahme
durchgeführt
wird. Das Navigationssystem 8 in 2 ist ein
elektromagnetisches Navigationssystem, welches eine Feldspule als
Navigationseinrichtung 14 umfasst. Sowohl am Instrument 10 als
auch am Patienten 6 sind als Ortsanzeiger 12a,
b Empfängerspulen
angebracht, welche entsprechend die Ortsposition von Patient 6 als
Position Pa und Instrument 10 als
Position Pb relativ zur Navigationseinrichtung 14 ermitteln.
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Die
Navigationseinrichtung 14 ist hier über das Schienensystem 20 an
der Liege 4 angebracht und bezüglich ihrer Ortsposition PN entlang der Pfeile x und y über Motoren 22 verstellbar.
Das Navigationssystem 8 umfasst wiederum eine Steuerung 28. In
dieser Ausführungsform
ist die Erfassungseinrichtung 24 in die Steuerung 28 integriert.
Die Erfassungseinrichtung 24 erfasst wieder die Positionen Pa,b,E von Navigationsbereich 16 und
Ortsanzeigern 12a, b. Der Navigationsbereiches 16 ist
im vorliegenden Fall der die Feldspule umgebende Raumbereich, in
welchem diese ein für
Empfängerspulen
hinreichend starkes und homogenes Magnetfeld erzeugt. Entsprechend
empfängt
die Steuerung 28 auch in 2 Messgrößen 26,
aus welchen sie die optimale Position PN der
Navigationseinrichtung 14 ermittelt und die Motoren 22 entsprechend
ansteuert um diese an die geeignete Position zu verfahren, damit
die Ortsanzeiger 12a, b sicher und optimal im Navigationsbereich 16 liegen.
Hierbei ist in dieser Ausführungsform
die Ausrichtung R des von der Feldspule erzeugten elektri schen Feldes
berücksichtigt.
Die Feldspule in Form der Navigationseinrichtung 14 wird dazu
geeignet rotiert, damit die Richtung R des Feldes die Ortsanzeiger 12a,
b in Form der Empfängerspulen
möglichst
senkrecht durchtritt.
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In
einer Ausführungsform
ist als Erweiterung der Erfassungseinrichtung 24 eine zusätzliche
Kamera 32 vorhanden, welche zur Erfassung von Fremdobjekten 34a,
b dient, nämlich
einer den Navigationsbereich störenden
Halteplatte und eines Ultraschallkopfes. Beide sind metallisch und
stören
die Feldverbindung zwischen den Ortsanzeigern 12a, b und
der Navigationseinrichtung 14. Die Steuerung 28 ist
mit der Kamera 32 über
ein Bildverarbeitungssystem 36 verbunden, um die Bildinformation
geeignet auszuwerten und daraus die Position PN der
Navigationseinrichtung 14 neu zu berechnen, damit die o.
g. Störungen
eliminiert werden können,
d. h. die Fremdobjekte nicht mehr den Navigationsbereich 16 im fraglichen
Bereich der Ortsanzeiger 12a, b stören.
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- 2
- OP-Saal
- 4
- Liege
- 6
- Patient
- 8
- Navigationssystem
- 10
- Instrument
- 12a,
b
- Ortsanzeiger
- 14
- Navigationseinrichtung
- 16
- Navigationsbereich
- 20
- Schienensystem
- 22
- Motor
- 24
- Erfassungseinrichtung
- 26
- Messgröße
- 28
- Regelung
- 30
- Steuersignal
- 32
- Kamera
- 34a,
b
- Fremdobjekt
- 36
- Bildverarbeitungssystem
- x,
y
- Pfeil
- Pa,b,N,E
- Position
- da,b
- Abstand
- R
- Ausrichtung