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Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Navigationssystem mit einer ersten Nachweisvorrichtung zum Detektieren einer Position und/oder Orientierung mindestens einer mindestens ein Markerelement umfassenden chirurgischen Referenzierungseinheit im Raum, welche erste Nachweisvorrichtung zwei Detektoren umfasst.
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Chirurgische Navigationssysteme der eingangs beschriebenen Art kommen insbesondere in der Chirurgie zum Einsatz, beispielsweise bei der Implantation von Hüft- und Kniegelenken. Mit ihnen werden Positionen und/oder Orientierungen von am Patienten und/oder an Instrumenten befestigten Referenzierungseinheiten, die auch als ”Rigid Bodies” bezeichnet werden, bestimmt. Als erste Nachweiseinrichtung kommen häufig Stereokameras zum Einsatz, die zwei in einer definierten Position zueinander angeordnete CCD-Kameras umfassen. Statt der CCD-Kameras können auch Detektoren vorgesehen sein, mit denen Ultraschall nachgewiesen oder detektiert werden kann.
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Problem bekannter chirurgischer Navigationssysteme sind jedoch stets die ”Sichtbarkeit” der am Patienten und/oder den Instrumenten angeordneten Referenzierungseinheiten sowie die Genauigkeit der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein chirurgisches Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass eine Detektion von Position und/oder Orientierung der mindestens einen Referenzierungseinheit präziser wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem chirurgischen Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zwei Detektoren relativ zueinander definiert bewegbar angeordnet sind.
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Die vorgeschlagene Weiterbildung bekannter chirurgischer Navigationssysteme hat den Vorteil, dass die zwei Detektoren unabhängig voneinander bewegt werden können. Dies ermöglicht es, sie beispielsweise im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs so zu positionieren, dass die zu verfolgenden oder zu überwachenden Referenzierungseinheiten, deren Positionen und/oder Orientierungen erfasst werden sollen, bestens erkennbar sind. Sollte dies nicht mehr der Fall sein, besteht die Möglichkeit, die zwei Detektoren relativ zueinander so definiert zu bewegen, dass auch eine Lage und/oder Orientierung der Detektoren relativ zueinander immer bekannt bleibt. So ist es möglich, die zwei Detektoren nicht mehr wie bislang nur in einer festen Beziehung zueinander zum Einsatz zu bringen, beispielsweise an einer Halterung, die im Wesentlichen in einer festen räumlichen Beziehung zum Operationstisch steht, sondern sie insbesondere auch über dem Operationstisch anzuordnen und unabhängig voneinander definiert auszurichten.
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Günstig ist es, wenn das chirurgische Navigationssystem eine zweite Nachweisvorrichtung zum Detektieren einer Relativposition und/oder oder einer relativen Orientierung der zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung relativ zueinander umfasst. Die zweite Nachweisvorrichtung muss somit nicht zwingend eine absolute Position der zwei Detektoren im Raum bestimmen können, sondern lediglich eine Relativposition und/oder eine relative Orientierung der zwei Detektoren zueinander. Die genaue Relativposition und/oder die genaue relative Orientierung der zwei Detektoren ist jedoch wichtig, um mit hoher Präzision die Position und/oder Orientierung einer am Patienten oder einem Instrument angeordneten Referenzierungseinheit ermitteln zu können. Durch die zweite Nachweisvorrichtung können insbesondere auch Änderungen von Position und/oder Orientierung der zwei Detektoren relativ zueinander im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs ermittelt werden, so dass Probleme bei am Markt verfügbaren chirurgischen Navigationssystemen, die zu einer Ungenauigkeit der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung von Referenzierungseinheiten führen, wie beispielsweise äußere Einflüsse durch Schlag, Temperaturänderung, Luftdruckänderung, Feuchtigkeit im Operationssaal sowie Alterung der Komponenten, automatisch durch den Einsatz der die vorgesehenen zweiten Nachweisvorrichtung eliminiert werden können.
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Grundsätzlich wäre es denkbar, die zwei Detektoren zunächst zu relativ zueinander zu positionieren und zueinander auszurichten und dann mittels der zweiten Nachweisvorrichtung deren Relativposition und/oder relative Orientierung zu ermitteln. Um einem Operateur einen uneingeschränkten Einsatz des chirurgischen Navigationssystems zu ermöglichen, das heißt insbesondere eine Veränderung von Position und/oder Orientierung der zwei Detektoren relativ zueinander im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs feststellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die zweite Nachweisvorrichtung ausgebildet ist zum Detektieren einer Relativposition und/oder einer relativen Orientierung der zwei Detektoren relativ zueinander in Echtzeit. Mit anderen Worten ist so zu jeder Zeit beim Betrieb des chirurgischen Navigationssystems eine Relativposition und/oder eine relative Orientierung der zwei Detektoren bestimmbar und damit bekannt. Auf diese Weise lassen sich Positionen und/oder Orientierungen von Referenzierungseinheiten im Raum jederzeit mit höchster Präzision ermitteln.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweite Nachweiseinrichtung mindestens einen dritten Detektor umfasst, welcher einem ersten der zwei Detektoren zugeordnet ist und in einer festen räumlichen Beziehung zu diesem steht, und dass mit dem dritten Detektor eine Position und/oder eine Orientierung im Raum eines zweiten der zwei Detektoren relativ zum ersten Detektor bestimmbar ist. Selbstverständlich ist es auch denkbar, noch einen vierten Detektor vorzusehen, der in analoger Weise, wie der dritte Detektor dem ersten Detektor zugeordnet ist, dem zweiten Detektor zugeordnet ist. Mit der zweiten Nachweisvorrichtung ist so eine Position des ersten und zweiten Detektors relativ zueinander und/oder einer relativen Orientierung derselben ermittelbar. Um die Genauigkeit des Systems zu erhöhen und eine gewisse Redundanz vorzusehen, kann beispielsweise, wie angedeutet, ein vierter Detektor vorgesehen sein. Denkbar ist es auch, die zweite Nachweisvorrichtung nicht in einer festen räumlichen Beziehung zu einem oder zu beiden der zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung vorzusehen, sondern als dritten Detektor eine herkömmliche Nachweis- oder Detektionsvorrichtung chirurgischer Navigationssysteme zu nutzen, das heißt den ersten und den zweiten Detektor selbst mit einer Referenzierungseinheit auszustatten, die in einer festen Beziehung zum jeweiligen Detektor steht, um somit deren Position und indirekt damit die Position des ersten und des zweiten Detektors zu ermitteln. Auf diese Weise lassen sich auch relative Positions- und/oder Orientierungsänderungen bestimmen.
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Besonders einfach wird der Aufbau des chirurgischen Navigationssystems, wenn der dritte Detektor einen Sensor zum Nachweisen elektromagnetischer Strahlung oder Ultraschall umfasst. Es ist dann insbesondere denkbar, denjenigen Detektor der ersten Nachweisvorrichtung, dem der dritte Detektor nicht zugeordnet ist, mit einer Referenzierungseinheit auszustatten, so dass der dritte Detektor direkt eine Position und/oder Orientierung des zweiten Detektors der ersten Nachweisvorrichtung ermitteln kann.
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In besonders einfacher und kostengünstiger Weise lässt sich das chirurgische Navigationssystem ausbilden, wenn der dritte Detektor in Form einer Kamera ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Kamera in Form einer CCD-Kamera ausgebildet.
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Günstig ist es, wenn die Kamera in Form einer Stereokamera ausgebildet ist. Mit einer solchen lässt sich beispielsweise eine Relativposition und/oder eine relative Orientierung einer am zweiten Detektor angeordneten Referenzierungseinheit direkt ermitteln.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass einem ersten und/oder einem zweiten der zwei Detektoren mindestens ein Markerelement zugeordnet ist, welches in einer festen räumlichen Beziehung zum jeweiligen Detektor steht und dessen Position und/oder Orientierung im Raum mit dem dritten Detektor bestimmbar ist. Wie bereits dargelegt, kann so mittels des dritten Detektors direkt eine Relativposition des zweiten Detektors der ersten Nachweisvorrichtung zum ersten Detektor ermittelt werden. Bei einer Detektion in Echtzeit sind so eine Position und/oder eine Orientierung der zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung relativ zueinander jederzeit bekannt, so dass sich Positionen und/oder Orientierungen von mit der ersten Nachweisvorrichtung überwachten Referenzierungseinheiten mit hoher Präzision bestimmen lassen.
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Günstig ist es, wenn das mindestens eine Markerelement Teil einer Referenzierungseinheit ist, deren Position und/oder Orientierung im Raum mit der zweiten Nachweisvorrichtung detektierbar ist. Es kann dabei insbesondere eine Referenzierungseinheit eingesetzt werden, die zur Positionsbestimmung markanter Punkte am Patienten oder von Instrumenten zum Einsatz kommt.
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Vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Markerelement in Form eines aktiven Markerelements ausgebildet ist zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung oder von Ultraschall. Für den Einsatz derartiger Markerelemente ist es ausreichend, wenn der dritte Detektor ausgebildet ist, um elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall entsprechend nachweisen zu können. Allerdings ist für ein aktives Markerelement in der Regel eine Energieversorgung erforderlich.
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Um unabhängig von einer Energievorsorgung sein zu können, ist es günstig, wenn das mindestens eine Markerelement in Form eines passiven Markerelements ausgebildet ist zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung oder von Ultraschall. Elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall kann beispielsweise von einer dem dritten Detektor zugeordneten Sendeeinrichtung abgegeben werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass dem ersten und/oder dem zweiten Detektor mindestens ein Lagesensor zugeordnet ist, welcher in einer festen räumlichen Beziehung zum jeweiligen Detektor steht. Mit dem Lagersensor ist es möglich, Änderungen von dessen Lage im Raum zu bestimmen. Werden so beispielsweise die zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung zu Beginn ihres Einsatzes in eine relativ zueinander bekannte Position gebracht und ihre Orientierung entsprechend ausgerichtet, so ist es mit einem oder zwei Lagesensoren, die dem ersten und/oder dem zweiten Detektor zugeordnet sind, möglich, direkt Positions- und/oder Orientierungsänderungen des ersten und/oder des zweiten Detektors gegenüber ihrer ursprünglich Position zu bestimmen. Damit lässt sich jedoch deren unter Umständen geänderte Relativposition und/oder geänderte relative Orientierung gegenüber dem Ausgangszustand ermitteln. Mit derartigen Lagesensoren kann insbesondere auf eine zweite Navigationsvorrichtung sogar verzichtet werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Lagesensor ausgebildet ist zum Messen einer Positions- und/oder Lageänderung desjenigen Detektors, dem er zugeordnet ist. Damit kann eine Positionsänderung des jeweiligen Detektors im Raum oder eine Änderung von dessen Orientierung im Raum ermittelt werden. Damit kann jedoch eine Relativposition sowie eine relative Orientierung der zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung jederzeit rechnerisch ermittelt werden.
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Günstig ist es, wenn der mindestens eine Lagesensor ausgebildet ist zum Detektieren von Bewegungsänderungen in mindestens drei Freiheitsgraden. Vorzugsweise kann er Bewegungsänderungen in bis zu sechs Freiheitsgraden ermitteln. Damit lassen sich mit hoher Präzision eine Änderung der Lage und/oder der Orientierung des Lagesensors im Raum und damit entsprechend auch des ihm zugeordneten Detektors ermitteln.
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Besonders einfach und kostengünstig ausbilden lässt sich das chirurgische Navigationssystem, wenn der mindestens eine Lagesensor in Form eines Inertialsensors ausgebildet ist. So können insbesondere herkömmliche, am Markt verfügbare Lagesensoren zum Einsatz kommen. In Abhängigkeit von deren Präzision kann dann auch die Genauigkeit der Bestimmung von Position und/oder Orientierung von Referenzierungseinheiten im Raum mittels der ersten Nachweisvorrichtung vorgegeben werden.
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Die Handhabung des chirurgischen Navigationssystems lässt sich auf einfache Weise insbesondere dadurch verbessern, dass die zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung an voneinander räumlich getrennten Einrichtungen angeordnet oder ausgebildet sind. Räumlich voneinander getrennt ist hier insbesondere so zu verstehen, dass sie unabhängig voneinander an Boden, Decke oder Wänden eines Operationssaals befestigt sein können.
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Vorteilhafterweise sind die Einrichtungen in Form von Leuchten ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei den Leuchten um OP-Leuchten handeln. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass OP-Leuchten im Einsatz, also während eines chirurgischen Eingriffs, üblicherweise derart angeordnet und orientiert werden, dass das Operationsfeld optimal ausgeleuchtet ist. Damit kann gleichzeitig erreicht werden, dass beim chirurgischen Eingriff eingesetzte Referenzierungseinheiten, die am Patienten oder an Instrumenten befestigt sind, umgekehrt für die zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung auch gut sichtbar sind.
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Günstigerweise umfassen die zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung einen Sensor zum Nachweisen elektromagnetischer Strahlung oder von Ultraschall. Damit ist es möglich, den Aufbau des chirurgischen Navigationssystems so einfach wie möglich zu halten, denn es können insbesondere Detektoren verwendet werden, die auch bei derzeit am Markt verfügbaren Navigationssystemen zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist es, wenn die zwei Detektoren jeweils in Form einer Kamera ausgebildet sind. Mit diesen lässt sich beispielsweise elektromagnetische Strahlung, insbesondere im Infrarotbereich, auf einfache Weise detektieren. Besonders einfach und kostengünstig ist es, wenn die Kamera in Form einer CCD-Kamera ausgebildet ist.
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Die nachfolgende Beschreibung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.
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1 zeigt eine schematische Gesamtanordnung eines chirurgischen Navigationssystems.
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Das schematisch in 1 dargestellte und insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Navigationssystem ist ausgebildet zur Bestimmung von Lage und/oder Orientierung von Referenzierungseinheiten 12 im Raum, die am Patienten 14 oder an Instrumenten 16 angeordnet sind, um eine Position und/oder Orientierung beispielsweise markanter Punkte am Patienten 14 oder der Instrumente 16 im Raum zu bestimmen.
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Zur Bestimmung von Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten im Raum umfasst das Navigationssystem 10 eine erste Nachweisvorrichtung 18 mit einem ersten Detektor 20 und einem zweiten Detektor 22, die relativ zueinander definiert bewegbar angeordnet sind. Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Detektoren 20 und 22 an zwei voneinander räumlich getrennten Einrichtungen 24 und 26 in Form von OP-Leuchten 28 und 30 angeordnet.
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Je nach Ausgestaltung des Navigationssystems können die zwei Detektoren 20 und 22 wahlweise Sensoren zum Nachweisen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung oder Funkwellen, oder von Ultraschall erfassen. Dies hängt im Wesentlichen davon ab, welcher Art die Referenzierungseinheiten 12 sind. Handelt es sich bei den Referenzierungseinheiten 12 um Referenzierungseinheiten mit aktiven Markerelementen 32, die elektromagnetische Strahlung aussenden, beispielsweise Infrarotstrahlung, sind die Detektoren 20 und 22 entsprechend zum Nachweis von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Infrarotstrahlung ausgebildet. Senden die Markerelemente 32 Ultraschall aus, werden vorzugsweise die Detektoren 20 und 22 eingesetzt, mit denen Ultraschall nachgewiesen werden kann.
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Handelt es sich bei den Referenzierungseinheiten 12 um Referenzierungseinheiten mit sogenannten passiven Markerelementen 32, ist jedem Detektor 20 beziehungsweise 22 optional eine Sendeeinrichtung 34 beziehungsweise 36 zugeordnet, mit welchen elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall ausgesendet werden können. Passive Markerelemente 32 sind insbesondere ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall zu reflektieren. Diese benötigen im Gegensatz zu aktiven Markerelementen 32 keine Energieversorgung.
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Das Navigationssystem 10 umfasst ferner eine elektronische Datenverarbeitungsanlage 38 mit jeweils einer Recheneinheit 40 und einer Anzeigeeinrichtung 42 in Form eines Monitors 44, um einem Operateur Informationen über Lage und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum anzuzeigen. Diese werden mittels der EDV-Anlage 38 aus den ihr zugeleiteten Messwerten der Detektoren 20 und 22, die mit ihr über elektrische Leitungen oder drahtlos verbunden sein können, in bei chirurgischen Navigationssystem bekannter Weise ermittelt.
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Da die OP-Leuchten 28 und 30 relativ zueinander bewegbar sind, was es einem Operateur ermöglicht, ein Operationsfeld in optimaler Weise auszuleuchten, sind somit auch die Detektoren 20 und 22 relativ zueinander bewegbar. Um jedoch Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum mit hoher Präzision ermitteln zu können, ist es erforderlich, die relative Position und/oder relative Orientierung der Detektoren 20 und 22 relativ zueinander genau zu kennen. Um Änderungen der relativen Position und/oder der relativen Orientierung der Detektoren 20 und 22 bestimmen zu können, ist mindestens einer der Detektoren 20 und 22 mit einem Lagesensor 46 ausgestattet, welcher in einer festen räumlichen Beziehung zum jeweiligen Detektor 20 beziehungsweise 22 steht. Der Lagesensor 46 ist vorzugsweise in Form eines Inertialsensors 48 ausgebildet, mit dem bis zu sechs Freiheitsgrade der Bewegung detektierbar sind. So lässt sich infolge einer Bewegung der OP-Leuchte 28 beziehungsweise 30 mit dem jeweiligen Inertialsensor 48 eine Änderung der Position und/oder der Orientierung des Detektors 20 beziehungsweise 22 im Raum ermitteln. Messwerte der Inertialsensoren 48 werden ebenfalls an die EDV-Anlage 38 weitergeleitet, welche dann, vorzugsweise in Echtzeit, Relativposition und/oder die relative Orientierung der Detektoren 20 und 22 bestimmen kann, die als Voraussetzung zur präzisen Bestimmung von Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum erforderlich ist.
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Die Vorgehensweise beim Einsatz des beschriebenen Navigationssystems 10 ist daher folgendermaßen.
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Nach Inbetriebnahme des Navigationssystems 10 werden zunächst die Position und/oder die Orientierung der Detektoren 20 und 22 relativ zueinander bestimmt. Hierfür können die OP-Leuchten 28 und 30 beispielsweise mit jeweils einer aktiven oder passiven Referenzierungseinheit 50 mit mindestens drei, vorzugsweise sechs Markerelementen 52 ausgestattet sein. Deren Position und/oder relative Orientierung zueinander im Raum lässt sich beispielsweise mit einer zweiten Nachweisvorrichtung 54 bestimmen. Abhängig von der Art der Referenzierungseinheiten 50 kann die zweite Nachweisvorrichtung 54 ausgebildet sein zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung und/oder Ultraschall. Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Nachweisvorrichtung 54 in Form einer Stereokamera 56 mit zwei CCD-Kameras 58. Die CCD-Kameras 58 stehen in einer festen räumlichen Beziehung zueinander. Allerdings weist die Nachweisvorrichtung 54 keine Vorkehrungen auf, um äußere Einflüsse wie Schlageinwirkung, Temperaturänderung, Luftdruckänderung, Feuchtigkeit oder Alterung von Komponenten zu kompensieren, so dass sich insbesondere im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs die relative Position und/oder die relative Orientierung der CCD-Kameras 58 zwar wenig, aber dennoch ändern können, was zu einer verminderten Genauigkeit bei der Bestimmung von Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum führt.
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Die zweite Nachweisvorrichtung 54 ist mit der EDV-Anlage 38 gekoppelt, so dass diese zumindest initial die genaue Lage und/oder Orientierung der Detektoren 20 und 22 berechnen kann.
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Sind die Lage und/oder Orientierung des ersten Detektors und des zweiten Detektors 22 relativ zueinander ermittelt, wird die zweite Nachweisvorrichtung 54, die lediglich ein Beispiel dafür ist, wie die relative Position und/oder die relative Orientierung der Detektoren 20 und 22 zu Beginn eines chirurgischen Eingriffs kalibriert werden können, nicht mehr benötigt. Änderungen von Lage und/oder Orientierung der Detektoren 20 und 22 relativ zueinander können nun mittels der Lagesensoren 46 bestimmt und von der EDV-Anlage 38 bei der Berechnung von Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum berücksichtigt werden. Mit der Anzeigeeinrichtung 42 können dann lediglich diejenigen Informationen einem Operateur dargestellt werden, die er für den chirurgischen Eingriff überhaupt nur benötigt, nämlich insbesondere Lage und/oder Orientierung derjenigen markanten Punkte am Patienten 14 sowie der Instrumente 16, die für den Eingriff von Bedeutung sind.
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Alternativ zum Einsatz der zweiten Nachweisvorrichtung 54 kann beispielsweise auch eine Spitze 66 eines mit einem Inertialsensor 62 ausgestatteten Kalibrierinstruments 60 genutzt werden, welches ausgehend von einer Ausgangsposition, die beispielsweise durch eine entsprechende Halterung 64 oder Aufnahme für die Spitze 66 definiert werden kann, in definierter Weise mit einer dem ersten Detektor 20 und mit einer dem zweiten Detektor 22 zugeordneten Kalibrieraufnahme 68 beziehungsweise 70 in Kontakt gebracht wird, wobei dann die relative Position der Kalibrieraufnahmen 68 beziehungsweise 70 relativ zur Ausgangsposition des Kalibrierinstruments 60 ermittelt und so rechnerisch eine relative Position und/oder Orientierung der Detektoren 20 und 22 zueinander im Raum ermittelbar ist.
