DE69030926T2

DE69030926T2 - Sondenkorrelierte anzeige von anatomischen bilddaten

Info

Publication number: DE69030926T2
Application number: DE69030926T
Authority: DE
Inventors: Robert Bryan; Doron Dekel; Michael Greenberg; Simion Zinreich
Original assignee: I S G TECHNOLOGIES Inc
Current assignee: Brainlab AG
Priority date: 1989-11-21
Filing date: 1990-11-21
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2010-11-22
Also published as: EP0501993B1; CA2003497C; CA2260688A1; AU6726990A; WO1991007726A1; EP0501993A1; DE69030926D1; CA2003497A1; JPH05504694A; JP3367663B2; JP2003159247A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Sichtbarmachen innerer Bereiche eines anatomischen Körpers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 20. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Position einer Sonde bezüglich verschiedener anatomischer Merkmale und zum Anzeigen der inneren anatomischen Strukturen entsprechend der Position der Sonde.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In der Druckschrift WO 88/09151 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Darstellung chirurgischer Operationen beschrieben, wobei eine Koordinatenmeßvorrichtung zum Erfassen der Position des chirurgischen Instruments vorgesehen ist. Tomogramme, welche mit zumindest drei Meßpunkten auf dem Patienten erzeugt werden, werden in einem Computer gespeichert, und die Position dieser Meßpunkte und diejenige des chirurgischen Instruments werden bestimmt. Die Positionen werden entsprechenden Tomographien auf den Schirm überlagert. Der Zweck ist die Dokumentation der Funktion und des Ergebnisses einer chirurgischen Operation in verborgenen Teilen des Körpers, und die momentane Position der chirurgischen Position oder ihr Verlauf werden während der Operation dargestellt und für eine folgende Untersuchung aufgenommen. Dazu werden Tomogramme, die mit zumindest drei Meßpunkten auf den Patienten erzeugt werden im Computer gespeichert und können auf einem Schirm angezeigt werden. Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung werden bei der Darstellung und Dokumentierung chirurgischer Operationen benutzt.
Aus dem US-Patent Nr. 4,638,798 sind ein stereotaktisches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Behandeln eines Bereichs eines Patientenkörpers bekannt, wobei Punkte im Bereich unter Benutzung eines dreidimensionalen Koordinatensystems mit Bezug auf einen am Patienten angebrachten Ring zum Einrichten eines Referenzpunkts für das dreidimensionale Koordinatensystem im Zentrum des Rings definiert werden. Der Ring und der Referenzpunkt werden für stereotaktisches Steuern von Instrumenten, welche zur Behandlung des Bereichs benutzt werden, verwendet. Der Ring ist mit Stiften, die parallel zur Achse des Rings und äquidistant vom Zentrum verlaufen, zur prazisen Lokalisierung des Zentrums und eines Basislinien-Rasters zur Korrelation zwischen dem Ort des zu behandelnden Bereichs und dem Steuersystem für die Behandlung des Bereichs versehen. Vor der Behandlung wird eine Reihe von nicht-invasiven topographischen Rastern durch den Bereich und an zumindest einem Teil der Stifte zum Bestimmen der Koordinate für zumindest einen Punkt des für die Behandlung ausgewählten Bereichs bezüglich des Zentrum des Rings erstellt. Alle Parameter dieses beschriebenen Systems der zur stereotaktischen Steuerung der für die Behandlung benutzten Instrumente werden bezüglich des Ringzentrums als Referenzpunkt bestimmt.
In der WO 90/05494 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die insbesondere zur Durchführung neurochirurgischer Operationen geeignet sind. Das beschriebene Verfahren zum Durchführen neurochirurgischer Operationen ermöglicht eine beträchtliche Reduktion des chirurgischen Traumatismus während der Beseitigung celebraler Verletzungen durch die Möglichkeit der Umwandlung von sowohl den Konturen der anatomischen Strukturen als auch der Darstellung der Vorrichtung in dreidimensionale Bilder für die stereotaktische Erfassung des beeinflußten Bereichs zusammen mit einer stereotaktischen Sonde, welche einen chirurgischen Weg definiert. Die Vorrichtung erfordert eine stereotaktische Erfassungsvorrichtung, welche ein stereotaktischer Helm ist, der einem Patienten angepaßt ist.
In den vergangenen Jahren wurde es für Chirurgen üblich, Schnittbilder der inneren Organe des Patienten zu benutzen. Die Bilder werden zum Planen des Verlaufs einer medizinischen Behandlung benutzt, sei sie diagnostisch, therapeutisch oder chirurgisch, und zur Orientierung während der Behandlung. Die Schnittbilder werden typischerweise mit Computertomographie (CT) oder mit magnetischer Resonanzabbildung (MRI) erzeugt. Die Bilder werden ebenfalls unter Benutzung von Angiographie, Einzelphotonenemissions-Computertomographie und Positonenemissions-Tomographieverfahren aufgenommen.
Die Bilder, die einem Benutzer typischerweise präsentiert werden, bestehen aus einer Reihe statischer Bilder auf einem Film. Diese Bilder sind sehr detailliert und können anatomische Strukturen von weniger als einem Millimeter in der Größe aufweisen. Jedoch unterscheidet sich ihr Format in großem Ausmaß von den tatsächlichen anatomischen Merkmalen, die während der chirurgischen Behandlung sichtbar sind. Die Bilder werden in zweidimensionaler Form und nicht in dreidimensionaler Form der anatomischen Merkmale dargestellt. Zusätzlich entspricht die Perspektive des Schnittbilds kaum dem Blickwinkel des Chirurgen während der Behandlung. Demzufolge bieten die Schnittbilder eine primitive Sichtbarmachungshilfe für die Anatomie des Patienten.
Um eine geeignet Orientierung innerhalb eines Patientenkörpers zu erhalten, können Chirurgen eine Inzision durchführen, die größer als das für die geplante Behandlung erforderliche Minimum ist. Obwohl sie ein vergrößertes Fenster für die Anatomie des Patienten schaffen, können diese größeren Inzisionen in längeren Krankenhausaufenthalten und einem erhöhten Risiko für den Patienten resultieren. Falls andererseits nur eine kleine Inzision gemacht wird, ist der Blickwinkel, der für den Chirurgen verfügbar ist, stark eingeschränkt. Daraus resultierend kann der Chirurg die Orientierung verlieren. was in zwingen kann, die Behandlung zu korrigieren oder erneut zu beginnen oder mit einem hohen Risiko für den Patienten fortzuführen.
Obwohl eine Abbildungseinrichtung zum Bilden einer Visualisierung des Patienten auf den Punkt genau benutzt werden kann, ist es unpraktisch, die Einrichtung im Operationssaal während der Behandlung zu benutzen. Zunächst sind die Anschaffungs-, Betriebs- und Wartungskosten der Abbildungseinrichtung abschrekkend. Zweitens haben Chirurgen einen begrenzten Zugang zu einem Patienten, der in einer Rastervorrichtung liegt. Weiterhin haben die magnetische Resonanzabbildung und Computertomographie Nebeneffekte, welche den Patienten gefährden und die Behandlungen behindern. Die magnetische Resonanzabbildung erzeugt ein sehr hohes statisches magnetisches Feld, das die Benutzung vieler Instrumente ausschließt. Die Computertomographie andererseits benutzt Röntgenstrahlung, welche das menschliches Gewebe bekanntermaßen zerstört und Krebs verursacht. Es ist deshalb nicht wünschenswert, einen Patienten einer Computertomographierasterung für eine längere Zeitspanne auszusetzen.
Ein bekannter Ansatz zur Lokalisierung der Anatomie während der Chirurgie wird momentan für Gehirnverletzungen benutzt. Das Verfahren ist als stereotaktische Chirurgie bekannt. Es umfaßt das feste Anbringen des Referenzrahmens an den Kopf des Patienten während des Rasterns. Unter Benutzung der durch den Rahmen in den gerasterten Bildern zurückgelassenen Marken wird die örtliche Lage der Verletzung berechnet. Während der chirugischen Behandlung wird ein Referenzrahmen wiederum an denselben Ort am Kopf des Patienten angebracht. Der Rahmen wird zum Ausrichten von Bohr- und Schneideoperationen benutzt, welche entweder manuell oder automatisch durchgeführt werden.
Die stereotaktische Chirurgie weist eine Anzahl von Nachteilen auf. Zunächst ist sie nur für lokalisierte Gehirnverletzungen anwendbar, welche einen direkten Zugangsweg haben. Zweitens erfordert die stereotaktische Chirurgie die Benutzung eines lästigen und unbequemen Referenzrahmens. Da weiterhin die Entscheidung, eine stereotaktische Chirurgie durchzuführen, üblicherweise nach einer ersten Rasterbehandlung ausgeführt wird, muß der Patient eine zweite Rasterung mit dem angebrachten Rahmen erleiden. Dies resultiert in einer verlängerten und teuren Behandlung. Weiterhin wird, falls die Rasterung die Computertomographieabbildung benutzt, der Patient einer weiteren Strahlungsdosis ausgesetzt.
Bekannt im Stand der Technik sind Systeme und Verfahren, welche so entworfen sind, daß sie die Benutzung von zuvor aufgenommenen Computertomographierastern oder magnetischen Resonanzabbildungsrastern als ein Hilfsmittel bei der üblichen offenen Neurochirurgie ermöglichen. Im allgemeinen verwenden diese Verfahren Systeme mit:
(a) einer mehrgelenkigen Sonde oder einem Sensorarm;
(b) eine Computerverarbeitungseinheit, welche die Position des Sondenarms relativ zu bestimmten Referenzpunkten auf dem Patienten berechnet; und
(c) eine Einrichtung zum Anzeigen der Überlagerung des Ortes des Sondenarms, der wie oben berechnet wird, auf die zuvor aufgenommenen Rasterbilder.
Die Anzeigemöglichkeiten solcher Systeme sind insofern begrenzt, als daß sie nur die Schnittbilder anzeigen können, welche durch die Computertomographierasterung oder durch die magnetische Resonanzabbildungsrasterung erzeugt worden sind. Ein Beispiel solch eines Systems ist in der internationalen Anmeldung, welche von Georg Schlöndovff eingereicht und unter der Nummer WO 88/09151 veröffentlicht wurde, offenbart. Diese Anmeldung betrifft hauptsächlich eine Armstruktur zum Lokalisieren der Position einer Sonde.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In einer ersten Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Sichtbarmachen innerer Bereiche eines anatomischen Körpers in Bezug auf eine Sonde unter Verwendung eines Datenbankkörpers der zuvor aufgenommenen Bilder des anatomischen Körpers, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
(a) Erhalten einer räumlichen Position für die Sonde relativ zum anatomischen Körper;
(b) Bestimmen eines Datenbankorts relativ zu dem Datenbankkörper entsprechend der räumlichen Position der Sonde relativ zum anatomischen Körper;
(c) Abbilden und Registrieren der räumlichen Position der Sonde relativ zum anatomischen Körper in dem entsprechenden Datenbankort der Sonde relativ zum Datenbankkörper; und
(d) Anzeigen eines Bereichs des Datenbankkörpers neben dem Datenbankort der Sonde, wobei der Bereich von einer Vielzahl nebeneinanderliegender Bilder des Datenbankkörpers abgeleitet wird, gekennzeichnet durch ein Erfassen einer Bewegung von sowohl der Sonde als auch dem anatomischen Körper zum Erhalten der räumlichen Position für die Sonde relativ zum anatomischen Körper derart, daß die Sonde und der anatomische Körper unabhängig verschoben werden, und derart, daß eine Registrierung zwischen dem Datenbankkörper und dem anatomischen Körper aufrechterhalten wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein System zum Sichtbarmachen innerer Bereiche eines anatomischen Körpers unter Verwendung eines Datenbankkörpers zuvor aufgenommener Bilder des anatomischen Körpers, wobei das System aufweist:
(a) eine Sonde;
(b) eine Datenbank-Speichereinheit mit den zuvor aufgenommenen Bildern des anatomischen Körpers;
(c) einen räumlichen Determinator zum Bestimmen der räumlichen Position der Sonde relativ zum anatomischen Körper;
(d) einen Computer zur Verwendung der zuvor aufgenommenen Bilder zur Erzeugung einer Darstellung eines Bereichs eines anatomischen Körpers neben der räumlichen Position der Sonde; und
(e) eine Einrichtung zum Abbilden und Registrieren der räumlichen Position der Sonde relativ zum anatomischen Körper auf dem entsprechenden Datenbankort der Sonde relativ zum Datenbankkörper; und eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen der Darstellung des anatomischen Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde und der anatomische Körper jeweils eine Einrichtung aufweisen, die es ermöglicht, daß der Determinator die räumliche Position der Sonde relativ zum anatomischen Körper derart bestimmt, daß die Sonde und der anatomische Körper unabhängig verschoben werden, und derart, daß die Registrierung zwischen dem Datenbankkörper und dem anatomischen Körper aufrechterhalten bleibt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und zum klareren Aufzeigen, wie sie ausgeführt werden kann, wird jetzt beispielshalber auf der begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, welche alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.
Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines sondenkorrelierten Abbildungssystems;
Figur 2 einen Abschnitt eines bekannten sondenkorrelierten Abbildungssystems;
Figur 3 einen Abschnitt einer zweiten Ausführungsform eines sondenkorrelierten Abbildungssystems;
Figur 4 ein erstes Anzeigeformat, das bei dem System von Figur 1 verwendet wird;
Figur 5 ein zweites Anzeigeformat, das bei dem System von Figur 1 verwendet wird; und
Figur 6 ein drittes Anzeigeformat, das bei dem System von Figur 1 verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Mit Bezug auf Figur 1 weist ein sondenkorreliertes System (1) eine Sonde (10), ein Computer (11), einen Datenspeichereinheit (12) und eine Anzeige (13) auf. Diese Komponenten sind für sich wohlbekannt und üblich. Das System (1) wird zum Sichtbarmachen der anatomischen Struktur eines Patienten (9) neben der Position der Sonde (10) verwendet.
Der Computer (11) hat leichten Zugriff auf die Einheit (12), welche einen Datenbankkörper (17) zum Darstellen der anatomischen Struktur des Patienten (9) enthält. Der Datenbankkörper (17) enthält vor aufgenommene digitale Bilder (15) des Patienten (9). Diese Bilder (15) können durch verschiedene medizinische Abbildungstechniken, wie z.B. Computertomographie, Einzelphotonenemissions-Computertomographie, Positronenemissions- Tomographie, magnetische Resonanzabbildung, Ultraschall oder Angiographie aufgenommen werden.
Zusätzlich zu den digitalen Bildern (15), die durch die medizinischen Abbildungenstechniken aufgenommen werden, kann der Datenbankkörper (17) vorverarbeitete digitale Bilder (16) enthalten. Beispielsweise können die digitalen Bilder (15) zusammen mit ihrer jeweiligen räumlichen Beziehung vorverarbeitet sein, so daß sie die verschiedenen Organoberflächen des Patienten (9) darstellen. Es gibt bekannte Systeme, die nicht gezeigt sind, welche digitale Bilder (15) lesen können, und vorverarbeitete Bilder (16) gemäß ihrer relativen räumlichen Beziehung innerhalb der anatomischen Struktur des Patienten (9) erzeugen können. Das bekannte System setzt die vorverarbeiteten Bilder (16) in den Datenbankkörper (17). Die Sonde (10) oder irgendein anderes Objekt, das als Sonde dienen kann, wird von einem Benutzer verwendet, der nicht gezeigt ist, um auf einen bestimmten Ort auf dem anatomischen Körper des Patienten (9) zu zeigen. Der Benutzer kann die Sonde (10) um oder im anatomischen Körper des Patienten (9) bewegen.
Räumliche Koordinaten, welche die räumliche Position darstellen und möglicherweise die räumliche Orientierung von der Sonde relativ zu einem festen Referenzpunkt, der im allgemeinen von dem Pfeil (20) gezeigt ist, werden an den Computer (11) geliefert. Der Referenzpunkt (20) kann entweder auf dem Patienten (9), wie gezeigt, liegen oder auf einer stabilen Plattform in der Nähe, welche nicht gezeigt ist. Es gibt eine Anzahl von alternativen Verfahren, welche zum Erhalten der räumlichen Koordinaten der Sonde (10) relativ zu ihrem Referenzpunkt (20) benutzt werden können. Die in Verbindung mit solch einem Verfahren beschriebenen Vorrichtungen werden kollektiv als räumliche Determinatoren bzw. Bestimmungseinrichtungen bezeichnet.
Mit Bezug auf Figur 1 ist ein elektromagnetischer Emitter (20a) am Referenzpunkt (20) positioniert, und ein Sensor (20b) ist auf der Sonde (10) lokalisiert. Durch Vergleichen des Zeitablaufs und der Phase der übertragenen Signale von dem Emitter (20a) mit den empfangenen Signalen, die vom Sensor (20b) aufgenommen werden, können die Position und die Orientierung der Sonde (10) relativ zum Bezugspunkt (20) bestimmt werden. Eine Sonde (10) welches dieses bekannte Lokalisierungsverfahren benutzt, ist kommerziell verfügbar. Unter Vorgabe der räumlichen Beziehung zwischen dem Referenzpunkt (20) und dem Patienten (9) kann der Computer (11) die Position der Sonde (10) relativ zum Patienten (9) bestimmen.
Mit Bezug auf Figur 2 ist es bekannt, die Sonde (10) an einem mehrgelenkigen Leichtgewichtarm (25) mit eihem ersten Abschnitt (26) und einem zweiten Abschnitt (27), welche am Gelenk (22) miteinander verbunden sind, anzubringen. Der erste Abschnitt (26) des Mehrgelenkarms (25) ist mit einer Basis (28) am Gelenk (21) verbunden. Die Basis (28) ist am Patienten (9) unter Benutzung von elastischem Haftband (23) angebracht. Die Sonde (10) ist am zweiten Abschnitt (27) am Gelenk (24) angebracht.
Die Gelenke (21), (22), (24) in Kombination bieten einen Bewegungsbereich der gleich oder größer als derjenige ist, der für eine vorgegebene Behandlung erforderlich ist. Winkelsensoren, welche nicht gezeigt sind, sind an den Gelenken (21), (22), (24) lokalisiert.
Die Winkelsensoren sind durch eine Leitung (28a) miteinander mit einer elektronischen Einheit (29) verbunden. Die Sensoren erfassen jegliche Änderung in der Position oder Orientierung des Mehrgelenkarms (25) und liefern diese Information an die elektronische Einheit (29).
Die Einheit (29) benutzt geometrische Berechnungen zum Bestimmen der räumlichen Position und der räumlichen Orientierung der Sonde (10) relativ zur Basis (28), welche als der Referenzpunkt benutzt wird. Die räumliche Position und die räumliche Orientierung der Sonde (10) werden an den Computer (11) von Figur 1 über eine elektronische Kommunikationsverbindung (27) gesendet. Eine geeignete Kommunikationsverbindung (27) würde eine serielle RS-232-Kommunikations-Schnittstelle sein. Da die Basis (28) am Körper des Patienten (9) angebracht ist, kann der Computer die räumliche Information zur Bestimmung der Position der Sonde (10) relativ zum Patienten (9) benutzen.
Alternativ kann mit Bezug auf Figur 3 in einer zweiten Ausführungsform eine Dualarm-Anordnung, die allgemein bei (31) gezeigt ist, verwendet werden. Die Anordnung (31) ist insbesondere wirksam, wenn der Mehrgelenkarm (30) von Figur 2 nicht am Patienten (9) angebracht werden kann.
Ein Ständer (35) wird zum Verankern der zwei Mehrgelenkarme (36, 37) ähnlich wie der Mehrgelenkarm (30) von Figur 2 benutzt. Eine Sonde (10) ist am anderen Ende des Arms (37) angebracht. Der Arm (36) ist an seinem anderen Ende an einem Referenzpunkt (40) am Patienten (9) angebracht. Sensoren sind an Gelenken (41, 42, 43) des Arms (37) angebracht, und an Gelenken (44, 45, 46) des Arms (36). Die Sensoren wiederum sind mit einer elektronischen Einheit (39) verbunden. Die elektronische Einheit (39) dekodiert die Position und die Orientierung der Sonde (10). Über die relativen räumlichen Positionen und Orientierungen der Sonde (10) zum Gelenk (41), des Gelenks (41) zum Gelenk (44) und des Gelenks (44) zum Referenzpunkt (40) werden die räumliche Position und die Orientierung der Sonde (10) relativ zum Patienten (9) erhalten. Die räumliche Position und Orientierung der Sonde (10) werden an den Computer (11) von Fig. 1 über die Kommunikationsverbindung (47) übertragen.
Der Referenzarm (36) der in Figur 3 gezeigt ist, kann weggelassen werden, falls der Patient (9) an einem Operationstisch (48) befestigt ist. Der Patient kann an dem Tisch (48) unter Benutzung von Bändern (49) befestigt sein. Falls der Patient (9) befestigt ist, dann kann der Referenzpunkt (40) in willkürlicher Weise im Raum fixiert sein. Die relative Position des Referenzpunktes (40) zum Gelenk (41) kann einmal bestimmt werden, und die relative Position der Sonde (10) zum Referenzpunkt (40) kann daraus bestimmt werden. Falls sich jedoch der Patient (9) während der Behandlung bewegt, muß ein neuer Referenzpunkt (40) oder eine neue räumliche Beziehung erstellt werden.
Zur Anzeige des Datenbankbildes (15) oder des vorverarbeiteten Bilds (16), das genau den Bereich des anatomischen Körpers des Patienten (9) neben der Sonde (10) entspricht, muß das System (1) in der Lage sein, Positionen des anatomischen Körpers des Patienten (9) auf Orte im Datenbankkörper (17) während der Behandlung abzubilden. In diesem Sinne ist das Abbilden ein Verfahren zum Bestimmen der momentanen räumlichen Position der Sonde (10) und des entsprechenden benachbarten Ortes des Datenbankkörpers (17). Diese Übereinstimmung kann anfänglich über ein Verfahren bestimmt werden, das den Patienten (9) auf den Datenbankkörper (17) abbildet. Dieses Verfahren ist als Registrierung bekannt, da sein Zweck die Registrierung der Übereinstimmung zwischen dem anatomischen Körper des Patienten (9) und dem Datenbankkörper (17) mit dem Computer (11) ist.
Eine Anzahl von Registrierungsverfahren ist bekannt. Beispielsweise beinhaltet ein Verfahren das Erstellen von Referenzpunkten auf dem Patienten (9). Jedoch kann das unbequem sein, und es gibt ein Risiko, daß die markierten Positionen auf den Patienten (9) zwischen der Zeit der Erzeugung der Rasterbilder (15) und der Zeit der Durchführung der chirurgischen Behandlung ausgelöscht werden. Ein weiteres Verfahren involviert die Anordnung seiner Markierungen, üblicherweise aus Cad- oder Keramikmaterial hergestellt, auf leicht identifizierbaren Merkmalen des Patienten, wie z.B. den Ohren oder den Augenwinkeln.
Das bevorzugte Registrierungsverfahren beinhaltet die Benutzung der Sonde (10) zum Registrieren der räumlichen Position leicht identifizierbarer Merkmale des Patienten mit dem Computer (11), wie z.B. den Raum zwischen den Zähnen, der Nase oder den Augenwinkeln. Bei diesem Verfahren werden die zuvor aufgenommenen Rasterbilder (15) oder die vorverarbeiteten Bilder (16) auf der Anzeige (13) derart dargestellt, daß es dem Benutzer des Systems (1) möglich ist, spezielle Punkte der ausgewählten Merkmale des Patienten (9) zu identifizieren. Ein dreidimensionales Oberflächenformat, das in Figur 6 gezeigt ist, ist das für einen untrainierten Beobachter am einfachsten zu verstehende Format. Solch ein dreidimensionales Oberflächenformat kann aus vorverarbeiteten Bildern (16) auf bekannte Art und Weise abgeleitet werden, und geeignete Punkte, wie z.B. die Augenwinkel (70), der Raum zwischen den Zähnen (72) sind in Figur 6 gezeigt.
Das Verfahren verläuft folgendermaßen. Die Sonde (10) wird neben dem Merkmalspunkt auf dem Patienten (9) gesetzt. Die räumliche Position der Sonde (10) wird dann bestimmt. Eine bewegliche Markierung, z.B. ein Cursor, auf der Anzeige (13) wird dann so eingestellt, daß er mit einem ausgewählten Merkmal zusammenfällt, z.B. den in Augenwinkeln (70), wie ersichtlich ist. Es ist ein relativ einfach für den Computer (11), die notwendige dreidimensionale Transformation durchzuführen, so daß die räumliche Position der Sonde (10) und der entsprechende Ort des Datenbankkörpers mit dem Computer (11) registriert werden. Unter Benutzung eines Satzes von zumindest drei, und vorzugsweise etwa sechs, Merkmalspunkten auf den Patienten kann eine geeignete und eindeutige Transformationsfunktion berechnet werden, die die räumliche Position der Sonde (10) auf den entsprechenden Ort und die Orientierung des Datenbankkörpers abbildet. Die Genauigkeit dieser Transformationsfunktion wird durch die Benutzung einer größeren Anzahl von Punkten und statistischer Fehlerminimierungstechniken, wie z.B. das Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate, verbessert.
Wenn einmal der anatomische Körper des Patienten (9) mit dem Computer (11) registriert ist, kann der Benutzer die Sonde (10) in und um den Patienten (9) bewegen und zur gleichen Zeit die verborgenen anatomischen Merkmale des Patienten (9) beobachten, wie sie im Datenbankkörper (17) auftreten. Die anatomischen Merkmale des Patienten im Datenbankkörper (17) werden auf der Anzeigeeinheit (13) in Bezug auf die räumliche Position und die mögliche Orientierung der Sonde (10) dargestellt.
Es ist nicht streng notwendig, daß die Orientierung der Sonde (10) zur Ausführung vieler Merkmale der Erfindung zu benutzen. Die Sonde (10) kann auf der Anzeige (13) als Punkt und nicht als volle ständige Sonde (10) dargestellt werden. Der Bereich neben der Sonde (10) wird dann angezeigt. Die Orientierung der angezeigten Bereiche ist aus dem Computer (11) bekannt und nicht durch die Orientierung der Sonde (10) bestimmt.
Ein mögliches Darstellungsformat für die Datenbankbilder (15) des Patienten (9) ist in Figur 4 gezeigt. Zweidimensionale Darstellungen oder Schnittbilder werden durch den Computer (11) aus den Datenbankbildern (15) erzeugt. die Position der Sonde (10) relativ zum anatomischen Körper (9) wird auf einem Schnittbild (50) durch den Computer (11) markiert. Das Schnittbild (50) zusammen mit der Sonde (52) werden auf der Einheit (13) angezeigt.
Der Schirm der Anzeigeeinheit (13) ist in vier getrennte Fenster unterteilt. Drei der Fenster enthalten Schnittbilder entsprechend den drei anatomischen Kardinalebenen: sagittal (50), axial (54) und koronal (56). Die drei Schnittbilder (50 54, 56) schneiden sich am Ort der Sonde (52). Somit kann der Benutzer das anatomische Merkmal des Patienten (9) relativ zur Sonde (10) in sechs Hauptrichtungen beobachten: vorn, hinten, oben, unten, rechts und links. Das vierte auf der Anzeige (13) gezeigte Fenster kann einen Schnitt (54) durch die anatomischen Merkmale in mittelsagittaler Orientierung entlang der Achse der Sonde (10) zeigen. Die Position und die Orientierung der Sonde (10) können auf dem Schnitt (57) markiert sein, um es so zu ermöglichen, daß der Benutzer direkt sieht, was vor der Sonde (10) liegt.
Ein weiteres Darstellungsformat für die Datenbankbilder (15) und die vorverarbeiteten Bilder (16) ist in Figur 5 gezeigt. Ein dreidimensionales Modell (58) des Patienten (9) wird durch den Computer (11) aus den Bildern (15, 16) erzeugt. Der Computer (11) erzeugt ebenfalls ein dreidimensionales Modell (60) der Sonde (10). Die relativen Orten der Modelle (60), (58) entsprechen der räumlichen Position und Orientierung der Sonde (10) relativ zum Patienten (9). Das dreidimensionale Modell (58) des Patienten (9), das aus den gespeicherten Bildern (15, 16) erzeugt wird, wird zusammen mit dem Modell (60) auf der Anzeigeeinheit (13) dargestellt.
Weitere Anzeigeverfahren als die Anzeigen vön Schnitten oder die Benutzung der Vorverarbeitung können in Zusammenhang mit den hierin beschriebenen Grundsätzen benutzt werden. Beispielsweise kann der Computer (11) Anzeigen direkt aus den Bildern (15) unter Benutzung eines Strahlenabbildungsverfahrens erzeugen. Beim Strahlenabbildungsverfahren erzeugt der Computer (11) die Anzeige unter Benutzung simulierter Röntgenstrahlen durch die Bilder (15). Die simulierten Röntgenstrahlen werden in verschiedener Weise durch verschiedene Elemente in den Bildern (15) gemäß ihrer relativen Absorption der Röntgenstrahlen beeinflußt. Die Resultate können zusammen mit der Sonde (10) in einer ähnlichen Weise wie der für die Schnitte oder die 3D- Bilder beschriebenen dargestellt werden. Dies erzeugt eine simulierte Röntgenstrahlenanzeige. In einem anderen Strahlabbildungsverfahren wird eine Anzeige unter Benutzung der Resultate simulierter Lichtstrahlen geschaffen, welche durch die Bilder (15) treten. Die Elemente in den Bildern (15) welche nicht die simulierten Lichtstrahlen durchlassen, entsprechen den Oberflächenmerkmalen und können benutzt werden, um eine Anzeige ähnlich dem dreidimensionalen Modell (58) zu erzeugen.
Es gibt weitere Strahlabbildungsverfahren, welche dem Stand der Technik wohlbekannt sind.
Der Computer (11) kann zur weiteren Verarbeitung des Schnittbildes (50) und der dreidimensionalen Bilder (58), die aus dem Datenbankkörper (17) erzeugt werden, benutzt werden. Beispielsweise ist ein keilförmiger Abschnitt (62) aus dem dreidimensionalen Bilde (58) ausgeschnitten. Der ausgeschnittene Bereich (62) legt verschiedene Strukturen neben der Sonde (10) frei, welcher andernfalls nicht beobachtbar wären. Zusätzlich ermöglicht der ausgeschnittene Abschnitt (62) dem Benutzer eine unbehinderte Ansicht der Position der Sonde (10), sogar falls sie innerhalb des Patienten (9) liegt. Die Schnittbilder (50) und die dreidimensionalen Bilder (58), (60) können durch den Computer (11) unter Benutzung weiterer bekannter Bildverarbeitungstechniken verarbeitet werden. Beispielsweise kann das Modell (60) der Sonde (10) durchscheinend gemacht werden, oder das Schnittbild (50) kann mit anderen Schnittansichten kombiniert werden.

Claims

1. Verfahren zum Sichtbarmachen innerer Bereiche eines anatomischen Körpers (9) in Bezug auf eine Sonde unter Verwendung eines Datenbankkörpers (17) zuvor aufgenommener Bilder des anatomischen Körpers (9), welches folgende Schritte aufweist:

a) Einrichten einer räumlichen Position für die Sonde (10) relativ zum anatomischen Körper (9);

b) Bestimmen eines Datenbankorts relativ zum Datenbankkörper (17) entsprechend der räumlichen Position der Sonde (10) relativ zum anatomischen Körper (9);

c) Abbilden und Registrieren der räumlichen Position der Sonde (10) relativ zum anatomischen Körper (9) auf dem entsprechenden Datenbankort der Sonde (10) relativ zum Datenbankkörper (17); und

d) Anzeigen eines Bereichs des Datenbankkörpers (17) neben dem Datenbankort der Sonde (10), wobei der Bereich von einer Vielzahl benachbarter Bilder des Datenbankkörpers (17) abgeleitet wird,

gekennzeichnet durch

den Schritt des Erfassens der Bewegung von sowohl der Sonde (10) als auch des anatomischen Körpers (9) zum Erhalten der räumlichen Position für die Sonde (10) relativ zum anatomischen Körper (9), derart daß die Sonde (10) und der anatomische Körper (9) unabhängig verschoben werden, und derart, daß die Registrierung zwischen dem Datenbankkörper (17) und dem anatomischen Körper (9) aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Anzeigen eines Bereichs des Datenbankkörpers (17) neben dem Datenbankort der Sonde (10) folgende Schritte aufweist:

a) Erzeugen eines Schnittbildes aus den zuvor aufgenommenen Bildern und Schneiden einer Vielzahl der benachbarten Bilder, darstellend eines Bereichs des Datenbankkörpers (17) neben einem Datenbankort der Sonde (10); und

b) Anzeigen des Schnittbilds.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

a) Erzeugen eines dreidimensionalen Körpermodells aus dem zuvor aufgenommenen Bildern, darstellend einen Bereich des Datenbankkörpers neben dem Datenbankort der Sonde; und

b) Anzeigen des dreidimensionalen Körpermodells.

4. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Anzeigen eines Bereichs des Datenbankkörpers neben dem Datenbankort der Sonde folgende Schritte aufweist:

a) Erzeugen eines dreidimensionalen Körpermodelis aus zuvor aufgenommenen Bildern, welche zur Abbildung anatomischer Merkmale vorverarbeitet sind und welche einen Bereich des Datenbankkörpers neben dem Datenbankort der Sonde darstellen; und

b) Anzeigen des dreidimensionalen Körpermodells.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (a) ein Bereich des dreidimensionalen Körpermodelis entfernt wird, um einen Ort entsprechend dem Ort der Sonde (10) freizulegen.

6. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

a) Erzeugen eines Anzeigeformats unter Benutzung eines Strahlenabbildungsverfahrens auf zuvor aufgenommenen Bildern zum Darstellen eines Bereichs des Datenbankkörpers neben dem Datenbankort der Sonde; und

b) Anzeigen des Anzeigeformats.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenabbildungsverfahren aus der Gruppe bestehend aus Röntgenstrahlung und Lichtstrahlung ausgewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeformat ein dreidimensionales Format ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Orientierung der Sonde (10) zusammen mit ihrer räumlichen Position erhalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Darstellung der Sonde zusammen mit dem Bereich des Datenbankkörpers (17) neben dem Datenbankort der Sonde (10) angezeigt wird, und daß die relativen Orte der Dar stellung der Sonde (10) und des Datenbankkörpers (17) der räumlichen Position der Sonde (10) relativ zum anatomischen Körper (9) entsprechen.

11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Darstellung der Sonde (10) mit dem dreidimensionalen Körpermodell angezeigt wird, wobei der relative Ort der Darstellung der Sonde (10) zum dreidimensionalen Körpermodell der räumlichen Position der Sonde (10) relativ zum anatomischen Körper (9) entspricht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung der Sonde (10) genau der tatsächlichen Sonde entspricht, wobei die Darstellung der Sonde zusätzlich so orientiert ist, daß sie der Orientierung der Sonde bezüglich des anatomischen Körpers (9) entspricht, und wobei die Perspektive der Darstellung der Sonde (10) und des dreidimensionalen Körpermodells einander entsprechen.

13. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Registrierung vor dem Erhalten der räumlichen Position, wobei die Registrierung folgende Schritte aufweist:

a) Positionieren der Sonde (10) neben einem bestimmten Merkmal des anatomischen Körpers (9);

b) Bestimmen einer räumlichen Position der Sonde (10);

c) Anzeigen eines Bereichs des Datenbankkörpers (17) mit einem Datenbankkörpermerkmal entsprechend dem bestimmten Merkmal;

d) Identifizieren des bestimmten Merkmals auf dem angezeigten Bereich; und

e) Registrieren der räumlichen Position der Sonde und des Ortes auf dem Datenbankkörper entsprechend der Position des bestimmten Merkmals;

wodurch ein Datenbankort bestimmt wird, der einer räumlichen Position der Sonde (10) entspricht.

14. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Registrierung vor dem Erhalten der räumlichen Position&sub1; wobei die Registrierung folgende Schritte aufweist:

a) Markieren von Orten in dem Datenbankkörper (17), welche bestimmten Merkmalen des anatomischen Körpers (9) entsprechen;

b) Positionieren der Sonde (10) nahe einem bestimmten Merkmal des anatomischen Körpers (9);

c) Bestimmen der räumlichen Position der Sonde (10);

d) Registrieren der räumlichen Position der Sonde (10) und ihres entsprechenden Datenbankkörperorts;

wodurch ein Datenbankkörperort bestimmt wird, der mit einer räumlichen Position der Sonde (10) übereinstimmt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Registrierung vor dem Erhalten der räumlichen Position, wobei die Registrierung folgende Schritte aufweist:

a) Markieren einer Position auf dem anatomischen Körper (9) eines bestimmten gescannten Bildes mit einem entsprechenden Ort im Datenbankkörper (17);

b) Positionieren der Sonde (10) nahe der markierten Position auf dem anatomischen Körper (9);

c) Bestimmen der räumlichen Position der Sonde (10);

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige von Schritt (c) eine dreidimensionale Anzeige ist.

17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 16. dadurch gekennzeichnet, daß mehr als drei Datenbankorte identifiziert werden und daß Fehler zwischen den entsprechenden Datenbankorten und den räumlichen Positionen minimalisiert werden, um die Genauigkeit des Registrierungsschritts zu verbessern.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehler unter Benutzung einer Analyse der kleinsten Fehlerquadrate minimalisiert werden.

19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (10) derart mit dem anatomischen Körper (9) verbunden ist, daß falls der anatomische Körper (9) nach der Registrierung verschoben wird, die Registrierung zwischen dem Datenbankkörper (17) und dem anatomischen Körper (9) aufrechterhalten wird.

20. System zum Sichtbarmachen innerer Bereiche eines anatomischen Körpers unter Benutzung eines Datenbankkörpers (17) zuvor aufgenommener Bilder des anatomischen Körpers (9), welches aufweist:

eine Sonde (10);

eine Datenbankspeichereinheit (12) mit den zuvor aufgenommenen Bildern des anatomischen Körpers (9);

einen räumlichen Determinator (20a, 20b, 36, 37, 39) zum Bestimmen der räumlichen Position der Sonde (10) relativ zum anatomischen Körper (9);

einen Computer (11), welcher die zuvor aufgenommenen Bilder benutzt, um eine Darstellung eines Bereichs des anatomischen Körpers (9) neben der räumlichen Position der Sonde (10) zu erzeugen;

eine Einrichtung (11) zum Abbilden und Registrieren der räumlichen Position der Sonde relativ zum anatomischen Körper (9) auf dem entsprechenden Datenbankort der Sonde (10) relativ zum Datenbankkörper (9);

eine Anzeigeeinheit (13) zum Anzeigen der Darstellung des anatomischen Körpers,

dadurch gekennzeichnet,

daß

die Sonde (10) und der anatomische Körper (9) jeweils eine Einrichtung (20a, 20b, 26, 27) aufweisen, welche es ermöglicht, daß der Determinator die räumliche Position der Sonde (10) relativ zum anatomischen Körper (9) derart bestimmt, daß die Sonde (10) und der anatomische Körper (9) unabhängig verschiebbar sind, und derart, daß die Registrierung zwischen dem Datenbankkörper (17) und dem anatomischen Körper (9) aufrechterhalten bleibt.

21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten Darstellungen in einem dreidimensionalen Oberflächenformat angezeigt werden.

22. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer (11) derart gestaltet ist, daß er für den Ort in der Datenbankspeichereinheit entsprechend der räumlichen Position der Sonde (10) so initialisiert wird, daß er die Sonde neben einem bestimmten Merkmalspunkt des anatomischen Körpers (9) positioniert hat, daß eine räumliche Position der Sonde (10) bestimmt wird, daß ein Bereich des Datenbankkörpers (17) mit einem Datenbankkörpermerkmal entsprechend dem bestimmten Merkmal auf dem angezeigten Bereich angezeigt wird und daß die räumliche Position der Sonde (10) und der Ort auf dem Datenbankkörper (17) entsprechend der Position des bestimmten Merkmals registriert werden.

23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten Bilder in einem dreidimensionalen Format während der Registrierung verschoben werden, und daß die bestimmten Merkmale auf dem dreidimensionalen Format identifiziert werden.

24. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Determinator (20a, 20b, 36, 37, 39) aufweist:

a) einen elektromagnetischen Emitter auf einem Referenzpunkt zum Übertragen eines Signales;

b) einen Sensor auf der Sonde (10) zum Empfangen des Signals; und

c) eine Einrichtung zum Vergleichen des übertragenen Signals mit dem empfangenden Signal zur Bestimmung der Position der Sonde (10).

25. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Determinator (20a, 20b, 36, 37, 39) aufweist:

a) erste, zweite, dritte und vierte Abschnitte;

b) einen Ständer;

c) ein erstes Gelenk zwischen dem ersten Abschnitt und der Sonde;

d) ein zweites Gelenk zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt;

e) ein drittes Gelenk zwischen dem zweiten Abschnitt und dem Ständer;

f) ein viertes Gelenk zwischen dem Ständer und dem dritten Abschnitt;

g) ein fünftes Gelenk zwischen dem dritten Abschnitt und dem vierten Abschnitt;

h) ein sechstes Gelenk zwischen dem vierten Abschnitt und einem Referenzpunkt, dessen räumliche Position relativ zum anatomischen Körper bekannt ist;

e) Sensoren, welche an den Gelenken angeordnet sind; und

j) eine Einrichtung, die mit den Sensoren verbunden ist, zum Bestimmen der Position der Sonde relativ zum anatomischen Körper.

26. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Determinator (20, 20b, 36, 36, 39) die räumliche Orientierung der Sonde (10) sowie ihre räumliche Position bestimmt.