DE102008044529A1

DE102008044529A1 - System und Verfahren zur Verwendung von Fluoroskop- und Computertomographie-Registrierung für Sinuplastie-Navigation

Info

Publication number: DE102008044529A1
Application number: DE102008044529A
Authority: DE
Inventors: Vianney Pierre Salt Lake City Battle; Cristian Wakefield Atria; Laurent Jacques Boston Node-Langlois; Richard A. Salt Lake City Leparmentier; Raguraman Somerville Sampathkumar
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2009-04-02
Also published as: JP5662638B2; US20090080737A1; JP2009078144A

Abstract

Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern Systeme (300, 500) und Verfahren für eine verbesserte Navigation von medizinischen Vorrichtungen (320, 520). Bestimmte Ausführungsformen umfassen die Erfassung eines ersten Bildes einer Patientenanatomie, eines zweiten Bildes der Patientenanatomie und die Erzeugung eines registrierten Bildes auf der Grundlage des ersten und zweiten Bildes. Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen legen Systeme (300, 500) und Verfahren für die automatische Bildregistrierung ohne die Verwendung von Passermarken, Headsets oder manueller Registrierung dar. Somit legen die Ausführungsformen ein vereinfachtes Verfahren der Bildregistrierung dar, mit Hilfe dessen eine medizinische Vorrichtung (320, 520) innerhalb einer Patientenanatomie navigiert werden kann. Ferner legen die Ausführungsformen die Navigierung einer medizinischen Vorrichtung (320, 520) in einer Patientenanatomie mit verringerter ionisierender Strahlungsaussetzung dar. Zusätzlich gewährleisten die verbesserten Systeme (300, 500) und Verfahren der Bildregistrierung eine verbesserte Genauigkeit der registrierten Bilder.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf verbesserte Systeme und Verfahren für die Navigation von medizinischen Geräten. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine verbesserte Bildregistrierung und Navigation eines chirurgischen Geräts in einer Patientenanatomie.
Medizinische Praktiker wie beispielsweise Ärzte, Chirurgen und andere Medizinfachleute verlassen sich beim Durchführen einer medizinischen Prozedur oft auf Technologie, wie dies beispielsweise bei bildgestützten chirurgischen Eingriffen oder Untersuchungen der Fall ist. Ein Trackingsystem kann beispielsweise Positionierungsinformationen für das medizinische Instrument in Bezug auf den Patienten oder ein Referenzkoordinatensystem liefern. Ein medizinischer Praktiker kann das Trackingsystem zu Rate ziehen, um sich über die Position des medizinischen Instrumentes zu vergewissern, wenn sich das Instrument nicht in der Sichtlinie des Praktikers befindet. Ein Trackingsystem kann auch die pre-chirurgische Planung unterstützen.
Das Tracking- oder Navigationssystem erlaubt es dem medizinischen Praktiker, die Anatomie des Patienten zu visualisieren und die Position und Ausrichtung des Instruments nachzuverfolgen. Der medizinische Praktiker kann das Trackingsystem nutzen, um zu bestimmen, wann das Instrument an der gewünschten Stelle positioniert ist. Der medizinische Praktiker kann einen gewünschten Bereich lokalisieren und diesen bearbeiten, wobei er andere Strukturen vermeidet. Eine erhöhte Präzision bei der Lokalisierung von medizinischen Instrumenten innerhalb des Körpers des Patienten kann durch die Ermöglichung einer verbesserten Kontrolle über kleinere Instrumente eine weniger invasive medizinische Prozedur gewährleisten, die den Patienten weniger belastet. Verbesserte Kontrolle und Präzision bei kleineren, feineren Instrumenten kann auch das Risiko mindern, welches mit stärker invasiven Prozeduren wie beispielsweise einer offenen Operation verbunden ist.
So verfolgen medizinische Navigationssysteme den genauen Standort eines chirurgischen Instruments in Bezug auf multidimensionale Bilder der Anatomie eines Patienten nach. Zusätzlich werden bei medizinischen Navigationssystemen Visualisierungswerkzeuge verwendet, um dem Chirurgen Ansichten dieses chirurgischen Instruments zu liefern, welche mit der Anatomie eines Patienten coregistriert sind. Diese Funktion wird typischerweise gewährleistet, indem Komponenten des medizinischen Navigationssystems auf einem oder mehreren Rollwagen unterzubringen, welche durch den ganzen Operationsraum bewegt werden können.
Bei den Trackingsystemen kann es sich beispielsweise um Ultraschall-, Inertialpositions-, optische oder elektromagnetische Trackingsysteme handeln. Bei optischen Trackingsystemen können LEDs, Mikroskope und Kameras zur Anwendung kommen, um die Bewegung eines Objekts in einem 2D- oder 3D-Patientenraum nachzuverfolgen. Bei elektromagnetischen Trackingsystem können Spulen als Empfänger und Sender eingesetzt werden. Elektromagnetische Trackingsysteme können in Form von Sätzen aus drei Senderspulen und drei Empfängerspulen konfiguriert sein, wie beispielsweise einer Industriestandard-Spulenarchitektur(ISCA)-Konfiguration. Elektromagnetische Trackingsysteme können auch mit einer einzelnen Senderspule konfiguriert sein, die beispielsweise mit einer Anordnung von Empfängerspulen oder aber einer Anordnung von Senderspulen mit einer einzigen Empfängerspule verwendet werden können. Magnetfelder, die von der/den Senderspule(n) generiert werden, können von der/den Empfängerspule(n) erkannt werden. Für die gewonnenen Parametermessungen können Positions- und Ausrichtungsinformationen für die Sender und/oder Empfängerspule(n) bestimmt werden.
Bei der medizinischen und chirurgischen Bildgebung, wie beispielsweise der intraoperativen oder preoperativen Bildgebung, werden Bilder von einer Region des Körpers des Patienten zu verschiedenen Zeitpunkten vor, während oder nach der chirurgischen Prozedur erzeugt. Die Bilder werden verwendet, um eine laufende Prozedur unter Einsatz eines chirurgischen Werkzeugs oder Instruments zu unterstützen, das beim Patienten angewendet und in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem nachverfolgt wird, welches anhand der Bilder erzeugt wird. Bildgestützte Chirurgie ist von besonderem Nutzen bei chirurgischen Prozeduren wie der Hirnchirurgie und bei arthroskopischen Prozeduren am Knie, dem Handgelenk, der Schulter oder der Wirbelsäule, sowie bestimmten Typen der Angiographie, Herzprozeduren, interventioneller Radiologie, kranialen Prozeduren am Ohr, Nase, Hals oder Sinus und Biopsien, bei denen Röntgenbilder eingesetzt werden können, um ein bei der Prozedur eingesetztes Werkzeug oder Instrument anzuzeigen, in Bezug auf seine Position zu korrigieren oder anderweitig zu navigie ren.
Sämtliche Bereiche der Chirurgie erfordern sehr genaue Planung und Kontrolle bei der Platzierung einer verlängerten Sonde oder eines anderen Gegenstandes in Gewebe oder Knochen, die intern liegen oder nur schwer direkt einzusehen sind. Insbesondere bei der Gehirnchirurgie werden stereotaktische Rahmen, die einen Eintrittspunkt, einen Sondewinkel und eine Sondentiefe definieren, verwendet, um einen Zugang zu Bereichen des Gehirns zu erhalten, was im Allgemeinen in Verbindung mit zuvor erstellten dreidimensionalen diagnostischen Bildern, wie beispielsweise MRI, PET oder CT-Abtastbildern geschieht, welche genaue Bilder vom Gewebe liefern. Solche Systeme Haben sich auch bei der Positionierung von Pedikelschrauben in der Wirbelsäule als nützlich erwiesen, bei der die visuellen und fluoroskopischen Bildgebungsrichtungen eine Axialansicht eventuell nicht erfassen können, um ein Profil eines Einfügungsweges in Knochen zu zentrieren.
Wenn sie zusammen mit vorhandenen CT-, PET- oder MRI-Bildsätzen verwendet werden, definieren die zuvor aufgezeichneten diagnostischen Bildsätze ein dreidimensionales gradliniges Koordinatensystem, entweder durch deren Präzisionsscanformation oder die Raummathematik ihrer Rekonstruktionsalgorithmen. Allerdings kann es wünschenswert sein, die verfügbaren intraoperativen fluoroskopischen Ansichten und anatomischen Merkmale, die von der Oberfläche oder in den fluoroskopischen Bildern sichtbar sind, mit Merkmalen in den diagnostischen 3-D-Bildern und mit externen Koordinaten von verwendeten Werkzeugen zu korrelieren. Die Korrelation wird oft durch die Lieferung von implantierten Passermarken und/oder der Zugabe von extern sicht baren oder nachverfolgbaren Markern durchgeführt, welche abgebildet werden können. Die Registrierung kann auch durch die Bereitstellung eines externen Headsets erfolgen, das in Kontakt mit dem Kopf des Patienten ist. Passermarker oder ein Headset können unter Verwendung einer Tastatur, Maus oder einer anderen Zeigevorrichtung in den verschiedenen Bildern identifiziert werden. So können gemeinsame Sätze von Koordinaten-Registrierungspunkten in verschiedenen Bildern identifiziert werden. Die gemeinsamen Sätze von Koordinatenregistrierungspunkten können auch auf automatischem Wege durch eine externe Koordinatenmessungsvorrichtung wie beispielsweise eine auf geeignete Weise programmierten handelsüblichen optischen Trackinganordnung nachverfolgt werden. Anstelle von abbildbaren Passermarken, die beispielsweise sowohl in fluoroskopischen als auch MRI- oder CT-Bildern abgebildet werden können, können solche Systeme auch zu einem Großteil mit einfachem optischen Tracking des chirurgischen Werkzeugs arbeiten, wobei bei ihnen ein Initialisierungsprotokoll verwendet werden kann, bei dem ein Chirurg auf eine Anzahl von Knochenvorsprüngen oder andere erkennbare anatomische Merkmale zeigt oder diese berührt, um externe Koordinaten in Bezug auf die Patientenanatomie zu definieren und das Softwaretracking der anatomischen Merkmale zu initiieren.
Allerdings sind einige Nachteile mit den vorangegangenen Registrierungs- oder Korrelationstechniken verbunden. Die Identifizierung von Passermarken, Markern oder einem Headset unter Verwendung einer Tastatur oder Maus kann zeitaufwendig sein. Es könnte wünschenswert sein, die erforderliche Zeitmenge zur Durchführung einer medizinischen Prozedur zu reduzieren. Zudem kann die Registrierung von externen Markern oder einem Headset nicht so genau sein, wie dies eventuell wünschenswert wäre. Viele chirurgische Prozeduren werden innerhalb einer Patientenanatomie durchgeführt. Bildregistrierungstechniken, bei denen Punkte korreliert werden, die außerhalb einer Patientenanatomie liegen, können zu einem resultierenden 3-D-Datensatz führen, bei dem sich die genausten Punkte außerhalb der Patientenanatomie befinden. Daher kann es wünschenswert sein, Punkte innerhalb der Patientenanatomie zu korrelieren.
Im Allgemeinen werden bildgestützte Chirurgiesysteme mit einem Bilddisplay betrieben, das im Sichtfeld eines Chirurgen positioniert ist und das einige Bedienfelder wie beispielsweise ein ausgewähltes MRI-Bild und einige Röntgen- oder fluoroskopische Ansichten zeigt, die aus verschiedenen Winkeln aufgenommen worden sind. Dreidimensionale diagnostische Bilder haben typischerweise eine räumliche Auflösung, die auch bis auf innerhalb einer sehr geringen Toleranz genau sind, wie beispielsweise bis auf einen Millimeter oder weniger. Dagegen können fluoroskopische Ansichten verfälscht sein. Die fluoroskopischen Ansichten sind insofern schattengraphisch, als dass sie die Dichte des gesamten Gewebes darstellen, durch welches der konische Röntgenstrahl gedrungen ist. Bei Werkzeug-Navigationssystemen kann das für den Chirurgen sichtbare Display ein Bild eines chirurgischen Werkzeugs, eines Biopsieinstruments, einer Pedikelschraube, einer Sonde oder einer anderen Vorrichtung zeigen, die auf ein fluoroskopisches Bild projiziert wird, so dass der Chirurg die Ausrichtung des chirurgischen Instruments in Bezug auf das Bild der Patientenanatomie visualisieren kann. Es kann auch ein geeignetes rekonstruiertes CT- oder MRI-Bild angezeigt werden, das den nachverfolgten Koordinaten einer Sondenspitze entsprechen kann.
Unter den Systemen, die für die Implementierung solcher Displays vorgeschlagen worden sind, stützen sich viele auf die Nachverfolgung der Position und der Ausrichtung eines chirurgischen Instruments in externen Koordinaten. Die verschiedenen Koordinatensätze können durch Robotermechanik-Links und Codiergeräte definiert werden, oder sie werden, was üblicher ist, durch eine fixierte Patientenstütze, zwei oder mehr Empfängern wie beispielsweise Videokameras, die an der Stütze befestigt sein können, und einer Vielzahl von Signalelementen definiert, die an einer Schiene oder einem Rahmen auf dem chirurgischen Instrument befestigt sind, wodurch es ermöglicht wird, die Position und Ausrichtung des Werkzeugs in Bezug auf die Patientenstütze und den Kamerarahmen automatisch durch Triangulation zu bestimmen, so dass verschiedene Transformationen zwischen den entsprechenden Koordinaten berechnet werden können. Dreidimensionale Trackingsysteme, bei denen zwei Videokameras und eine Vielzahl von Sendern oder anderen Positionssignalisierungselementen verwendet werden, sind seit langer Zeit im Handel erhältlich und können leicht an solche Operationsraumsysteme angepasst werden. Ähnliche Systeme können auch externe Positions-Koordinaten bestimmen, und zwar unter Verwendung von handelsüblich erhältlichen Schallabschattungssystemen, bei denen drei oder mehr akustische Sender ausgelöst werden und ihr Schall von mehreren Empfänger erkannt wird, um ihre relativen Abstände von den Erkennungsanordnungen zu bestimmen und so durch einfache Triangulation die Position und Ausrichtung der Rahmen oder Stützen zu bestimmen, auf denen die Sender montiert sind. Zusätzlich können auch elektromagnetische Trackingsysteme, wie sie oben beschrieben werden, verwendet werden. Wenn nachverfolgte Passermarken in den diagnostischen Bildern auftauchen, ist es möglich, die Transformation zwischen Operationsraum-Koordinaten und den Koordinaten des Bildes zu definieren.
In letzter Zeit ist eine Anzahl von Systemen vorgeschlagen worden, bei denen die Genauigkeit der diagnostischen 3-D-Bilddatensätze ausgenutzt wird, um die Genauigkeit der Operationsraumbilder durch Anpassung der 3-D-Bilder an Muster zu verbessern, welche in intraoperativen fluoroskopischen Bildern auftauchen. Bei diesen Systemen können Tracking- und Matching-Kantenprofile von Knochen verwendet werden, wobei ein Bild morphologisch auf das andere umgeformt wird, um eine Koordinatentransformation oder einen anderen Korrelationsprozess zu bestimmen. Die Prozedur der Korrelation von Bildern mit geringerer Qualität und nicht-planaren fluoroskopischen Bildern mit Bildern in den 3-D-Bilddatensätzen kann zeitaufwendig sein. Bei Techniken, bei denen Passermarken oder hinzugefügte Marker verwendet werden, kann ein Chirurg einem langen Initialisierungs-Protokoll oder einer langsamen und rechnungsintensiven Prozedur folgen, um Marker innerhalb verschiedener Bildsätze zu identifizieren und zu korrelieren. All diese Faktoren hatten Auswirkungen auf die Geschwindigkeit und Nützlichkeit der intraoperativen Bildführung oder der Navigationssysteme.
Die Korrelation von Patientenanatomie- oder intraoperativen fluoroskopischen Bildern mit zuvor zusammengestellten diagnostischen 3-D-Bilddatensätzen kann auch durch die dazwischenkommende Bewegung der abgebildeten Strukturen zwischen der Zeit der ursprünglichen Bildgebung und der intraoperativen Bildgebungs-Prozedur verkompliziert werden, was insbesondere bei Weichgewebestrukturen der Fall ist. Daher können Transformationen zwischen drei oder mehr Koordinatensystemen für zwei Bildsätze und den physischen Koordinaten in dem Operationsraum eine große Anzahl von Registrierungspunkten erfordern, um eine effektive Korrelation zu gewährleisten. Für das Spinal-Tracking zur Positionierung von Pedikelschrauben kann die Trackingvorrichtung auf zehn oder mehr Punkten auf einem einzigen Wirbel initialisiert werden, um eine geeignete Genauigkeit zu erreichen. In den Fällen, in denen eine abweichende Patientenpositionierung oder eine veränderte Gewebecharakteristik wie beispielsweise ein wachsender Tumor die Gewebedimension oder die Position zwischen den Bildgebungssitzungen tatsächlich verändert, können weitere verwirrende Faktoren auftauchen.
Wenn das bildgestützte Tracking darauf abzielt, eine Operation auf einer starren oder Knochen-Struktur nahe der Oberfläche zu definieren, wie es bei der Platzierung von Pedikelschrauben in der Wirbelsäule der Fall ist, kann die Registrierung alternativ ohne die fortlaufende Referenz an Trackingbilder vor sich gehen, und zwar durch die Verwendung einer Computer-Modeling-Prozedur, bei der eine Werkzeugspitze jeden der sämtlichen Knochenvorsprünge berührt und dort initialisiert wird, um deren Koordinaten und Anordnung festzulegen, in Bezug auf welche die Bewegung der Wirbelsäule als Ganzes durch die anfängliche optische Registrierung dargestellt wird und das Werkzeug dann in Bezug auf die Position dieser Vorsprünge nachverfolgt wird, während eine virtuelle mechanische Darstellung der Wirbelsäule mit einem an der Wirbelsäule befestigten Trackingelement oder Rahmen gestaltet wird. Bei solch einer Prozedur kann auf eine zeitaufwendige und berechnungsintensive Korrelation der verschiedenen Bildsätze aus verschiedenen Quellen verzichtet werden, und durch das Ersetzen der optischen Nachverfolgung von Punkten kann die Anzahl von Röntgenbestrahlungen, die verwendet werden, um die Werkzeugposition in Bezug auf die Patientenanatomie mit dem geeigneten Grad an Genauigkeit effektiv zu bestimmen, eliminiert oder reduziert werden.
Daher bleibt es weiterhin äußerst wünschenswert, einfache Niedrigdosis- und Niedrigkosten-Fluoroskopbilder für die chirurgische Orientierungshilfe zu verwenden, dabei aber auch gleichzeitig verbesserte Genauigkeit für kritische Werkzeugpositionierung zu erzielen.
In der medizinischen Bildgebung sind Bildarchivierungs- und Kommunikationssysteme (PACS) Computer oder Netzwerke, die der Speicherung, Abrufung, dem Austausch und der Darstellung von Bildern dienen. Vollständige PACS handhaben Bilder von verschiedenen Modalitäten, wie beispielsweise Ultrasonographie, Magnetresonanz-Bildgebung, Positronen-Emissions-Tomographie, Computertomographie, Endoskopie, Mammographie und Radiographie.
Die Registrierung ist ein Prozess der Korrelation von zwei Koordinatensystemen, wie beispielsweise einem Patientenbild-Koordinatensystem und einem elektromagnetischen Tracking-Koordinatensystem. Es können mehrere Verfahren verwendet werden, um die Koordinaten in Bildgebungsanwendungen zu registrieren. In einem Bild befinden sich "bekannte" oder zuvor definierte Objekte. Ein bekanntes Objekt umfasst einen Sensor, der bei einem Trackingsystem verwendet wird. Sobald sich der Sensor in dem Bild befindet, ermöglicht der Sensor die Registrierung der beiden Koordinatensysteme.
U.S.-Patent Nr. 5.829.444 von Ferre et al., das am 3. November 1998 erteilt wurde, bezieht sich auf ein Verfahren zur Nachverfolgung und Registrierung beispielsweise unter Verwendung eines Headsets. Ein Patient trägt bei der Aufzeichnung der Abtastbilder ein Headset mitsamt strahlungsdurchlässigen Markern. Auf der Grundlage der zuvor definierten Referenzeinheitsstruktur kann die Referenzeinheit dann automatisch die Positionen der Referenzeinheit auf den abgetasteten Bildern lokalisieren, wodurch sie eine Ausrichtung der Referenzeinheit in Bezug auf die abgetasteten Bilder identifiziert. Ein Feldgenerator kann mit der Referenzeinheit verbunden sein, um ein Positionscharakteristikfeld in dem Bereich zu generieren. Wenn eine relative Position eines Feldgenerators in Bezug auf die Referenzeinheit bestimmt wurde, kann die Registrierungseinheit nachfolgend eine geeignete Darstellungsfunktion generieren. Nachverfolgte Flächen können dann in Bezug auf die gespeicherten Bilder lokalisiert werden.
Allerdings bringt die Registrierung unter Verwendung einer Referenzeinheit, die sich auf dem Patienten und entfernt von der Fluoroskopkamera befindet, aufgrund der Entfernung zwischen der Referenzeinheit und dem Fluoroskop Ungenauigkeiten in die Koordinaten-Registrierung ein. Zudem ist die Referenzeinheit, die sich auf dem Patienten befindet, typischerweise klein, da andernfalls die Einheit die Bildabtastung beeinträchtigen kann. Eine kleinere Referenzeinheit kann nur weniger genaue Positionsmessungen erzeugen und somit die Registrierung beeinträchtigen.
Typischerweise wird ein Referenzrahmen, der bei einem Navigationssystem verwendet wird, vor der chirurgischen Navigation auf eine Anatomie registriert. Die Registrierung des Referenzrahmens beeinträchtigt die Genauigkeit eines navigierten Werkzeugs in Bezug auf das angezeigte fluoroskopische Bild.
Zudem besteht der Bedarf danach, die Menge der ionisierenden Strahlung, der ein Patient während einer medizinischen Prozedur ausgesetzt wird, zu reduzieren. Bei vorangegangenen Verfahren der medizinischen Instrumentennavigation wurde eine kontinuierliche fluoroskopische Bildgebung verwendet, während ein Gerät durch die Anatomie eines Patienten hindurch bewegt wurde. Durch jedes fluoroskopische Bild kann die effektive Dosis, die ein Patient erhält, erhöht werden. Daher ist eine Technik, welche die Gesamtmenge der fluoroskopischen Bildgebung und somit der empfangenen Dosis reduziert, besonders begrüßenswert.
Ferner besteht der Wunsch nach einem verbesserten Verfahren der Sinuplastienavigation, und insbesondere einem Navigationsverfahren, das nicht auf Passermarken, Oberflächenmarker, Headsets oder manuelle Navigation angewiesen ist. Vorangegangene Verfahren der Sinuplastienavigation stützten sich auf endoskopische visuelle oder fluoroskopische Beobachtung der Sinuplastienavigation.
Daher besteht der Bedarf an einem medizinischen Navigationssystem mit einer vereinfachten Bildregistrierungsprozedur, niedrigeren Strahlungsdosen, verbesserter Bildregistrierungs-Genauigkeit und einer reduzierten Zeit für eine medizinische Navigationsprozedur.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegende Erfindung liefern Systeme und Verfahren zur verbesserten medizinischen Gerätenavigation. Bestimmte Ausführungsformen umfassen ein System zur Erfassung eines ersten Bildes einer Patientenanatomie, eines zweiten Bildes einer Patientenanatomie und die Erzeugung eines registrierten Bildes durch die Anwendung von bildgestützten Registrierungstechniken, die auf das erste und zweite Bild angewendet werden. Andere Ausführungsformen legen Systeme und Verfahren zur Navigation eines Sinuplastie-Geräts innerhalb einer Patientenanatomie unter Verwendung von einem oder mehreren registrierten Bilder dar.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung besprochen beziehungsweise dargelegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorangegangene Zusammenfassung sowie die nachfolgende detaillierte Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann besser nachvollzogen werden, wenn sie im Zusammenhang mit den angehängten Zeichnungen gelesen wird. Zum Zwecke der Illustration der Erfindung werden in den Zeichnungen bestimmte Ausführungsformen gezeigt. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in den angehängten Zeichnungen gezeigten Anordnungen und Instrumentenausstattungen beschränkt ist.
1 illustriert ein Sinuplastie-System, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2A, 2B, und 2C illustrieren die Verwendung einer Sinuplastie-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 illustriert ein beispielhaftes chirurgisches Navigationssystem, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4 illustriert eine beispielhafte Anzeigevorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
5 illustriert ein medizinisches Navigationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 illustriert ein Verfahren zur Navigation einer medizinischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 illustriert ein beispielhaftes Sinuplastie-System 100, wie es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das Sinuplastie-System 100 umfasst eine Sinuplastie-Vorrichtung 120, einen Leitdraht 122, einen Katheterballon 124 und eine Kanüle 126. Das Sinuplastie-System 100, das in 1 illustriert wird, befindet sich im Inneren der Kranialregion 110 eines Patienten. Die Kranialregion 110 des Patienten umfasst fer ner einen Sinusgang 112 und einen Sinusgang 114. Genauer gesagt befindet sich die Sinuplastie-Vorrichtung 120 im Sinusgang 112 des Patienten. Ein Sinusgang wird auch mit dem Begriff Ostium bezeichnet. Die Sinuplastie-Vorrichtung 120 umfasst mehrere Komponenten, wozu der Leitdraht 122, der Katheterballon 124 und die Kanüle 126 gehören.
Bei der Sinuplastie handelt es sich um eine medizinische Prozedur, bei der eine Vorrichtung zur Vergrößerung eines Sinusgangs eines Patienten verwendet wird. Genauer gesagt wird die Sinuplastie-Vorrichtung 120, wie in dem vereinfachten Beispiel von 1 illustriert, in die Kranialregion 110 eines Patienten eingebracht. Die Sinuplastie-Vorrichtung 120 kann durch ein Nasenloch des Patienten eingeführt werden. Bei der Sinuplastie-Vorrichtung 120 wird der Leitdraht 122 verwendet, um in den Sinusgang 112 einzudringen. Um den anfänglichen Zutritt zum Sinus zu erhalten, kann die Sinuplastie-Vorrichtung 120 unter endoskopischer Visualisierung in die Patientenanatomie eingeführt werden. Nachdem der Leitdraht 122 den Sinusgang 112 ereicht hat, führt die Sinuplastie-Vorrichtung 120 den Katheterballon 124 in den Sinusgang 112. Der Katheterballon 124 wird gleichmäßig am Leitdraht 122 entlang geführt, um den blockierten oder verengten Sinusgang 112 zu erreichen. Nachdem der Katheterballon in den Sinusgang 112 eingetreten ist, pumpt die Sinuplastie-Vorrichtung 120 den Katheterballon 124 auf. Bei der Ausdehnung des Katheterballons 124 kommt der vergrößerte Katheterballon 124 in Kontakt mit dem Sinusgang 112. Die Sinuplastie-Vorrichtung 120 fährt mit dem weiteren Aufpumpen des Katheterballons 124 fort, wobei sie weiterhin Druck auf den Sinusgang 112 ausübt. Der erhöhte Druck vom ausgedehnten Katheterballon 124 bewirkt, dass sich das innere Volumen des Sinusgangs 112 ausdehnt. Nachdem der Sinusgang 112 ausreichend erweitert worden ist, pumpt die Sinuplastie-Vorrichtung 120 den Katheterballon 124 ab. Die Sinuplastie-Vorrichtung 120 wird, mitsamt Leitdraht 122 und Katheterballon 124, aus der Kranialregion 110 des Patienten entfernt. Der Sinusgang 112 bleibt vergrößert, nachdem der Katheterballon 12 abgepumpt und entfernt worden ist. Der restrukturierte Sinusgang 112 ermöglicht eine normale Sinusfunktion und -drainage.
2A, 2B, und 2C illustrieren die Verwendung einer Sinuplastie-Vorrichtung 220 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Sinuplastie-Vorrichtung 220, die in 2A, 2B, und 2C zum Einsatz kommt, ähnelt der in 1 illustrierten Vorrichtung. Die Sinuplastie-Vorrichtung 220 umfasst einen Leitdraht 222, einen Katheterballon 224 und eine Kanüle 226. Die Kranialregion 210 des Patienten umfasst ferner einen Sinusgang 212 und einen Sinusgang 214. Wie in 2A gezeigt wird, ist der Sinusgang 212 verkleinert und eng, während der Sinusgang 214 relativ offen und gesund ist. Genauer gesagt befindet sich die Sinuplastie-Vorrichtung 220 in der Sinushöhle 212 des Patienten.
Ähnlich wie in der oben gezeigten 1 kann die Sinuplastie-Vorrichtung 220 in die Kranialregion des Patienten eingeführt werden. Wie in 2A gezeigt, wird der Leitdraht 222 durch den verengten Sinusgang 212 geführt. Als nächstes führt die Sinuplastie-Vorrichtung 220 den Ballonkatheter 224 am Leitdraht 222 entlang in den verengten Sinusgang 212.
2B illustriert die Erweiterung des verengten Sinusgangs 212. Nachdem der Ballonkatheter 224 in den verengten Sinusgang 212 eingetreten ist, pumpt die Sinuplastie-Vorrichtung 220 den Ballonkatheter 224 auf. Wie in 2B gezeigt, übt das vergrößerte Volumen des Ballonkatheters 224 einen Druck auf das Innere des Sinusgangs 212 aus. Der steigende Druck vom Ballonkatheter 224 drückt gegen die Innenwende des verengten Sinusgangs 212 und führt dazu, dass sich der verengte Sinusgang 212 erweitert. Nachdem der Ballonkatheter 224 für ausreichende Zeit ausgedehnt worden ist, pumpt die Sinuplastie-Vorrichtung 220 den Katheterballon 224 ab.
2C illustriert den Effekt auf einen verengten Sinusgang 212 nach der Benutzung der Sinuplastie-Vorrichtung 220 zur Ausführung einer Sinuplastie-Prozedur. Wie in 2C gezeigt, sind Leitdraht 222 und Ballonkatheter 224 aus dem verengten Sinusgang 212 entfernt worden. Wie auch immer, im Gegensatz zu 2A ist der Sinusgang 212 nicht mehr verengt. Selbst nachdem die Sinuplastie-Vorrichtung 220 entfernt worden ist, bleibt der Sinusgang 212 relativ offen, wie der Sinusgang 214.
3 illustriert ein beispielhaftes chirurgisches Navigationssystem, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, genauer gesagt ein chirurgisches Navigationssystem, das in verschiedenen Hals-, Nasen- und Ohren(HNO)-Operationen und anderen kranialen Prozeduren verwendet wird. Die Ausführungsform, die in 3 illustriert wird, kann auch für medizinische Prozeduren in anderen Bereichen der Anatomie eines Patienten verwendet werden.
Das chirurgische Navigationssystem 300 umfasst eine Sinuplastie-Vorrichtung 320, eine medizinische Bildgebungsmodalität 340 und einen Arbeitsplatz 360. Die Sinuplastie-Vorrichtung umfasst ferner eine Kanüle 322 und einen Ballonkatheter 324. Die medizinische Bildgebungsmodalität 340 umfasst ferner einen C-Arm 342, einen Imager 344, und einen Empfänger 346. Der Arbeitsplatz 360 umfasst ferner einen Bildprozessor 361, ein Display 362, und eine Eingabevorrichtung 364. In 3 wird auch ein Patient mit einer Kranialregion 310 gezeigt.
Die Sinuplastie-Vorrichtung 320 umfasst ebenso wie die oben beschriebe Vorrichtung einen Leitdraht 322, einen Ballonkatheter 324 und eine Kanüle 326. Die Sinuplastie-Vorrichtung 320 kann optional eine Endoskopkamera enthalten. Die Sinuplastie-Vorrichtung 320 funktioniert ebenfalls ähnlich wie die oben beschriebe Vorrichtung.
Bei der medizinischen Bildgebungsmodalität 340 kann es sich um einen beliebigen Typ von medizinischer Bildgebungsvorrichtung handeln, welche in der Lage ist, Bilder von der Modalität eines Patienten zu erfassen. Die medizinische Bildgebungsmodalität 340 kann optional Bilder mittels einer Vielzahl von verschiedenen Bildgebungsmodalitäten erfassen. In einem Beispiel umfasst die medizinische Bildgebungsmodalität 340 einen Fluoroskopimager 344 und einen Fluoroskop-Empfänger 346, der gegenüber dem Fluoroskopimager 344 auf dem C-Arm 342 montiert ist. In einem anderen Beispiel umfasst die medizinische Bildgebungsmodalität ferner einen 3D-Datensatzimager 344 und einen 3D-Datensatz-Empfänger 346. Die medizinische Bildgebungsmodalität 340 kann preoperative, intraoperative und postoperative Bilddaten erfassen.
Die medizinische Bildgebungsmodalität 340 kann den C-Arm 342 in eine Vielzahl von Positionen bewegen. Der C-Arm 342 bewegt sich um einen Patienten oder ein anderes Objekt herum, um Bilder vom Patienten aus verschiedenen Winkeln oder Perspektiven zu erzeugen. In einer Position können der Imager 344 und der Empfänger 346 ein Bild von der Anatomie eines Patienten erzeugen. Der C-Arm kann sich in eine Vielzahl von Positionen bewegen, um 2D- und 3D-Bilder von der Anatomie eines Patienten zu erfassen. Aspekte der Bildgebungssystem-Variabilität können unter Verwendung von Trackingelementen in Verbindung mit einer Kalibrierungs-Befestigung oder Korrekturvorrichtung bearbeitet werden, um für die Werkzeugnavigation und den Arbeitsplatzdisplay fluoroskopische Bilder mit verbesserter Genauigkeit zu liefern.
Der Arbeitsplatz 360 kann einen Bildprozessor 361, ein Display 362 und eine Eingabevorrichtung 364 umfassen. Die Komponenten des Arbeitsplatzes 360 können innerhalb einer einzelnen Vorrichtung integriert werden oder sich in einer Vielzahl von unabhängigen Vorrichtungen befinden. Der Bildprozessor 361 kann mehrere Funktionen ausführen. Erstens kann der Bildprozessor 361 die medizinische Bildgebungsmodalität 340 so steuern, dass sie Bildgebungsdaten einer Anatomie eines Patienten erfasst. Außerdem kann der Bildprozessor 361 mit einem PACS-System kommunizieren, um Bilddaten zu speichern und abzurufen. Außerdem kann der Bildprozessor 361 Daten an das im Folgenden beschriebe Display 362 liefern. Ferner kann der Bildprozessor eine Vielzahl von Bildverarbeitungsfunktionen durchführen. Zu diesen Funktionen können die 2D/3D-Bildverarbeitung, die Navigation eines 3D-Datensatzes von einer Patientenanatomie sowie die Bildregistrierung gehören.
Der Bildprozessor 361 kann ein 3D-Modell oder eine 3D-Darstellung aus einer Bildgebungsquelle erzeugen, welche einen 3D-Datensatz einer Patientenanatomie erfasst. Der Bildprozessor 361 kann mit dem Display 362 kommunizieren, um die 3D-Darstellung auf dem Display 362 anzuzeigen. Der Bildprozessor 361 kann in Reaktion auf eine Benutzereingabe entsprechende Operationen an den 2D/3D-Bilddaten ausführen. Beispielsweise kann der Bildprozessor unterschiedliche Ansichten und Perspektiven des 3D-Datensatzes berechnen, um es dem Benutzer zu ermöglichen, durch den 3D-Raum zu navigieren.
Der Bildprozessor 361 kann ein oder mehrere 2D-Bilder auf einem 3D-Datensatz von der Anatomie eines Patienten registrieren. Beispielsweise können ein oder mehrere 2D fluoroskopische Standbilder auf einem 3D-CT-Datensatz der Kranialregion eines Patienten registriert werden. In einer Ausführungsform geht die Registrierung der 2D-Bilder auf dem 3D-Datensatz automatisch vor sich. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der Möglichkeit, mehr als einen Satz von medizinischen Bildgebungsdaten ohne die Verwendung von Passermarkern, einem Headset oder manueller Registrierung zu registrieren. Die vom Bildprozessor 361 durchgeführte automatische Bildregistrierung kann die Zeitmenge reduzieren, die zur Registrierung der Bilddatensätze notwendig ist. Zusätzlich kann die bildgestützte automatische Registrierung im Vergleich zur Verwendung von anderen Registrierungstechniken zu einer verbesserten Genauigkeit führen.
Das Display 362 kann so betrieben werden, dass es während einer medizinischen Prozedur ein oder mehrere Bilder anzeigt. Das Display 362 kann im Arbeitsplatz 360 integriert oder auch eine eigenständige Einheit sein. Das Display 362 kann eine Vielzahl von Bildern in einer Vielfalt von Bildgebungsmodalitäten anzeigen. In einem Beispiel kann das Display 362 verwendet werden, um ein Video von einer Endoskopkamera zu liefern. In anderen Beispielen kann das Display 362 eine 2D-Ansicht von einem 3D-Bilddatensatz liefern. In einem anderen Beispiel kann das Display 362 fluoroskopische Bilddaten in Form eines statischen Fluoroskopiebildes oder eines fluoroskopischen Videos liefern. In einem weiteren Beispiel kann das Display 362 eine Kombination von Bildern und Bilddatentypen liefern. Weitere Beispiele und Ausführungsformen von Displays werden im Folgenden beschrieben.
Die Eingabevorrichtung 364 von Arbeitsplatz 360 kann eine Computermaus, eine Tastatur, ein Joystick, Mikrophon oder eine beliebige Vorrichtung sein, die von einem Bediener verwendet wird, um Eingaben in den Arbeitsplatz 360 vorzunehmen. Beim Bediener kann es sich um einen Menschen oder eine Maschine handeln. Die Eingabevorrichtung kann verwendet werden, um durch einen 3D-Datensatz einer Patientenanatomie zu navigieren, das Display 362 zu verändern oder eine chirurgische Vorrichtung wie beispielsweise die Sinuplastie-Vorrichtung 320 zu steuern.
Die Komponenten des chirurgischen Navigationssystems 300 können beispielsweise über eine verkabelte und/oder kabellose Kommunikationsverbindung kommunizieren, wobei es sich beispielsweise um separate und/oder zu verschiedenen Graden integrierte Systeme handeln kann.
Der Arbeitsplatz 360 kann mit der medizinischen Bildgebungsmodalität 340 beispielsweise über verka belte und/oder kabellose Kommunikationsverbindungen kommunizieren. Beispielsweise kann der Arbeitsplatz 360 die Aktionen der medizinischen Bildgebungsmodalität 340 kontrollieren. Zusätzlich kann die medizinische Bildgebungsmodalität 340 die erfassten Bilddaten an den Arbeitsplatz 360 liefern. Ein Beispiel solch einer Kommunikation wäre die Kommunikation über ein Computernetzwerk. Außerdem können die medizinische Bildgebungsmodalität 340 und der Arbeitsplatz 360 mit einem PACS-System kommunizieren. Ferner können die medizinische Bildgebungsmodalität 340, der Arbeitsplatz 360 und das PACS-System zu unterschiedlichen Graden integriert werden.
In einem anderen Beispiel kann der Arbeitsplatz 360 mit der Sinuplastie-Vorrichtung 320 verbunden werden. Genauer gesagt kann die Sinuplastie-Vorrichtung 320 durch eine beliebige elektrische oder Kommunikationsverbindung mit dem Arbeitsplatz 360 verbunden werden. Die Sinuplastie-Vorrichtung 320 kann Video- oder Standbilder vom angeschlossenen Endoskop an den Arbeitsplatz 360 liefern. Zusätzlich kann der Arbeitsplatz 360 Kontrollsignale an die Sinuplastie-Vorrichtung 320 schicken, um das Aufpumpen und/oder Abpumpen des Ballonkatheters 324 anzuordnen.
Das chirurgische Navigationssystem 300 führt die Nachverfolgung, Steuerung und/oder Führung eines medizinischen Instrumentes durch, das sich im Körper des Patienten befindet. Genauer gesagt und wie in 3 illustriert, kann das chirurgische Navigationssystem 300 eine medizinische Vorrichtung, die bei einer HNO-Prozedur oder einer anderen Operation verwendet wird, nachverfolgen, steuern und/oder führen. Ein Benutzer kann den Arbeitsplatz 360 so bedienen, dass er die Bildgebungsdaten der chirurgischen Vorrichtung in Bezug auf die Patientenanatomie einsehen kann. Zudem kann der Benutzer die Bewegung der chirurgischen Vorrichtung innerhalb der Patientenanatomie über den Arbeitsplatz 360 kontrollieren. Alternativ kann der Benutzer die Bewegung der chirurgischen Vorrichtung manuell kontrollieren. Das Display 362 kann die Position der chirurgischen Vorrichtung innerhalb der Patientenanatomie anzeigen.
Beim Betrieb erfasst die preoperative Bildgebungsmodalität ein oder mehrere preoperative Bilder von einer Patientenanatomie. Die preoperative Bildgebungsmodalität kann eine beliebige Vorrichtung umfassen, die in der Lage ist, ein Bild einer Patientenanatomie zu erfassen, wie beispielsweise eine medizinisch-diagnostische Bildgebungsvorrichtung. In einer Ausführungsform erfasst die preoperative Bildgebungsmodalität ein oder mehrere preoperative 3D-Datensätze der Kranialregion 310 eines Patienten. Der preoperative 3D-Datensatz kann von einer Vielfalt von Bildgebungsmodalitäten erfasst werden, wozu auch Computertomographie und Magnetresonanz gehören. Der preoperative 3D-Datensatz ist auf keine bestimmte Bildgebungsmodalität beschränkt. Ebenso kann die preoperative Bildgebungsmodalität auch eines oder mehrere preoperative 2D-Bilder von der Kranialregion 310 eines Patienten erfassen. Die preoperativen 2D-Bilder können von einer Vielfalt von Bildgebungsmodalitäten erfasst werden, wozu auch Fluoroskope zu zählen sind. Alternativ können die oben beschrieben preoperativen Bilder stattdessen im Verlauf einer medizinischen Prozedur oder eines chirurgischen Eingriffs erfasst werden.
Die preoperative Bildgebung kann auf einem Computer oder einem beliebigen anderen elektronischen Medium gespeichert werden. Insbesondere können die preoperati ven 3D-Datensätze und preoperativen 2D-Bilder im Arbeitsplatz 360, einem PACS-System oder einer beliebigen anderen Speichervorrichtung gespeichert werden.
Die medizinische Bildgebungsmodalität 340 erfasst eines oder mehrere intraoperative Bilder der Patientenanatomie. Insbesondere erfasst die medizinische Bildgebungsmodalität 340 ein oder mehrere intraoperative fluoroskopische Bilder der Kranialregion 310 des Patienten aus einer oder mehreren Positionen des C-Arms 342.
Die intraoperativen fluoroskopischen Bilder von der Kranialregion 310 des Patienten werden an den Arbeitsplatz 360 übermittelt. Zusätzlich greift der Arbeitsplatz 360 auf den preoperativen 3D-Datensatz von Kranialregion 310 des Patienten zu. Dann stimmt der Bildprozessor 361 die intraoperativen fluoroskopischen Bilder mit dem preoperativen 3D-Datensatz ab.
Der Bildprozessor 361 stimmt den 3D-Datensatz mit den fluoroskopischen Bildern ab, indem er bildgestützte Registrierungstechniken anwendet. Wie oben erwähnt, kann die Registrierung automatisch vor sich gehen, und zwar auf der Grundlage der Merkmale der Bilddaten. Der Bildprozessor 361 kann eine Vielfalt von Bildregistrierungstechniken verwenden. Das Originalbild wird oft als Referenzbild bezeichnet, und das Bild, das auf dem Referenzbild abgetragen werden soll, wird als Zielbild bezeichnet.
Der Bildprozessor 361 kann kennzeichnungsgestützte Registrierungstechniken verwenden, wobei identifizierbare Merkmale einer Patientenanatomie verglichen werden. Kennzeichnungsgestützte Techniken können homologe Strukturen der Vielzahl von Datensätzen identifizieren und eine Transformation ermitteln, bei welcher die identifizierbaren Punkte der Bilder am besten überlagert werden. Der Bildprozessor 361 kann auch nicht-kennzeichnungsgestützte Registrierungstechniken anwenden. nicht-kennzeichnungsgestützte Registrierungstechniken können eine räumliche Transformation durchführen, bei der der Index der Differenz zwischen den Bilddaten minimiert wird. Der Bildprozessor kann auch starre und/oder elastische Registrierungstechniken zur Registrierung der Bilddatensätze verwenden. Zusätzlich kann der Bildprozessor Ähnlichkeitsmaß-Registrierungsalgorithmen wie beispielsweise Maximalwahrscheinlichkeit, Annäherungs-Maximalwahrscheinlichkeit, Kullback-Leibler-Divergenz und gegenseitige Information verwenden. Der Bildprozessor 361 kann eine Bildregistrierungstechnik verwenden, die auf einer Grauskala beruht.
Der Bildprozessor 361 kann auch bereichsgestützte Verfahren und merkmalgestützte Verfahren anwenden. Für bereichsgestützte Bildregistrierungsverfahren betrachtet der Algorithmus die Struktur des Bildes über Korrelationsmetriken, Fourier-Eigenschaften und andere Mittel der Strukturanalyse. Allerdings wird bei den meisten merkmalgestützten Verfahren, anstatt die Gesamtstruktur der Bilder zu betrachten, eine Feinabstimmung von deren Darstellung in Bezug auf die Korrelation der Bildmerkmale vorgenommen: Linien, Kurven, Punkte, Linienüberkreuzungen, Grenzen, etc.
Bildregistrierungsalgorithmen können auch entsprechend dem Transformationsmodell klassifiziert werden, das verwendet wird, um den Referenzbildraum zum Zielbildraum in Bezug zu setzen. Die erste große Kategorie der Transformationsmodelle umfasst lineare Transformationen, die eine Kombination aus Übersetzung, Drehung, globaler Skalierung, Scherung und Perspektiven-Komponenten darstellt. Lineare Transformationen sind in ihrer Natur global, so dass sie nicht in der Lage sind, lokale Verformungen abzubilden. Normalerweise werden Perspektiven-Komponenten nicht für die Registrierung benötigt, so dass in diesem Fall die lineare Transformation eine affine ist.
Die zweite Kategorie umfasst 'elastische' oder 'nicht-starre' Transformationen. Diese Transformationen ermöglichen lokale Krümmung (Warping) der Bildmerkmale, so dass sie eine Unterstützung für lokale Verformungen liefern. Nicht-starre Transformationsansätze umfassen Polynomwarping, Interpolation of Smooth Basis Funktionen (thinplate splines und wavelets), und physikalische Kontinuummodelle (viscous fluid models – Modelle viskoser Flüssigkeiten und large deformation diffeomorphisms – Großunterschiedsdiffeomorphismen).
Bildregistrierungs-Verfahren können auch anhand des Typs von Suche klassifiziert werden, der benötigt wird, um die Transformation zwischen zwei Bilddomains zu berechnen. Bei suchgestützten Verfahren wird der Effekt von verschiedenen Bildverformungen bewertet und verglichen. Bei direkten Verfahren, wie beispielsweise dem Lucas-Kanade-Verfahren und phasengestützten Verfahren, wird eine Einschätzung der Bildverformung anhand von lokalen Bildstatistiken berechnet und dann zur Aktualisierung des eingeschätzten Bildes zwischen zwei Domänen verwendet.
Eine weitere nützliche Klassifizierung ist die zwischen Einzel-Modalitäts- und Multi-Modalitäts-Registrierungsalgorithmen. Einzel-Modalitäts-Registrierungsalgo rithmen sind diejenigen, die zur Registrierung von Bildern der selben (d. h. unter Verwendung der selben Art von Bildgebungsvorrichtung erfassten) Modalität gedacht sind, während Multi-Modalitäts-Registrierungsalgorithmen diejenigen sind, die für die Registrierung von Bildern gedacht sind, die unter Verwendung von unterschiedlichen Bildgebungsvorrichtungen erfasst worden sind.
Auf Bildähnlichkeit beruhende Verfahren werden in großem Umfang in der medizinischen Bildgebung verwendet. Ein grundlegendes auf Bildähnlichkeit beruhendes Verfahren besteht aus einem Transformationsmodell, das auf Referenzbild-Koordinaten angewendet wird, um die ihnen entsprechenden Koordinaten im Zielbild zu lokalisieren, einer Bildähnlichkeitsmetrik, welche den Grad der Entsprechung zwischen den Merkmalen in beiden Bildräumen quantifiziert, der von einer bestimmten Transformation erreicht wurde, und einem Optimierungsalgorithmus, durch den versucht wird, die Bildähnlichkeit durch die Veränderung der Transformationsparameter zu maximieren.
Die Auswahl eines Bildähnlichkeitsmaßes hängt von der Natur der zu registrierenden Bilder ab. Zu den gängigen Beispielen für Bildähnlichkeitsmaße gehören Kreuzkorrelation, gegenseitige Information, Quadratmittel-Differenz und Ratio Image Uniformity. Gegenseitige Information und ihre Variante, normalisierte gegenseitige Information, sind die beliebtesten Bildähnlichkeitsmaße zur Registrierung von Multimodalitätsbildern. Kreuzkorrelation, Quadratmittel-Differenz und Ratio Image Uniformity werden gängigerweise für die Registrierung von Bildern derselben Modalität verwendet.
Nachdem der Bildprozessor 361 eine Vielzahl von Bilddaten registriert hat, kann eine chirurgische Vorrichtung navigiert und in der Anatomie eines Patienten nachverfolgt werden. Genauer gesagt kann, nachdem die fluoroskopischen Bilder auf den 3D-Datensatz registriert wurden, die Sinuplastie-Vorrichtung 320 gleichzeitig auf den fluoroskopischen Bildern und dem 3D-Datensatz navigiert werden. Während die Vorrichtung innerhalb der Anatomie eines Patienten bewegt wird, kann der Bildprozessor 361 die Position der Sinuplastie-Vorrichtung 320, wie sie im 3D-Raum als Resultat der Registrierung der fluoroskopischen Bilder mit dem 3D-Datensatz angezeigt wird, aktualisieren.
Während einer medizinischen Prozedur können weitere intraoperative Bilder erfasst werden. Die zusätzlichen intraoperativen Bilder können ebenfalls auf den vorhandenen 3D-Raum registriert werden, der aus früheren Registrierungen der zwei Sätze von Bilddaten resultiert. Beispielsweise können zusätzliche Fluoroskopbilder aufgenommen werden, nachdem eine Sinuplastie-Prozedur begonnen hat. Diese aktualisierten fluoroskopischen Bilder können auf den vorhandenen 3D-Raum registriert werden, der durch die Registrierung der früheren fluoroskopischen Bilder mit dem preoperativen CT-Datensatz entstanden ist. Die aktualisierte erneute Registrierung kann die Genauigkeit des 3D-Raums verbessern, der zur Navigation der Sinuplastie-Vorrichtung 320 verwendet wird.
Während der Sinuplastie-Prozedur wird die Sinuplastie-Vorrichtung 320 zur entsprechenden Stelle navigiert. Wie oben beschrieben wird der Ballonkatheter 324 aufgepumpt, um den Sinusgang zu weiten. Während des Aufpumpens des Ballonkatheters 324 kann der Imager 342 eine fluo roskopische Live-Bildgebung erreichen. Die fluoroskopische Live-Bildgebung kann auf dem Display 362 angezeigt werden, um es einem Benutzer zu ermöglichen, die Weitung zu überwachen, während diese vor sich geht. Die fluoroskopische Live-Bildgebung kann auch verwendet werden, um den 3D-Raum durch erneute Registrierung zu aktualisieren. Dann bedient der Benutzer den Ballonkatheter 324, um das Aufpumpen anzuhalten und mit dem Abpumpen zu beginnen. Nachdem der Ballonkatheter 324 abgepumpt worden ist, kann die Sinuplastie-Vorrichtung 320 entfernt werden. Zusätzliche fluoroskopische Bilder können erfasst werden, um die Anatomie eines Patienten nach der Entfernung der Sinuplastie-Vorrichtung 324 zu betrachten, so dass sichergestellt wird, dass die Prozedur erfolgreich verlaufen ist. Vorangegangene Verfahren der medizinischen Gerätenavigation stützten sich auf kontinuierliche fluoroskopische Live-Videobildgebung während der gesamten medizinischen Prozedur. Bei einer Ausführungsform des medizinischen Navigationssystems 300 werden nur ein oder mehrere fluoroskopische Standaufnahmen verwendet, um die medizinische Vorrichtung zu navigieren. Ein Vorteil dieser verbesserten Systemausführungsform ist eine geringere effektive Gesamtdosis an ionisierender Strahlung.
Das chirurgische Navigationssystem 300 ist nicht auf die Verwendung mit einer Sinuplastie-Vorrichtung 320 beschränkt. Vielmehr kann das chirurgische Navigationssystem 300, das in 3 illustriert wird, zur Nachverfolgung und Navigation einer beliebigen medizinischen Vorrichtung verwendet werden, die in der Anatomie eines Patienten platziert werden kann. Beispielsweise können, sobald die Registrierung durchgeführt ist, chirurgische Werkzeuge, Kanülen, Katheter, Endoskope oder beliebige andere chirurgische Vorrichtungen innerhalb der Patientenanatomie gleichzeitig auf den fluoroskopischen Bildern und dem 3D-Datensatz navigiert werden. Zusätzlich kann das chirurgische Navigationssystem 300 in einem beliebigen Bereich der Anatomie eines Patienten, nicht nur in der Kranialregion 310 des Patienten, verwendet werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Sinuplastie-Vorrichtung 320 mittels einer mechanischen Vorrichtung, wie beispielsweise einem Roboterarm, bedient werden. Beispielsweise kann ein Chirurg eine Eingabevorrichtung 364, die mit dem Computer 360 verbunden ist, verwenden, um den Roboterarm zu führen und zu kontrollieren. Der Roboterarm kann wiederum die Bewegung der Sinuplastie-Vorrichtung 320 kontrollieren.
4 illustriert eine beispielhafte Anzeigevorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das Display 462 kann ähnlich wie die oben beschrieben Displays funktionieren. Die Anzeigevorrichtung 462 kann ferner Fenster 410, Fenster 420, Fenster 430, Fenster 440, und Fenster 450 umfassen. Die Fenster der Anzeigevorrichtung 462 können einem Benutzer eine Vielfalt von visuellen Informationen liefern. Beispielsweise können die Fenster anteroposteriore, laterale und axiale Ansichten von einer Vielfalt von Bildgebungsmodalitäten anzeigen, wozu auch CT, MR oder Fluoroskop, 3D-Rendering-Ansichten und endoskopische Bilder oder Video zu zählen sind. Zusätzlich kann das Display 362 Textdaten liefern, die sich auf eine medizinische Prozedur beziehen. Wie in 4 gezeigt, liefert das Fenster 410 eine anteroposteriore CT-Ansicht, das Fenster 420 liefert eine laterale CT-Ansicht, das Fenster 430 liefert eine axiale CT-Ansicht, das Fenster 440 liefert eine Fluoroskopansicht, und das Fenster 450 liefert Textdaten, die sich auf die medizinische Prozedur beziehen.
5 illustriert ein medizinisches Navigationssystem 500 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Navigationssystem 500 umfasst einen Arbeitsplatz 560, eine Bildgebungsmodalität 540, ein PACS 590, eine chirurgische Vorrichtung 520 und ein Display 562. Der Arbeitsplatz 560 umfasst ferner einen Regler 580, einen Datenspeicher 581, eine Display-Funktionseinheit 582, eine Navigationsschnittstelle 583, eine Netzwerkschnittstelle 584, einen chirurgischen Vorrichtungsregler 585 und einen Bildprozessor 561. Der Arbeitsplatz 560 ist konzeptionell illustriert als eine Ansammlung von Modulen, aber kann unter Verwendung einer beliebigen Kombination von zweckbestimmten Hardwareplatten, Digitalsignalprozessoren, feldprogrammierbaren Gatearrays und Prozessoren implementiert werden. Alternativ können die Module unter Verwendung eines handelsüblichen Computers mit einem einzigen Prozessor oder mehreren Prozessoren implementiert werden, wobei die funktionalen Operationen auf die Prozessoren verteilt sind. Beispielsweise könnte es wünschenswert sein, einen zweckbestimmten Prozessor für Bildregistrierungsberechnungen sowie einen zweckbestimmten Prozessor für Visualisierungsoperationen zu haben. Als weitere Option können die Module unter Verwendung einer Hybridkonfiguration implementiert werden, in der bestimmte Modulfunktionen unter Verwendung von zweckbestimmter Hardware durchgeführt werden, während die verbleibenden Modulfunktionen unter Verwendung eines handelsüblichen Computers durchgeführt werden. Ein Regler 580 kann den Betrieb der Module regulieren. Der Regler 580, Datenspeicher 581, die Display-Funktionseinheit 582, die Navigationsschnittstelle 583, die Netzwerkschnittstelle 584, der chirurgische Vor richtungsregler 585 und der Bildprozessor 561 sind Module des Arbeitsplatzes 560. Als solches stehen die Module durch einen Systembus des Arbeitsplatzes 560 in Kommunikation miteinander. Bei dem Systembus kann es sich um PCI, PCIe oder einen beliebigen anderen entsprechenden Systembus handeln.
Wie in 5 gezeigt, kommuniziert der Arbeitsplatz 560 mit der Bildgebungsmodalität 540, dem PACS 590, der chirurgischen Vorrichtung 520 und dem Display 562. Bei der Kommunikation kann es sich um eine beliebige Form der kabellosen und/oder verkabelten Kommunikation handeln. Der Regler 580 des Arbeitsplatzes 560 kann die Netzwerkschnittstelle 584 bedienen, so dass sie mit anderen Elementen des Systems 500 kommuniziert. Beispielsweise kann es sich bei der Netzwerkschnittstelle 584 um eine verkabelte oder kabellose Ethernet Card handeln, die über ein Lokalnetzwerk mit dem PACS 590 oder der Bildgebungsmodalität 540 kommuniziert.
Beim Betrieb funktioniert der Arbeitsplatz 560 so, dass er die chirurgische Vorrichtung 520 navigiert. Genauer gesagt verwendet der Arbeitsplatz 560 den Bildprozessor 561, um eine Vielzahl von Bilddatensätzen zu registrieren und die chirurgische Vorrichtung dann in den registrierten Bildraum zu navigieren. In einem Beispiel erfasst eine Bildgebungsmodalität ein oder mehrere preoperative Bilder einer Patientenanatomie. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die preoperativen Bilder 3D-Daten, genauer gesagt, Computertomographie- oder Magnetresonanz-Bilder der Patientenanatomie. Die preoperativen Bilder können im PACS 590 gespeichert werden.
Während einer medizinischen Prozedur kann ein Benutzer den Arbeitsplatz 560 so bedienen, dass er ein chirurgisches Instrument 520 in die Anatomie eines Patienten navigiert. Der Benutzer kann den Arbeitsplatz mittels einer Maus, einer Tastatur, Steuerkugel, Touchscreen, stimmaktivierten Befehlen oder einer beliebigen anderen Eingabevorrichtung bedienen. Der Regler 580 beginnt den Navigationsprozess, indem er auf die preoperativen Bilddaten zugreift. Der Regler 580 weist die Netzwerkschnittstelle 584 an, die preoperativen Bilddaten aus dem PACS 590 abzurufen. Der Regler 580 lädt die preoperativen Bilddaten in den Datenspeicher 581. Der Datenspeicher 581 kann eine RAM, eine Flash Memory, ein Festplattenlaufwerk, eine Kassette, CD-ROM, DVD oder ein beliebiges anderes geeignetes Datenspeichermedium sein.
Als nächstes kann ein Benutzer die chirurgische Vorrichtung 520 so bedienen, dass sie eine medizinische Prozedur bei einem Patienten durchführt. In einer typischen Ausführungsform platziert ein Benutzer die chirurgische Vorrichtung 520 innerhalb der Anatomie eines Patienten. Der Arbeitsplatz 560 kann so betrieben werden, dass er Ansichten der chirurgischen Vorrichtung 520 innerhalb der Patientenanatomie anzeigt. Der Regler 580 kommuniziert mit der Bildgebungsmodalität, um intraoperative Bilddaten der Patientenanatomie zu erfassen. In einem Beispiel umfasst die Bildgebungsmodalität 540 ein Fluoroskop, das sich auf einem C-Arm befindet. Der Regler 580 weist die Bildgebungsmodalität an, ein oder mehrere fluoroskopische Bilder an einer oder mehreren Positionen des C-Arms zu erfassen. Die Bildgebungsmodalität 540 übermittelt die intraoperativen Bilddaten an den Regler 580. Die intraoperativen Bilddaten können Bilder der chirurgischen Vorrichtung 520 innerhalb der Patientenanatomie umfassen. Die Kommunikation zwischen Bildgebungsmodalität 540 und Regler 580 kann durch die Netzwerkschnittstelle 584, oder eine beliebige andere Schnittstelle des Arbeitsplatzes 540 verlaufen, die für die Kommunikation mit anderen Vorrichtungen verwendet wird. Eine Schnittstelle kann eine Hardware-Vorrichtung oder Software sein.
Der Regler 580 platziert die intraoperativen Bildgebungsdaten im Datenspeicher 581. Der Regler 580 weist den Bildprozessor 561 an, Bildgebungsfunktionen an den preoperativen und intraoperativen Bilddaten vorzunehmen. Beispielsweise kann der Regler 580 den Bildprozessor instruieren, ein oder mehrere intraoperative Fluoroskopbilder mit dem preoperativen CT-Bilddatensatz zu registrieren. Der Bildprozessor 561 registriert die preoperativen und postoperativen Bilddaten unter Verwendung der Bildregistrierungstechniken, die in dem vorliegenden Antrag an anderer Stelle beschrieben worden sind. In einer bevorzugten Ausführungsform beruht die Bildregistrierung auf Bildern, und zwar ohne die Verwendung von Passermarken, Headsets oder manueller Eingabe durch einen Benutzer. Die Bildregistrierung kann auch automatisch, ohne Eingabe durch einen Benutzer, erfolgen. Beispielsweise kann, wenn intraoperative Bilder erfasst werden, der Bildprozessor 561 die intraoperativen Bilder ohne weitere Eingaben durch den Benutzer auf preoperativen Bildern registrieren. In einem anderen Beispiel kann der Bildprozessor 361, wenn weitere intraoperative Bilder erfasst werden, die neu erfassten intraoperativen Bilder erneut auf dem bereits vorhandenen registrierten Bild registrieren, und zwar ohne weitere Eingaben seitens des Benutzers. Der Bildprozessor 561 erzeugt als Ergebnis der Bildregistrierung ein registriertes Bild. In einem Bei spiel kann es sich bei dem registrierten Bild um ein 3-D-Bild handeln, das die Position der chirurgischen Vorrichtung 520 innerhalb der Patientenanatomie angibt. Der Bildprozessor 561 übermittelt das registrierte Bild an die Display-Funktionseinheit 582.
Die Navigationsschnittstelle 583 kann so betrieben werden, dass sie verschiedene Aspekte kontrolliert, die mit der Navigation der chirurgischen Vorrichtung 520 innerhalb der Patientenanatomie im Zusammenhang stehen. Beispielsweise kann die Navigationsschnittstelle 583 den Regler 580 auffordern, zusätzliche intraoperative Bilder von der Bildgebungsmodalität 540 zu erfassen. Die Navigationsschnittstelle 583 kann zusätzliche intraoperative Bildgebung auf der Grundlage einer Benutzereingabe, einem Zeitintervall, einer Position der chirurgischen Vorrichtung 520 oder einem beliebigen anderen Kriterium anfordern. Ferner kann ein Benutzer die Navigationsschnittstelle 583 so bedienen, dass eine kontinuierliche intraoperative Bildgebung angefordert wird. Beispiele für eine kontinuierliche intraoperative Bildgebung können fluoroskopische Live-Videobildgebung oder ein Video umfassen, das von einer Endoskopkameravorrichtung geliefert wird. Ein Benutzer kann die Navigationsschnittstelle 583 auch so bedienen, dass das Format, der Stil, der Ansichtspunkt, die Modalität oder andere Charakteristiken der Bilddaten verändert werden, die von Display 562 angezeigt werden. Die Navigationsschnittstelle 583 kann diese Benutzereingaben an die Display-Funktionseinheit 582 übermitteln.
Die Display-Funktionseinheit 582 liefert visuelle Daten an Display 562. Die Display-Funktionseinheit 582 kann ein registriertes Bild vom Bildprozessor 561 erhalten. Die Display-Funktionseinheit liefert dann einen graphischen Ausgang, der mit dem registrierten Bild oder beliebigen anderen verfügbaren Anzeigedaten im Zusammenhang steht. Beispielsweise kann die Display-Funktionseinheit 582 ein 3D-Bild auf der Grundlage des registrierten Bildes liefern. Die Display-Funktionseinheit 582 kann ein 3D-Rendering-Bild oder eine Dreiebenen-Rendering-Ansicht des 3D-Rendering-Bildes an das Display 562 ausgeben. Die Display-Funktionseinheit 582 kann Anzeigeansichten des registrierten Bildes aus einer beliebigen Perspektive ausgeben. Außerdem kann die Display-Funktionseinheit 582 Video-, Graphik- oder Textdaten ausgeben, die mit einer medizinischen Prozedur im Zusammenhang stehen.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Navigationsschnittstelle 583 mit der chirurgischen Vorrichtung 520 kommunizieren. Insbesondere kann die chirurgische Vorrichtung einen Positionierungssensor umfassen, der Veränderungen der Position der chirurgischen Vorrichtung 520 messen kann. Der Positionierungssensor kann ein elektromagnetischer oder interner Sensor sein. Wenn die chirurgische Vorrichtung 520 ihre Position verändert, kann der Positionierungssensor Daten an die Navigationsschnittstelle 583 übermitteln. Die Navigationsschnittstelle 583 berechnet die Positionsveränderung auf der Grundlage der vom Sensor empfangnen Daten. Alternativ kann der Positionierungssensor in einem Prozessor integriert sein, um die Positionsveränderung zu berechnen und eine aktualisierte Position an die Navigationsschnittstelle 583 zu liefern. Die Navigationsschnittstelle 583 liefert Daten, welche die Positionsveränderung der chirurgischen Vorrichtung 520 betreffen, an den Bildprozessor 561. Der Bildprozessor 561 kann betrieben werden, um die Position der chirurgischen Vorrichtung 520 innerhalb des registrierten Bildes auf der Grundlage der mit der Positionsveränderung im Zusammenhang stehenden Daten zu aktualisieren.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst das medizinische Navigationssystem 500 einen tragbaren Arbeitsplatz 560 mit einer relativ kleinen Grundfläche (z. B. ungefähr 1000 cm²). Gemäß verschiedenen alternativen Ausführungsformen kann eine beliebige geeignete kleinere oder größere Grundfläche verwendet werden. Das Display 562 kann im Arbeitsplatz 562 integriert werden. Verschiedene Displaykonfigurationen können zur Verbesserung der Operationsraumökonomie, der Anzeige von verschiedenen Ansichten oder der Anzeige von Informationen für Personal an verschiedenen Standorten verwendet werden. Beispielsweise kann ein erstes Display im medizinischen Navigationssystem enthalten sein, und ein zweites Display, das größer ist als das erste Display, wird auf einen tragbaren Rollwagen montiert. Alternativ können ein oder mehrere der Displays auf einen chirurgischen Kranarm montiert werden. Der chirurgische Kranarm kann auf der Decke montiert, an einem chirurgischen Tisch befestigbar oder auf einem tragbaren Rollwagen montiert sein.
6 illustriert ein Verfahren zur Navigation einer medizinischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als erstes werden in Schritt 610 preoperative Bilder einer Patientenanatomie erfasst. Wie oben beschrieben, kann es sich bei den preoperativen Bilddaten um eine 3D-Bildgebungsmodalität wie beispielsweise Computertomographie oder Magnetresonanz-Bildgebung handeln. Die preoperativen Bilddaten können in einem PACS gespeichert werden.
Als nächstes werden in Schritt 620 intraoperative Bilder der Patientenanatomie erfasst. Während der medizinischen Prozedur können weitere Bilddaten erfasst werden. Beispielsweise kann eine Fluoroskop-Bildgebungsvorrichtung, die auf einem C-Arm montiert ist, ein oder mehrere Bilder einer Patientenanatomie erfassen.
In Schritt 630 werden die intraoperative Bilddaten auf den preoperativen Bilddaten registriert. Die preoperativen Bilddaten und die intraoperativen Daten werden unter Verwendung der oben beschriebenen Bildregistrierungstechniken registriert. Beispielsweise kann ein Bildgebungsarbeitsplatz bildgestütztene Registrierungstechniken auf die preoperativen und intraoperativen Bilddaten anwenden, um ein registriertes Bild zu erzeugen. In einem Beispiel umfasst das registrierte Bild 3D-Bilddaten der Patientenanatomie. Die preoperativen Bildgebungsdaten können aus einem PACS-System abgerufen werden.
Eine medizinische Vorrichtung wird in Schritt 640 innerhalb der Patientenanatomie platziert. Bei der medizinischen Vorrichtung kann es sich um ein Instrument handeln, das in einer medizinischen Prozedur verwendet wird. In einem Beispiel ist die medizinische Vorrichtung eine Sinuplastie-Vorrichtung, wie sie oben beschrieben wird.
Die medizinische Vorrichtung wird in Schritt 650 innerhalb der Patientenanatomie navigiert. Das oben erwähnte registrierte Bild der Patientenanatomie wird auf einer Anzeigevorrichtung angezeigt. Ferner wird die Position der medizinischen Vorrichtung innerhalb der Patientenanato mie im registrierten Bild angezeigt. Die medizinische Vorrichtung kann innerhalb der Patientenanatomie bewegt werden. Während sich die Position der medizinischen Vorrichtung innerhalb der Patientenanatomie verändert, verändert sich auch die Position der medizinischen Vorrichtung innerhalb des registrierten Bildes.
In Schritt 660 können aktualisierte intraoperative Bildgebungsdaten erfasst werden. Zu einer beliebigen Zeit nach der Erzeugung des registrierten Bildes können zusätzliche intraoperative Bilddaten erfasst werden. Beispielsweise können zusätzliche intraoperative Bilddaten erfasst werden, nachdem die medizinische Vorrichtung in die Patientenanatomie eingeführt worden ist. In einem anderen Beispiel werden zusätzliche intraoperative Bilddaten erfasst, bevor eine medizinische Vorrichtung in Betrieb gesetzt wird.
Als nächstes werden in Schritt 670 die aktualisierten intraoperativen Bilddaten auf den Bilddaten registriert, die zuvor in Schritt 630 registriert worden waren. Die zusätzlichen intraoperativen Bilddaten, welche in Schritt 660 erfasst worden sind, werden erneut auf das registrierte Bild registriert, das in Schritt 630 erzeugt worden ist. Dadurch entsteht ein aktualisiertes registriertes Bild. Das aktualisierte registrierte Bild kann ein genaueres Bild der Patientenanatomie und der Position der medizinischen Vorrichtung innerhalb der Patientenanatomie liefern. Eine Vielzahl von intraoperativen Bildern, die einer Vielzahl von Bildgebungsmodalitäten zuzuordnen sind, können erfasst und erneut auf einem registrierten Bild registriert werden.
Dann wird in Schritt 680 eine medizinische Vorrichtung innerhalb der Patientenanatomie betrieben. Wie oben beschrieben, kann es sich bei der medizinischen Vorrichtung um ein beliebiges medizinisches oder chirurgisches Instrument handeln, das innerhalb der Patientenanatomie platziert wird. In einem spezifischen Beispiel kann die medizinische Vorrichtung eine Sinuplastie-Vorrichtung sein. Beim Betrieb wird die Sinuplastie-Vorrichtung zu einem verengten oder blockierten Sinusgang innerhalb der Kranialregion des Patienten navigiert. Nachdem die Sinuplastie-Vorrichtung unter Verwendung des registrierten Bildes an die gewünschte Stelle navigiert worden ist, kann eine Bildgebungsmodalität zusätzliche intraoperative Bilder erfassen, um ein aktualisiertes registriertes Bild zu erzeugen. Das aktualisierte registrierte Bild verifiziert, dass die Sinuplastie-Vorrichtung erfolgreich an die gewünschte Stelle navigiert worden ist. Als nächstes nimmt die Sinuplastie-Vorrichtung ihren Betrieb auf. Genauer gesagt weitet sich der Ballonkatheter, um den verengten Sinusgang zu weiten. Nachdem die Sinuplastie-Vorrichtung den Sinusgang erweitert hat, wird die Sinuplastie-Vorrichtung abgepumpt. In einem Beispiel kann ein Fluoroskop während des Auf- und Abpumpprozesses eine fluoroskopische Live-Bildgebung liefern.
Schließlich wird in Schritt 690 die medizinische Vorrichtung aus der Patientenanatomie entfernt. Die medizinische Vorrichtung kann unter Verwendung von aktualisierten registrierten Bildern während des Entfernungsprozesses navigiert werden.
Es gibt mehrere alternative Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens. In einer Ausführungsform werden keine preoperativen Bilder erfasst. Stattdessen wird mehr als ein intraoperatives Bild erfasst. In einer anderen Ausführungsform werden intraoperative Bilder erfasst, nachdem eine medizinische Vorrichtung innerhalb der Patientenanatomie platziert worden ist. In anderen Ausführungsformen werden weitere intraoperative Bilder nach dem Einsatz der Sinuplastie-Vorrichtung und der Entfernung der Sinuplastie-Vorrichtung erfasst.
In alternativen Ausführungsformen können einer oder mehrere der in 6 aufgelisteten Schritte weggelassen werden. Außerdem sind die in 6 aufgelisteten Schritte nicht auf die spezifische Reihenfolge beschränkt, in der sie beschrieben werden.
Wie im Folgenden beschrieben werden wird, liefern bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung neben fluoroskopischen 2D-Bildern intraoperative Navigation auf 3D-Computertomographie(CT)-Datensätzen, wie beispielsweise der kritischen Axialansicht. In bestimmten Ausführungsformen wird der CT-Datensatz über Korrelation mit anteroposterioren und lateralen fluoroskopischen Standardbildern intraoperativ auf den Patienten registriert. Zusätzliche 2D-Bilder können während des Verlaufs der Prozedur erfasst und navigiert werden, ohne dass die Notwendigkeit besteht, den CT-Datensatz erneut zu registrieren.
Bestimmte Ausführungsformen liefern Werkzeuge, welche die Platzierung von Multilevel-Prozeduren ermöglichen. Onscreen-Templates können verwendet werden, um die Länge und Größe eines Implantats auszuwählen. Das System kann sich den Standort der Implantate merken, die auf verschiedenen Ebenen platziert worden sind. Ein Benutzer kann während der Platzierung von zusätzlichen Implantaten ge speicherte Overlays als Referenz aufrufen. Zusätzlich helfen bestimmte Ausführungsformen dabei, Trial-and-Error-Anpassung von Komponenten durch die Durchführung navigierter Messungen zu eliminieren. In bestimmten Ausführungsformen erscheinen auf dem Bildschirm Anmerkungen neben relevanter Anatomie und Implantaten.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird eine Korrelation auf der Grundlage des Registrierungsalgorithmus verwendet, um eine verlässliche Registrierung zu gewährleisten. Standardmäßige anteroposteriore und laterale fluoroskopische Bilder können erfasst werden. Es wird ein vertebraler Bereich ausgewählt, und die Bilder werden registriert. Die Auswahl des vertebralen Bereichs wird beispielsweise durch das Richten eines navigierten Instruments auf die tatsächliche Anatomie durchgeführt.
So unterstützen bestimmte Ausführungsformen einen Chirurgen bei der Lokalisierung von anatomischen Strukturen an einer beliebigen Stelle des menschlichen Körpers, entweder während offener oder perkutaner Prozeduren. Bestimmte Ausführungsformen können beispielsweise in lumbalen und/oder sakralen Wirbelsäulenabschnitten verwendet werden. Bestimmte Ausführungsformen bieten DICOM-Komplianz und Unterstützung bei Gantryneigung und/oder variablen Schichtabständen. Bestimmte Ausführungsformen liefern Auto-Windowing und Zentrierung in Bezug auf gespeicherte Profile. Bestimmte Ausführungsformen liefern beispielsweise einen auf Korrelation beruhenden 2D/3D-Registrierungsalgorithmus und erlauben eine Mehrebenen-Resektion in Echtzeit.
Sämtliche Ausführungsformen werden oben unter Verweis auf Zeichnungen beschrieben. Diese Zeichnungen illustrieren bestimmte Details bei spezifischen Ausführungsformen, in denen die Systeme und Verfahren und Programme der vorliegenden Erfindung implementiert werden. Allerdings soll die Beschreibung der Erfindung mit Hilfe von Zeichnungen nicht dahingehend ausgelegt werden, dass dadurch die Erfindung irgendwelchen Einschränkungen unterliegt, die mit den in den Zeichnungen gezeigten Merkmalen im Zusammenhang steht. Die vorliegende Erfindung betrachtet Verfahren, Systeme und Programmprodukte auf beliebigen maschinenlesbaren Medien zur Umsetzung ihrer Betriebsfunktionen. Wie oben angemerkt, können die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines vorhandenen Computerprozessors oder durch einen Spezial-Computerprozessor implementiert werden, der für diesen oder andere Zwecke mit eingeschlossen ist, oder aber durch ein hartverkabeltes System.
Wie oben erwähnt, umfassen Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung Programmprodukte, welche maschinenlesbare Medien aufweisen, die maschinenausführbare Befehle oder Datenstrukturen tragen beziehungsweise enthalten, die auf ihnen gespeichert sind. Bei solchen maschinenlesbaren Medien kann es sich um beliebige erhältliche Medien handeln, auf die von einem Mehrzweck- oder Spezial-Computer oder einem anderen mit einem Prozessor ausgestatteten Gerät zugegriffen werden kann. Beispielsweise können solche maschinenlesbaren Medien RAM, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash, CD-ROM oder einen anderen optischen Diskspeicher, magnetischen Diskspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen oder eine beliebiges anderes Medium umfassen, das verwendet werden kann, um einen gewünschten Programmcode in Form von maschinenausführbaren Befehlen oder Datenstrukturen zu tragen oder zu spei chern, auf welche von einem Mehrzweck- oder Spezialcomputer oder einem anderen mit einem Prozessor ausgestatten Gerät zugegriffen werden. Wenn Informationen über ein Netzwerk oder eine andere Kommunikationsverbindung (entweder hartverkabelt, kabellos oder eine Kombination aus hartverkabelt und kabellos) an ein Gerät übermittelt oder geliefert werden, sieht das Gerät die Verbindung entsprechend als maschinenlesbares Medium an. Daher kann jede solche Verbindung zutreffend als maschinenlesbares Medium bezeichnet werden. Kombinationen der oben genannten sind ebenfalls im Umfang der maschinenlesbaren Medien enthalten. Maschinenausführbare Befehle umfassen beispielsweise Befehle und Daten, die einen Mehrzweck-Computer, Spezialcomputer oder Spezial-Prozessorgeräte dazu veranlassen, eine bestimmte Funktion oder Gruppe von Funktionen auszuführen.
Ausführungsformen der Erfindung werden im allgemeinen Kontext von Verfahrenschritten beschrieben, die in einer Ausführungsform durch ein Programmprodukt implementiert werden können, das maschinenausführbare Befehle, wie beispielsweise einen Programmcode, umfasst, der beispielsweise in Form von Programmmodulen vorliegt, die von Geräten in einer vernetzten Umgebung ausgeführt werden. Im Allgemeinen umfassen Programmmodule, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen, etc., die bestimmte Aufgaben erfüllen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Maschinenausführbare Befehle, dazugehörige Datenstrukturen und Programmmodule stellen Beispiele für Programmcodes für Ausführungsschritte des hier vorgestellten Verfahren dar. Die spezifischen Sequenzen von solch ausführbaren Befehlen oder dazugehörigen Datenstrukturen stellen Beispiele für entsprechende Aktionen zur Implementierung der in diesen Schritten beschrieben Funktionen dar.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in einer Netzwerkumgebung unter Verwendung von logischen Verbindungen zu einem oder mehreren entfernten, mit Prozessoren ausgestatteten Computern ausgeführt werden. Logische Verbindungen können ein Lokal-Netzwerk (LAN) und ein Großraum-Netzwerk (WAN) umfassen, die hier als Beispiel und keinesfalls in einschränkendem Sinne aufgeführt werden. Solche Netzwerkumgebungen sind in Büro- oder Firmennetzwerken, Computernetzwerken, Intranets und dem Internet gängig, wobei bei ihnen eine Vielzahl von verschiedenen Kommunikationsprotokollen verwendet wird. Auf diesem Gebiet fachkundige Personen werden sich darüber im Klaren sein, dass solche Netzwerkcomputer-Umgebungen typischerweise viele Typen von Computersystem-Konfigurationen umfassen, wozu auch PCs, tragbare Vorrichtungen, Multi-Prozessor-Systeme, auf Mikroprozessoren beruhende oder programmierbare Verbraucherelektronik, Netzwerk-PCs, Mikrocomputer, Großrechner, u. ä. gehören. Ausführungsformen der Erfindung können auch in verteilten Computer-Umgebungen ausgeführt werden, in denen die Aufgaben von lokalen und entfernten Verarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die (entweder durch hartverkabelte Links, kabellose Links oder durch eine Kombination aus hartverkabelten oder kabellosen Links) durch ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. In einer verteilten Computer-Umgebung können Programmmodule sowohl in lokalen als auch entfernten Datenspeichervorrichtungen enthalten sein.
Ein beispielhaftes System zur Implementierung des Gesamtsystems oder Teilen der Erfindung kann eine Mehrzweckcomputervorrichtung in Form eines Computers sein, der eine Verarbeitungseinheit, einen System-Datenspeicher und einen Systembus umfasst, der die verschiedenen System komponenten miteinander verbindet, wozu auch die Verbindung von System-Datenspeicher zur Verarbeitungseinheit gehört. Der System-Datenspeicher kann eine Read Only Memory (ROM) und Random Access Memory (RAM) umfassen. Der Computer kann auch ein magnetisches Festplattenlaufwerk zum Ablesen von und Schreiben auf einem Magnetfestplattenlaufwerk, ein magnetisches Plattenlaufwerk zum Ablesen von und Schreiben auf einer herausnehmbaren Magnetdisk, und ein optisches Plattenlaufwerk zum Ablesen von und Schreiben auf einer herausnehmbaren optischen Disk wie beispielsweise einer CD ROM oder anderen optischen Medien umfassen. Die Laufwerke und die zu ihnen gehörenden maschinenlesbaren Medien ermöglichen eine nicht-volatile Speicherung von maschinenausführbaren Befehlen, Datenstrukturen, Programmmodulen und anderen Daten für den Computer.
Die vorangegangene Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist zu Zwecken der Illustration und Beschreibung durchgeführt worden. Sie soll nicht umfassend sein oder die Erfindung auf die spezifische vorgestellte Form beschränken, und es sind Modifikationen und Variationen im Lichte der obigen Erkenntnisse möglich, oder sie können bei der praktischen Umsetzung der Erfindung gewonnen werden. Die Ausführungsformen sind ausgewählt und beschrieben worden, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erklären, so dass es einer auf diesem Gebiet fachkundigen Person ermöglicht wird, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen umzusetzen, wie sie für die spezifische Anwendung geeignet sind.
Auf diesem Gebiet fachkundige Personen werden sich darüber im Klaren sein, dass die hier vorgestell ten Ausführungsformen auf die Formierung eines beliebigen medizinischen Navigationssystems angewendet werden können. Bestimmte Merkmale der Ausführungsformen des beanspruchten Gegenstandes sind entsprechend der hier gegebenen Beschreibung illustriert worden, wobei aber auf diesem Gebiet fachkundigen Personen viele Modifikationen, Ersetzungen, Veränderungen und Äquivalente einfallen werden. Obwohl sämtliche Funktionsblocks und Verhältnisse zwischen diesen detailliert beschrieben worden sind, wird von auf diesem Gebiet fachkundige Personen zusätzlich in Betracht gezogen, dass sämtliche der Operationen ohne die Verwendung der anderen Operationen angewendet werden können, oder aber es können zusätzliche Funktionen oder Verhältnisse zwischen den Funktionen aufgestellt werden, wobei sie weiterhin dem beanspruchten Gegenstand entsprechen. Es sei daher darauf hingewiesen, dass die angehängten Patentansprüche sämtliche solche Modifikationen und Veränderungen einschließen sollen, die der Wesensart der Ausführungsformen des beanspruchten Gegenstandes entsprechen.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern verbesserte Systeme und Verfahren für die verbesserte medizinische Gerätenavigation. Genauer gesagt liefert eine Ausführungsform ein System mit einer automatischen Registrierung einer Vielzahl von Bildgebungsmodalitäten. Die Ausführungsformen beschreiben Systeme und Verfahren zur Bildregistrierung ohne die Verwendung von Passermarken, Headsets oder manueller Registrierung. So legen die Ausführungsformen ein vereinfachtes Verfahren der Bildregistrierung in einer verkürzten Zeit dar, durch welches eine medizinische Vorrichtung innerhalb einer Patientenanatomie navigiert werden kann. Außerdem legen die Ausführungsformen die Navigation einer medizinischen Vor richtung in eine Patientenanatomie dar, und zwar mit einer reduzierten Anzahl von fluoroskopischen Bildern, was zu niedrigeren Strahlungsdosen für die Patienten führt. Zusätzlich liefern die verbesserten Systeme und Verfahren der Bildregistrierung eine verbesserte Genauigkeit der registrierten Bilder.
Obwohl die Erfindung unter Verweis auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird sich eine auf diesem Gebiet fachkundige Person darüber im Klaren sein, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen und Äquivalente eingesetzt werden können, ohne dass dabei eine Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung erfolgt. Zudem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material den Erkenntnissen der Erfindung anzupassen, ohne dass dabei eine Abweichung von deren Schutzumfang vorliegt. Daher ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen umfasst, die unter den Schutzumfang der angehängten Patentansprüche fallen.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern Systeme 300, 500 und Verfahren für eine verbesserte Navigation von medizinischen Vorrichtungen 320, 520. Bestimmte Ausführungsformen umfassen die Erfassung eines ersten Bildes einer Patientenanatomie, eines zweiten Bildes der Patientenanatomie und die Erzeugung eines registrierten Bildes auf der Grundlage des ersten und zweiten Bildes. Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen legen Systeme 300, 500 und Verfahren für die automatische Bildregistrierung ohne die Verwendung von Passermarken, Headsets oder manueller Registrierung dar. Somit legen die Ausführungs formen ein vereinfachtes Verfahren der Bildregistrierung dar, mit Hilfe dessen eine medizinische Vorrichtung 320, 520 innerhalb einer Patientenanatomie navigiert werden kann. Ferner legen die Ausführungsformen die Navigierung einer medizinischen Vorrichtung 320, 520 in einer Patientenanatomie mit verringerter ionisierender Strahlungsaussetzung dar. Zusätzlich gewährleisten die verbesserten Systeme 300, 500 und Verfahren der Bildregistrierung eine verbesserte Genauigkeit der registrierten Bilder. Unter „Registrierung" und ähnlichen abgeleiteten Begriffen wird die Überführung in übereinstimmende Ausrichtung verstanden.

100: Sinuplastie-System
110: Kranialregion
112: Sinusgang
114: Sinusgang
120: Sinuplastie-Vorrichtung
122: Leitdraht
124: Katheterballon
126: Kanüle
210: Kranialregion
212: Sinusgang
214: Sinusgang
220: Sinuplastie-Vorrichtung
224: Ballonkatheter
226: Kanüle
300: chirurgisches Navigationssystem
310: Kranialregion
320: Sinuplastie-Vorrichtung
322: Leitdraht
324: Ballonkatheter
326: Kanüle
340: medizinische Bildgebungsmodalität
344: Fluoroskopimager
346: Fluoroskop-Empfänger
360: Arbeitsplatz
361: Bildprozessor
362: Display
364: Eingabevorrichtung
410: Fenster
420: Fenster
430: Fenster
440: Fenster
450: Fenster
462: Anzeigevorrichtung
500: Navigationssystem
520: chirurgische Vorrichtung
540: Bildgebungsmodalität
560: Arbeitsplatz
561: Bildprozessor
562: Display
580: Regler
581: Datenspeicher
582: Display-Funktionseinheit
583: Navigationsschnittstelle
584: Netzwerkschnittstelle
585: chirurgischer Vorrichtungsregler
590: PACS
Fig. 6: Flussdiagramm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5829444 [0018]

Claims

System zur Registrierung von Bildern der Kranialanatomie (300, 500) eines Patienten, wobei das System umfasst: einen ersten Imager (340, 540), der ein erstes Bild von der Kranialanatomie eines Patienten generiert; einen zweiten Imager (340, 540), der ein zweites Bild von der Kranialanatomie eines Patienten generiert, wobei der zweite Imager (340, 540) eine Bildgebungsmodalität umfasst, die sich von dem ersten Imager unterscheidet; eine medizinische Vorrichtung (320, 520), welche in die Kranialanatomie des Patienten eingeführt wird; einen Bildprozessor (361, 561), der das erste Bild auf dem zweiten Bild registriert, um ein registriertes Bild von der Kranialanatomie des Patienten zu erzeugen; und eine Anzeigevorrichtung, welche die Position der medizinischen Vorrichtung (320, 520) in Bezug auf das registrierte Bild anzeigt.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Imager (340, 540) ein drittes Bild von der Kranialanatomie des Patienten generiert und der Bildprozessor (361, 561) das registrierte Bild auf der Grundlage des dritten Bildes modifiziert.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Imager (340, 540) ein drittes Bild der Kra nialanatomie des Patienten generiert und der Bildprozessor (361, 561) das registrierte Bild auf dem dritten Bild registriert, um ein erneut registriertes Bild der Kranialanatomie des Patienten zu erzeugen.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim ersten Imager (340, 540) um einen dreidimensionalen Imager und dem zweiten Imager (340, 540) um einen zweidimensionalen Imager handelt.
System zur Durchführung einer medizinischen Prozedur (300, 500), wobei das System umfasst: eine medizinische Vorrichtung (320, 520), die innerhalb einer Patientenanatomie positioniert wird, wobei diese medizinische Vorrichtung (320, 520) einen Ballonkatheter (324) umfasst; einen ersten Imager (340, 540), der ein erstes Bild einer Patientenanatomie erfasst; einen zweiten Imager (340, 540), der ein zweites Bild einer Patientenanatomie erfasst; einen Bildprozessor (361, 561), der das erste Bild unter Verwendung von bildgestützten Registrierungstechniken auf dem zweiten Bild registriert, um ein registriertes Bild der Patientenanatomie zu erzeugen; und einen Arbeitsplatz (360, 560), der die Position der medizinischen Vorrichtung (320, 520) innerhalb des registrierten Bildes anzeigen kann.
System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballonkatheter (324) sich innerhalb eines Sinusgangs eines Patienten weitet.
System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildprozessor (361, 561) die angezeigte Position der medizinischen Vorrichtung (320, 520) innerhalb des registrierten Bildes in Reaktion auf eine Positionsveränderung der medizinischen Vorrichtung (320, 520) aktualisiert.
Verfahren zur Navigation einer medizinischen Vorrichtung (320, 520), wobei das Verfahren umfasst: Erfassung eines ersten Bildes einer Patientenanatomie; Einführen einer medizinischen Vorrichtung (320, 520) in die Patientenanatomie; Erfassung eines zweiten Bildes der medizinischen Vorrichtung (320, 520), die innerhalb der Patientenanatomie positioniert ist; Registrierung des ersten Bildes mit dem zweiten Bild, um ein registriertes Bild der medizinischen Vorrichtung (320, 520) zu erzeugen, die innerhalb der Patientenanatomie positioniert ist; Anzeigen des registrierten Bildes der medizinischen Vorrichtung (320, 520), die innerhalb der Patientenanatomie positioniert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, ferner die Erfassung eines dritten Bildes und die Registrierung des dritten Bil des auf dem registrierten Bild umfassend, um ein erneut registriertes Bild der medizinischen Vorrichtung (320, 520) zu gewinnen, welche innerhalb der Patientenanatomie positioniert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Registrierungsschritt bildgestützte Registrierungstechniken angewendet werden.