WO2002034152A1

WO2002034152A1 - Verfahren, vorrichtung und navigationshilfe zur navigation bei medizinischen eingriffen

Info

Publication number: WO2002034152A1
Application number: PCT/DE2001/003971
Authority: WO
Inventors: Marcus Vetter; Peter Hassenpflug; Gerald Glombitza; Ivo Wolf; Hans-Peter Meinzer
Original assignee: Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
Current assignee: Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2003-04-23
Also published as: EP1328208A1; AU2002215822A1; US20040059216A1; US7953470B2; DE10194615D2

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).