EP1328208A1 - Verfahren, vorrichtung und navigationshilfe zur navigation bei medizinischen eingriffen - Google Patents

Verfahren, vorrichtung und navigationshilfe zur navigation bei medizinischen eingriffen

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EP1328208A1
EP1328208A1 EP01988558A EP01988558A EP1328208A1 EP 1328208 A1 EP1328208 A1 EP 1328208A1 EP 01988558 A EP01988558 A EP 01988558A EP 01988558 A EP01988558 A EP 01988558A EP 1328208 A1 EP1328208 A1 EP 1328208A1
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EP
European Patent Office
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navigation aid
navigation
intraoperative
image data
aid
Prior art date
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Ceased
Application number
EP01988558A
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English (en)
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Marcus Vetter
Peter Hassenpflug
Gerald Glombitza
Ivo Wolf
Hans-Peter Meinzer
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Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
Original Assignee
Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ filed Critical Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
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Ceased legal-status Critical Current

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    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations

Definitions

  • the invention relates to a method, a device and a navigation aid for navigation during medical interventions on non-bony structures.
  • the invention relates in particular to the field of medical interventions on soft tissue structures of a body.
  • the invention proposes, on the one hand, that the non-bony structure is registered with its preoperative data, at least one navigation aid is fixed on or in the non-bony structure in a defined manner, and that the position of at least one substructure of the non- bony structure is determined.
  • Such a navigation aid makes it possible to define a locally exact coordinate system which is invariant over the course of the operation and which enables visualization of the surgeon's instruments or the like to important structures in the operated organ. This applies the more precisely, the closer the navigation aid is fixed in the vicinity of a planned cut or a point of interest.
  • the navigation aid if it is fixed in the structure, it can also be used for navigation in the depth of an organ or soft tissue.
  • the procedure according to the invention makes it possible for the first time in a non-osseous structure, such as in particular an organ or a soft tissue, to convey precise information about the movement or change of the non-osseous structure to a surgeon even in depth can, even if the surgeon cannot see the actual surgical site.
  • the position is preferably determined, at least cumulatively, in a data processing system, which considerably simplifies the design of the navigation method according to the invention.
  • an image data record of the non-osseous structure such as can be obtained by means of MR or CT, for example, can be stored beforehand, for example as part of operation planning.
  • the position of the substructure, which is usually also contained in this image data record is preferably determined on the basis of this image data record.
  • the organ to be operated including its important substructures, such as vessels and tumors, are segmented in the preoperative image data set - that is, their spatial position is represented from an image data set in object form - and the location of resection areas and navigation aids for navigation in the preoperative Data determined.
  • the position of the navigation aid anchored at the beginning or in the non-bony structure with respect to the non-bony structure in the image data record is preferably determined, or the navigation aid is already navigated to the predetermined location after previous planning and anchored.
  • the non-bony structure itself is preferably immobilized or fixed, which considerably facilitates this position determination and anchoring the navigation aid.
  • the immobilization or fixation of the non-osseous structure can be released so that the immobilization or fixation of the non-osseous structure takes place as quickly as possible in order to burden the organism as little as possible.
  • the non-osseous structure can be registered before the navigation aid is introduced, that is to say compared with regard to its preoperative and intraoperative data, so that the navigation aid can be attached or inserted appropriately navigated. In this way it can be ensured that the navigation aid is set as optimally as possible in accordance with a previous operation planning.
  • preoperative here refers to data, processes or measures that are obtained or carried out before an operation or treatment.
  • Intraoperative means data, processes or measures men denotes, which are raised or carried out on the patient in an interventional manner, ie during the actual intervention. Interventional interventions are preferably open surgical interventions and minimally invasive forms of diagnosis and therapy, such as LITT (laser-induced thermotherapy), RFA (radio frequency ablation) and cryotherapy.
  • registration can establish a relationship as well as between preoperative and premutative data as well as between preoperative and intra- or post-mutative data. It proves advantageous for the precision of the method according to the invention to first make a registration between preoperative and premutative data. This can then be followed by the course of an operation in which the non-bony structure, for example its position, shape and shape through a resection, changed significantly, accordingly by comparing it with post-mutative data. It has been found here that frequent adjustment during the operation significantly increases the accuracy of the tracking of the movement sequence.
  • a transformation can then be determined on the basis of the position of the navigation aid at the beginning of the intervention (in particular, pre-mute) and the position of the navigation aid during the intervention (in particular intra- or post-mutative), and this transformation for determining the position of the substructure or the entire structure non-bony structure can be applied to the image data record of the partial structure or of the entire non-bony structure. It goes without saying that in the vicinity of the navigation aid, this transformation will be much more precise than is the case with more distant substructures. Such a transformation thus enables an assignment between intraoperative image data and preoperative image data. Because such a transformation with a suitable choice of the associated coordinate systems, these should cover all necessary spatial dimensions, can be selected invertible, then an assignment of the preoperative image data to the intraoperative image data is also easily possible.
  • Such a procedure enables a geometric assignment of image data recorded before the intervention to the current position of the partial area, so that safety distances can be maintained even in the case of adverse optical and palpatory conditions.
  • By displaying the current position and instrument position in the pre- and intraoperative image data it is also possible for third parties to get an objective picture of the navigation.
  • the transformation does not necessarily have to be determined from the actual image data, but that this can also take place on the basis of other data corresponding to the image data, for example on the basis of measurement data.
  • the term "3d data” in the present context refers to any data record which, due to a spatial assignment, enables a non-bony structure to be characterized in terms of its spatial extent.
  • the image data can be stored and processed in a corresponding data processing system, and the display of the image data, depending on the specific configuration, can also be selected as desired by screens or printers or other aids.
  • the image data are preferably selected to be three-dimensional, so that the entire volume of the partial structure or the overall structure can be made available visually or in another suitable form, in particular also in preparation for the medical intervention.
  • suitable cuts and viewing angles can be selected from a three-dimensional image data set, which can be used for preparing for the operation and for subsequent implementation.
  • Essential structures or partial fractures can easily be identified and maintained intraoperatively by registering with the preoperative data, which was often not possible up to now due to a lack of orientation.
  • the method according to the invention makes it possible to update the navigation path or therapy proposal previously determined preoperatively intraoperatively. This is particularly advantageous, for example, in the case of new lesions or the like found during the operation.
  • an operation plan prepared preoperatively based on the preoperative data can preferably be checked and, if necessary, updated using the intraoperative data.
  • this is made possible by the fact that the circumstances currently found during an operation, such as the location of the newly found lesion or other information that could not be determined preoperatively or only very inaccurately, are integrated into the preoperative overall picture and related to this can be.
  • the new therapy proposal both in its preoperative theoretical effects and in its intraoperative effects, can be recognized, discussed and implemented immediately and with minimal invasive effort for the patient.
  • a transformation can be determined between different intraoperative image data, for example between pre- and post-mutative image data or between different post-mutative image data.
  • the position of at least one operating tool is preferably determined during the intervention and determined relative to the partial structure or the non-bony structure. In this way, the surgeon immediately receives feedback about the position of his surgical tool in order to be able to use it precisely navigated. Accordingly, it is advantageous if the surgical instruments are detected with suitable measuring devices and measuring points in at least five or in their essential spatial degrees of freedom. In the case of axially active instruments such as needles or jet cutters, five degrees of freedom are usually sufficient in this regard. On the other hand, six degrees of freedom can also be recorded, as a result of which the corresponding or necessary transformations can be determined much more precisely.
  • the invention also proposes a navigation aid for navigation during medical interventions on non-bony structures, which has means for defining a local coordinate system.
  • a navigation aid which is attached to or inserted into the non-osseous structure, already gives the surgeon a purely visual or palpatory clue during an intervention.
  • the local coordinate system makes it possible to find a transformation that is valid in the environment of the navigation aid, by means of which image data of this environment, which were recorded at a different time of operation or at a different spatial position of the non-bony structure, can then be adapted to the new position.
  • the invention proposes a device for navigation during medical interventions on non-bony structures, which device for detecting the spatial position of at least one such navigation aid in at least five degrees of freedom.
  • a device for navigation during medical interventions on non-bony structures which device for detecting the spatial position of at least one such navigation aid in at least five degrees of freedom.
  • three degrees of freedom are necessary to determine the location of the navigation aid.
  • Two additional degrees of freedom are required because of the orientation of the navigation aid.
  • a sixth degree of freedom which would not require an additional definition in the event of a rotation invariance of the navigation aid, may be dispensed with.
  • the navigation aid preferably has a marker by means of which — if necessary — the navigation aid can be detected by an external sensor.
  • a marker which can be detected by an external sensor, can be designed to be passive, so that it can be made particularly small and without a connection to external measuring devices or power supplies.
  • a marker can also be selected actively so that it emits rays or similar information that make it detectable.
  • the marker is then preferably equipped with its own energy source. In this way, the navigation aid according to the invention does not unnecessarily restrict the already limited operating area with supply lines.
  • the navigation aid can have at least one sensor for localizing at least five spatial degrees of freedom of the navigation aid. have fe.
  • the way in which the degrees of freedom are determined is initially secondary.
  • interaction with means for generating a field, such as a gradient field, which has enabled the determination of the position and / or orientation of a sensor has proven particularly advantageous.
  • the corresponding measurement result can then be forwarded to a computer, for example. On the one hand, this can be done wirelessly but also via a corresponding data or measurement line.
  • the invention proposes in a preferred embodiment a needle-shaped navigation aid or a navigation aid with a needle-shaped extension for navigation during medical interventions on non-bony structures.
  • Your needle tip can preferably define the origin of a local coordinate system.
  • the navigation aid can include a soft-tissue anchor, which enables the navigation aid (in the case of a navigation unit with five degrees of freedom) to be fixed in translation and additionally rotationally invariably (in the case of a navigation unit with six degrees of freedom) in the non-bony structure, and a navigation unit, which in particular comprises a may have marker or sensor according to the invention.
  • the term “navigation unit” denotes any component of a navigation aid according to the invention which is used to localize the navigation can be used or is used.
  • This navigation unit enables the navigation aid to be recorded in a global coordinate system of a tracking system, as already described above.
  • surgical instruments can also have navigation units which enable the instruments to be recorded in the coordinates of the tracking system.
  • a local coordinate system can be defined in the depth of the organ in the vicinity of the target structure, which enables depth navigation, and on the other hand, only small deformations of the non-osseous structure are to be expected locally to the needle, if in the vicinity a resection is performed.
  • Such an arrangement also enables a more precise and simple navigation or orientation during a medical intervention, regardless of the other features of the present invention.
  • the navigation aid preferably comprises a needle, since a needle can be inserted into such a non-bony structure very easily and with minimal tissue injuries.
  • a needle can be inserted relatively deep into the structure so that it can also be used directly for depth navigation.
  • the navigation aid can have one or more soft-tissue anchors, such as hook elements or the like, which fix the navigation aid more reliably in the structure. It it is clear that clamps or the like can also be provided in order to ensure that the navigation aid is fixed in translation and possibly also in rotation.
  • the arrangement described above is particularly suitable for interaction with a data processing system if the navigation head or the navigation unit can be detected by a tracking system.
  • the position of the navigation aid or the surgical tool and a corresponding local coordinate system can be easily measured, forwarded to the data processing system and then their position can be determined with respect to the pre- and intraoperative image data.
  • the orientation in the environment of the target structure to be operated can be achieved by a physical definition of the coordinate system navigated to the target structure via the navigation aids.
  • individual spatial points such as measuring points or navigation units attached to the surgical tools, can then be tracked for navigation using suitable measuring devices.
  • the introduced physical coordinate system makes it possible to handle the global deformation of the non-osseous structure in the local coordinate system relative to the target structure, it being understood that the local coordinate system does not necessarily have to be selected in a Cartesian manner and can possibly also be selected in a lower dimension.
  • the deformation of larger areas of the non-osseous structure or the entire non-osseous structure can be approximately determined from the registration of the change in position relative to one another.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a liver, a first embodiment of an operation tool according to the invention, means according to the invention for recording intraoperative image data and a navigation aid according to the invention,
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a liver, a second embodiment of an operation tool according to the invention, means according to the invention for recording intraoperative image data and a navigation aid according to the invention and Fig. 3 different coordinate systems used in the aforementioned embodiments.
  • liver 1 and 2 show a liver 1 with a deep-lying tumor 2 in the right half of the liver.
  • the right hepatic vein 3 is fully covered by the tumor 2, while the middle hepatic vein 4 is within a safety distance when the tumor-bearing half of the liver is removed.
  • the left hepatic vein 5 is apparently not affected and must be preserved for survival.
  • a computer-assisted surgical planning in which a three-dimensional data set of the liver is determined using various measurement methods, such as ultrasound, CT, MR and the like (FIG. 3, Figs. A and B).
  • Dependent tissue and safety distance are calculated from the position of the tumor to the vessels and the resection areas and positions of the navigation aids are determined from this (see table).
  • Suitable anesthetic and surgical measures include, for example, jet ventilation and the abdominal cavity with cloths, as well as the fixation of the liver with a suitable gripper arm or with long needles penetrating the liver on a pad.
  • the planning data obtained preoperatively is compared with the geometry of the intraoperative site of the fixed liver 1 (table).
  • the liver 1 in the present exemplary embodiments is scanned with three-dimensional ultrasound (FIG. 3, FIG. C) and the image data set obtained in this way is registered with the image data obtained preoperatively, for example MR or CT image data, using a suitable mathematical transformation.
  • navigation needles 6 are now navigated, with the sensor 8 according to the invention being used for tracking the position of the navigation needles 6 with respect to navigation (Table A).
  • the navigation needles 6 have a soft tissue anchor 9, by means of which the navigation needles 6 can be fixed in the liver 1 so that they cannot slip and rotate.
  • the soft tissue anchor 9 is also a needle.
  • this additional soft-tissue anchor 9 can be dispensed with or this can be more complex, for example by hook clamps or by soft-tissue anchors that can be removed from the needle tip, as shown in FIG Figure 2 is listed as an example.
  • the navigation needle 6 can also first be inserted into the liver 1 and registered in the intraoperative image data virtually together with the first recording of an intraoperative image data set.
  • the navigation needle 6 also has a navigation head that can be detected by a tracking system.
  • the navigation head forms a structural unit with the needle 6, the needle tip 7 positioned close to the target structure being regarded as the origin of a coordinate system in these exemplary embodiments (FIG. 3, FIG. D).
  • the needle 6 in the exemplary embodiment according to FIG. 1 has an X-shaped cross section, so that rotation of the needle 6 around its main axis is not possible. In the embodiment of Figure 2, this rotational invariance is ensured by the soft tissue anchor 9.
  • a tracking system which provides a corresponding sensor field for determining the position of the navigation needles 6 (FIG. 3, FIG. A).
  • a sensor 17 A - for example a camera or an IR sensor - serves to position the corresponding markers 8A, 13A and 15A on the navigation needle 6 or on the navigation needles 6, on an ultrasound sensor 11 and on a jet cutter 14 to determine.
  • the tracking system comprises a magnetic gradient field 19, which is generated by two corresponding transmitters 17B and consists of two orthogonal partial gradient fields, this with regard to cumulatively or alternatively, another sensor field can also be provided.
  • Optical tracking methods are also possible, for example.
  • At least one navigation needle 6 is preferably used on a planned resection surface 10.
  • the fixation of the liver 1 can be removed.
  • the resection is carried out by means of a jet cutter 14, which can cut using a water jet 16.
  • the jet cutter 14 also includes a measuring point 15A or 15B (FIG. 3, FIG. E) that can be detected by the tracking system and that preferably locates the cutting tool with sub-millimeter precision within the spatial detection field of the sensor 17A or within the gradient field 19 and the correlation with the other coordinate systems (pre- and intraoperative image data, coordinate systems of the navigation aids) allows.
  • a Doppler ultrasound head 11 is also permanently connected with its detection field 12 to a measuring point 13A or 13B, which permits the position determination of the sound level in space and relative to the other coordinate systems.
  • a measuring point 13A or 13B which permits the position determination of the sound level in space and relative to the other coordinate systems.
  • the current position of the jet cutter 14 and the formwork level with respect to the liver 1 and its substructures can be determined. Images from the intraoperative ultrasound can now be easily assigned to the preoperative data because the current position and spatial relationship of both the sound level 12 and the navigation needle 6 is known from the tracking and because of the previous registration the relationship between pre and intraoperative image data is known and locally preserved via the navigation needle.
  • intraoperative and premutative image data in particular can be determined before the actual resection during the operation, and the liver 1 and the navigation needles 6 can be registered in this way. If more lesions than those identified during planning are discovered in the intraoperative image data, the proposed operation can be modified if necessary by transferring the intraoperatively recognized lesions to the preoperative image data by coordinate transformation and the resection proposal recalculated in the surgical planning system.
  • the position and orientation of the entire liver 1 can be localized roughly and in its surroundings, that is to say in substructures such as the target structure, extremely precisely in real time.
  • This enables important intraoperative structures to be assigned to their preoperative models.
  • By tracking the surgical tools 11 and 14, they can be displayed in real time in both pre- and intra-operative images.
  • this arrangement in combination with a 3D visualization of the current position of the surgical tools or the liver, including the substructures contained in it, in the preoperative and intraoperative image data, enables intuitive spatial interpretation, so that despite the high complexity of the target structures and the lack of them direct sense of touch and sight with regard to the non-bony structure itself, a good assessment of the geometric relationships is possible.
  • a transformation of the intraoperative image data to the existing preoperative data can be used to locate the tumor without further ado, a new resection proposal can be worked out and then implemented during the ongoing operation.
  • FIG. 3A shows an intraoperative global coordinate system x
  • FIG. 3B shows a coordinate system b for preoperative data
  • FIG. 3C an intraoperative coordinate system u
  • FIG. 3D shows a local intrahepatic or coordinate coordinate system (1, r, ⁇ ) and arranged within the non-bony structure
  • FIG. 3E shows a tool coordinate system w.
  • Assignments I and II are prerequisites for assignments III to V. After assignment II, the fixation of the non-bony structure can be removed.
  • the assignments I. and II are prerequisites for the assignments III to IV.

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Abstract

Durch eines oder mehrere in eine nicht-knöcheren Struktur (1) eingebrachte Navigationshilfen (6) kann anhand deren Lage der registrierte Zustand wenigstens einer Teilstruktur der nicht-knöchernen Struktur (1) aufrecht erhalten werden.

Description

Verfahren, Vorrichtung und Navigationshilfe zur Navigation bei medizinischen Eingriffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Navigationshilfe zur Navigation bei medizinischen Eingriffen an nicht-knöchernen Strukturen. Hierbei betrifft die Erfindung insbesondere das Gebiet der medizinischen Eingriffe an Weichteilstrukturen eines Körpers.
Bisher war bei derartigen Eingriffen ein Therapeut im Wesentlichen auf seinen Tast- und Sehsinn angewiesen. Dieses führt insbesondere dazu, dass häufig Sicherheitsabstände zu lebenswichtigen Bereichen des Körpers nicht eingehalten werden können. Darüber hinaus ist die Orientierung bei einer derartigen Vorgehensweise für andere Personen nicht transparent. Dieses gestaltet sich insbesondere deshalb als äußerst schwierig, da in der Regel derartige Weichteilstrukturen ihre Lage während des Eingriffs verändern, so dass sich lebenswichtige Strukturen an einer anderen Position als zu Beginn des Eingriffs befinden können. Auch wird durch den Eingriff die Gestalt der zu operierenden Organe verändert, was ebenfalls zu Abweichungen führt. Eine genaue Navigation ist insbesondere für das Einhalten von Sicherheitsabständen, insbesondere auch in der Nähe lebensnotwendiger Strukturen, zwingend erforderlich.
Es ist Gegenstand vorliegender Erfindung, eine objektivere und genauere Navigation bei medizinischen Eingriffen an nicht-knöchernen Strukturen zu ermöglichen.
Als Lösung schlägt die Erfindung einerseits vor, dass die nicht-knöcherne Struktur mit ihren präoperativen Daten registriert wird, wenigstens eine Navigationshilfe an oder in der nicht-knöchernen Struktur definiert fixiert wird und dass anhand der Lage der Navigationshilfe die Lage wenigstens einer Teilstruktur der nicht-knöchernen Struktur ermittelt wird.
Eine derartige Navigationshilfe ermöglicht es ein über den Operationsverlauf invariantes, lokal exaktes Koordinatensystem zu definieren, dass eine Visualisierung der Instrumente des Operateurs oder von ähnlichem zu wichtigen Strukturen im operierten Organ ermöglicht. Dieses gilt umso genauer, je näher die Navigationshilfe in der Nähe eines geplanten Schnitts bzw. einer interessierenden Stelle fixiert ist. Insbesondere wenn die Navigationshilfe in der Struktur fixiert ist, kann sie auch für die Navigation in der Tiefe eines Organs bzw. Weichteils genutzt werden. Insofern ermög- licht die erfindungsgemäße Vorgehensweise erstmals, dass in einer nichtknöchernen Struktur, wie insbesondere einem Organ bzw. einem Weichteil, auch in der Tiefe einem Operateur genaue Angaben über die Bewegung bzw. Veränderung der nicht-knöchernen Struktur vermittelt werden können, auch wenn der Operateur die eigentliche Operationsstelle nicht einsehen kann.
Vorzugsweise erfolgt die Lageermittlung zumindest kumulativ in einer Datenverarbeitungsanlage, wodurch die Ausgestaltung des erfindungsgemä- ßen Navigationsverfahrens erheblich vereinfacht wird. Hierzu kann zuvor, beispielsweise im Rahmen einer Operationsplanung, ein Bilddatensatz der nicht-knöchernen Struktur, wie er beispielsweise mittels MR oder CT gewonnen werden kann, abgespeichert werden. Vorzugsweise wird die Lage der Teilstruktur- die in der Regel ebenfalls in diesem Bilddatensatz enthal- ten ist, anhand dieses Bilddatensatzes ermittelt. Dazu werden beispielsweise im präoperativen Bilddatensatz das zu operierende Organ inklusive seiner wichtigen Teilstrukturen, wie beispielsweise Gefäße und Tumore, segmentiert - also in seiner räumlichen Lage aus einem Bilddatensatz in Objektform dargestellt - und die Lage von Resektionsflächen und Naviga- tionshilfen für die Navigation in den präoperativen Daten bestimmt.
Zu Beginn des Eingriffs wird vorzugsweise zunächst die Lage der zu Beginn an bzw. in der nicht-knöchernen Struktur verankerten Navigationshilfe bezüglich der nicht-knöchernen Struktur in dem Bilddatensatz bestimmt, oder die Navigationshilfe wird nach vorausgegangener Planung bereits na- vigiert an den vorherbestimmten Ort eingebracht und verankert. Hierzu wird vorzugsweise die nicht-knöcherne Struktur selbst ruhiggestellt bzw. fixiert, wodurch sich diese Lagebestimmung und ein Verankern der Navigationshilfe erheblich erleichtert. Nach dem An- oder Einbringen der Na- vigationshilfe bzw. nach der Lagebestimmung der Navigationshilfe kann die Ruhigstellung oder Fixierung der nicht-knöchernen Struktur aufgehoben werden, so dass die Ruhigstellung bzw. Fixierung der nichtknöchernen Struktur kürzest möglich erfolgt, um den Organismus mög- liehst wenig zu belasten.
Insofern kann einerseits die nicht-knöcherne Struktur vor dem Einbringen der Navigationshilfe registriert, also hinsichtlich ihrer präoperativen und intraoperativen Daten abgeglichen, werden, so dass die Navigationshilfe entsprechend navigiert an- bzw. eingebracht werden kann. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Navigationshilfe entsprechend einer vorausgehenden Operationsplanung möglichst optimal gesetzt wird.
Andererseits ist es auch möglich, die Registrierung der nicht-knöchernen Struktur nach dem Einbringen der Navigationshilfe vorzunehmen, wobei es insbesondere dann möglich ist, gleichzeitig eine Registrierung der Na- vigationshilfe vorzunehmen. Diese Vorgehens weise hat den Vorteil, dass die Gesamtoperationszeit dahingehend verkürzt werden kann, dass während des Eingriffs lediglich ein Registrierungsschritt vorgenommen werden braucht.
In vorliegendem Zusammenhang ist einerseits zwischen präoperativen und intraoperativen Daten, Vorgängen oder Maßnahmen zu unterscheiden. Mit „präoperativ" werden hierbei Daten, Vorgänge oder Maßnahmen bezeichnet, die vor einer Operation bzw. Behandlung gewonnen bzw. durchgeführt werden. Als „intraoperativ" werden Daten, Vorgänge oder Maßnah- men bezeichnet, die interventionell, d. h. während des eigentlichen Eingriffs, am Patienten erhoben oder durchgeführt werden. Vorzugsweise sind interventioneile Eingriffe offene chirurgische Eingriffe und minimal- invasive Diagnose- und Therapieformen, wie beispielsweise LITT (Laser- induzierte Thermo-Therapie) RFA (Radiofrequenzablation) und Kryotherapie.
Andererseits ist bei den interventionellen Daten, Vorgängen und Maßnahmen zu unterscheiden zwischen „prämutativen" Daten, Vorgängen bzw. Maßnahmen, „intramutativen" Daten, Vorgängen bzw. Maßnahmen und „postmutativen" Daten, Vorgängen bzw. Maßnahmen, wobei die „prämutativen" Daten, Vorgänge bzw. Maßnahmen vor der Durchführung irreversibler Vorgänge bzw. Maßnahmen, wie beispielsweise einer Resektion, die intramutativen Daten, Vorgänge bzw. Maßnahmen währenddessen und die „postmutativen" Daten, Vorgänge bzw. Maßnahmen nach der Durchfüh- rung irreversibler Vorgänge bzw. Maßnahmen gewonnen bzw. durchgeführt werden.
Insofern kann eine Registrierung eine Beziehung sowie zwischen präoperativen und prämutativen Daten als auch zwischen präoperativen und intra- bzw. postmutativen Daten herstellen. Es erweist sich für die Präzision des erfindungsgemäßen Verfahrens als vorteilhaft, eine Registrierung zunächst zwischen präoperativen und prämutativen Daten vorzunehmen. Im An- schluss hieran kann dann der Verlauf einer Operation, bei welcher die nicht-knöcherne Struktur ihre Lage, Form und Gestalt, beispielsweise durch eine Resektion, erheblich verändert, entsprechend durch Abgleich mit postmutativen Daten verfolgt werden. Hierbei hat es sich herausgestellt, dass ein häufiges Abgleichen während der Operation die Genauigkeit der Verfolgung des Bewegungsablaufes erheblich erhöht. Darüber hinaus hat es sich herausgestellt, dass ein Abgleich der intraoperativen Daten untereinander, also ein Abgleich zwischen prä- und postmutativen Daten bzw. ein Abgleich zwischen in verschiedenen, vorzugsweise aufeinanderfolgenden, Operations Stadien aufgenommenen postmutativen Daten wesentlich schneller erfolgen kann, als dieses bei einem Abgleich zwi- sehen präoperativen und postmutativen Daten der Fall ist. Auf diese Weise kann somit mit technisch einfacheren Mitteln eine Echtzeitnavigation realisiert werden.
Zur Lageermittlung kann dann anhand der Lage der Navigationshilfe zu Beginn des Eingriffs (insbesondere prämutativ) und der Lage der Naviga- tionshilfe während des Eingriffs (insbesondere intra- bzw. postmutativ) eine Transformation bestimmt und diese Transformation zur Lageermittlung der Teilstruktur bzw. auch der gesamten nicht-knöchernen Struktur auf den Bilddatensatz der Teilstruktur oder der gesamten nicht-knöchernen Struktur angewandt werden. Hierbei versteht es sich, dass in der Nähe der Navigationshilfe diese Transformation wesentlich genauer sein wird, als dieses bei größer entfernten Teilstrukturen der Fall ist. Eine derartige Transformation ermöglicht somit eine Zuordnung zwischen intraoperativen Bilddaten und präoperativen Bilddaten. Da eine derartige Transformation bei geeigneter Wahl der zugehörigen Koordinatensysteme, diese sollten jeweils sämtliche notwendigen Raumdimensionen abdecken, invertierbar gewählt werden kann, ist dann ohne weiteres auch eine Zuordnung der präoperativen Bilddaten zu den intraoperativen Bilddaten möglich.
Durch eine derartige Verfahrensführung ist eine geometrische Zuordnung von vor dem Eingriff aufgenommen Bilddaten zu der aktuellen Lage des Teilbereichs möglich, so dass Sicherheitsabstände selbst bei widrigen optischen und palpatorischen Verhältnissen eingehalten werden können. Durch die Darstellung der aktuellen Lage und Instramentenposition in den prä- und intraoperativen Bilddaten ist es darüber hinaus möglich, dass Dritte ein objektives Bild der Navigation erhalten.
In diesem Zusammenhang versteht es sich, dass die Transformation nicht zwingend aus den eigentlichen Bilddaten ermittelt werden muss, sondern dass dieses auch anhand anderer, den Bilddaten entsprechenden Daten, wie beispielsweise anhand von Messdaten, erfolgen kann. Insofern bezeichnet der Begriff ,3üddaten" in vorliegendem Zusammenhang jeden Datensatz, der aufgrund einer räumlichen Zuordnung eine Charakterisierung einer nicht-knöchernen Struktur in ihrer räumlichen Ausdehnung ermöglicht.
Es versteht sich, dass die Bilddaten in vorliegendem Zusammenhang in einer entsprechenden Datenverarbeitungsanlage gespeichert und verarbei- tet werden können, wobei auch die Darstellung der Bilddaten, je nach konkreter Ausgestaltung, entsprechend durch Bildschirme bzw. Drucker oder andere Hilfsmittel nach Wunsch gewählt werden kann. Vorzugsweise sind die Bilddaten dreidimensional gewählt, so dass - insbesondere auch zur Vorbereitung des medizinischen Eingriffs - das gesamte Volumen der Teilstruktur bzw. der Gesamtstruktur visuell oder in anderer geeigneter Form zur Verfügung gestellt werden kann. Insbesondere können aus einem dreidimensionalem Bilddatensatz ohne weiteres geeignete Schnitte und Betrachtungswinkel gewählt werden, die zur Operationsvorbereitung und zur anschließenden Durchführung genutzt werden können.
Lebensnotwendige Strukturen bzw. Teilstrakturen können durch die Re- gistrierung mit den präoperativen Daten ohne weiteres intraoperativ erkannt und erhalten werden, was bislang häufig aufgrund mangelnder Orientierung nicht möglich war.
Darüber hinaus ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, den zuvor präoperativ ermittelten Navigationspfad bzw. Therapievorschlag intraope- rativ zu aktualisieren. Dieses ist insbesondere beispielsweise bei während der Operation neu gefundenen Läsionen oder ähnlichem vorteilhaft. Hierbei kann vorzugsweise ein anhand der präoperativen Daten präoperativ erstellter Operationsplan anhand der intraoperativen Daten überprüft und ggf. aktualisiert werden. Dieses wird insbesondere einerseits dadurch mög- lieh, dass die aktuell während einer Operation gefundenen Gegebenheiten, wie die Lage der neu gefundenen Läsion oder sonstige Informationen, die präoperativ nicht oder nur sehr ungenau ermittelbar waren, in das präoperativ gewonnene Gesamtbild integriert und hierzu in Beziehung gesetzt werden können. Darüber hinaus kann andererseits der neue Therapievorschlag sowohl in seinen präoperativen theoretischen Auswirkungen als auch in seinen intraoperativen Auswirkungen unmittelbar und bei minimalem invasiven Aufwand für den Patienten erkannt, erörtert und um- gesetzt werden.
In einer bevorzugten Verfalirensfrilirung kann zwischen verschieden intraoperativen Bilddaten, beispielsweise zwischen prä- und postmutativen Bilddaten oder zwischen verschiedenen postmutativen Bilddaten, eine Transformation ermittelt werden. Durch Kombination der jeweiligen Transformationen folgt dann eine direkte Beziehung zwischen prä- und intraoperativen Bilddaten, die entsprechend zur Navigation genutzt werden kann.
Es versteht sich, dass die Abfolgen der Bilddatenaufnahme, der Ermittlung der Transformationen und der Anwendung der Transformationen auch un- abhängig von der Verwendung einer Navigationshilfe vorteilhaft sind, wenn die zur Ermittlung einer Transformation notwendigen Koordinatensysteme anderweitig festlegbar sind.
Vorzugsweise wird während des Eingriffs die Lage wenigstens eines O- perationswerkzeuges bestimmt und relativ zu der Teilstruktur bzw. der nicht-knöchernen Struktur ermittelt. Auf diese Weise erhält der Operateur unmittelbar eine Rückkopplung über die Lage seines Operationswerkzeuges, um so dieses genauestens navigiert einsetzen zu können. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn die chirurgischen Instrumente mit geeigneten Messeinrichtungen und Messpunkten in wenigstens fünf bzw. in ihren wesentlichen räumlichen Freiheitsgraden erfasst werden. Bei axial wirksamen Instrumenten, wie Nadeln oder Jet-Cuttern, reichen dies- bezüglich regelmäßig fünf Freiheitsgrade aus. Andererseits können auch sechs Freiheitsgrade erfasst werden, wodurch die entsprechenden bzw. notwendigen Transformationen wesentlich genauer ermittelt werden können.
Als Lösung schlägt die Erfindung darüber hinaus eine Navigationshilfe zur Navigation bei medizinischen Eingriffen an nicht-knöchernen Strukturen vor, welche Mittel zur Definition eines lokalen Koordinatensystems aufweist. Durch eine derartige Navigationshilfe, die an der bzw. in die nichtknöcherne Struktur an- bzw. eingebracht wird, erhält der Operateur während eines Eingriffs bereits einen rein visuellen oder palpatorischen An- haltspunkt. Darüber hinaus ermöglicht das lokale Koordinatensystem eine in der Umgebung der Navigationshilfe gültige Transformation zu finden, mittels welcher dann Bilddaten dieser Umgebung, die zu einem anderen Operationszeitpunkt bzw. bei einer anderen räumlichen Lage der nichtknöchernen Struktur aufgenommen wurden, der neuen Lage angepasst werden können.
Dementsprechend schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur Navigation bei medizinischen Eingriffen an nicht-knöchernen Strukturen vor, welche Mittel zur Erfassung der räumlichen Lage wenigstens einer derartigen Na- vigationshilfe in wenigstens fünf Freiheitsgraden aufweist. Auf diese Weise kann eine automatische bzw. rechnergestützte Lageermittlung und dem- entsprechende Ermittlung der notwendigen Transformation erfolgen. Hierbei sind drei Freiheitsgrade notwendig, um den Ort der Navigationshilfe zu bestimmen. Zwei weitere Freiheitsgrade werden wegen der Ausrichtung der Navigationshilfe benötigt. Bei der Verwendung einer nadeiförmigen Navigationshilfe und/oder bei der Verwendung mehrerer Navigationshilfen kann unter Umständen auf einen sechsten Freiheitsgrad, welcher bei einer Rotationsinvarianz der Navigationshilfe keine zusätzliche Festlegung be- dingen würde, verzichtet werden.
Vorzugsweise weist die Navigationshilfe einen Marker auf, durch welchen - gegebenenfalls - die Navigationshilfe von einem externen Sensor erfasst werden kann. Ein derartiger Marker, der von einem externen Sensor erfassbar ist, kann passiv ausgebildet sein, so dass er besonders klein und ohne eine Anbindung an externe Messeinrichtungen oder Stromversorgungen bauen kann. Andererseits kann ein derartiger Marker auch aktiv gewählt werden, so dass er Strahlen oder ähnliche Informationen, die ihn detektierbar machen, aussendet. Vorzugsweise ist der Marker dann mit einer eigenen Energiequelle ausgestattet. Auf diese Weise wird durch die erfindungsgemäße Navigationshilfe der ohnehin begrenzte Operationsbereich nicht unnötig mit Zuleitungen noch weiter beengt.
Alternativ kann die Navigationshilfe wenigstens einen Sensor zur Lokalisation von mindestens fünf räumlichen Freiheitsgraden der Navigationshil- fe aufweisen. Hierbei ist die Art, wie die Freiheitsgrade ermittelt werden zunächst sekundär. Besonders vorteilhaft hat sich jedoch ein Zusammenspiel mit Mitteln zur Erzeugung eines Feldes, wie beispielsweise eines Gradientenfeldes, erwiesen, welche die Bestimmung der Lage und/oder Ausrichtung eines Sensors ermöglichen. Insbesondere ist es auch möglich, mehrere, nicht notwendigerweise senkrecht zueinander verlaufende, Gradientenfelder zu erzeugen, so dass durch einen entsprechenden Sensor die notwendigen Raumkoordinaten ermittelt werden können. Das entsprechende Messergebnis kann dann beispielsweise an einen Rechner weitergeleitet werden. Dieses kann einerseits drahtlos aber auch über eine entsprechende Daten- oder Messleitung erfolgen.
Darüber hinaus schlägt die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform eine nadeiförmige Navigationshilfe bzw. eine Navigationshilfe mit einem nadeiförmigen Fortsatz zur Navigation bei medizinischen Eingriffen an nicht-knöchernen Strukturen vor. Ihre Nadelspitze kann vorzugsweise den Ursprung eines lokalen Koordinatensystems definieren. Weiter kann die Navigationshilfe einen Weichteilanker, der eine translations- (bei einer Navigationseinheit mit fünf Freiheitsgraden) und zusätzlich eine rotationsinvariante Fixierung der Navigationshilfe (bei einer Navigationseinheit mit sechs Freiheitsgraden) in der nicht-knöchernen Struktur ermöglicht, und eine Navigationseinheit umfassen, die insbesondere einen erfindungsgemäßen Marker bzw. Sensor aufweisen kann. In vorliegendem Zusammenhang bezeichnet der Begriff „Navigationseinheit" jeden Bestandteil einer erfindungsgemäßen Navigationshilfe, der zur Lokalisierung der Navigati- onshilfe genutzt werden kann bzw. genutzt wird. Diese Navigationseinheit ermöglicht die Erfassung der Navigationshilfe in einem globalen Koordinatensystem eines Tracking-Systems, wie bereits vorstehend beschrieben. Zum gleichen Zweck können auch chirurgische Instrumente Navigations- einheiten aufweisen, welche die Erfassung der Instrumente in den Koordinaten des Tracking-Systems ermöglichen.
Durch die nadelförmige Ausführung der Navigationshilfe kann zum Einen in der Tiefe des Organs in der Nähe der Zielstruktur ein lokales Koordinatensystem definiert werden, das eine Tiefennavigation ermöglicht, und zum Anderen sind lokal zur Nadel nur geringe Verformungen der nichtknöchernen Struktur zu erwarten, wenn in deren Nähe eine Resektion vorgenommen wird. Eine derartige -Anordnung ermöglicht auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung eine exaktere und einfachere Navigation bzw. Orientierung während eines medizinischen Ein- griff s.
Vorzugsweise umfasst die Navigationshilfe eine Nadel, da eine Nadel sehr einfach und unter minimalen Gewebeverletzungen in eine derartige nichtknöcherne Struktur eingebracht werden kann. Darüber hinaus kann, je nach Indikation, eine Nadel verhältnismäßig tief in die Struktur eingeführt werden, so dass diese auch unmittelbar zur Tiefennavigation genutzt werden kann. Je nach Erfordernissen kann die Navigationshilfe einen oder mehrere Weichteilanker, wie Hakenelemente oder ähnliches, aufweisen, welche die Navigationshilfe verlässlicher in der Struktur fixieren. Es ver- steht sich, dass auch Klemmen oder ähnliches vorgesehen sein können, um die translations- und gegebenenfalls auch rotationsinvariante Fixierung der Navigationshilfe sicherzustellen.
Die vorbeschriebene Anordnung eignet sich insbesondere für ein Zusam- menspiel mit einer Datenverarbeitungsanlage, wenn der Navigationskopf bzw. die Navigationseinheit durch ein Tracking-System detektierbar ist. In einem derartigen Fall kann die Lage der Navigationshilfe bzw. des Operationswerkzeuges sowie eines entsprechenden lokalen Koordinatensystems ohne Weiteres gemessen, an die Datenverarbeitungsanlage weitergeleitet und anschließend ihre Lage bezüglich der prä- und intraoperativen Bilddaten ermittelt werden.
Die Orientierung im Umfeld der zu operierenden Zielstruktur kann hierbei durch eine physische Definition des navigiert zur Zielstruktur über die Navigationshilfen eingebrachten Koordinatensystems erreicht werden. In die- sem können dann über geeignete Messeinrichtungen einzelne Raumpunkte, wie beispielsweise an den Operationswerkzeugen befestigte Messpunkte bzw. Navigationseinheiten, zur Navigation verfolgt werden. Durch das eingebrachte physische Koordinatensystem wird die globale Verformung der nicht-knöchernen Struktur im lokalen Koordinatensystem relativ zur Zielstruktur handhabbar, wobei es sich versteht, dass das lokale Koordinatensystem nicht zwingend kartesisch gewählt werden muss und möglicherweise auch niederdimensional gewählt werden kann. Insbesondere ist es nicht notwendig, dass das lokale Koordinatensystem auch in seiner lo- kalen Form eine entsprechende visuelle oder andere Darstellung erfährt. Vielmehr ist es denkbar, dass es lediglich als Transformationshilfsmittel genutzt wird und in den eigentlich durchzuführenden Berechnungen nicht erscheint.
Werden mehrere Navigationshilfen eingesetzt, kann aus der Registrierung der Lageveränderung zueinander näherungsweise die Verformung größerer Bereiche der nicht-knöchernen Struktur bzw. der gesamten nicht- knöchemen Struktur bestimmt werden.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher beispielhaft ein zu operierendes Organ und ein entsprechendes Operationswerkzeug sowie eine Navigationshilfe und verschiedene, zur Anwendung kommende Koordinatensysteme dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Leber, eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Operations Werkzeuges, erfindungsgemäße Mittel zur Aufnahme intraoperativer Bilddaten sowie eine erfindungsgemäße Navigationshilfe,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Leber, eine zweite Aus- führungsform eines erfindungsgemäßen Operations Werkzeuges, erfindungsgemäße Mittel zur Auf ahme intraoperativer Bilddaten sowie eine erfindungsgemäße Navigationshilfe und Fig. 3 verschiedene bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen verwendete Koordinatensysteme.
Hierbei zeigen Figuren 1 und 2 eine Leber 1 mit einem tiefgelegenem Tumor 2 in der rechten Leberhälfte. Die rechte Lebervene 3 ist voll von dem Tumor 2 erfasst, während die mittlere Lebervene 4 innerhalb eines Sicherheitsabstandes liegt, wenn die tumortragende Leberhälfte entfernt wird. Die linke Lebervene 5 ist augenscheinlich nicht betroffen und muss überlebensnotwendig erhalten bleiben.
Der entsprechenden Operation geht eine computergestützte Operationspla- nung voraus, in welcher ein dreidimensionaler Datensatz der Leber mittels verschiedener Messmethoden, wie Ultraschall, CT, MR und ähnlichem ermittelt wird (Figur 3, Abb. A und B). Aus der Lage des Tumors zu den Gefäßen werden abhängiges Gewebe und Sicherheitsabstand berechnet und daraus die Resektionsflächen und Positionen der Navigationshilfen be- stimmt (vergleiche Tabelle).
Aus der der Operation vorausgehenden computergestützten Planung des Eingriffs liegen in der Regel bereits Gefäßstrukturen, eine oder mehrere Tumore mit ihrem Sicherheitsabstand, berechnetes abhängiges Gewebe, mögliche Schnittflächen oder ähnliche Informationen über Teilstrukturen der interessierenden nicht-knöchernen Struktur vor.
Intraoperativ wird nach der Mobilisierung der Leber 1 diese zunächst mittels geeigneter anästhesistischer und chirurgischer Maßnahmen fixiert. Hierzu zählen beispielsweise die Jet- Ventilation und die Auslegung des Bauchraumes mit Tüchern, sowie die Fixation der Leber mittels eines geeigneten Greifarmes oder mittels langer die Leber durchdringender Nadeln auf einer Unterlage.
Anschließend wird in einem nächsten Schritt ein Abgleich der präoperativ gewonnen Planungsdaten mit der Geometrie des intraoperativen Situs der fixierten Leber 1 vorgenommen (Tabelle). Dazu wird die Leber 1 bei vorliegenden Ausführungsbeispielen mit dreidimensionalem Ultraschall (Figur 3, Abb. C) gescannt und der so gewonnene Bilddatensatz mittels einer geeigneten mathematischen Transformation mit den präoperativ gewonnenen Bilddaten, beispielsweise MR- oder CT-Bilddaten, registriert.
An präoperativ geplanten Stellen in der Nähe der Zielstruktur werden nunmehr navigiert Navigationsnadeln 6 eingebracht, wobei hinsichtlich der Navigation die erfindungsgemäße Sensorik 8 zur Lageverfolgung der Navigationsnadeln 6 genutzt wird (Tabelle A). Die Navigationsnadeln 6 weisen einen Weichteilanker 9 auf, mittels welchem die Navigationsnadeln 6 in der Leber 1 verrutsch- und drehsicher fixiert werden kann. In dem Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 1 ist der Weichteilanker 9 ebenfalls eine Nadel. Je nach konkreter Anforderung an die Fixierung bzw. an das durch die Navigationshilfe 6 definierte Koordinatensystem (Figur 3D) kann auf diesen zusätzlichen Weichteilanker 9 verzichtet werden oder dieser aufwendiger ausgeführt sein, beispielsweise durch Hakenklemmen bzw. durch aus der Nadelspitze herausfuhrbare Weichteilanker, wie dieses in Figur 2 beispielhaft aufgeführt ist. Entsprechend einer weiteren Alternative (Tabelle B) kann die Navigationsnadel 6 auch zunächst in die Leber 1 einge- bracht und in den intraoperativen Bilddaten quasi gemeinsam mit der ersten Aufnahme eines intraoperativen Bilddatensatzes registriert werden.
Die Navigationsnadel 6 weist darüber hinaus einen Navigationskopf auf, der durch ein Tracking-System detektierbar ist. Der Navigationskopf bildet mit der Nadel 6 eine bauliche Einheit, wobei bei diesen Ausführungsbeispielen die nahe zur Zielstruktur positionierte Nadelspitze 7 als Ursprung eines Koordinatensystems betrachtet wird (Figur 3, Abb. D). Darüber hin- aus weist die Nadel 6 bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 1 einen X- förmigen Querschnitt auf, so dass keine Rotation der Nadel 6 um ihre Hauptachse möglich ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 wird diese Rotationsinvarianz durch den Weichteilanker 9 gewährleistet.
Darüber hinaus ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ein Tra- cking-System vorgesehen, welches ein entsprechende Sensorfeld zur Lagebestimmung der Navigationsnadeln 6 bereitstellt (Figur 3, Abb. A). Hierbei dient ein Sensor 17 A - beispielsweise eine Kamera oder ein IR- Sensor - dazu, die Lage entsprechender Marker 8A, 13A und 15A an der Navigationsnadel 6 bzw. an den Navigationsnadeln 6, an einem Ultra- schallsensor 11 und an einem Jet-Cutter 14 zu ermitteln. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 umfasst das Tracking-System ein magnetisches Gradientenfeld 19, welches durch zwei entsprechende Sender 17B erzeugt wird und aus zwei orthogonalen Teilgradientenfeldern besteht, wobei dies- bezüglich kumulativ oder alternativ auch ein anderes Sensorfeld vorgesehen sein kann. Auch optische Tracking- Verfahren kommen beispielsweise in Frage.
Vorzugsweise wird nach Registrierung der Leber 1 wenigstens eine Navi- gationsnadel 6 an einer geplanten Resektionsfläche 10 eingesetzt.
Nach dem die Navigationsnadeln 6 fixiert sind, kann die Fixierung der Leber 1 aufgehoben werden.
Die Resektion wird bei vorliegenden Ausführungsbeispielen mittels eines Jet-Cutters 14 durchgeführt, der über einen Wasserstrahl 16 schneiden kann. Der Jet-Cutter 14 umfasst darüber hinaus einen durch das Tracking- System erfassbaren Messpunkt 15A bzw. 15B (Figur 3, Abb. E), der eine vorzugsweise submillimetergenaue Lokalisation des Schneidewerkzeuges innerhalb des räumlichen Erfassungsfeldes des Sensors 17A bzw. innerhalb des Gradientenfeldes 19 und die Korrelation zu den übrigen Koordi- natensystemen (prä- und intraoperative Bilddaten, Koordinatensysteme der Navigationshilfen) erlaubt.
Darüber hinaus ist auch ein Doppler-Ultraschallkopf 11 mit seinem Erfassungsfeld 12 fest mit einem Messpunkt 13A bzw. 13B verbunden, der die Lagebestimmung der Schallebene im Raum und relativ zu den übrigen Ko- ordinatensystemen erlaubt. Mittels der hieraus gewonnen Messdaten (Figur 3C) kann die aktuelle Lage des Jet-Cutters 14 und der Schallebene bezüglich der Leber 1 und ihrer Teilstrukturen bestimmt werden. Bilder aus dem intraoperativem Ultraschall können nunmehr ohne Weiteres den präoperativen Daten zugeordnet werden, weil durch das Tracking die aktuelle Lage und räumliche Beziehung sowohl der Schallebene 12 als auch der Navigationsnadel 6 bekannt ist und weil durch die vorausgegan- gene Registrierung der Zusammenhang zischen prä- und intraoperativen Bilddaten bekannt ist und über die Navigationsnadel lokal erhalten bleibt. Auf diese Weise können insbesondere intraoperative und prämutative Bilddaten vor der eigentlichen Resektion während der Operation ermittelt und die Leber 1 sowie die Navigationsnadeln 6 auf diese Weise registriert werden. Werden in den intraoperativen Bilddaten weitere als bei der Planung erkannte Läsionen entdeckt, kann der Operationsvorschlag gegebenenfalls modifiziert werden, indem die intraoperativ erkannte Läsionen durch Koordinatentransformation in die präoperativen Bilddaten übertragen werden und der Resektions Vorschlag im Operationsplanungs System neu berechnet wird.
Anhand der durch die 7 (Figur 3D) Navigationsnadeln 6 aufgespannten lokalen Koordinatensysteme lässt sich die Position und Orientierung der gesamten Leber 1 grob und in ihrer Umgebung, also in Teilstrukturen wie der Zielstruktur, außerordentlich präzise in Echtzeit lokalisieren. Hierdurch wird eine Zuordnung bedeutender intraoperativer Strukturen zu ihren präoperativ gewonnenen Modellen ermöglicht. Durch Tracking der Operationswerkzeuge 11 und 14 können diese in Echtzeit sowohl in prä- als auch in intraoperativ gewonnenen Bildern dargestellt werden. Durch die Registrierung der prä- und intraoperativen Lebergeometrie mit anschließendem Tracking eines lokalen Koordinatensystems und der Instrumente in Echtzeit werden die für die Robotik-, Virtual- bzw. Augmen- ted-Reality erforderlichen Grundlagen in der Weichteilchirurgie erstmals geschaffen. Darüber hinaus ermöglicht diese Anordnung in Kombination mit einer 3D- Visualisierung der aktuellen Lage der Operationswerkzeuge bzw. der Leber inkl. der in ihr enthaltenen Teilstrukturen in den prä- und intraoperativen Bilddaten eine intuitive räumliche Interpretation, so dass trotz hoher Komplexität der Zielstrukturen und des fehlenden unmittelba- ren Tast- und Sehsinns hinsichtlich der nicht-knöchernen Struktur selbst eine gute Einschätzung der geometrischen Verhältnisse möglich ist.
Wird durch den intraoperativen Ultraschall 11 ein weiterer Tumor festgestellt, so kann, wie bereits vorstehend angedeutet, mittels einer Transformation der intraoperativen Bilddaten auf die vorhandenen präoperativen Daten dieser ohne weiteres lokalisiert, ein neuer Resektionsvorschlag erarbeitet und dann während der laufenden Operation umgesetzt werden.
Es versteht sich, dass ein derartiges Verfahren außer bei der Leber 1 auch bei anderen nicht-knöchernen Strukturen zur Anwendung kommen kann.
Tabelle:
Im Nachfolgenden beziehen sich die Buchstaben auf die in Figur 3 dargestellten Koordinatensysteme. Hierbei zeigt:
Figur 3 A ein intraoperatives globales Koordinatensystem x, Figur 3B ein Koordinatensystem b für präoperative Daten,
Figur 3C ein intraoperatives Koordinatensystem u,
Figur 3D ein lokales intrahepatisches bzw. innerhalb der nicht-knöchernen Struktur angeordnetes Zylinderkoordinatensystem (1, r, α) und
Figur 3E ein Werkzeugkoordinatensystem w.
A: Navigiertes Setzen der Navigationshilfe
Die Zuordnungen I und II sind Voraussetzungen für die Zuordnungen III bis V. Nach der Zuordnung II kann die Fixierung der nicht-knöchernen Struktur aufgehoben werden.
Die Zuordnungen I. und II sind Voraussetzungen für die Zuordnungen III bis IV.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Navigation bei medizinischen Eingriffen an nichtknöchernen Strukturen, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtknöcherne Struktur mit ihren präoperativen Daten registriert wird, wenigstens eine Navigationshilfe (6) an oder in der nichtknöchernen Struktur (1) definiert fixiert wird und dass anhand der Lage der Navigationshilfe (6) die Lage wenigstens einer Teilstruktur der nicht-knöchernen Struktur (1) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-knöcherne Struktur (1) vor Einbringen der Navigationshilfe (6) registriert wird, so dass die Navigationshilfe (6) navigiert an- bzw. eingebracht werden kann.
3. Verfahren nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-knöcherne Struktur (1) vor der Registrierung ruhiggestellt oder fixiert wird und dass die Registrierung der nicht-knöchernen Struktur (1) während dessen erfolgt, sodass die Navigationshilfe (6) in Bezug zur registrierten Struktur navigiert eingebracht werden kann.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem An- oder Einbringen der Navigationshilfe (6) die Ruhigstellung oder Fixierung der nicht-knöcherne Struktur (1) aufgehoben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Registrierung der nicht-knöchernen Struktur (1) und die Registrierung der Navigationshilfe (6) nach dem Einbringen der Navigationshilfe (6) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Beziehung der Navigationshilfe (6) zur nicht-knöchernen Struktur (1) erst nach Einbringen der Navigationshilfe (6) ermittelt wird.
7. Verfahren nach Ansprach 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Registrierung eine Transformation ermittelt wird, welchen intraoperativen Bilddaten präoperative Bilddaten und umgekehrt zuordnet.
8. Verfahren nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den intraoperativen Bilddaten, vorzugsweise mittels eines Ko- ordinatensystems der Navigationshilfe, eine intraoperative Transformation ermittelt wird, so dass anschließend eine direkte Beziehung zwischen prä- sowie intraoperativen Daten zur Verfügung steht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass anhand der präoperativen Daten ein präoperativer
Operationsplan erstellt und dieser Operationsplan anhand der intraoperativen Daten überprüft und ggf. aktualisiert wird.
10. Navigationshilfe zur Navigation bei medizinischen Eingriffen an nicht-knöchernen Strukturen (1), gekennzeichnet durch Mittel (8A, 8B) zur Definition eines lokalen Koordinatensystems.
11. Navigationshilfe nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch wenigs- tens einen Marker (8A).
12. Navigationshilfe nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch wenigstens einen Sensor (8B) zur Lokalisation von mindestens fünf räumlichen Freiheitsgraden der Navigationshilfe.
13. Navigationshilfe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass sie einen nadeiförmigen Fortsatz zum Einbringen in die nicht-knöcherne Struktur umfasst.
14. Navigationshilfe nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch einen Weichteilanker (9).
15. Vorrichtung zur Navigation bei medizinischen Eingriffen an nicht- knöchernen Strukturen, gekennzeichnet durch Mittel zur Erfassung der räumlichen Lage wenigstens einer Navigationshilfe nach einem der Ansprüche 10 bis 14 in wenigstens fünf Freiheitsgraden.
16. Vorrichtung nach Ansprach 15, gekennzeichnet durch wenigstens eine Navigationshilfe nach Ansprach 11 und wenigstens einen Sen- sor (17A) zur Erfassung der Lage der Navigationshilfe.
17. Vorrichtung nach Ansprach 15, gekennzeichnet durch wenigstens eine Navigationshilfe nach Ansprach 12 und Mittel (17B) zur Erzeugung eines Feldes (19), mit welchem der Sensor (8B) der Navigationshilfe wechselwirken kann.
18. Vorrichtung nach Ansprach 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Felderzeugungsmittel (17B) wenigstens ein Gradientenfeld (19) erzeugen.
19. Vorrichtung nach Ansprach 18, dadurch gekennzeichnet, dass die
Felderzeugungsmittel (17B) wenigstens zwei Gradientenfelder (19) erzeugen.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, gekennzeichnet durch Mittel (13A, 15A, 17A; 13B, 15B, 17B) zur Lokalisation von Instrumenten (11, 14), insbesondere von chirurgischen Instrumenten (14), wie Schneidewerkzeuge.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, gekennzeichnet durch ein Erfassungsfeld, das den Wirkungsradius von notwendigen Instrumenten (11, 14) und der Navigationshilfen (6) umfasst.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, gekennzeichnet durch Mittel (18) zur, vorzugsweise visuellen und/oder intraopera- tiven, Darstellung prä- oder intraoperativer Bilddaten in Beziehung zu einem notwendigen Instrument (11, 14).
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