Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Navigationssystems und medizinisches Navigationssystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Navigationssystems und ein medizinisches Navigationssystem.

Für medizinische Verfahren an Patienten, wie z.B. Diagnosen, Therapien oder insbesondere operative Eingriffe ist eine möglichst hohe Ortsgenauigkeit wünschenswert. Bei chirurgischen Eingriffen z.B. am Gehirn oder der Wirbelsäule eines Patienten ist es sogar unabdingbar, mit einem medizinischen Instru- ment einen genau bestimmten Ort im Patienten zu bearbeiten.

Seit langem existieren hierzu sogenannte medizinische Naviga- tions- oder Trackingsysteme . Im Wesentlichen werden hierbei optisch oder elektromagnetisch arbeitende Systeme unterschieden. Ein medizinisches Navigationssystem arbeitet derart, dass z.B. am Patienten und an zu benutzenden chirurgischen Instrumenten jeweils ein Ortsanzeiger in Form eines Markers angebracht wird. Dieser Marker, im optischen Fall z.B. ein Dreibein aus optisch gut erkennbaren Kugeln, im elektromagnetischen Fall eine Sensorspule, interagiert mit einer ortsfest montierten Navigationseinrichtung des Navigationssystems, im optischen Fall einer oder mehreren Kameras und im magnetischen Fall einer oder mehreren Feldspulen. Im optischen Fall erkennt die Kamera die Ortsposition der Marker, im elektromagnetischem Fall wird die Ortsposition durch Auswertung des in der Sensorspule empfangenen Feldes der Feldspule ermittelt. Bei deckengestützten Navigationssystemen ist die Navigationseinrichtung an der Raumdecke, z.B. des Operationssaals angebracht. Mobile Systeme beinhalten z.B. eine auf einem Stativ montierte Kamera als Navigationseinrichtung, welche frei beliebig im Raum, z.B. im Operationssaal platzierbar ist . Die Navigationseinrichtung deckt hierbei nur ein gewisses Raumvolumen, das sog. Trackingvolumen als Navigationsbereich ab, wobei nur innerhalb dieses Navigationsbereichs die Position des Ortsanzeigers erfasst werden kann. Insbesondere bei optischen Navigationssystemen müssen die optischen Kamerasysteme bei einer Änderung des OP-Setup nachjustiert werden, wenn hierdurch die Kamera keine Sichtverbindung mehr zu Markern an Instrumenten oder Patient hat. Im Falle einer optischen Verdeckung, z.B. als Resultat einer Umlagerung des Pa- tienten, muss also der Benutzer das optische Trackingsystem manuell umstellen, d.h. z.B. die auf einem Stativ oder an der OP-Saaldecke angeordnete Kamera verschieben, um ausreichend Sichtbarkeit auf die Ortsanzeiger im interessanten Gebiet, z.B. dem Situs zu gewährleisten. Bei elektromagnetischen Na- vigationssystemen erzeugt der Feldgenerator lediglich in einem begrenzten Raumbereich ein Magnetfeld, in welchem die Empfängerspulen, hinreichend genau funktionieren. Fallweise muss dann der Feldgenerator verschoben werden.

Bezüglich des OP-Workflow ist dies nicht gewünscht, da Aufwand nötig ist und sich Zeitverzögerungen ergeben, der OP- Workflow gestört wird. Z.B. wird das Tracking gestoppt, sobald keine Sichtverbindung besteht. Liegt der Ortsanzeiger nämlich nicht mehr im Trackingvolumen, so ist dem Navigati- onssystem kurzzeitig unbekannt, wo sich ein chirurgischen Instrument im Patienten gerade befindet. Der medizinische Eingriff muss ohne die Ortsinformation unterbrochen werden. Z.B. bei Eingriffen an der Wirbelsäule eines Patienten in Nähe des Rückenmarks ist dies problematisch, da hier unbeabsichtigte Verletzungen zu Komplikationen für den Patienten führen können. Bei bekannten Navigationssystemen ist daher durch das OP-Personal genau darauf zu achten, dass in jeder denkbaren Situation des Eingriffs die Ortsanzeiger im Navigationsbereich liegen bzw. die Navigationseinrichtung einen geeigneten Navigationsbereich erzeugt und der Navigationsbereich durch das OP-Setup in keiner Situation des Eingriffes gestört wird.

Bei bekannten Systemen muss also in den oben genannten Fällen die Navigationseinrichtung von Hand durch z.B. einen Arzt oder OP-Personal nachjustiert werden. Zusätzlich ist in einer sterilen OP-Umgebung hierbei hinderlich, dass Sterilitätsaspekte zu beachten sind. Das Navigationssystem ist in der Regel unsteril und mit entsprechenden sterilen Abdeckungen oder Verpackungen versehen, welche bei Nachführung des Systems mitverlagert werden müssen. Händischer Kontakt mit dem unsterilen Navigationssystem ist besonders problematisch.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Navigationssystems und ein verbessertes medizinisches Navigationssystem anzugeben.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Navigationssys- tems, wobei das Navigationssystem eine Navigationseinrichtung aufweist, welcher ein begrenzter Navigationsbereich zugeordnet ist. Das Navigationssystem umfasst außerdem mindestens einen Ortsanzeiger, welcher an einem zu ortenden Objekt anbringbar ist und welcher lediglich innerhalb des Navigati- onsbereiches ortbar ist. Das Navigationssystem weist einen motorischen Antrieb zur Orts- und Lageveränderung der Navigationseinrichtung auf. Durch die Ortsveränderung der Navigationseinrichtung wird auch Lage und Ausrichtung des mit ihr unweigerlich gekoppelten Navigationsbereiches verändert. Das Navigationssystem weist außerdem eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der aktuellen Lage und Ausrichtung von Navigationsbereich und Ortsanzeiger auf. Erfindungsgemäß erfasst das Navigationssystem die durch den motorischen Antrieb durchgeführte Lageveränderung der Navigationseinrichtung. Zu- sätzlich steuert eine Regelung unter Berücksichtigung der Koordinaten der Lageveränderung den Antrieb derart über ein Steuersignal an, dass der Navigationsbereich jederzeit den Ortsanzeiger enthält. Hierzu benutzt die Regelung ein Eingangssignal von der Erfassungseinrichtung, welche über die aktuelle Lage des Navigationsbereiches des Ortsanzeigers informiert .

Die Erfindung beruht mit anderen Worten auf der Idee, durch einen motorischen Antrieb und eine entsprechend geeignete Steuerung bzw. Regelung die Navigationseinrichtung stets so zu verfahren, dass das Trackingvolumen, also der Navigationsbereich jederzeit auf den gerade benötigten Raumbereich ausgerichtet ist. Der Raumbereich wird also durch die Steuerung automatisch stets so gehalten bzw. gewählt, dass sich die benötigten Ortsanzeiger, z.B. des medizinischen Instruments und die Patientenreferenz, also der am Patienten angebrachte Ortsanzeiger, stets innerhalb befinden.

Durch die integrierte Regelung kann sich mit anderen Worten das Navigationssystem bzw. dessen Navigationseinrichtung selbst optimal ausrichten, wenn z.B. Instrumente mit entsprechenden Ortsanzeigern in ungünstigen Winkeln oder Abständen zur Navigationseinrichtung gehalten oder bewegt werden. Mit anderen Worten sucht also die Regelung stets eine optimale bzw. verbesserte Position, falls durch Veränderung des Navigationsbereiches der Ortsanzeiger besser in diesem platzierbar ist. Ein manuelles Nachjustieren der Navigationseinrichtung z.B. durch OP-Personal ist nicht mehr notwendig. Der Be- nutzer des Navigationssystems verliert keine Zeit und muss sich generell nicht um das geeignete Platzieren der Navigationseinrichtung kümmern, muss z.B. beim OP-Setup nicht auf die Einstellung optimaler Sichtverhältnisse für eine Navigationskamera nachdenken. Der Benutzer muss sich nicht durch Kontakt mit Komponenten des Navigationssystems unsteril machen und verliert keine Zeit mit für ihn lästiger Arbeit. Die Navigation wird durch dieses Verfahren komfortabler zu benutzen und somit seine Akzeptanz erhöht. Das Risiko für den Patienten wird deutlich verringert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung steuert die Regelung den Antrieb derart an, dass die Navigationseinrichtung einen bestimmten Abstand zum Ortsanzeiger aufweist. So kann beispielsweise ein für ein gegebenes Navigationssystem optimaler Abstand zwischen Kamera und Marker oder Feldgenerator und Empfängerspule vorgewählt, also bestimmt werden, und die Navigationseinrichtung durch die Steuerung in entsprechend optimaler Entfernung gehalten werden. In der Regel weist das medizinische Navigationssystem mindestens zwei Ortsanzeiger auf. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens steuert die Regelung den Antrieb derart an, dass die Navigationseinrichtung bezüglich der Ortsanzei- ger zentriert ist. Mit anderen Worten wird die Navigationseinrichtung an einen Ort verbracht, der z.B. einen mittleren möglichst gleichen Abstand zu den verschiedenen Ortsanzeigern ermöglicht bzw. die Ortsabstände zwischen Navigationseinrichtung und den Ortsanzeigern eine möglichst geringe Schwan- kungsbreite um einen optimalen Abstand aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens arbeitet die Navigationseinrichtung optisch und arbeitet gleichzeitig als Erfassungseinrichtung. Mit anderen Worten wird z.B. eine Trackingkamera gleichzeitig zur eigentlichen

Navigation aber auch zur Erfassung des aktuellen Navigationsbereiches, eben des Blickwinkels bzw. Sichtbereiches der Navigationskamera benutzt. Eine zusätzliche separate Erfassungseinrichtung ist demnach überflüssig.

In einer alternativen Verfahrensvariante arbeitet die Navigationseinrichtung elektromagnetisch und der Ortsanzeiger arbeitet gleichzeitig als Erfassungseinrichtung. Mit anderen Worten wird hier eine Sensorspule sowohl zur Navigation als auch zur Ausmessung des von der Navigationseinrichtung erzeugten elektromagnetischen Feldes benutzt, um so den Navigationsbereich zu ermitteln. Eine zusätzliche separate Erfassungseinrichtung ist hier ebenfalls nicht nötig.

Im Falle einer elektromagnetischen Navigationseinrichtung steuert in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens die Regelung den Antrieb auch derart an, dass das von der Navigationseinrichtung am Ort des Ortsanzeigers erzeugte elektromagnetische Feld eine bestimmt Ausrichtung aufweist. Bei- spielsweise kann die Steuerung die Feldspule stets derart ausrichten, dass das erzeugte Feld am Ort der Sensorspule stets optimale Feldausrichtung besitzt, diese z.B. senkrecht durchtritt . In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens überwacht die Erfassungseinrichtung den Navigationsbereich auf störende Fremdobjekte hin. Im Falle einer Trackingkamera beispielsweise überwacht die Erfassungseinrichtung deren Sichtfeld auf das Eindringen störender, d.h. die Kamerasicht verdeckender Fremdkörper, z.B. OP-Personal oder ein voluminöses Instrument wie z.B. ein Röntgen-C-Bogen . Die Ortsposition der entsprechenden Fremdobjekte kann dann erfasst werden und die Regelung eine neue Position für die Navigationseinrichtung ermit- teln, so dass wieder freie Sicht auf den Ortsanzeiger besteht .

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens überwacht die Erfassungseinrichtung den Navigationsbereich mit Hilfe einer mit einem Bildverarbeitungssystem gekoppelten Kamera. Eine Überwachung des Navigationsbereiches auf Fremdobjekte ist hierdurch besonders einfach möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird durch redundante bzw. zusätzliche Komponenten der Erfassungseinrichtung zusätzliches Wissen bzw. zusätzliche Daten erfasst. Z.B. kann durch eine zweite Kamera ein größerer Navigationsbereich getrackt werden. Wenn eine Kamera durch Verdeckung „blind" wird, liefert die zweite, also redundante Kame- ra weiter Trackinginformation . In dieser Zeit kann das verdeckte System, also die erste Kamera sich eine neue, optimale Position suchen. Die Steuerung nutzt dann diese Daten bzw. das Wissen für die Optimierung der Position der Navigationseinrichtung. Redundante bzw. zusätzliche Komponenten sind z.B. ein zweites optisches Trackingsystem oder eine Videokamera mit angeschlossener Bildverarbeitung, die Bildinformationen hinsichtlich Bewegungen, Ortsverschiebungen von Komponenten des OP-Setup o.a. aufnehmen und auswerten kann. Für optische Navigationssysteme könnte eine solche z.B. in der Navigationseinrichtung, die die Navigationskameras trägt, eingebaut sein. Zusätzliches Wissen bzw. Daten sind dann z.B. bei einer technisch komplexen Umsetzung Ortsinformationen über das OP-Setup, beteiligte Personen, die Geometrie des OP- Saales etc .. Hinsichtlich des Navigationssystem wird die Aufgabe gelöst durch ein medizinisches Navigationssystem der oben genannten Ausgestaltung, welches erfindungsgemäß also insbesondere eine Erfassungseinrichtung und eine entsprechend arbeitende Regelung umfasst. Das medizinische Navigationssystem wurde zusammen mit seinen Vorteilen und den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich erläutert.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen hingewiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze: Fig. 1 ein optisch arbeitendes Navigationssystem, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird,

Fig. 2 ein entsprechendes elektromagnetisch arbeitendes Navigationssystem.

Fig. 1 zeigt einen Operations-, also OP-Saal 2 mit einer Lie- ge 4, auf der ein Patient 6 gelagert ist. Im OP-Saal 2 ist ein optisches Navigationssystem 8 installiert. Am Patienten 6 wird mit Hilfe eines Instrumentes 10 ein chirurgischer Eingriff durchgeführt, der bezüglich des Eingriffsortes des Instruments 10 am Patienten 6 hohe Ortspräzision erfordert. Der Eingriff wird daher mit Hilfe des Navigationssystems 8 ortskoordiniert. Zu ortende Objekte sind also de Patient 6 und das Instrument 10.

Das Navigationssystem verfügt über zwei optische Marker in Form des Ortsanzeigers 12a, welcher ortsfest am Patienten 6 angebracht ist und des Ortsanzeigers 12b, welcher ortsfest am Instrument 10 angebracht ist. Eine Doppelkamera als Navigationseinrichtung 14 erfasst die Ortspositionen P _a und P _b der Ortsanzeiger 12a, b optisch. Die Navigationseinrichtung 14 hat hierbei als optischen Erfassungsbereich einen Navigationsbereich 16, innerhalb dessen sich die Marker 12a, b aufhalten müssen, damit deren Ortspositionen P _a,b im Navigationssystem 8 bestimmbar sind. Erfindungsgemäß ist die Navigationseinrichtung 14 an der Decke 18 des OP-Saals 2 mit Hilfe eines Schienensystems 20 montiert, welches zwei elektrische Motoren 22 umfasst. Mit deren Hilfe ist die Navigationseinrichtung 14 in Richtung der Pfei- Ie x und y an eine beliebige Position P _N verschiebbar. Hierdurch ist auch die Position P _E des Navigationsbereiches 16 verschiebbar. Das Navigationssystem 8 umfasst außerdem eine in die Navigationseinrichtung 14 integrierte Erfassungseinrichtung 24, welche sowohl die augenblickliche Lage bzw. Po- sition P _E des Erfassungsbereiches 16 in der augenblicklichen Position der Navigationseinrichtung 14 als auch die Positionen P _a,b der Ortsanzeiger 12a, b ermittelt. In einer alternativen Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung eine separate Baueinheit, die unabhängig von der Navigationseinrich- tung 14 installiert ist bzw. bewegt werden kann. In einer alternativen Ausführungsform bilden die Kameras der Navigationseinrichtung 14 gleichzeitig einen Teil der Erfassungseinrichtung 24, da deren Bilder auch zur Auswertung bzw. Bestimmung von Position bzw. Lage P _E des Navigationsbereiches 16 benutzt werden. Die Kameras können außerdem zur Beobachtung des Navigationsbereiches 16 benutzt werden, indem sie diesem auf das Eindringen von Fremdobjekten 34a, b überwachen, z.B. einer die Sicht der Kamera verdeckenden Person oder eines voluminösen medizinischen Gerätes.

Die Erfassungseinheit 24 übermittelt die erfassten Positionen P _a,b,E als Messgrößen 26 an eine zum Navigationssystem 8 gehörende Regelung 28. Diese errechnet aus den Messgrößen 26 ein Steuersignal 30 zur Bedienung der Elektromotoren 22. Die Steuerung 28 ermittelt hierbei die Steuersignale 30 derart, dass die Navigationseinrichtung 14 mit Hilfe der Elektromotoren 22 bzw. des Schienensystems 20 zu einer Position P _N entlang der Pfeile x, y verfahren wird, in welcher der Erfassungsbereich 16 so gerichtet ist, also eine solche Lage P _E aufweist, dass die Ortsanzeiger 12a, b innerhalb diesem liegen. Die Regelung 28 ist hierbei eine automatisch arbeitende Steuerung und Regelung. Die Kamera in der Navigationseinrichtung 14 ist in einer alternativen Ausführungsform zusätzlich durch nicht dargestellte weitere Motoren auch dreh- und schwenkbar, um den Erfassungsbereich 16 entsprechend flexibel in geeignete Positionen P _E ausrichten zu können.

In einer alternativen Ausführungsform steuert die Regelung 28 die Motoren 22 derart an, dass die Abstände d _a , _b von Navigationseinrichtung 14 zu den Ortsanzeigern 12a, b einem vorgegebenen Abstand entsprechen oder zumindest von diesem möglichst wenig oder um möglichst den gleichen oder einen maximalen Betrag abweichen.

Fig. 2 zeigt den OP-Saal 2 aus Fig. 1 mit dem Patienten 6, an welchem jedoch mit einem alternativen Instrument 10 eine andere medizinische Maßnahme durchgeführt wird. Das Navigationssystem 8 in Fig. 2 ist ein elektromagnetisches Navigati- onssystem, welches eine Feldspule als Navigationseinrichtung 14 umfasst. Sowohl am Instrument 10 als auch am Patienten 6 sind als Ortsanzeiger 12a, b Empfängerspulen angebracht, welche entsprechend die Ortsposition von Patient 6 als Position P _a und Instrument 10 als Position P _b relativ zur Navigationseinrichtung 14 ermitteln.

Die Navigationseinrichtung 14 ist hier über das Schienensystem 20 an der Liege 4 angebracht und bezüglich ihrer Ortsposition P _N entlang der Pfeile x und y über Motoren 22 ver- stellbar. Das Navigationssystem 8 umfasst wiederum eine Steuerung 28. In dieser Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung 24 in die Steuerung 28 integriert. Die Erfassungseinrichtung 24 erfasst wieder die Positionen P _a , _b , _E von Navigationsbereich 16 und Ortsanzeigern 12a, b. Der Navigationsbe- reiches 16 ist im vorliegenden Fall der die Feldspule umgebende Raumbereich, in welchem diese ein für Empfängerspulen hinreichend starkes und homogenes Magnetfeld erzeugt. Entsprechend empfängt die Steuerung 28 auch in Fig. 2 Messgrößen 26, aus welchen sie die optimale Position P _N der Naviga- tionseinrichtung 14 ermittelt und die Motoren 22 entsprechend ansteuert um diese an die geeignete Position zu verfahren, damit die Ortsanzeiger 12a, b sicher und optimal im Navigationsbereich 16 liegen. Hierbei ist in dieser Ausführungsform die Ausrichtung R des von der Feldspule erzeugten elektri- sehen Feldes berücksichtigt. Die Feldspule in Form der Navigationseinrichtung 14 wird dazu geeignet rotiert, damit die Richtung R des Feldes die Ortsanzeiger 12a, b in Form der Empfängerspulen möglichst senkrecht durchtritt.

In einer Ausführungsform ist als Erweiterung der Erfassungseinrichtung 24 eine zusätzliche Kamera 32 vorhanden, welche zur Erfassung von Fremdobjekten 34a, b dient, nämlich einer den Navigationsbereich störenden Halteplatte und eines Ultra- schallkopfes. Beide sind metallisch und stören die Feldverbindung zwischen den Ortsanzeigern 12a, b und der Navigationseinrichtung 14. Die Steuerung 28 ist mit der Kamera 32 über ein Bildverarbeitungssystem 36 verbunden, um die Bildinformation geeignet auszuwerten und daraus die Position PN der Na- vigationseinrichtung 14 neu zu berechnen, damit die o.g. Störungen eliminiert werden können, d.h. die Fremdobjekte nicht mehr den Navigationsbereich 16 im fraglichen Bereich der Ortsanzeiger 12a, b stören.

Bezugs zeichenliste

2 OP-Saal 4 Liege 6 Patient

8 Navigationssystem

10 Instrument

12a, b Ortsanzeiger

14 Navigationseinrichtung 16 Navigationsbereich

20 Schienensystem

22 Motor

24 Erfassungseinrichtung

26 Messgröße 28 Regelung

30 Steuersignal

32 Kamera

34a, b Fremdobjekt

36 Bildverarbeitungssystem

x, y Pfeil

P _a ,b,N,E Position d _a,b Abstand

R Ausrichtung