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Title:
METHOD FOR NAVIGATING IN THE INTERIOR OF THE BODY USING THREE-DIMENSIONALLY VISUALISED STRUCTURES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/009611
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a method for navigating in the interior of the body using three-dimensionally visualised structures. In a first step of this method, at least two two-dimensional images (50, 50') of the same anatomical object (12) from different perspectives and information enabling the respective spatial position of an imaging system in relation to the anatomical object (12) to be determined are provided. The projections (76, 76', 78, 78') of a geometrical structure (80, 82) to be visualised are then determined in each two-dimensional image (50, 50'), the geometrical structure (80, 82) to be visualised being different from the anatomical object (12). A conical surface (40, 40') is then generated in space for each image (50, 50'), the spatial positions of the tip of the cone (46, 46') and the guiding curve of the cone being determined from the respective spatial position of the imaging system and the shape of the guiding curve of the cone being determined from the shape of the projection (76, 76', 78, 78') of the geometrical structure (80, 82) to be visualised on the image (50, 50'). A spatial section of the individual conical surfaces (40, 40') is finally made in order to determine the geometrical structure (80, 82) and the geometrical structure (80, 82) that is determined and/or a section of several geometrical structures (80, 82) determined is represented and this representation is used for navigating.

Inventors:
Schweikard, Achim (Vereinstrasse 77 Hamburg, 20357, DE)
Doetter, Manfred (Buelowstrasse 32 München, 81679, DE)
Roth, Michael (Rugendastrasse 5 Augsburg, 86153, DE)
Application Number:
PCT/EP2001/008844
Publication Date:
February 07, 2002
Filing Date:
July 31, 2001
Export Citation:
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Assignee:
STRYKER LEIBINGER GMBH & CO., KG. (Bötzinger Strasse 41 Freiburg, 79111, DE)
Schweikard, Achim (Vereinstrasse 77 Hamburg, 20357, DE)
Doetter, Manfred (Buelowstrasse 32 München, 81679, DE)
Roth, Michael (Rugendastrasse 5 Augsburg, 86153, DE)
International Classes:
A61B34/20; A61B90/00; G06T15/20; A61B34/10; (IPC1-7): A61B19/00
Foreign References:
DE19807884A11999-09-09
US4899318A1990-02-06
Other References:
Keine Recherche
Attorney, Agent or Firm:
Von Hellfeld, Axel (Wuesthoff & Wuesthoff Schweigerstrasse 2 München, 81541, DE)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Navigieren im Körperinneren anhand dreidi mensional visualisierter Strukturen, enthaltend die Schritte : Bereitstellen von mindestens zwei zweidimensionalen Aufnahmen (50,50') desselben anatomischen Objekts (12) aus unterschiedlichen Aufnahmepositionen sowie von Informationen, welche einen Rückschluss auf die jeweilige räumliche Lage eines Aufnahmesystems (26) relativ zum anatomischen Objekt (12) gestatten ; Festlegen einer Projektion (76,76,78,78) einer zu visualisierenden geometrischen Struktur (72,80,82) oder eines Teils hiervon in jeder zweidimensionalen Auf nahme, wobei die zu visualisierende geometrische Struk tur (72,80,82) vom anatomischen Objekt (12) verschie den ist ; Generieren einer Kegelfläche (40,40') im Raum für jede Aufnahme (50,50'), wobei die räumlichen Lagen von Ke gelspitze (46,46') und Kegelleitkurve aus der jeweili gen räumlichen Lage des Aufnahmesystems (26) und die Form der Kegelleitkurve aus der Form der Projektion (76, 76, 78,78) der zu visualisierenden geometrischen Struktur (72,80,82) ermittelt werden ; Bilden eines räumlichen Schnittes der einzelnen Kegel flächen (40,40') zur Ermittlung der geometrischen Struktur (72,80,82) ; und Darstellen der ermittelten geometrischen Struktur (72, 80,82) und/oder eines Schnittes (74) mehrerer ermittel ter geometrischer Strukturen (72,80,82) und Verwenden der Darstellung zum Navigieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festgelegte Projektion der geometrischen Struktur (72,80,82) ein Punkt, eine Gerade (76,76'), ein Kreissegment (78,78') oder eine andere linienartige Struktur ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die zu visualisierende geometrische Struktur ein Punkt (72), eine Gerade (82), eine Ebene, eine Kugel (80) oder eine andere zweioder dreidimensionale Struk tur ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die zweidimensionalen Aufnahmen (50,50') durch Röntgenverfahren und/oder Magnetoresonanzverfahren generiert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der räumliche Schnitt anhand mindes tens eines weiteren Datensatzes des anatomischen Objekts (12) überarbeitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Datensatz eine zweidimensionale oder drei dimensionale Aufnahme oder ein generisches Modell des anatomischen Objekts (12) verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch inverse Berechnungen geeignete Aufnahmepositionen für weitere zweidimensionale Aufnahmen ermittelt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die räumliche Lage eines zu navigierenden Instruments (14) relativ zur geometri schen Struktur (72,80,82) oder zum Schnitt (74) gra phisch dargestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass die Wirkachse (60,60', 60'', 60''') des chirurgischen Instruments (14) graphisch dargestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass die einzelnen zweidimensionalen Auf nahmen (50,50', 50'', 50''') unter Berücksichtigung ih rer jeweiligen Aufnahmeposition (46,46') graphisch dar gestellt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Navigationshilfe in Form einer Tunnelstruktur (92) graphisch dargestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass außer der Navigationshilfe (92) eine separate Richtungs anzeige (96) für die Navigation des chirurgischen In struments (14) graphisch dargestellt wird.
13. Verfahren zum Navigieren im Körperinneren anhand dreidi mensional visualisierter Strukturen, enthaltend die Schritte : Bereitstellen von mindestens zwei zweidimensionalen RöntgenAufnahmen (50,50') desselben Knochens (12) aus unterschiedlichen Aufnahmepositionen, von Informationen, welche einen Rückschluss auf die jeweilige räumliche La ge eines RöntgenAufnahmesystems (26) relativ zum Kno chen (12) gestatten, sowie eines Magnetoresonanz Datensatzes des Knochens (12) ; Festlegen einer Projektion (76,76,78,78) einer 0 berfläche oder eines Umrisses der Spongiosa des Knochens (12) in jeder zweidimensionalen RöntgenAufnahme ; Generieren einer Kegelfläche (40,40') im Raum für jede Aufnahme (50,50'), wobei die räumlichen Lagen von Ke gelspitze (46,46') und Kegelleitkurve aus der jeweili gen räumlichen Lage des Aufnahmesystems (26) und die Form der Kegelleitkurve aus der Form der festgelegten Projektion ermittelt werden ; Bilden eines räumlichen Schnittes der einzelnen Kegel flächen (40,40') zur Ermittlung eines ersten Modells der Spongiosa ; Ermittlung eines zweiten Modells der Spongiosa aus dem MagnetoresonanzDatensatz ; Erzeugen einer Darstellung des Knochens (12) durch Kom binaticn der beiden Modelle und Verwenden der Darstel lung zum Navigieren.
Description:
VERFAHREN ZUM NAVIGIEREN IM KÖRPERINNEREN ANHAND DREIDIMENSIONAL VISUALISIERTER STRUKTUREN Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Navigieren bei- spielsweise eines chirurgischen Instruments oder eines Endo- skops im Körperinneren anhand dreidimensional visualisierter Strukturen.

Während chirurgischer Operationen wird in der Regel ange- strebt, einen möglichst kleinen Schnitt durch die Haut des Patienten vorzunehmen. Dieser Schnitt ist oftmals gerade groß genug, um die zu behandelnde anatomische Struktur im Körper- inneren mit chirurgischen Instrumenten erreichen zu können.

Aus diesem Grund ist es für den Chirurgen schwierig und oft- mals sogar unmöglich, die operationsrelevanten anatomischen Strukturen des Patienten optisch zu erfassen. Auch die Lage z. B. chirurgischer Instrumente relativ zu einem zu behan- delnden anatomischen Objekt ist oftmals für den Chirurgen nicht einsehbar. Aus diesem Grund gewinnen Verfahren zur Vi- sualisierung von Strukturen im Körperinneren zum Zweck der Navigation derartiger Instrumente zunehmend an Bedeutung.

In der DE 198 07 884 AI wird ein Verfahren zum Navigieren ei- nes chirurgischen Instruments im Körperinneren beschrieben.

Gemäß diesem Verfahren werden mittels einer Aufnahmevorrich- tung mehrere Aufnahmen aus unterschiedlichen Positionen und Orientierungen gemacht und die relativen Positionen und Ori- entierungen der Aufnahmen zueinander bestimmt. Anschließend wird mit Hilfe dieser Aufnahmen intraoperativ die relative Position eines anatomischen Zielobjekts zu dem chirurgischen Instrument ermittelt und visualisiert.

Sowohl für die exakte Planung einer Operation als auch für die optische Überwachung des Operationsverlaufes sind zweidi-

mensionale Aufnahmen wie Röntgenaufnahmen in der Regel nicht ausreichend. Es besteht daher das Erfordernis, dreidimensio- nale Darstellungen einzusetzen.

Derartige dreidimensionale Darstellungen lassen sich bei- spielsweise mittels der Computertomographie (CT) erzeugen.

CT-Verfahren werden aufgrund der apparativen Gegebenheiten und aufgrund des hohen Rechenaufwandes in erster Linie zur Gewinnung präoperativer Daten verwendet. Für eine intraopera- tive, d. h. während der Operation erfolgende Visualisierung sind CT-Verfahren daher nicht geeignet. Weiterhin ist in vie- len Fällen die mit den CT-Verfahren einhergehende hohe Strah- lenbelastung für den Patienten unerwünscht.

Zur Vermeidung hoher Strahlenbelastungen kann daran gedacht werden, die zur Planung der Operation und zur Überwachung des Operationsverlaufs erforderliche, dreidimensionale Darstel- lung aus zwei oder mehr zweidimensionalen Darstellungen zu generieren. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der US 4,899,318 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Navigieren anhand dreidimensional visualisierter Strukturen im Körperinneren anzugeben, welches hohe Strahlenbelastungen des Patienten vermeidet, mit wenig Rechenaufwand verbunden ist und daher insbesondere auch für den intraoperativen Ein- satz geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt mindestens zwei zweidimensionale Aufnah- men desselben anatomischen Objekts aus unterschiedlichen Auf- nahmepositionen sowie Informationen über die jeweilige räum- liche Lage des Aufnahmesystems relativ zum anatomischen Ob- jekt bereitgestellt werden. In einem zweiten Schritt wird an- schließend in jeder der zweidimensionalen Aufnahmen eine Pro- jektion mindestens einer zu visualisierenden geometrischen Struktur festgelegt, wobei die zu visualisierende geometri-

sche Struktur vom anatomischen Objekt verschieden ist. In ei- nem dritten Schritt wird für jede der Aufnahmen eine Kegel- fläche im Raum generiert, wobei die räumliche Lage von Kegel- spitze und Kegelleitkurve aus der räumlichen Lage des Aufnah- mesystems und die Form der Kegelleitkurve aus der festgeleg- ten Projektion der zu visualisierenden geometrischen Struktur auf der jeweiligen Aufnahme ermittelt werden. In einem vier- ten Schritt wird der räumliche Schnitt der einzelnen Kegel- flächen gebildet, wobei dieser räumliche Schnitt der im Kör- perinneren zu visualisierenden geometrischen Struktur ent- spricht. Anschließend wird die derart ermittelte geometrische Struktur oder ein Schnitt mehrerer derart ermittelter geometrischer Strukturen oder sowohl die Strukturen als auch deren Schnitt graphisch dargestellt und die Darstellung zur Navigation verwendet.

Zweckmäßigerweise wird als Navigationshilfe zusätzlich zu der geometrischen Navigationsstruktur auch noch entweder das ana- tomische Objekt oder ein z. B. chirurgisches Instrument, oder beide, dreidimensional graphisch dargestellt. Die dreidimen- sionale Darstellung des anatomischen Objekts und des chirur- gischen Instruments kann dabei auf die gleiche oder auf ähn- liche Weise wie die dreidimensionale Darstellung der geomet- rischen Struktur gewonnen werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird folglich aus auf weni- gen zweidimensionalen Aufnahmen festgelegten Projektionen ein dreidimensionales Modell der zu visualisierenden geometri- schen Struktur erstellt und anhand dieses Modells navigiert.

Da im einfachsten Fall lediglich zwei zweidimensionale Auf- nahmen vorhanden sein müssen, und diese beiden Aufnahmen nicht notwendigerweise mit einem bildgebenden Verfahren, wel- ches Röntgenstrahlung oder andere energiereiche Strahlung verwendet, erstellt sein müssen, ist bei dem erfindungsgemä- ßen Visualisierungsverfahren die Strahlenbelastung für den Patienten im Vergleich zu herkömmlichen CT-Verfahren vernach- lässigbar gering. Da außerdem auch die zu bearbeitenden Da-

tenmengen insbesondere im Vergleich zu CT-Verfahren relativ gering sind, kann die Visualisierung äußerst schnell und so- gar intraoperativ durchgeführt werden, um dem Chirurgen aktu- elle Informationen über den Verlauf der Operation zur Verfü- gung zu stellen. Weiterhin kann die Strahlenbelastung für das OP-Team erheblich reduziert werden.

Das Festlegen der Projektionen auf den Aufnahmen kann auf un- terschiedliche Art und Weise geschehen, beispielsweise auto- matisch, teilautomatisch oder manuell. Zweckmäßigerweise er- folgt das Festlegen derart, dass nach dem Festlegen Informa- tionen betreffend die festgelegten Projektionen als digitale Daten zur Verfügung stehen und zum Zweck der Visualisierung rechnergestützt weiterverarbeitet werden können.

Beim Festlegen der Projektion der geometrischen Struktur auf den einzelnen Aufnahmen wird gleichzeitig die Gestalt der zu visualisierenden geometrischen Struktur bestimmt. Die in ei- ner bestimmten Aufnahme festzulegende Projektion kann bei- spielsweise ein Punkt, eine Gerade, ein Kreissegment oder ei- ne beliebige andere linienartige Struktur sein. Bei der zu visualisierenden geometrischen Struktur kann es sich um eine beliebige eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensi- onale Struktur wie einen Punkt, eine Gerade, eine Ebene oder eine Kugel handeln.

Die zu visualisierende geometrische Struktur stimmt nicht mit dem auf den zweidimensionalen Aufnahme abgebildeten anatomi- schen Objekt überein, kann aber aus diesem abgeleitet sein.

So ist es beispielsweise möglich, auf einer Aufnahme eines Femurknochens eine Kreissegmentprojektion im Bereich des ku- gelförmigen Kopfes des Femurknochens festzulegen, um eine Na- vigationshilfe in Gestalt einer geometrischen Kugelstruktur zu visualisieren. Das Navigieren anhand derart visualisierter geometrischer Strukturen hat gegenüber dem Navigieren anhand beispielsweise des Femurknochens oder eines Modells des Fe- murknochens den Vorteil, dass es einfacher, übersichtlicher

und daher auch sicherer und schneller ist. Daher lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Navigationsverfahrens nicht nur die Operationsdauer verkürzen, sondern auch die Operationssi- cherheit erhöhen.

Die Ermittlung von Informationen, welche einen Rückschluss auf die räumlichen Lagen des Aufnahmesystems gestatten, in der die Aufnahme aufgenommen wurde, kann auf vielfältige Wei- se geschehen. So kann beispielsweise die räumliche Lage des Aufnahmesystems unveränderlich und, in der Regel, im Voraus bekannt sein, und die Lage des anatomischen Objekts von Auf- nahme zu Aufnahme geändert werden. Aus der jeweiligen Lage des anatomischen Objekts lässt sich dann unter der Annahme eines ortsfesten, anatomischen Objekts auf die jeweiligen fiktiven Aufnahmepositionen zurückrechnen.

Andererseits ist es auch möglich und oftmals sogar zweckmä- ßig, das anatomische Objekt ortsfest im Raum zu platzieren und die räumliche Lage des Aufnahmesystems von Aufnahme zu Aufnahme zu verändern. Zur Ermittlung der jeweiligen räumli- chen Lagen des Aufnahmesystems wird in diesem Fall vorzugs- weise mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Tracking- System gearbeitet. Bei Verwendung eines Röntgen- Aufnahmesystems mit einem C-Bogen kann am C-Bogen ein Marker für ein im Raum installiertes Infrarot-Tracking-System ange- bracht sein. Die genaue räumliche Lage des C-Bogens, welche einen Rückschluss auf die räumlichen Lagen einer Röntgenquel- le und eines Röntgendetektors gestattet, kann dann über das Tracking-System ermittelt werden. Durch die räumliche Lage der Röntgenquelle und des Röntgendetektors ist die räumliche Lage der Kegelfläche bestimmt. Weiterhin kann die Lage des C- Bogens bestimmt werden, indem ein ortsfester Roboter verwen- det wird. Der Roboter bewegt ein mit röntgendichten Marken versehenes Kalibrierobjekt in den Strahlengang des C-Bogens.

Aus der Lage der Marken im Bild kann die Stellung des C- Bogens berechnet werden.

Die einzelnen zweidimensionalen Aufnahmen können auf unter- schiedliche Art erstellt werden. Je nach Aufnahmemethode wer- den die räumlichen Lagen von Kegelspitze und Kegelleitkurve auf unterschiedliche Weise bestimmt. Bei dem bereits erwähn- ten, bevorzugt zum Einsatz kommenden Röntgen- Aufnahmeverfahren ist das anatomische Objekt, und gegebenen- falls auch das chirurgische Instrument, zwischen einer Rönt- genquelle und einem Röntgendetektor angeordnet. Im einfachs- ten Fall entspricht die räumliche Lage der Röntgenquelle der räumlichen Lage der Kegelspitze und die räumliche Lage des Röntgendetektors der räumlichen Lage der Kegelleitkurve. So- fern Röntgenoptiken verwendet werden, lässt sich aus den Kenndaten der Röntgenoptiken auf die räumlichen Lagen von Ke- gelspitze und Kegelleitkurve zurückrechnen. Auch wenn die zweidimensionalen Aufnahmen durch andere bildgebende Verfah- ren als Röntgenverfahren (Infrarot-Verfahren, Ultraschall- Verfahren, MR-Verfahren, usw.) erstellt wurden, ist es in der Regel erforderlich, zusätzlich die jeweiligen Systemparame- tern des Aufnahmesystems bei der Ermittlung der räumlichen Lagen von Kegelspitze und Kegelleitkurve zu berücksichtigen.

Vorteilhafterweise wird für jede zweidimensionale Aufnahme eine Kegelfläche im Raum generiert. Eine Kegelfläche entsteht durch Bewegen einer Geraden, welche durch einen festen Punkt, die Kegelspitze, geht, längs einer Kurve, der Kegelleitkurve.

Die Kegelleitkurve bestimmt folglich die Form der Kegelflä- che.

Die Kegelleitkurve kann eine Gerade sein, welche etwa als vom Chirurgen angestrebte Vorzugsrichtung in den einzelnen Auf- nahmen festgelegt ist. Die Vorzugsrichtung kann diejenige Richtung kennzeichnen, aus welcher sich z. B. ein Endoskop o- der ein chirurgisches Instrument einem zu behandelnden, ana- tomischen Objekt nähern soll. Für den Fall, dass die Kegel- leitkurve eine Gerade ist, weist die zugehörige Kegelfläche eine Dreiecksgestalt auf.

Im Extremfall kann die Kegelleitkurve auch ein Punkt sein, welcher beispielsweise als Zielposition in jeder der Aufnah- men festgelegt ist. Diese Zielposition kann eine Stelle kenn- zeichnen, an welcher ein chirurgischer Eingriff stattfinden soll. Bei einer punktförmigen Kegelleitkurve weist die zuge- hörige Kegelfläche die Gestalt einer Geraden auf.

Im Gegensatz zur dreidimensionalen Visualisierung eines ana- tomischen Objekts wie eines Femurknochens, welche anhand le- diglich zweier Aufnahme nur näherungsweise erfolgen kann (s.

Fig. 4), können eine zu visualisierende Vorzugsrichtung oder eine zu visualisierende Kugel mittels zweier Aufnahmen, d. h. mittels des Schnitts zweier Kegel, exakt und eindeutig fest- gelegt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche auch unabhängig von der Visualisierung geometrischer Struktu- ren zum Einsatz gelangen kann, wird nach dem Bilden des räum- lichen Schnittes einzelner Kegelflächen mindestens ein weite- rer Datensatz, welcher präoperativ oder intraoperativ er- stellt wurde, zur verfeinernden Korrektur z. B. eines Nähe- rungsmodells eines anatomischen Objekts herangezogen. Bei diesem weiteren Datensatz kann es sich um einen Datensatz handeln, welcher durch ein Magnetoresonanz-Verfahren (MR- Verfahren) erstellt wurde. Die MR-Tomographie besitzt den Vorteil, dass sie mit keiner Strahlenbelastung für den Pati- enten verbunden ist. Es kann beispielsweise eine dreidimensi- onale Darstellung eines anatomischen Objekts, welche aus zweidimensionalen Röntgenaufnahmen generiert wurde, mittels einer oder mehrerer MR-Aufnahmen verfeinert werden. Umgekehrt ist es möglich, eine dreidimensionale Darstellung des anato- mischen Objekts, welche aus zweidimensionalen MR-Aufnahmen gewonnen wurde, mit Hilfe zusätzlich aufgenommener Röntgen- bilder zu verfeinern.

So kann beispielsweise daran gedacht werden, in einem ersten Schritt mindestens zwei zweidimensionale Röntgen-Aufnahmen

desselben Knochens aus unterschiedlichen Aufnahmepositionen, Informationen, welche einen Rückschluss auf die jeweilige räumliche Lage des Röntgen-Aufnahmesystems relativ zum Kno- chen gestatten, sowie einen MR-Datensatz des Knochens bereit- zustellen. Anschließend kann eine Projektion einer Oberfläche oder eines Umrisses der Spongiosa des Knochens in jeder zwei- dimensionalen Röntgen-Aufnahme festgelegt werden und für jede Röntgen-Aufnahme eine Kegelfläche im Raum generiert werden, wobei die räumlichen Lagen von Kegelspitze und Kegelleitkurve aus der jeweiligen räumlichen Lage des Aufnahmesystems und die Form der Kegelleitkurve aus der Form der Projektion er- mittelt werden. Zur Ermittlung eines ersten Modells der Ober- fläche der Spongiosa kann ein räumlicher Schnitt der einzel- nen Kegelflächen gebildet werden und aus dem MR-Datensatz kann ein zweites Modell der Spongiosa ermittelt werden. Eine Darstellung des Knochens lässt sich dann durch Kombination der beiden Modelle erzeugen, wobei anhand der Darstellung z. B. navigiert werden kann. Das erste dreidimensionale Modell kann auch auf anderer Weise als vorstehend erläutert ermit- telt werden.

Eine Korrektur der aus dem räumlichen Schnitt der Kegelflä- chen resultierenden geometrischen Struktur oder eines Nähe- rungsmodells des anatomischen Objekts kann auch durch einen solchen Datensatz erfolgen, welcher ein generisches, formva- riables Modell der Struktur oder des Objekts enthält. Ein derartiges, generisches Modell kann beispielsweise aus anato- mischen Atlanten abgeleitet werden oder aus einem exakten Mo- dell eines nach Alter, Geschlecht, Herkunft usw. vergleichba- ren Patienten gewonnen werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird nach der Be- rechnung einer dreidimensionalen Darstellung z. B. einer geo- metrischen Struktur, eines anatomischen Objekts oder eines chirurgischen Instruments eine inverse Berechnung angestellt, um geeignete räumliche Lagen des Aufnahmesystems für weitere zweidimensionale Aufnahmen zur Verbesserung der Darstellung

zu ermitteln. Vorzugsweise werden diese Berechnungen intrao- perativ durchgeführt und noch während der Operation entspre- chend aufbereitet, um die anfängliche Darstellung nach und nach zu verfeinern. So können dem Chirurgen Aufnahmerichtun- gen für den C-Bogen eines Röntgen-Aufnahmesystems angezeigt werden, aus denen eine Durchleuchtung aufgrund der bisherigen Berechnungen sinnvoll erscheint.

Im Falle der intraoperativen Visualisierung wird vorzugsweise außer der zu behandelnden, anatomischen Struktur gleichzeitig die aktuelle Position eines zu navigierenden Instrumentes wie eines chirurgischen Instrumentes, eines Endoskops usw. darge- stellt. Die Position des Instrumentes relativ zur zu behan- delnden, anatomischen Struktur kann auf unterschiedliche Art und Weise ermittelt werden. So kann beispielsweise am Instru- ment der Marker eines Tracking-Systems angebracht werden und die aktuelle Position des Instrumentes mit Hilfe des Tra- cking-Systems ermittelt werden. Andererseits wäre es auch denkbar, die Position des Instruments mit Hilfe des erfin- dungsgemäßen Visualisierungsverfahren zu ermitteln. Vorzugs- weise wird außer dem Instrument auch noch die Wirkachse des Instruments dargestellt. Die Wirkachse gibt z. B. diejenige Richtung an, in welcher ein chirurgisches Instrument zur An- wendung kommt. Weiterhin kann noch der aktuelle Abstand des Instruments von dem zu behandelnden, anatomischen Objekt an- gezeigt werden.

Außer der zu visualisierenden geometrischen Struktur können gleichzeitig auch noch die einzelnen zweidimensionalen Auf- nahmen, welche der Visualisierung der geometrischen Struktur zugrundeliegen, graphisch dargestellt werden. Die einzelnen zweidimensionalen Aufnahmen können in der Darstellung derart angeordnet werden, dass ihre räumliche Lage in der graphi- schen Darstellung mit ihrer jeweiligen Aufnahmeposition kor- respondiert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in der vorstehend beschriebenen graphischen Darstellung der zu visualisierenden geometrischen Struktur oder in einer separa- ten Darstellung eine Navigationshilfe für das Instrument ab- gebildet sein. Die Navigationshilfe zeigt z. B. die aktuelle Position der Wirkachse des chirurgischen Instruments relativ zu einer visualisierenden Vorzugsrichtung in Gestalt einer Tunnelstruktur an. Die Navigationshilfe kann weiterhin Rich- tungspfeile umfassen, welche das Ausrichten der Wirkachse entlang der Vorzugsrichtung erleichtern.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen und den Figuren. Es zeigt : Fig. 1 eine schematische Darstellung eines operativen Ein- griffs unter Zuhilfenahme eines Tracking-Systems ; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kegelfläche ; Fig. 3 die Ermittlung eines Modells einer zu visualisie- renden Struktur unter Zuhilfenahme des räumlichen Schnitts zweier Kegelflächen ; Fig. 4 die Navigation eines chirurgischen Instruments un- ter Zuhilfenahme der zweidimensionalen Aufnahmen und des Modells der zu visualisierenden Struktur ; Fig. 5 eine zweidimensionale Schnittansicht des räumlichen Schnitts zweier Kegelflächen ; Fig. 6 eine erfindungsgemäße Darstellung eines chirurgi- schen Eingriffs auf einem Bildschirm ; Fig. 7 einen geplanten operativen Eingriff mit einem chi- rurgischen Bohrer ;

Fig. 8 zwei Röntgenaufnahmen zur Vorbereitung des chirur- gischen Eingriffs gemäß Fig. 7 ; Fig. 9 die Ermittlung eines Modells der gemäß Fig. 7 zu visualisierenden Struktur ; und Fig. 10 bis 12 eine erfindungsgemäße Navigationshilfe.

In Fig. 1 ist ein Operationsszenario auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Visualisierungsverfahren schematisch darge- stellt. Auf einem Operationstisch 10 ist ein operativ zu be- handelndes anatomisches Objekt in Gestalt eines Femurknochens 12 angeordnet. Der operative Eingriff wird unter Zuhilfenahme eines chirurgischen Instruments 14 durchgeführt. An dem chi- rurgischen Instrument 14 ist ein Marker 16 eines Infrarot- Tracking-Systems befestigt. Dieser Marker 16 ist zum Senden von infraroter Strahlung ausgebildet. Das Infrarot-Tracking- System umfasst weiterhin einen ortsfest angeordneten Infra- rotdetektor 18. Ein Lokalisierungsrechner 20 des Tracking- Systems errechnet aus den vom Infrarot-Detektor 12 empfange- nen Signalen die aktuelle räumliche Lage des mit dem Marker 16 versehenen chirurgischen Instruments 14. Die errechneten räumlichen Koordinaten werden vom Lokalisierungsrechner 20 über einen Datenbus an einen Zentralrechner 22 übermittelt, dort graphisch aufbereitet und auf einem Bildschirm 24 gra- phisch dargestellt.

In Fig. 1 ist weiterhin ein Röntgen-Aufnahmesystem 26 mit ei- nem C-Bogen 28 dargestellt. An einem der beiden Enden des C- Bogens 28 ist eine Röntgenquelle 30 und an dem gegenüberlie- genden Ende des C-Bogens 28 ein Röntgendetektor 32 angeord- net. Die von dem Röntgen-Aufnahmesystem 26 erstellten, zwei- dimensionalen Aufnahmen werden über einen Datenbus dem Zent- ralrechner 22 in digitalisierter Form zugeführt. Gleichzeitig dient der Zentralrechner 22 auch zur Steuerung des Röntgen- Aufnahmesystems 26.

Bereits im Vorfeld des operativen Eingriffs wurden durch das Röntgen-Aufnahmesystem 26 eine Mehrzahl zweidimensionaler Aufnahmen erstellt und im Zentralrechner 22 erfindungsgemäß verarbeitet. Beim Röntgen-Aufnahmesystem 26 ist die räumliche Lage der Aufnahmeposition durch die räumliche Lage der Rönt- genquelle 30 und die räumliche Lage der Bildebene durch die räumliche Lage des Röntgendetektors 32 vorgegeben. Zur Be- stimmung der räumlichen Lage von Röntgenquelle 30 und Rönt- gendetektor 32 ist am C-Bogen 28 des Röntgen-Aufnahmesystems 26 ein weiterer Marker 34 befestigt, dessen Aufbau mit dem Aufbau des am chirurgischen Instrument 14 angeordneten Mar- kers 16 übereinstimmt. Mittels des Infrarotdetektors 18 des Infrarot-Tracking-Systems kann somit neben der räumlichen La- ge des chirurgischen Instruments 14 auch die räumliche Lage der Aufnahmeposition und der Bildebene ermittelt werden. Die diesbezüglichen Informationen werden ebenfalls über den Loka- lisierungsrechner 20 dem Zentralrechner 22 zur Verfügung ge- stellt.

Der Zentralrechner 22 generiert aus den intraoperativ gewon- nenen zweidimensionalen Aufnahmen ein dreidimensionales Nähe- rungsmodell des Femurknochens 12 und stellt dieses Näherungs- modell, eine zu visualisierende geometrische Struktur sowie die relative Lage des chirurgischen Instruments 14 zum Fe- murknochen 12 bzw. zur geometrischen Struktur auf dem Bild- schirm 24 graphisch dar.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 12 die Durchführung des erfindungsgemäßen Visualisierungsverfahrens näher erläutert.

In Fig. 2 ist eine Kegelfläche 40 dargestellt. Diese Kegel- fläche 40 entsteht durch Bewegung einer Geraden 42, welche durch die Kegelspitze 46 verläuft, längs der Kegelleitkurve 44. Die Kegelfläche erstreckt sich ausgehend von der Kegel- spitze 46 entlang der Geraden 42 ins Unendliche und schließt die Leitkurve 44 mit ein.

Nachdem in Fig. 2 das Generieren einer Kegelfläche beispiel- haft erläutert wurde, erschließt sich die dreidimensionale Visualisierung mittels Kegelflächen durch Betrachten von Fig.

3. In Fig. 3 sind zwei Kegelflächen 40 und 40'in ihrer rela- tiven räumlichen Anordnung zueinander dargestellt. Weiterhin dargestellt in Fig. 3 sind zwei zweidimensionale Aufnahmen 50,50', welche von dem in Fig. 1 dargestellten Röntgen- Aufnahmesystem 26 aufgenommen wurden. Die räumlichen Lagen der Kegelspitzen 46,46'der beiden Kegel 40,40'sind durch die räumlichen Lagen der Röntgenquelle zum jeweiligen Aufnah- mezeitpunkt der beiden Aufnahmen 50,50'festgelegt. Die Form jeder Kegelleitkurve 44,44'ist durch den jeweiligen Umriss des in den Aufnahmen 50,50'beispielhaft dargestellten Fe- murknochens bestimmt. In Fig. 3 sind die beiden Aufnahmen 50, 50'in derjenigen räumlichen Lage angeordnet, in welcher sich die jeweilige Bildebene befand.

Durch Bilden des räumlichen Schnitts der Kegelfläche 40 mit der Kegelfläche 40'erhält man ein Näherungsmodell 52 des a- natomischen Objekts in Gestalt des in Fig. 1 im Original dar- gestellten Femurknochens 12.

Wie Fig. 3 entnommen werden kann, ist das Näherungsmodell 52 des Femurknochens noch vergleichsweise grob. Eine Verfeine- rung des Modells 52 kann dadurch erfolgen, dass neben den beiden Aufnahmen 50,50'noch weitere Aufnahmen des Femurkno- chens 12 aus zusätzlichen Aufnahmepositionen aufgenommen wer- den und das Näherungsmodell nachfolgend auf der Grundlage des räumlichen Schnitts von drei oder mehr Kegelflächen ermittelt wird.

Eine weitere Möglichkeit, um das Näherungsmodell 52 zu verbessern, besteht darin, bei der Erstellung des Näherungs- modells 52 einen präoperativ ermittelten MR-Datensatz des in Fig. 1 dargestellten Femurknochens zu berücksichtigen. Auch

mit Hilfe der MR-Tomographie lässt sich nämlich ein dreidi- mensionales Modell des Femurknochens 12 berechnen.

Ein typischer Knochen ist aufgebaut aus einem weichen Kernge- webe (Spongiosa), der umhüllt ist von einer dünnen Schicht aus härterem Gewebe (Kortikalis). Die Dicke der Kortikalis- Schicht ist variabel. Obwohl der Einsatz von MR-Tomographie wünschenswert ist, ist in MR-Bildern die Kortikalis-Schicht sehr schwer automatisch zu segmentieren. Allerdings ist so- wohl der Rand der Kortikalisschicht, als auch der darunter- liegende Rand der Spongiosa im Röntgenbild sichtbar. Ein grundsätzliches Problem bei der MR-Tomographie besteht also darin, dass lediglich die Spongiosa des Femurknochens gut sichtbar abgebildet wird, während die äußere Kortikaliss- chicht schwarz erscheint. Das aus dem MR-Datensatz erhältli- che dreidimensionale Modell stimmt somit nicht mit der tat- sächlichen Gestalt des Femurknochens 12 überein, da die äuße- re Kortikalisschicht fehlt. Trotzdem erlaubt das MR-Modell Rückschlüsse auf die Form des Femurknochens, welche zur Ver- feinerung des in Fig. 3 dargestellten Näherungsmodells 52 verwendet werden können.

Daher kann folgendermaßen vorgegangen werden : Der Rand der Spongiosa wird in den Röntgenaufnahmen markiert, und es wird die Oberfläche der Spongiosa im Kernspinbild automatisch seg- mentiert. Anschließend kann zum Registrierungsschritt (räum- licher Abgleich der Lage von Kernspinbild zu Röhtgenbildern) ein Verfahren zur Überdeckung der beiden letzten Strukturen (2D-Röntgenkonturen und 3D-Kernspinoberfläche, jeweils bei der Spongiosa) benutzt werden. So kann die tatsächliche Kno- chenoberfläche (mit Kortikalisschicht) visualisiert werden und als Grundlage für die Navigation fungieren.

Auch kann daran gedacht werden, in den in Fig. 3 dargestell- ten Aufnahmen 50,50'die Kontur der Spongiosa zu markieren und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Spongiosa- Struktur zu visualisieren. Auf diese Weise kann die genaue

räumliche Lage der Spongiosastruktur festgestellt werden. An- schließend kann die Form der Spongiosastruktur unter Verwen- dung des MR-Datensatzes überarbeitet werden.

In Fig. 4 ist ein zweidimensionaler Schnitt durch die in Fig.

3 dargestellte, räumliche Anordnung abgebildet. Die in Fig. 4 dargestellte Schnittebene enthält die beiden Kegelspitzen 46, 46'sowie zwei Geraden 54,56, welche die Kegelfläche 40 be- grenzen, und zwei Geraden 54', 56', welche die Kegelfläche 40'begrenzen. Der Schnittbereich dieser vier Begrenzungsge- raden 54,56,54', 56'legt den durch die in Fig. 4 darge- stellte Ebene verlaufenden Querschnitt des Näherungsmodells 52 fest.

In Fig. 4 ist ebenfalls der tatsächliche, kreisförmige Quer- schnitt des Femurknochens 12 eingezeichnet. Folglich lässt sich Fig. 4 die Abweichung des Querschnitts des Näherungsmo- dells 52 vom tatsächlichen Querschnitt des Femurknochens 12 entnehmen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist die Abweichung des Näherungsmodells 52 von der tatsächlichen Gestalt des Fe- murknochens 12 dort besonders stark, wo sich die Begrenzungs- geraden 54,56,54', 56'schneiden. Diese Erkenntnis kann da- zu benutzt werden, die Aufnahmepositionen im Hinblick auf die Position des geplanten, operativen Eingriffes zu optimieren.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Möglichkeit einer intraoperati- ven graphischen Darstellung des nach dem vorstehend beschrie- benen Visualisierungsverfahren ermittelten Näherungsmodells 52 auf dem in Fig. 1 dargestellten Bildschirm 24. Außer dem Näherungsmodell 52 wird auch die aktuelle Position des chi- rurgischen Instruments 14 relativ zum Näherungsmodell 52 gra- phisch dargestellt. Die aktuelle Position des chirurgischen Instruments 14 wird wie vorstehend erläutert mit Hilfe des in Fig. 1 dargestellten Infrarot-Tracking-Systems ermittelt. Zur Visualisierung der Form des chirurgischen Instruments 14 wird auf einen vorher abgespeicherten CAD-Datensatz zurückgegrif- fen.

Auf dem Bildschirm 24 werden außer dem Näherungsmodell 52 und dem chirurgischen Instrument 14 noch drei zweidimensionale Aufnahmen 50,50', 50''des Femurknochens 12 dargestellt.

Diese Aufnahmen 50,50', 50''wurden mit Hilfe des in Fig. 1 dargestellten Röntgen-Aufnahmesystems 26 erstellt. Sie sind auf dem Bildschirm 24 bezüglich der Näherungsmodells 52 in derjenigen räumlichen Lage dargestellt, in welcher sich der Röntgendetektor 32 bei Anfertigen der jeweiligen Aufnahme 50, 50', 50''relativ zum Femurknochen 12 befand. Dies erleich- tert dem Chirurgen das Navigieren des chirurgischen Instru- ments 14. In den Aufnahmen 50,50', 50''ist weiterhin die jeweilige Projektion 60,60', 60''der Wirkachse des chirur- gischen Instruments 14 dargestellt.

In Fig. 6 ist eine weitere Möglichkeit zur intraoperativen graphischen Darstellung des Verlaufs einer Operation in Ges- talt eines Bildschirmausdrucks dargestellt. Die Darstellung gemäß Fig. 6 entspricht im wesentlichen der Darstellung gemäß Fig. 5. Abweichend von Fig. 5 ist in Fig. 6 jedoch kein drei- dimensionales Näherungsmodell des gesamten Femurknochens, sondern lediglich ein dreidimensionales Näherungsmodell 64 eines Tumors, welcher den Femurknochen befallen hat, darge- stellt. Das dreidimensionale Näherungsmodell 64 des Tumors basiert auf vier zweidimensionalen Aufnahmen 50,50', 50'', 50'''des Femurknochens. Die vier Aufnahmen 50,50', 50'', 50'''sind derart graphisch angeordnet, dass sie die-jeweili- ge Lage des Röntgendetektors 32 relativ zum Femurknochen 12 gemäß Fig. 1 wiedergeben, in welcher die jeweilige Aufnahme 50,50', 50'', 50'''erstellt wurden.

Jede der vier Aufnahmen 50,50', 50'', 50'''enthält eine graphische Darstellung 62,62', 62'', 62'''des Tumors. Ba- sierend auf den Umrissen der vier Darstellungen 62,62', 62'', 62'''wurden, wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläu- tert, vier Kegelflächen generiert, deren räumlicher Schnitt

dem dreidimensionalen Näherungsmodell 64 des Tumors ent- spricht.

In der Bildschirmdarstellung gemäß Fig. 6 sind weiterhin zwei Projektionen 66,66'des Näherungsmodells 64 dargestellt, welche dem Chirurgen das Überwachen des chirurgischen Ein- griffs zusätzlich erleichtern. Weiterhin ist in Fig. 6 die räumliche Lage des chirurgischen Instruments 14 relativ zum Näherungsmodell 64 skizziert. In jede der vier Aufnahmen 50, 50', 50'', 50'''ist die entsprechende Projektion der Wirk- achse 60,60', 60'', 60'''des chirurgischen Instruments 14 skizziert. Auch diese graphische Maßnahme hilft dem Chirur- gen, den operativen Eingriff intraoperativ zu überwachen.

Während in Fig. 6 die Entfernung eines Tumors skizziert ist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 7 der chirurgische Eingriff einer Bohrung in den kugelförmigen Kopf 70 des Fe- murknochens 12 anhand einer geometrischen Navigationsstruktur beschrieben. Bei einer derartigen Bohrung besteht das Prob- lem, dass das chirurgische Instrument, nämlich der in Fig. 7 abgebildete Bohrer 14, nur bis zu einer bestimmten Eindring- tiefe in den Femurknochen 12 eingeführt werden soll, da der Bohrer 14 eine Knorpelschicht auf der Oberfläche des kugel- förmigen Kopfes 70 des Femurknochens 12 nicht durchstoßen darf. Der Bohrer 14, welcher an der Position 72 in den Fe- murknochen 12 eingeführt werden soll, darf folglich nicht so weit in den Femurknochen 12 eindringen, dass er den Durch- stoßpunkt 74 erreicht.

Obwohl die Knorpelschicht auf dem kugelförmigen Kopf 70 des Femurknochens 12 in Röntgenaufnahmen 50,50'gemäß Figur 8 sichtbar ist, kann allein aus einzelnen zweidimensionalen Röntgenaufnahmen nicht entschieden werden, ob ein Bohrer die Knorpelschicht bereits durchstoßen hat. Dies liegt daran, dass eine Röntgenaufnahme nur eine Projektion des Kopfes 70 des Femurknochens 12 liefert, welche im allgemeinen den

kreisförmigen Rand des Kopfes 70 größer erscheinen lässt als er tatsächlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun selbst bei Vor- liegen von nur zweidimensionalen Röntgenaufnahmen 50,50'des Femurknochens 12 ein sicheres Navigieren des Bohrers 14 der- art, dass der Kopf 70,70'des Femurknochens 12 nicht durch- stoßen wird. Anhand der beiden in Fig. 8 dargestellten Auf- nahmen 50,50'wird zunächst einerseits jeweils eine Vorzugs- richtung 76,76'gekennzeichnet, in welcher der Bohrer 14 in den Kopf 70 des Femurknochens 12 eindringen soll. Anderer- seits wird manuell oder über eine Software zur Konturextra- hierung jeweils der halbkreisartige Umriss 78,78'des Kopfes 70,70'markiert. Auf diese Weise werden die Projektionen der zu visualisierenden geometrischen Strukturen festgelegt.

In Fig. 9 ist dargestellt, wie anhand der beiden Aufnahmen 50,50'erfindungsgemäß die Vorzugsrichtung 76,76'sowie ei- ne der Oberfläche des Kopfes 70 des Femurknochens 12 entspre- chende Kugel dreidimensional visualisiert werden kann. Diese Visualisierung läuft entsprechend ab wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 vorstehend beschrieben.

Zunächst wird aus den beiden Aufnahmen 50,50'anhand der je- weils eingezeichneten Vorzugsrichtung 76,76'eine räumliche Gerade 82, welche dieser Vorzugsrichtung entspricht, ermit- telt. Da es sich bei der in den Aufnahmen 50,50'markierten Vorzugsrichtung 76,76'jeweils um ein Geradenstück handelt, liegen die beiden korrespondierenden Kegelflächen 40,40'in Gestalt eines ebenen Dreiecks vor. Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, ergibt sich die räumliche Gerade 82 aus dem räumlichen Schnitt der beiden durch die Kegelflächen 40,40'definierten Ebenen. Durch den Schnitt der beiden dreiecksförmigen Flächen ist die Gerade 82, d. h. die Vorzugsrichtung eindeutig und ex- akt festgelegt.

Wie vorstehend ausgeführt, kann die räumliche Gerade 82 er- findungsgemäß intraoperativ zur Navigation des Bohrers 14 verwendet werden. Dieser Vorgang wird weiter unten unter Be- zugnahme auf die Fig. 10 bis 12 näher beschrieben.

Zunächst wird jedoch nochmals unter Bezugnahme auf Fig. 8 und 9 erläutert, wie die räumliche Anordnung des Durchstoßpunk- tes 74 bezüglich der räumlichen Gerade 82 visualisiert werden kann. Zu diesem Zweck wird der räumliche Schnitt derjenigen Kegelflächen ermittelt, welche jeweils dem halbkreisförmigen Umriss 78,78'des Kopfes 70 des Femurknochens 12 auf den Aufnahmen 50,50'entsprechen. Wie sich aus Fig. 9 ergibt, ist der räumliche Schnitt der den halbkreisförmigen Umrissen 78, 78'entsprechenden Kegelflächen eine visualisierte Struk- tur in Gestalt einer räumlichen Kugel 80. Es ist darauf hin- zuweisen, dass die Lage und Form der Kugel 80 anhand der Halbkreise (bzw. der entsprechenden Vollkreise) 78,78'ein- deutig und exakt festgelegt werden können. Ein Schnitt der Kugel 80 mit der räumlichen Gerade 82 ergibt die räumliche Position des Durchstoßpunktes 74.

Durch eine intraoperative Visualisierung der aktuellen Lage des Bohrers 14 relativ zum Durchstoßpunkt 74 ist es daher möglich, den Bohrer 14 derart zu navigieren, dass rechtzeitig vor dem Erreichen des Durchstoßpunktes 74 der Bohrvorgang un- terbrochen werden kann. Auch die Visualisierung der räumli- chen Gerade 82 gestattet ein sicheres Navigieren des Bohrers 14. Bei einer intraoperativen graphischen Darstellung von Ku- gel 80, Gerade 82 und Bohrer 14 wird gleichzeitig der Abstand zwischen der Spitze des Bohrers 14 und dem Durchstoßpunkt 74 z. B. in Zahlenform angezeigt. Bei Unterschreitung eines Min- destabstands ertönt ein zusätzliches akustisches Warnsignal.

Selbstverständlich können die räumliche Gerade 82 und die Ku- gel 80 gemäß Fig. 9 auch in den dreidimensionalen graphischen Darstellungen gemäß Fig. 5 und 6 zur Erleichterung der Navi- gation des chirurgischen Elements 14 dargestellt werden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 10 bis 12 eine erfindungsgemäße graphische Navigationshilfe für ein chirur- gisches Instrument beispielhaft für den in den Fig. 7 bis 9 dargestellten operativen Eingriff erläutert. Zur Unterstüt- zung der Navigation des in Fig. 7 dargestellten Bohrers 14 derart, dass er entlang der in Fig. 9 dargestellte räumliche Gerade 82 in den Kopf 70 des Femurknochens 12 eintritt, wird auf dem in Fig. 1 dargestellten Bildschirm 24 eine graphische Navigationshilfe dargestellt. Diese Navigationshilfe umfasst ein Fadenkreuz 86, welches die Spitze des in Fig. 7 darge- stellten Bohrers 14 markiert. Der Punkt 88 bezeichnet eine Projektion der Spitze des Bohrers 14 auf eine Horizontalebene 90. Der Punkt 72 auf dem Bildschirm 24 bezeichnet den ge- wünschten Eintrittspunkt des Bohrers 14 in den Femurknochen 12. Die in den Fig. 10 bis 12 dargestellte Visualisierung des Punktes 72 erfolgt auf die gleiche Weise wie vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 7 bis 9 für die Gerade 82 und die Ku- gel 80 beschrieben. Eine tunnelartige Struktur 92 dient als Anhaltspunkt für die relative Lage der räumlichen Gerade 82 relativ zur Wirkachse des Bohrers 14. Diese Wirkachse er- streckt sich in rechtem Winkel von der Position des Faden- kreuzes 86 aus der Zeichenebene heraus. Auf der Horizontal- ebene 90 ist weiterhin eine Projektion 94 der geometrischen Gerade 82 erkennbar.

Auf dem Bildschirm 24 rechts oben ist eine Richtungsanzeige 96 dargestellt. Diese Richtungsanzeige 96 gibt an, in welche Richtung die Spitze des Bohrers 14 zu bewegen ist, um den Bohrer 14 entlang der durch den Tunnel 92 versinnbildlichten geometrischen Geraden 82 auszurichten. In dem in der Fig. 10 dargestellten Fall muss der Bohrer 14 etwas nach unten und relativ weit nach links beweg werden. Dies ergibt sich aus einem kleinen, nach unten weisenden Pfeil im Anzeigefeld 98 und einem großen, nach links weisenden Pfeil im Anzeigefeld 100.

In Fig. 11 ist der Fall dargestellt, dass der Bohrers 14 aus- gehend von der in Fig. 10 dargestellten Position etwas nach unten und geringfügig nach links bewegt wurde. Wie durch den Punkt im Anzeigefeld 98 angedeutet, befindet sich die durch das Fadenkreuz 86 versinnbildlichte Spitze des Bohrers 14 nun in der gleichen Horizontalebene wie die räumliche Gerade 82, welche der Tunnelstruktur 92 entspricht. Wie jedoch durch den kleinen, nach links weisenden Pfeil im Anzeigefeld 100 ver- deutlicht wird, muss der Bohrer 14 noch geringfügig nach links bewegt werden, um die Wirkachse des Bohrers 14 entlang der durch den Tunnel 92 versinnbildlichten geometrischen Ge- raden 82 auszurichten.

Wird der Bohrer 14 nun noch geringfügig nach links bewegt, so ergibt sich der in Fig. 12 dargestellte Bildschirminhalt. In der Richtungsanzeige 96 sind nunmehr zwei Punkte dargestellt.

Diese Darstellung zeigt an, dass die Wirkachse des Bohrers 14 entlang der durch die Tunnelstruktur 92 angegebenen Vorzugs- richtung ausgerichtet ist.

In dieser Position kann der Chirurg nunmehr den Bildschirm 24 in einen anderen Darstellungsmodus schalten, welcher bei- spielsweise entsprechend dem Bildschirmausdruck gemäß Fig. 6 eine dreidimensionale Visualisierung einer operativ zu behan- delnden Struktur zu wählen.