DE102011004747A1

DE102011004747A1 - Vorrichtung zur Kennzeichnung einer Ebene im Raum und bildgebendes medizinisches Gerät

Info

Publication number: DE102011004747A1
Application number: DE102011004747A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hannemann Thilo
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-02-26
Also published as: BR102012004030B1; US8718744B2; CN102648871A; US20120220863A1; CN102648871B; DE102011004747B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Kennzeichnung einer Ebene im Raum, aufweisend eine einen fächerförmigen Lichtstrahl (3) emittierende Lichtquelle (2) und einen um eine Spiegeldrehachse (7) drehbaren, eine Spiegelebene (6) umfassenden, den Lichtstrahl (3) reflektierenden Spiegel (5), wobei die Spiegeldrehachse (7) und die Flächennormale (8) der Spiegelebene (6) einen Winkel (α) größer 0° und kleiner 90° einschließen. Die Erfindung betrifft außerdem ein bildgebendes medizinisches Gerät (30), das eine derartige Vorrichtung (1) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kennzeichnung einer Ebene im Raum, aufweisend eine einen fächerförmigen Lichtstrahl emittierende Lichtquelle und einen um eine Spiegeldrehachse drehbaren Spiegel. Die Erfindung betrifft außerdem ein bildgebendes medizinisches Gerät, das eine derartige Vorrichtung aufweist.
Vorrichtungen zur Kennzeichnung der Lage von Ebenen werden häufig an bildgebenden medizinischen Geräten oder im Zusammenhang mit bildgebenden medizinischen Geräten eingesetzt, um basierend auf mit einem bildgebenden medizinischen Gerät gewonnen Bildinformationen vom Körper eines Patienten beispielsweise den Ort und die Richtung eines in den Körper des Patienten einzuführenden medizinischen Instrumentes, z. B. einer Punktionsnadel, zu markieren bzw. zu veranschaulichen. Zumeist werden zwei derartige Vorrichtungen verwendet, wobei die optisch sichtbare Schnittgerade der Ebenen der fächerförmigen Lichtstrahlen einerseits die Richtung des Instrumentes und der Schnittpunkt der Schnittgeraden mit der Körperoberfläche des Patienten andererseits die Einstichstelle für das Instrument kennzeichnen.
So ist aus der DE 10 2008 013 615 A1 ein Computertomographiegerät bekannt, das zwei Fächerlaser umfasst, mit denen eine Führungslinie für ein medizinisches Instrument markiert werden kann. Die Fächerlaser sind verstellbar an der Gantry des Computertomographiegerätes angeordnet, um verschiedene Ebenen im Raum kennzeichnen bzw. verschiedene Führungslinien im Raum markieren zu können.
Des Weiteren ist in der DE 195 01 069 A1 eine Vorrichtung mit zwei Laserlichtvisieren zur Markierung eines Führungsweges einer Punktionsnadel beschrieben, wobei jedes Laserlichtvisier einen in einer Ebene aufgefächerten Laserstrahl aussendet. Die Farben der beiden aufgefächerten Laserstrahlen unterscheiden sich dabei. Die Kreuzungslinie der Laserstrahlen markiert den Führungsweg für die Punktionsnadel. Jedes Laserlichtvisier weist neben einem um eine erste Achse drehbaren Diodenlaser einen um eine senkrecht zu der ersten Achse stehende zweite Achse drehbaren, Licht reflektierenden Spiegel auf, mit dem der aufgefächerte Laserstrahl des Diodenlasers in eine gewünschte Richtung reflektierbar ist. Dieser Aufbau, insbesondere die starre Lage der beiden Achsen relativ zueinander, begrenzte die Möglichkeiten, kennzeichnende Ebenen im Raum zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein bildgebendes medizinisches Gerät der eingangs genannten Art derart anzugeben, dass die Voraussetzungen geschaffen werden, die Möglichkeiten, Ebenen im Raum zu kennzeichnen, möglichst zu erweitern.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Kennzeichnung einer Ebene im Raum aufweisend eine einen fächerförmigen Lichtstrahl emittierende Lichtquelle und einen um eine Spiegeldrehachse drehbaren, eine Spiegelebene umfassenden, den Lichtstrahl reflektierenden Spiegel, wobei die Spiegeldrehachse und die Flächennormale der Spiegelebene einen Winkel größer 0° und kleiner 90° einschließen. Es wird also vorschlagen, die Spiegeldrehachse und die Flächennormale der Spiegelebene gegeneinander zu verkippen, so dass die Spiegelebene bei Drehung um die Spiegeldrehachse eine Taumelbewegung vollzieht, wodurch die Voraussetzungen geschaffen werden, die Raumrichtungen, in denen kennzeichnende Ebenen erzeugbar sind, zu erweitern.
Nach einer Variante der Erfindung schließen die Spiegeldrehachse und die Flächennormale der Spiegelebene bzw. der Spiegelfläche einen Winkel zwischen 5° und 25°, vorzugsweise von 10° miteinander ein. Wird der Winkel größer gewählt, muss in der Regel auch die Spiegelebene größer gewählt werden, um die Reflexion des fächerförmigen Lichtstrahls zu bewirken, was allerdings auch von der Anordnung des Spiegels und der Lichtquelle relativ zueinander abhängt.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung ist die Lichtquelle um eine Lichtquellendrehachse drehbar. Der verkippte Spiegel bewirkt im Zusammenwirken mit der Lichtquelle, deren fächerförmiger Lichtstrahl auf den Spiegel gerichtet ist, eine gewünschte Ablenkung bzw. Reflexion des fächerförmigen Lichtstrahls zur Kennzeichnung einer bestimmten Ebene im Raum. Zusätzlich tritt eine Verschiebung in Richtung des fächerförmigen Lichtstrahls auf, die jedoch ignoriert werden kann, da sich dadurch die gekennzeichnete bzw. die zu kennzeichnende Ebene nicht ändert. Des Weiteren tritt durch den Spiegel eine weitere geringe Drehung des fächerförmigen Lichtstrahls auf, die durch eine Drehung der Lichtquelle um die Lichtquellendrehachse kompensiert werden kann.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Lichtquelle und der Spiegel derart relativ zueinander ausgerichtet, dass die Spiegeldrehachse und die Lichtquellendrehachse in einer Ebene liegen und einen Winkel zwischen 120° und 160° miteinander einschließen. Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen der Spiegeldrehachse und der Lichtquellendrehachse 140°.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtquelle eine Laserlichtquelle, z. B. ein Fächerlaser.
Varianten der Erfindung sehen vor, dass die Vorrichtung einen ersten Stellantrieb zur Drehung der Spiegelebene um die Spiegeldrehachse und einen zweiten Stellantrieb zur Drehung der Lichtquelle um die Lichtquellendrehachse aufweist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein bildgebendes medizinisches Gerät, das wenigstens eine der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen aufweist. Vorzugsweise weist das bildgebende Gerät zwei oder mehr der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen auf, um durch die Kennzeichnung zweier sich schneidender Ebenen eine Führungslinie für ein medizinisches Instrument markieren zu können Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das bildgebende medizinische Gerät ein Computertomographiegerät. Das bildgebende medizinische Gerät kann aber auch ein C-Bogen-Röntgengerät, ein Magnetresonanzgerät, ein SPECT-Gerät, ein PET-Gerät, ein Ultraschallgerät oder ein Kombinationsgerät aus wenigstens zwei der erwähnten Geräte sein.
Im Falle der Ausführung des bildgebenden medizinischen Gerätes als Computertomographiegerät umfasst dieses einen stationären und einen um eine Systemachse rotierbaren Teil, wobei wenigstens zwei der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen an dem stationären Teil angeordnet sind, und wobei sich die beiden fächerförmigen Lichtstrahlen der wenigstens zwei Vorrichtungen wenigstens zur Markierung einer Führungslinie für ein medizinisches Instrument schneiden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Kennzeichnung einer Ebene im Raum,
2 eine konkrete Realisierungsform einer Vorrichtung zur Kennzeichnung einer Ebene im Raum und
3 ein Computertomographiegerät mit vier Vorrichtungen gemäß 2.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente durchwegs mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu. Auf die Vorrichtung und das Computertomographiegerät wird im Folgenden und ohne Einschränkung der Allgemeinheit nur insoweit eingegangen als es zum Verständnis der Erfindung für erforderlich erachtet wird.
1 zeigt in einer Prinzipdarstellung eine Vorrichtung 1 nach der Erfindung mit einer Lichtquelle 2, die einen fächerförmigen Lichtstrahl 3 aussendet und eine Lichtquellendrehachse 4 aufweist. Bei der Lichtquelle 2 handelt es sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung um einen Fächerlaser 2. Der Fächerlaser 2 ist um die Lichtquelledrehachse 4 drehbar (vgl. Doppelpfeil a).
Dem Fächerlaser 2 ist ein Spiegel 5 mit einer Licht reflektierende Spiegelebene 6 zugeordnet. Der Spiegel 5 ist um eine Spiegeldrehachse 7 drehbar (vgl. Doppelpfeil b). Erfindungsgemäß ist der Spiegel 5 gegen die Spiegeldrehachse 7 verkippt, so dass der Spiegel 5 bei Drehung um die Spiegeldrehachse 7 eine Taumelbewegung vollzieht. Der Verkippungswinkel α, den die Flächennormale 8 der Spiegelebene 6 und die Spiegeldrehachse 7 miteinander einschließen, ist in 1 eingetragen und beträgt in der Regel zwischen 5° und 25°. In 1 ist der Spiegel 5 an einem drehbaren Schaft 9 fest angeordnet, dem die Spiegeldrehachse 7 einbeschrieben ist.
Der Fächerlaser 2 und der Spiegel 5 sind derart relativ zueinander angeordnet, dass durch Drehung des Fächerlasers 2 um die Lichtquellendrehachse 4 und durch Drehung des Spiegels 5 um die Spiegeldrehachse 7 der von dem Fächerlaser 2 ausgehende und an der Spiegelebene 6 reflektiere fächerförmige Lichtstrahl 3 bzw. Lichtfächer 3 je nach Einstellung bzw. Dreheinstellung des Fächerlasers 2 und des Spiegels 5 relativ zueinander eine Vielzahl von Ebenen im Raum, insbesondere in einem gewünschten Raumbereich kennzeichnen kann. Diese Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Menge an zu kennzeichnenden Ebenen nur eine begrenzte seitliche Auslenkung des Laserfächers 3 benötigt. Dies ist bei bildgebenden. Geräten in der Regel der Fall, da nicht Ebenen des gesamten Raumes, sondern nur eines bestimmten Arbeitsvolumens gekennzeichnet werden sollen bzw. gekennzeichnet werden müssen.
In 2 ist eine konkrete Realisierungsform einer Vorrichtung aus 1 dargestellt, wie sie beispielsweise bei dem in 3 gezeigten Computertomographiegerät zur Kennzeichnung von Ebenen eines Arbeitsvolumens des Computertomographiegerätes eingesetzt wird.
Im Falle des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind der Fächerlaser 2 und der Spiegel 5 an einer gemeinsamen Halterung 10 angeordnet. Der Fächerlaser 2 wird durch eine Laseraufnahmevorrichtung 11, die an der Halterung 10 befestigt ist, um die Lichtquellendrehachse 4 drehbar gehalten bzw. gelagert. Dem Fächerlaser 2 ist rückseitig ein Stellantrieb 12 zur gezielten Drehung des Fächerlasers 2 zugeordnet.
Der Spiegel 5 wird mit seinem Schaft 9 durch eine Spiegelaufnahmevorrichtung 13, die an der Halterung 10 befestigt ist, um die Spiegeldrehachse 7 drehbar gehalten bzw. gelagert. Auch dem Spiegel 5 bzw. dessen Schaft 9 ist rückseitig ein Stellantrieb 14 zur gezielten Drehung des Spiegels 4 zugeordnet. Bei den Stellantrieben kann es sich z. B. um elektrische Stellmotoren handeln. Im Falle des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung beträgt der Verkippungswinkel α der Flächennormalen 8 der Spiegelebene 6 zu der Spiegeldrehachse 7 ca. 10°.
Der Fächerlaser 2 und der Spiegel 5 sind im Falle des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung derart an der Halterung 10 angeordnet, dass sich die Lichtquellendrehachse 4 und die Spiegeldrehachse 7 in einer Ebene befinden. Des Weiteren ist der Fächerlaser 2 derart an der Halterung 10 angeordnet, dass seine Lichtquellendrehachse 4 um ca. 15° (Winkel β)) zu der in 2 eingetragenen, senkrecht auf der Blattebene stehenden Ebene E abgewinkelt ist. Der Spiegel 5 ist derart an der Halterung 10 angeordnet, dass seine Spiegeldrehachse 7 um ca. 25° (Winkel γ) zu der in 2 eingetragenen, senkrecht auf der Blattebene stehenden Ebene E abgewinkelt ist. Die Lichtquellendrehachse 4 und die Spiegeldrehachse 7 schließen somit einen Winkel δ von ca. 140° miteinander ein, wobei der Schnittpunkt S der Lichtquellendrehachse 4 und der Spiegeldrehachse 7 ungefähr auf dem Mittelpunkt M des kreisscheibenförmigem Spiegels 5 bzw. der kreisscheibenförmigen Spiegelfläche 6 liegt.
Wie bereits erwähnt, ist die in 2 gezeigte Vorrichtung für ein Computertomographiegerät 30, wie es in 3 gezeigt ist, vorgesehen. Das Computertomographiegerät 30 umfasst eine Gantry 31 mit einem stationären Teil 32 und mit einem um eine Systemachse 33 rotierbaren Teil 34. Der rotierbare Teil 34 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung ein Röntgensystem auf, welches eine Röntgenstrahlenquelle 35 und einen Röntgenstrahlendetektor 36 umfasst, die an dem rotierbaren Teil 34 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Im Betrieb des Computertomographiegerätes 30 geht von der Röntgenstrahlenquelle 35 Röntgenstrahlung 37 in Richtung des Röntgenstrahlendetektors 36 aus, durchdringt ein Messobjekt und wird vom Röntgenstrahlendetektor 36 in Form von Messdaten bzw. Messsignalen erfasst.
Das Computertomographiegerät 30 weist des Weiteren eine Patientenliege 38 zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten P auf. Die Patientenliege 38 umfasst einen Liegensockel 39, an dem eine zur eigentlichen Lagerung des Patienten P vorgesehene Patientenlagerungsplatte 40 angeordnet ist. Die Patientenlagerungsplatte 40 ist derart relativ zu dem Liegensockel 39 in Richtung der Systemachse 33 verstellbar, dass sie zusammen mit dem Patienten P in die Öffnung 41 der Gantry 31 zur Aufnahme von 2D-Röntgenprojektionen von dem Patienten P, z. B. in einem Spiralscan, eingeführt werden kann. Die rechnerische Verarbeitung der mit dem Röntgensystem aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen bzw. die Rekonstruktion von Schichtbildern, 3D-Bildern oder eines 3D-Datensatzes basierend auf den Messdaten bzw. den Messsignalen der 2D-Röntgenprojektionen erfolgt mit einem Bildrechner 42 des Computertomographiegerätes 30, welche Schichtbilder oder 3D-Bilder auf einer Anzeigevorrichtung 43 darstellbar sind.
Zur Kennzeichnung von Ebenen in dem Raum- bzw. Arbeitsvolumen vor der Öffnung 41 für die Markierung von Führungslinien für medizinische Instrumente für interventionelle Eingriffe an Patienten unterstützt durch mit dem Computertomographiegerät 30 gewonnene Bildinformationen sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung an der Vorderseite des stationären Teils 32 der Gantry 31 über das obere Halbvolumen der Gantry 31 vier Vorrichtungen 1, wie sie im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurden, verteilt angeordnet. Bezogen auf die Systemachse 33 schließen zwei benachbarte Vorrichtungen 1 ca. einen 60°-Winkel ein. Die Anordnung der Vorrichtungen 1 ist derart, dass ohne Verstellung der Vorrichtungen 1 relativ zueinander Ebenen in einer gewünschten Weise in dem Arbeitsvolumen vor der Öffnung 41 zur Markierung von Führungslinien gekennzeichnet werden können.
Hierzu werden zunächst anhand von von dem Patienten P erzeugten und auf der Anzeigevorrichtung 43 dargestellten Schichtbildern die Einstichstelle für ein medizinisches Instrument, z. B. eine Punktionsnadel, und die räumliche Orientierung des medizinischen Instrumentes im Zuge der Eingriffsplanung, z. B. durch einen Arzt, festgelegt, so dass diese Informationen dem Bildrechner 42 zur Verfügung stehen. Der Bildrechner 42 oder auch ein anderer Steuerrechner 44 des Computertomographiegerätes 30, dem die die Einstichstelle und die Orientierung bzw. die Führungsrichtung der Punktionsnadel betreffenden Informationen zur Verfügung stehen, kann nun unter Berücksichtigung der Position des Patienten bzw. der den Patienten aufnehmenden Patientenlagerungsplatte 40 bei der Aufnahme der 2D-Röntgenprojektionen und unter Berücksichtigung der bekannten Anbringungsorte der Vorrichtungen 1 an der Gantry 31 wenigstens zwei Vorrichtungen 1, insbesondere deren Stellantrieb für den Fächerlaser und den Spiegel, derart ansteuern, dass zwei kennzeichnende Ebenen erzeugt werden, deren Schnittlinie die Führungsrichtung für die Punktionsnadel markieren. Des Weiteren kann unter Berücksichtigung der bekannten Anbringungsorte der Vorrichtungen 1 an der Gantry 31 die den Patienten aufnehmenden Patientenlagerungsplatte 40 soweit aus der Öffnung 41 herausgefahren werden, dass die Schnittlinie den zu behandelnden Körperbereich des Patient P trifft und insbesondere die Einstichstelle markiert.
Im Unterschied zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Vorrichtungen 1 auch verstellbar an der Gantry 31 angeordnet sein. In diesem Fall genügen in der Regel zwei Vorrichtungen 1 an der Gantry 31 zur Kennzeichnung der Lage von Ebenen.
Die Vorrichtungen 1 können im Übrigen in die Gantry integriert sein oder an einem Vorbau der Gantry in Form eines Gestells oder einer Halterung angeordnet sein. Sind die Vorrichtungen 1 in die Gantry 31 integriert, muss im Bereich jeder Vorrichtung 1 wenigstens ein Fenster vorgesehen sein, durch das der Strahlenfächer einer Vorrichtung aus der Gantry 31 austreten kann.
Die vorstehend angegebenen Winkel im Zusammenhang mit der Ausführung einer Vorrichtung 1 oder einer Anordnung einer Vorrichtung 1 an einer Gantry eines Computertomographiegerätes sind im Übrigen nur exemplarisch zu verstehen und können in Abhängigkeit der räumlichen Gegebenheiten und Anforderungen auch davon abweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008013615 A1 [0003]
DE 19501069 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (1) zur Kennzeichnung einer Ebene im Raum, aufweisend eine einen fächerförmigen Lichtstrahl (3) emittierende Lichtquelle (2) und einen um eine Spiegeldrehachse (7) drehbaren, eine Spiegelebene (6) umfassenden, den Lichtstrahl (3) reflektierenden Spiegel (5), wobei die Spiegeldrehachse (7) und die Flächennormale (8) der Spiegelebene (6) einen Winkel (α) größer 0° und kleiner 90° einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Spiegeldrehachse (7) und die Flächennormale (8) der Spiegelebene (6) einen Winkel (α) zwischen 5° und 25° einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Lichtquelle (2) um eine Lichtquellendrehachse (4) drehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Spiegeldrehachse (7) und die Lichtquellendrehachse (4) in einer Ebene liegen und einen Winkel (δ) zwischen 120° und 160° miteinander einschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Lichtquelle (2) eine Laserlichtquelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche einen ersten Stellantrieb (14) zur Drehung der Spiegelebene (6) um die Spiegeldrehachse (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, welche einen zweiten Stellantrieb (12) zur Drehung der Lichtquelle (2) um die Lichtquellendrehachse (4) aufweist.
Bildgebendes medizinisches Gerät (30) aufweisend wenigstens eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Bildgebendes medizinisches Gerät (30) nach Anspruch 8, welches ein Computertomographiegerät ist.
Bildgebendes medizinisches Gerät (30) nach Anspruch 8, weiches einen stationären (32) und einen um eine Systemachse (33) rotierbaren Teil (34) umfasst, wobei wenigstens zwei Vorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 an dem stationären Teil (32) angeordnet sind, wobei sich die beiden fächerförmigen Lichtstrahlen (3) der wenigstens zwei Vorrichtungen (1) wenigstens zur Markierung einer Führungslinie für ein medizinisches Instrument schneiden.