DE60015320T2

DE60015320T2 - Vorrichtung und verfahren für bildgesteuerte chirurgie

Info

Publication number: DE60015320T2
Application number: DE60015320T
Authority: DE
Inventors: J. Anthony MELKENT; A. Thomas CARLS; A. David SIMON; Kevin Foley
Original assignee: Surgical Navigation Technologies Inc
Current assignee: Medtronic Navigation Inc
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 2000-04-22
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2020-04-23
Also published as: AU4365600A; ATE280541T1; WO2000064367A1; EP1504726A1; ES2231185T3; EP1173105B1; DE60015320D1; EP1173105A1

Description

Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf die bildgeführte Chirurgie und insbesondere auf eine Vorrichtung und auf Verfahren zum Verwenden der bildgeführten Chirurgie für Landmarken-abhängige chirurgische Prozeduren, wie die Platzierung einer Zwischenkörperfusionseinrichtung, gerichtet.
BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN SACHSTANDES
Viele chirurgische Prozeduren erfordern, dass der Chirurg mit irgendeiner Genauigkeit eine „Landmarke" auf der Anatomie des Patienten als ein Referenzpunkt für Aspekte der Prozedur einrichtet. Dies ist insbesondere z. B. der Fall bei der Spinalchiurgie, die die Implantierung von Zwischenkörperfusionseinrichtungen, einschließlich von Einrichtungen des Käfig-Typs und des Knochen-Stift(Dowel)-Typs, erfordert, wobei der gewünschte Implantierungsort auf eine hypothetische Ebene bezogen wird, die in Bezug auf die Wirbelsäule orientiert ist, die als die „Mittellinienebene" bezeichnet wird. Der Chirurg wird typischerweise diese Ebene als eine Referenz für den Implantierungsort der Fusionseinrichtung verwenden und die Hersteller von diesen Einrichtungen spezifizieren oft die bevorzugten Implantierungsorte unter Bezugnahme auf diese Landmarke oder Figur.
Die gegenwärtige Praxis bei der Platzierung einer Zwischenkörperfusionseinrichtung beinhaltet das Bestimmen einer Mittellinienebene der Wirbelsäule durch Aufnehmen von mehreren fluoroskopischen Bildern (Leuchtbildern). Sobald diese bestimmt ist, wird eine Mittellinie mit einem Farbstift oder Äquivalent direkt auf dem Wirbelkörper und / oder einer Bandscheibe des Patienten markiert und von dem Chirurgen verwendet, um den „Versatz" zu bestimmen, d. h. die Position auf der rechten oder linken Seite von der Mittellinie, auf der die Zwischenkörperfusionseinrichtung zentriert werden wird. Dies wird gewöhnlicherweise dadurch erreicht, dass Instrumente, die eingebaute Versätze aufweisen, in Abhängigkeit von der Normgröße der Fusionseinrichtungen, auf diesem Punkt platziert werden und der Zwischenkörperfusionseinrichtungs-Versatzort mit dem Stift markiert wird.
Der Chirurg muss dann mental die Mittellinienebene durch die markierte Mittellinie konstruieren, um die Bahn einzurichten, die durch die Versatzposition geht. Die Ausführung davon kann schwierig sein und kann von der vorsichtigen Patientenpositionierung abhängen (d. h., wenn der Patient nicht vollständig flach auf dem Tisch liegt, dann kann der Chirurg diesen Drehfehler in sein mentales Bild der Mittellinienebene mit einbauen). Das Instrumentarium für die Fusionseinrichtungsimplantierung wird dann manuell auf dem markierten Versatzort positioniert. Eine Instrumentenbahnorientierung wird unter Verwendung von mehreren fluoroskopischen Ansichten erreicht, die aufgenommen werden sollen. Der Patient, der Chirurg und das Operationsraumpersonal kann dabei einer übermäßigen Strahlung ausgesetzt werden.
Techniken sind bekannt, mit denen Röntgenstrahlbilder verwendet werden, um die Echtzeitposition von chirurgischen Instrumenten in der Patientenanatomie, dargestellt durch das Röntgenstrahlbild, zu lokalisieren, ohne dass es erforderlich ist, dass Röntgenstrahlen wiederholt aufgenommen werden. Durch Nachverfolgen des Instruments wird die Echtzeitposition des Instruments in der Anatomie, dargestellt durch das Röntgenstrahlbild, bestimmt, und eine entsprechende Darstellung des Instruments in dem Röntgenstrahlbild wird angezeigt. Dies erlaubt dem Chirurgen kontinuierlich den Fortschritt der Operation ohne Erfordernis von zusätzlichen Röntgenstrahlbildern zu beobachten, wodurch der Patient und das Operationsraumpersonal der Strahlung weniger ausgesetzt wird.
Das US-Patent mit der Nummer 5868675 offenbart ein intracranielles chirurgisches System, welches eine 3D-Darstellung des Schädels eines Patienten abbildet und anzeigt. Die Offenbarung betrifft die Optimierung des Transfers von Referenzbildern durch Verringerung der Abweichungen zwischen den Koordinaten des Bilds des Patienten auf dem Schirm und Basispunkten auf dem tatsächlichen Patienten auf ein Minimum. Die Basispunkte können spezielle Markierungen, die an dem Patienten angebracht sind, oder bemerkenswerte Punkte auf dem Patienten sein.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Notwendigkeit zu beseitigen, dass ein Chirurg anatomische Landmarken, wie beispielsweise die Mittellinienebene, direkt auf dem Patienten markiert.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anzahl von Bildern und somit die Strahlungsmenge und/oder die Zeit, die benötigt wird, um Instrumente relativ zu einer Landmarke richtig zu lokalisieren, zu verringern.
Es ist eine weitere Aufgabe, den Fehler bei der Positionierung von chirurgischen Instrumenten relativ zu derartigen anatomischen Landmarken zu verringern.
Es ist noch eine weitere Aufgabe, eine Instrumentenpositionsinformation relativ zu derartigen anatomischen Landmarken in nahezu Echtzeit bereit zu stellen.
Es ist noch eine andere Aufgabe, die Möglichkeiten von bildgeführten chirurgischen Systemen, wie in der voranstehend erwähnten verwandten Anmeldung beschrieben, für die Platzierung einer Zwischenkörperfusionseinrichtung zu verwenden und zu verbessern.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, so wie sie verkörpert und breit beschrieben wird, ist eine Vorrichtung zur Verwendung mit einem Bild-gestützten chirurgischen System vorgesehen, um anatomische Landmarken anzuzeigen, die auf ein Bild der Anatomie überlagert sind, mit der gearbeitet werden soll. In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung in einer chirurgischen Prozedur für die Platzierung einer Zwischenkörperfusionseinrichtung bereit, wobei die Vorrichtung zur Verwendung mit einem bildgeführten chirurgischen System vorgesehen ist, wobei das System einschließt, einen Computerprozessor, eine Anzeigeeinrichtung, die mit dem Prozessor gekoppelt ist, und einen Speicher, der zu dem Prozessor gehört und in dem Computerbefehle gespeichert sind, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, auf der Anzeigeeinrichtung wenigstens ein A-P-Bild oder ein laterales Bild entsprechend zu dem Abschnitt einer Wirbelsäule, auf der die Platzierungsprozedur ausgeführt werden soll (2082) anzuzeigen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: eine Schnittstelle (2010, 2020) zum Eingeben von ein oder mehreren Positionen in den Prozessor und zum Erzeugen einer Mittellinienebenen-Landmarke; in dem Speicher gespeicherte zusätzliche Computerbefehle, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, eine Mittellinienebene entsprechend zu der einen oder den mehreren Positionen zu erzeugen und diese auf der Anzeigeeinrichtung ausgerichtet zu dem angezeigten A-P und / oder lateralen Bildern anzuzeigen; und weitere Befehle zum Erzeugen von Versatz-Implantationspositionen relativ zu der Mittellinienebene auf Grundlage von eingegebenen Versatz-Positionswerten. Die Schnittstelle kann aus einer Tastatur, einer Maus oder einem Lichtstift gewählt werden. Wenn das chirurgische System ein bildgeführtes chirurgisches System ist, umfasst die Schnittstelle eine verfolgbare chirurgische Sonde. Wenn das chirurgisches System ein bildgeführtes chirurgisches System mit einem oder mehreren nachverfolgbaren Instrumenten ist, umfassen die zusätzlichen Befehle auch Befehle, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, ein Icon, das die relative Position und Orientierung eines nachverfolgten Instruments relativ zu einer anatomischen Landmarke oder zu einem Ort in Bezug auf die Landmarke zu erzeugen und anzuzeigen. Der Prozessor kann auch Icon-artige Darstellungen der Instrumente auf dem angezeigten Bild und der Landmarke überlagern.
Wenn das System ein bildgeführtes Chirurgiesystem ist, kann der Eingabeschritt das Anwenden einer verfolgten chirurgischen Sonde an die Anatomie, an der gearbeitet werden soll, einschließen. Wenn das System ein bildgeführtes Chirurgiesystem mit einem oder mehreren verfolgbaren chirurgischen Instrumenten ist, kann der Speicher auch Befehle einschließen, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, ein Icon, das die relative Position und Orientierung eines verfolgten Instruments relativ zu der angezeigten anatomischen Landmarke oder zu einem Ort in Bezug auf die Landmarke darstellt, zu erzeugen und auf der Anzeigeeinrichtung anzuzeigen. Der Prozessor kann auch Icon-artige Darstellungen der Instrumente, überlagert in Ausrichtung zu dem angezeigten Bild und der Landmarke, erzeugen und anzeigen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung eingebaut sind und einen Teil davon bilden, illustrieren mehrere Ausführungsformen, die mit dieser Erfindung konsistent sind, und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Diagramme einer Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bei der Verwendung mit einem bildgeführten Chirurgiesystem;
2A und 2B schematische Röntgenstrahlbilder, die echte bzw. verzerrte Bilder darstellen;
3A und 3B eine Projektionstransformation in einem fluoroskopischen C-Arm Abbilder;
4 ein Flussdiagramm, das Verfahren zum Ausführen einer zweidimensionalen Navigationsführung unter Verwendung des Abbildungssystems darstellt;
5A und 5B beispielhafte fluoroskopische (Durchleuchtungs-) Röntgenstrahlbilder, die die Icon-artige graphische Überlagerung eines chirurgischen Instruments darstellen;
6 ein fluoroskopisches Bild mit einer „Querhaar" graphische Überlagerung eines Instruments;
7A bis 7C Bilder von komplementären Ansichten und einer Achse, die sie in Beziehung setzt;
8 ein Bild einer lateralen Ansicht einer Wirbelscheibe des Patienten;
9 ein Bild einer lateralen Ansicht einer Wirbelsäule;
10 ein Diagramm, das ein System zum Spezifizieren einer geplanten Bahn eines chirurgischen Instruments darstellt;
11 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Spezifizieren einer geplanten Bahn eines chirurgischen Instruments darstellt;
12A bis 12C Bilder eines Bruchs eines Femurs (Oberschenkels), der zwei Knochenfragmente enthält;
13 ein Flussdiagramm, das Verfahren zum Ausrichten von Knochenfragmenten unter Verwendung des Bildformungssystems darstellt;
14A und 14B Bilder, die eine Implantation eines Zwischenwirbelgehäuses in der Wirbelsäule eines Patienten darstellen;
15A bis 15C Bilder, die bei der Aufnahme einer Röntgenstrahlansicht der medialen Achse eines Wirbelkörper-Pedicle verwendet werden;
16A und 16B Bilder, die verwendet werden, um die Messung von Winkeln außerhalb der Ebene auf Grundlage von fluoroskopischen Bildern darzustellen;
17A die tatsächliche Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung für die Platzierung der Zwischenkörperfusionseinrichtung zeigt, und 17B und 17C entsprechende A-P und laterale Röntgenstrahlbilder, die durch das bildgeführte Chirurgiesystem erhalten werden, das mit der Vorrichtung der 17A verwendet wird;
18A und 18B, entsprechend zu dem A-P Bild in 17B, eine Darstellung von zwei eingegebenen anatomischen Landmarkenpositionen und der Mittellinienebene, die jeweils aus den eingegebenen Positionen erzeugt werden, angezeigt in Ausrichtung zu dem Bild;
19A eine verfolgte chirurgische Sonde zum Eingeben von anatomischen Landmarkenpositionen direkt von der Anatomie eines Patienten und 19B eine Darstellung einer Mittellinienebene, die aus den Positionen erzeugt wird, die in 19A eingegeben werden, angezeigt in Ausrichtung zu dem A-P Bild;
20A – 20E schematische Zeichnungen von verfolgbaren Instrumenten, die mit der Vorrichtung der 17A verwendbar sind, nämlich einen Distraktor, einen Arbeitskanal, eine Räumahle, einen Ansatz bzw. einen Implantat-Einfüger;
21A und 21B bis 25A und 25B Entsprechungen zu den A-P und lateralen Röntgenstrahlbildern der 17B und 17C mit Icons, die die Distraktorposition in Ausrichtung zu dem Bild darstellen, und einem Icon, das den relativen Abstand von der Versatz-Position darstellt, während sukzessiver Zeiten in dem Platzierungsschritt für den Distraktor;
26A und 26B bis 29A und 29B Entsprechungen zu den A-P und lateralen Röntgenstrahlbildern der 17A und 17B mit Icons, die die Arbeitskanalposition in Ausrichtung zu dem Bild darstellen, und einem Icon, das den relativen Abstand von der Versatzposition darstellt, während einer Abfolge von Zeiten für einen Platzierungsschritt des Arbeitskanals;
30A und 30B bis 34A und 34B Entsprechungen zu den A-P und lateralen Röntgenstrahlbildern der 17B und 17C mit Icons, die die jeweilige Instrumentenposition in Ausrichtung zu dem Bild darstellen, und einem Icon, das einen relativen Abstand von der Versatz-Position darstellt; während der Räum-, Antipp- und Zwischenkörperfusionseinrichtungs-Platzierungsschritten und
35 ein Flussdiagramm einer Prozedur für die Platzierung einer Zwischenkörperfusionseinrichtung unter Verwendung eines Verfahrens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Nun wird ausführlich auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Soweit möglich, werden die gleichen Bezugszeichen überall in den Zeichnungen verwendet, um die gleichen oder ähnlichen Teile zu bezeichnen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 1 ist dort schematisch eine Vorrichtung gezeigt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, und zwar für eine bildgeführte Platzierung eines Zwischenkörperfusionseinrichtung und allgemein bezeichnet mit dem Bezugszeichen 2000. Die Vorrichtung 2000 ermöglicht einem Chirurgen unter Verwendung eines bildgeführten chirurgischen Systems auf einem Monitor oder einer anderen Anzeigeeinrichtung anatomische Landmarken, überlagert oder aufgelegt in Ausrichtung zu der Anzeige eines aufgenommenen oder vorher aufgenommenen Bilds, das durch das chirurgische System bereitgestellt wird, des Abschnitts der Wirbelsäule des Patienten, auf dem die Fusionskörper-Platzierungsprozedur ausgeführt werden soll, zu erzeugen und anzuzeigen. Verwendet in Verbindung mit einem bildgeführten Chirurgiesystem, welches Echtzeitanzeigen der Positionierung von „verfolgten" chirurgischen Instrumenten bereit stellen kann, erlaubt die Vorrichtung 2000 dem Chirurgen auch, die Instrumente relativ zu der angezeigten Landmarke (in diesem Fall einer Mittellinienebene) oder einem Ort in Bezug auf die Mittellinie (z. B. einer Versatz-Position für die Fusionseinrichtungs-Platzierungschirurgie) sowie in Bezug auf das angezeigte echte Bild zu positionieren. Während die vorliegende Erfindung, die mit näheren Einzelheiten beschrieben werden soll, nachstehend beispielhaft durch ein System dargestellt wird, welches für eine Platzierung einer Zwischenkörperfusionseinrichtung verwendet wird, ist sie nicht darauf beschränkt.
ÜBERBLICK ÜBER DAS BILDGEFÜHRTE SYSTEM
Die Vorrichtung 2000 ist in 1 bei der Verwendung mit einem bevorzugten bildgeführten Chirurgiesystem 100 gezeigt. Das System 100, welches nachstehend noch mit ausreichenden Einzelheiten beschrieben werden soll, um ein Verständnis und eine Würdigung der vorliegenden Erfindung zu erlauben, wird mit näheren Einzelheiten in der US-Patentanmeldung Nr. 09/274972 von David A. Simon et al., eingereicht am 23. März 1999, und mit dem Titel „Navigational Guidance via Computer-assisted fluoroscopic Imaging" erläutert. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung mit diesem bestimmten bildgeführten chirgischen System beschränkt ist.
Schematisch gezeigt in 1 ist ein Diagramm eines abbildungs-gestützten Systems 100, das verwendet wird, um Röntgenstrahlbilder geeignet für die chirurgische Prozedur, wie beispielsweise Anterior-Posterior („A-P") und laterale Bilder eines Wirbelsäulenabschnitts für die Prozedur einer Platzierung einer Zwischenkörperfusionseinrichtung, aufzunehmen und anzuzeigen. Das Abbildungssystem 100 umfasst eine fluoroskopische C-Arm Röntgenstrahlabbildungseinrichtung 101, die ferner einen C-Arm 103, eine Röntgenstrahlquelle 104, einen Röntgen-Strahl-Aufnahmeabschnitt 105, ein Kalibrierungs- und Nachverfolgungsziel 106, und Strahlungssensoren 107 einschließt. Das Kalibrierungs- und Nachverfolgungsziel 106 umfasst Infrarot-Reflektoren (oder alternativ Infrarot-Emitter) 109 und Kalibrierungsmarkierungen 111. Das System 100 umfasst einen C-Arm Steuercomputer 115, der einem Arzt erlaubt den Betrieb der Abbildungseinrichtung 101, wie das Einstellen von Abbildungsparametern zu steuern.
Eine geeignete Implementierung der Abbildungseinrichtung 101 ist das „Serious 9600 Mobile Digital Imaging System" von OEC Medical Systems Inc. aus Salt Lake City, Utah, obwohl das Kalibrierungs- und Nachverfolgungsziel (Target) 106 und Strahlungssensoren 107 typischerweise in dem „Serious 9600 Mobile Digital Imaging System" nicht enthalten sind und hinzugefügt werden können. Das „Serious 9600 Mobile Digital Imaging System" ist ansonsten strukturell ähnlich wie das Abbildungssystem 100.
Im Betrieb erzeugt die Röntgenstrahlquelle 104 Röntgenstrahlen, die sich durch den Patienten 110 und das Kalibrierungsziel 106 und in einen Röntgenstrahlabschnitt 105 hinein ausbreiten. Der Empfangsabschnitt 105 erzeugt ein Bild, das die Intensitäten der empfangenen Röntgenstrahlen darstellt. Typischerweise umfasst der Empfangsabschnitt 105 einen Bildintensivierer, der die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt und eine Videokamera mit einer ladungsgekoppelten Einrichtung (CCD), die das sichtbare Licht in digitale Bilder umwandelt. Der Empfangsabschnitt 105 kann auch eine Einrichtung sein, die Röntgenstrahlen direkt in digitale Bilder umwandelt, sodass potentiell eine Verzerrung, die durch das Umwandeln in sichtbares Licht eingeführt wird, vermieden wird.
Die fluoroskopischen Bilder, die von der Abbildungseinrichtung 101 aufgenommen werden, werden an den Computer 115 übertragen, wo sie weiter an den Computer 120 weitergeleitet werden können. Der Computer 120 stellt Möglichkeiten für eine Anzeige (auf dem Monitor 121), eine Speicherung, eine digitale Manipulierung, oder einen Ausdruck einer Hardcopy der empfangenen Bilder bereit. Dreidimensionale Bilder, wie beispielsweise der vorher aufgenommene patientenspezifische CT/MR Datensatz 124 oder ein dreidimensionaler Atlasdatensatz 126 (die nachstehend mit näheren Einzelheiten beschrieben werden), könnten ebenfalls von dem Computer 120 manipuliert und durch den Monitor 121 angezeigt werden. Bilder können auch, anstelle dass sie auf dem Monitor 121 angezeigt werden oder zusätzlich dazu, dem Arzt durch eine Headup-Anzeige angezeigt werden.
Obwohl die Computer 115 und 120 als zwei getrennte Computer gezeigt sind, können sie alternativ in verschiedener Weise als mehrere Computer oder als ein einzelner Computer, der die Funktionen ausführt, die von den Computern 115 und 120 ausgeführt werden, implementiert werden. In diesem Fall würde der einzelne Computer einen Eingang von sowohl dem C-Arm Abbilder 100 als auch dem Verfolgungssensor 130 empfangen.
Strahlungssensoren 107 erfassen die Anwesenheit der Strahlung, die verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Abbildungseinrichtung (Bildformungseinrichtung) 100 aktiv gerade abbildet oder nicht. Das Ergebnis von deren Erfassung wird an den verarbeitenden Computer 120 übertragen. Alternativ kann eine Person manuell anzeigen, wenn eine Einrichtung 100 aktiv abbildet oder diese Funktion kann eine Röntgenstrahlquelle 104, den Röntgenstrahl-Aufnahmeabschnitt 105, oder den Steuercomputer 115 eingebaut sein.
Im Betrieb wird der Patient zwischen der Röntgenstrahlquelle 104 und dem Röntgenstrahl-Aufnahmeabschnitt 105 positioniert. Im Ansprechen auf die Befehlseingabe an den Steuercomputer 115 durch den Betreiber gehen Röntgenstrahlen von einer Quelle 104 aus und gehen durch den Patienten 110, das Kalibrierungsziel 106 und in den Anfangsabschnitt 105 hinein, der ein zweidimensionales Bild des Patienten erzeugt.
Der C-Arm 103 ist in der Lage sich relativ zu dem Patienten 110 zu drehen, was erlaubt, dass Bilder des Patienten 110 aus mehreren Richtungen aufgenommen werden. Zum Beispiel kann der Arzt den C-Arm 103 in der Richtung der Pfeile 108 oder um die Längsachse des Patienten drehen. Jede von diesen Richtungen der Bewegung beinhaltet eine Drehung um eine mechanische Achse des C-Arms. In diesem Beispiel ist die Längsachse des Patienten zu der mechanischen Achse des C-Arms ausgerichtet.
Rohbilder, die von dem Empfangsabschnitt 105 erzeugt werden, neigen dazu eine unerwünschte Verzerrung aufzuweisen, die durch eine Anzahl von Faktoren verursacht wird, einschließlich der inhärenten Bildverzerrung in dem Bildintensivierer und von externen elektromagnetischen Feldern. Zeichnungen, die ideale und verzerrte Bilder darstellen, sind in 2 gezeigt. Das Schachbrett 202 stellt das ideale Bild eines Schachbrett-förmigen Objekts dar. Das Bild, das durch den Empfangsabschnitt 105 aufgenommen wird, kann jedoch in nachteiliger Weise eine signifikante Verzerrung aufweisen, wie mit dem verzerrten Bild 204 dargestellt.
Der Bildformungsprozess in einem System wie dem fluoroskopischen C-Arm Abbilder 100 wird durch eine geometrische Projektionstransformation geführt, die Linien in dem Gesichtsfeld des Fluoroskops auf Punkte in dem Bild (d. h. innerhalb des Röntgenstrahl-Empfangsabschnitts 105) abbildet. Dieses Konzept ist in den 3A und 3B dargestellt. Das Bild 300 (und irgendein Bild, das durch das Fluoroskop (Durchleuchtungsgerät) erzeugt wird) besteht aus diskreten Bildelementen (Pixeln), wobei ein Beispiel davon mit 302 bezeichnet ist. Jedes Pixel innerhalb des Bilds 300 weist eine entsprechende dreidimensionale Linie in dem Sichtfeld des Fluoroskops (des Durchleuchtungsgeräts) auf. Zum Beispiel wird die Linie, die dem Pixel 302 entspricht, als 304 bezeichnet. Die vollständige Abbildung zwischen Bildpixeln und entsprechenden Linien führt eine Projektion von Objekten innerhalb des Sichtfelds in das Bild hinein. Der Intensitätswert am Pixel 302 wird durch die Dichten der Objektelemente (d. h. den Abschnitten der Anatomie eines Patienten des Operationsraumtischs, etc.), geschnitten durch die Linie 304 bestimmt. Für den Zweck einer computergestützten Navigationsführung ist es erforderlich die Projektionstransformation abzuschätzen, die Linien in dem Sichtfeld auf Pixel in dem Bild und umgekehrt abbildet. Eine geometrische projektive Transformation (eine geometrische Projektionstransformation) ist in dem technischen Gebiet altbekannt.
Eine eigentümliche Kalibrierung, die der Prozess zum Korrigieren einer Bildverzerrung in einem aufgenommenen Bild und zum Einrichten der Projektionstransformation für dieses Bild ist, beinhaltet das Platzieren von „Kalibrierungsmarkierungen" in dem Pfad des Röntgenstrahls, wobei eine Kalibrierungsmarkierung ein Objekt ist, welches für Röntgenstrahlen undurchlässig oder halbundurchlässig ist. Kalibrierungsmarkierungen 111 werden fest in vorgegebenen Mustern in einer oder mehreren Ebenen in dem Pfad der Röntgenstrahlen angeordnet und sind in den aufgezeichneten Bildern sichtbar. Nachverfolgungsziele, wie Emitter oder Reflektoren 109, sind in einer festen und bekannten Position relativ zu den Kalibrierungsmarkierungen 111 fixiert.
Weil die echte relative Position der Kalibrierungsmarkierungen 111 in den aufgezeichneten Bildern bekannt ist, ist der Computer 120 in der Lage einen Betrag einer Verzerrung an jedem Pixel in dem Bild zu berechnen (wobei ein Pixel ein einzelner Punkt in dem Bild ist). Demzufolge kann der Computer 120 digital die Verzerrung in dem Bild ausgleichen und ein verzerrungsfreies oder wenigstens ein hinsichtlich der Verzerrung verbessertes Bild erzeugen. Während dies nicht bevorzugt ist, kann eine Verzerrung links in dem Bild sein und nachfolgende Operationen für das Bild, beispielsweise die Überlagerung einer Ikon-artigen Darstellung eines chirurgischen Elements auf dem Bild (was nachstehend noch mit näheren Einzelheiten beschrieben wird), kann verzerrt werden, um der Bildverzerrung angepasst zu sein, die durch die Kalibrierungsmarkierungen bestimmt wird. Die gleichen Kalibrierungsmarkierungen können auch verwendet werden, um die geometrische Perspektivtransformation abzuschätzen, da die Position von diesen Markierungen in Bezug auf den Nachverfolgungsziel-Emitter oder Reflektoren 109 und schließlich in Bezug auf den Nachverfolgungssensor 130 bekannt sind. Eine ausführlichere Erläuterung von Verfahren zum Ausführen einer eigentümlichen Kalibrierung wird in den Referenzen B. Schuele at al., „Conection of Image Intensifier Distortion for Three-Dimensional Reconstruction", präsentiert auf SPIE Medical Imaging 1995, San Diego, CA 1995 und G. Champieboux et al. „Accurate Calibration of Cameras and Range Imaging Sensors; die NPBS Method", Proceedings auf die 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Nice, France, Mai 1992 und der U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 09/106,109, eingereicht am 29. Juni 1998 von dem gegenwärtigen Anmelder, beschrieben.
Das Kalibrierungs- und Nachverfolgungsziel 106 kann an dem Röntgenstrahl-Aufnahmeabschnitt 105 des C-Arms angebracht sein. Alternativ kann das Ziel 106 mechanisch unabhängig von dem C-Arm sein, wobei es in diesem Fall derart positioniert sein sollte, dass die eingeschlossenen Kalibrierungsmarkierungen 111 in jedem fluoroskopischen Bild, das bei der Navigationsführung verwendet werden soll, sichtbar sind. Das Element 106 dient zweierlei Funktionen. Die erste ist, wie voranstehend beschrieben, das Halten der Kalibrierungsmarkierungen 111, die bei der eigentümlichen Kalibrierung verwendet werden. Die zweite Funktion, die nachstehend mit näheren Einzelheiten beschrieben wird, ist das Halten von Infrarot-Emittern oder Reflektoren 109, die als ein Nachverfolgungsziel für den Nachverfolgungssensor 130 wirken. Der Nachverfolgungssensor 130 ist ein Echtzeit-Infrarot-Nachverfolgungssensor, der mit dem Computer 120 verbunden ist. Speziell konstruierte chirurgische Instrumente und andere Markierungen in dem Gebiet des Nachverfolgungssensors 130 können erfasst und in einem dreidimensionalen Raum angeordnet werden. Zum Beispiel wird ein chirurgisches Instrument 140, wie ein Bohrer, mit Infrarot-Emittern oder Reflektoren 141 auf seinem Griff eingebettet. Der Nachverfolgungssensor 130 erfasst die Anwesenheit und den Ort der Infrarot-Emitter oder Reflektoren 141. Weil die relativen räumlichen Ort der Emitter oder Reflektoren in dem Instrument 140 bekannt sind, ist der Nachverfolgungssensor 130 und der Computer 120 in der Lage das Instrument 140 in dem dreidimensionalen Raum unter Verwendung von altbekannten mathematischen Transformationen zu lokalisieren. Anstelle einer Verwendung eines Infrarot-Nachverfolgungssensors 130 und von entsprechenden Infrarot-Emittern oder Reflektoren, sind andere Typen von Positionsortseinrichtungen in dem technischen Gebiet bekannt und können verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Positionsortseinrichtung auf magnetische Felder, Schallemissionen oder funkwellengestützt sein.
Der Referenzrahmen-Markierer 150, wie das chirurgische Instrument 140, ist mit Infrarot-Emittern oder Reflektoren eingebettet, was mit 151 bezeichnet ist. Wie bei dem Instrument 140 erfasst der Nachverfolgungssensor 130 in ähnlicher Weise den räumlichen Ort der Emitter/Reflektoren 151, durch die der Nachverfolgungssensor 130 und der Computer 120 die dreidimensionale Position des Rahmenmarkierers 150 für eine dynamischere Referenz bestimmen. Die Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objekts relativ zu einem Patienten ist in dem technischen Gebiet bekannt und wird zum Beispiel in den folgenden Referenzen diskutiert: PCT Veröffentlichung WO 96/11624 von Bucholz et al., veröffentlicht am 25. April 1996; U.S. Patent Nr. 5384454 von Bucholz; U.S. Patent Nr. 5851183 von Bucholz, und U.S. Patent Nr. 5871445 von Bucholz.
Während eines Betriebs ist der Dynamikreferenz-Rahmenmarkierer 150 an einer festen Position relativ zu dem Abschnitt des Patienten, an dem gearbeitet werden soll, angebracht. Wenn zum Beispiel eine Schraube in die Wirbelsäule des Patienten 110 eingesetzt wird, kann der Dynamikreferenz-Rahmenmarkierer 150 physikalisch an einem Abschnitt der Wirbelsäule des Patienten angebracht sein. Weil der Dynamikreferenzrahmen 150 an einer festen Position relativ zu der Anatomie des Patienten ist und ein Instrument 140 in einem dreidimensionalen Raum relativ zu dein Dynamikreferenzrahmen 150 genau lokalisiert werden kann, kann auch das Instrument 140 relativ zu der Anatomie des Patienten lokalisiert werden.
Wie voranstehend diskutiert, umfasst das Kalibrierungs- und Nachverfolgungsziel 106 auch Infrarotemitter und Reflektoren 109, ähnlich wie diejenigen in dem Instrument 140 oder dem Dynamikreferenzrahmen 150. Demzufolge kann der Nachverfolgungssensor 130 und der Computer 120 die dreidimensionale Position des Kalibrierungsziels 106 relativ zu dem Instrument 140 und/oder dem Dynamikreferenzrahmen 150 und somit der Patientenposition bestimmen.
Im Allgemeinen unterstützt das in 1 gezeigte Bildformungssystem 100 Ärzte, die eine Chirurgie ausführen, durch Anzeigen von Echtzeit- oder vorher aufgenommenen Bildern, wie fluoroskopischen Röntgenstrahlbildern, des Patienten 110 auf der Anzeige 121. Darstellungen der chirurgischen Instrumente 140 werden auf die vorher aufgenommenen fluoroskopischen Bilder des Patienten 110 auf Grundlage der Position der Instrumente, die durch den Nachverfolgungssensor 130 bestimmt werden, überlagert. In dieser Weise ist der Arzt in der Lage den Ort des Instruments relativ zu der Anatomie des Patienten zu sehen, und zwar ohne die Notwendigkeit Echzeit-fluoroskopische Bilder aufzunehmen, das stark die Aussetzung des Patienten und des chirurgischen Teams gegenüber einer Strahlung verringert. „Vorher aufgenommen", wie hier verwendet, ist nicht dafür vorgesehen, um irgendeine erforderliche minimale Dauer zwischen dem Empfang der Röntgenstrahlsignale und der Anzeige des entsprechenden Bilds zu implizieren. Eine momentane Speicherung des entsprechenden digitalen Signals in dem Computerspeicher, während das fluoroskopische Bild angezeigt wird, bildet eine vorherige Aufnahme des Bilds.
4 ist ein Flussdiagramm, das Verfahren zum Ausführen einer zweidimensionalen Navigationsführung unter Verwendung des Systems 100 der 1 darstellt. Der Arzt beginnt durch Aufnehmen von einem oder mehreren fluoroskopischen Röntgenstrahlbildern des Patienten 110 unter Verwendung des Abbilders 101 (Schritt 400). Wie voranstehend erwähnt triggert eine Aufnahme eines Röntgenstrahlbilds Strahlungssensoren 107, was die Computer 120 über den Beginn und das Ende des Strahlungszyklus, der zum Erzeugen des Bilds verwendet wird, informiert. Damit ein fluoroskopisches Röntgenstrahlbild, das durch den Abbilder 101 aufgenommen wird, für den Navigationsführungs-Abbilder 101 verwendbar ist, wenn das Bild aufgenommen wird, sollte es in Bezug auf den Patienten 110 stationär sein. Wenn der C-Arm 103 oder der Patient 110 sich während der Bildaufnahme bewegt, wird die Position des Fluoroskops nicht genau relativ zu dem Referenzrahmen des Patienten bestimmt sein. Somit ist es wichtig, dass die aufgezeichnete Position des Abbilders 101 die echte Position des Abbilders zur Zeit einer Bildaufnahme reflektiert. Wenn der Abbilder 101 sich während des Bildaufnahmeprozesses bewegt, oder wenn der Abbilder 101 sich nach der Bildaufnahme, aber bevor seine Position aufgezeichnet wird, bewegt, wird die Kalibrierung fehlerhaft sein, was zu unrichtigen graphischen Überlagerungen führt. Um diesen Typ vom fehlerhaften Bild zu verhindern kann der Computer 120 die Positionsinformation von dem Nachverfolgungssensor 130 untersuchen, während Strahlungssensoren 107 eine Strahlungserfassung signalisieren. Wenn sich das Kalibrierungs- und Nachverfolgungsziel 106 relativ zu dem Dynamikreferenzrahmen 150 während der Bildaufnahme bewegt, dann wird dieses Bild als fehlerhaft markiert (Schritte 401 und 402).
Am Ende des Strahlungszyklus liest der Computer 120 das aufgenommene Bild von dem C-Arm Steuercomputer 115 aus und liest die Ortsinformation des Zielmarkierers 106 und des Dynamikreferenzrahmens 150 vom Nachverfolgungssensor 130 aus. Der Computer 120 kalibriert das aufgenommene Bild, wie voranstehend beschrieben, um dessen Projektionstransformation dwchzuführen und optional die Verzerrung in dem Bild zu korrigieren, (Schritt 403), und speichert dann das Bild zusammen mit dessen Positionsinformation (Schritt 404). Der Prozess der Schritte 400–404 wird für jedes Bild, welches aufgenommen werden soll (Schritt 405) wiederholt.
Weil die aufgenommenen Bilder mit der Positionsinformation des Kalibrierungs- und Nachverfolgungstargets (Nachverfolgungsziels) 106 und des Dynamikreferenzrahmens 150 gespeichert werden, kann die Position des C-Arms 103, der Röntgenstrahlquelle 104, und des Empfangsabschnitts 105 für jedes Bild, relativ zu dem Patienten 110, auf Grundlage der Projektionstransformation, die in dem Kalibrierungsprozess identifiziert wird, berechnet werden.
Während des chirurgischen Eingriffs erfassen der Nachverfolgungssensor 130 und der Computer 120 die Position des Instruments 140 relativ zu dem Dynamikreferenzrahmen 150 und somit relativ zu dem Patienten 110. Mit dieser Information berechnet der Computer 120 in Echtzeit dynamisch die Projektion des Instruments 140 in jedes fluoroskopische Bild hinein, wenn das Instrument durch den Arzt bewegt wird. Eine graphische Darstellung des Instruments 140 kann dann auf die fluoroskopischen Bilder überlagert werden (Schritt 406). Die graphische Darstellung des Instruments 140 ist eine Ikon-artige Darstellung darüber, wo das tatsächliche chirurgische Instrument innerhalb des aufgenommenen fluoroskopischen Röntgenstrahlbilds erscheinen würde, wenn der Abbilder 101 kontinuierlich neue Bilder von der gleichen Sicht wie bei dem unsprünglichen Bild aufnehmen würde. Es gibt keine theoretische Grenze für die Anzahl von fluoroskopischen Bildern, auf die die graphischen Darstellungen des Instruments 140 gleichzeitig überlagert werden könnten.
Die 5A und 5B sind beispielhafte fluoroskopische Röntgenstrahlbilder, die die Icon-artige graphische Überlagerung eines chirurgischen Instruments darstellen. Das fluoroskopische Bild (Durchleuchtungsbild) 500, das in 5A gezeigt ist, ist ein Bild einer lateralen Ansicht der Lumbal- Wirbelsäule (Lendenwirbelsäule). Die graphische Überlagerung 502 ist die Icon-artige Überlagerung eines chirurgischen Instruments, wie beispielsweise eines Bohrers, innerhalb des Bilds 500. Wenn der Arzt den Bohrer bewegt, berechnet der Computer 120 den neuen Ort der graphischen Überlagerung 502 neu und zeigt diesen an. Das diamantenförmige Ende der Überlagerung 502, was mit dem Gebiet 503 bezeichnet ist, stellt die Spitze des Instruments dar. Der Arzt kann das Bild 500 und die Überlagerung 502 verwenden, um die Position und Orientierung des chirurgischen Werkzeugs relativ zu der Anatomie des Patienten zu visualisieren.
In bestimmten Situationen möchte der Arzt unter Umständen wissen, wo die Spitze des Instruments sein würde, wenn das Instrument entlang einer Linie projiziert werden würde, die durch die gegenwärtige Bahn des Instruments gegeben wird. Unter Verwendung des Systems 100 auf Befehl des Arztes kann der Computer 120 diese Projektion berechnen und anzeigen. Das Gebiet 505 in 5B ist eine Projektion der graphischen Überlagerung 502. Wie gezeigt, wird die „Vorausschau"-Bahn 505 der Überlagerung 502 mit einem anderen Linientyp als die Überlagerung 502 angezeigt. Der Computer 120 kann die Länge der Vorausschau-Bahn 505, wie durch den Arzt gerichtet, durch eine geeignete Computerschnittstelleneinrichtung verändern, wie beispielsweise durch eine Tastatur, eine Maus oder ein Berührungsfeld. In dieser Weise unterstützt der Computer 120 den Arzt bei der Visualisierung, wo das Instrument in dem Patienten sein würde, wenn es um einen vorgegebenen Abstand in den Patienten vorgerückt werden würde.
Obwohl die voranstehend beschriebene „Vorausschau"-Technik die graphische Darstellung des Instruments in das Bild hinein projiziert hat, gibt es keine Anforderung, dass die graphische Darstellung des Instruments in dem Raum des Bilds ist, damit die Vorausschau-Bahn 505 in das Bild hinein projiziert wird. Zum Beispiel kann der Arzt das Bild über den Patienten und außerhalb des Raums des Bilds halten, so dass die Darstellung des Instruments nicht in dem Bild erscheint. Jedoch kann es noch wünschenswert sein, den Vorausschauabschnitt 505 in das Bild hinein zu projizieren, um eine Planung eines chirurgischen Eingriffs zu erleichtern.
Wenn das chirurgische Instrument 140 senkrecht zu der Ebene des fluoroskopischen Bilds ist, fällt die graphische Überlagerung des chirurgischen Elements im wesentlichen auf einen Punkt zusammen, was eine Betrachtung schwierig macht. Um dieses Problem zu beseitigen, kann der Computer 120 optional eine andere graphische Darstellung des Instruments 140 verwenden, wenn der Abstand in der Bildebene zwischen der Spitze und dem Ende des Instruments 140 kleiner als ein fester Abstand (z. B. 15 Pixel) wird.
6 ist ein fluoroskopisches Bild mit einer graphischen Überlagerung 601 eines Instruments, welches sich von einem kleinen „Querhaarbild" („cross hair image") erstreckt, das eine Spitze 602 und ein größeres Querhaar darstellt, das das Ende 603 des Instruments darstellt. Der Computer 120 schaltet automatisch zwischen der Querhaar-Darstellung, die in 6 gezeigt ist, und der in 5 gezeigten Darstellung mit der „geraden Linie" um.
Häufig möchte der Arzt zwei komplementäre fluoroskopische Bilder des Patienten aufnehmen, wie beispielsweise Bilder von einer anterioren / posterioren Ansicht und einer lateralen Ansicht der Wirbelscheiben. Die komplementären Ansichten beziehen sich aufeinander durch eine Drehung um eine Achse um einen bestimmten Betrag. Zum Beispiel bezieht sich eine anteriore / posteriore (vordere / hintere) Ansicht auf eine laterale Ansicht durch eine 90°-Drehung um die Achse, die parallel durch die Länge des Patienten verläuft. Wenn die mechanische Achse der Drehung des C-Arms 103 zu der Achse, die die komplementären Ansichten in Beziehung setzt, ausgerichtet ist (z. B. wenn die mechanische Achse zu der Achse ausgerichtet ist, die durch die Länge des Patienten verläuft), dann kann der Arzt genau und schnell zwischen den komplementären Ansichten dadurch umschalten, dass einfach der C-Arm 103 durch die Trennung der komplementären Ansichten gedreht wird (gewöhnlicherweise um 90°). Im allgemeinen ist jedoch die Drehachse des C-Arms 103 nicht inhärent zu der Achse ausgerichtet, die die komplementären Ansichten in Beziehung setzt, was erfordert, dass der Arzt eine Reihe von zeitaufwändigen Trial and Errorgestützte Einstellungen der Position des Fluoroskops durch zwei oder mehrere Drehachsen ausführt.
In dem System 100 erlaubt die Software auf dem Computer 120 dem Chirurgen die Position des Fluoroskops leicht so einzustellen, dass eine von dessen mechanischen Drehachsen, wie die Achse der Drehung, die mit den Pfeile 108 in 1 gezeigt ist, zu der Drehachse, die die komplementären Ansichten in Beziehung setzt, ausgerichtet ist. Der Chirurg kann dann das zweite Bild in dem komplementären Bildersatz einfach dadurch aufnehmen, dass der C-Arm 103 um einen bestimmten Betrag, typischerweise 90 Grad, um die ausgerichtete Achse gedreht wird.
Bilder von komplementären Ansichten und der Achse, die sie in Beziehung setzt, sind in den 7A – 7C gezeigt. Das Bild der 7A illustriert eine laterale Ansicht der Wirbelscheibe des Patienten, bei der die Sichtrichtung (d. h. die Richtung des zentralen Strahls des fluoroskopischen Abbildes 101) ungefähr parallel zu den zwei Wirbelendplatten ist, die mit Endplatte 705 und Endplatte 706 bezeichnet sind. Die Linie 702 ist die Projektion der Ebene im wesentlichen parallel zu den Endplatten 705 und 706. In ähnlicher Weise ist das in 7C gezeigte Bild eine anteriore / posteriore Ansicht der Wirbelscheibe des Patienten, bei der die Sichtrichtung parallel zu der Ebene 702 ist. Die Drehachse 704, die räumlich die Bildansicht der 7A und die Bildansicht der 7B in Beziehung setzt, ist eine Linie senkrecht zu der Ebene 702. Das heißt, eine Drehung der Bildansicht der 7A um neunzig Grad um die Linie senkrecht zu der Ebene 702 wird zu der in 7B gezeigten Bildansicht führen. In 7C ist eine dreidimensionale Darstellung der in den 7A und 7B gezeigten Anatomie gezeigt. Die Linie senkrecht zu der Ebene 702 ist mit der Drehachse 704 gezeigt.
8 ist ein Bild einer lateralen Ansicht der Wirbelscheibe des Patienten, ähnlich wie 7A. In 8 hat der Computer 120 jedoch die Linie 802 gezeichnet, die die Projektion einer Ebene darstellt, die senkrecht zu einer der mechanischen Achsen des C-Arms ist. Die Linie 804 stellt die Ebene dar, die die komplementären Ansichten räumlich in Beziehung setzt. Wenn die Linie 802 sichtbar ist, kann der Arzt die Position des fluoroskopischen Abbilders 101 so einstellen, dass die Linie 802 zu der Linie 804 ausgerichtet ist. An diesem Punkt beinhaltet das Umschalten zwischen den komplementären Ansichten das Drehen des C-Arms 103 um eine einzelne mechanische Achse.
Obwohl die Ausrichtung der Linien 802 und 804, wie voranstehend diskutiert, unter Verwendung beider Linien 802 und 804 illustriert wurde, die auf dem fluoroskopischen Bild gezeichnet sind, kann es in der Praxis nur erforderlich sein, die Linie 802 in dem Bild anzuzeigen. In diesem Fall wird die Linie 804 durch den Arzt mental visualisiert. Obwohl die Beziehung von komplementären Ansichten unter Verwendung des Beispiels der Wirbelsäule diskutiert wurde, können zusätzlich komplementäre fluoroskopische Bildern von anderen anatomischen Bereichen, wie zum Beispiel der Pelvis, dem Femur oder dem Cranium, in ähnlicher Weise durch die Anwendung der voranstehend diskutierten Konzepte erhalten werden.
Vor oder während eines chirurgischen Eingriffs kann der Arzt es als wünschenswert befinden, einen Operations-„Plan" dem Computer 120 einzugeben. Der Plan kann zum Beispiel eine gewünschte Bahn eines chirurgischen Instruments, überlagert auf einem fluoroskopischen Bild, spezifizieren. Während des chirurgischen Navigationsprozesses würde das Ziel des Chirurgen sein, das graphische Icon, das den Echtzeitort des chirurgischen Instruments darstellt, mit der graphischen Überlagerung auszurichten, die die geplante Bahn darstellt.
9 ist ein Bild einer lateralen Ansicht einer Wirbelsäule. Es sei angenommen, dass das Ziel des Operationsplans darin besteht, eine Linie zu definieren, die entlang einer gewünschten Bahn innerhalb des Bilds des Wirbels verläuft. Ein Verfahren, um dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, direkt die Information über die gewünschte Bahn dem Computer 120 unter Verwendung von traditionellen Computereingabeeinrichtungen einzugeben. Während dieses Verfahren einer direkten Wechselwirkung mit dem Computer 120 möglich ist, kann es mühsam und während eines chirurgischen Eingriffs störend sein. Konsistent mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht ein alternatives Verfahren, um dies zu erreichen, für den Arzt darin, das chirurgische Instrument auf der Oberfläche des Knochens oder der Haut in der gewünschten Orientierung zu positionieren und dann die Spitze des Instruments unter Verwendung der voranstehend beschriebenen Vorausschau-Technik nach vorne zu projizieren. Genauer gesagt, wird die gewünschte Bahn spezifiziert durch (1) Einstellen der Position und Orientierung des Instruments in der Nähe des Patienten mit einer virtuellen Vorausschau aktiv, und (2) Einstellen der Länge der virtuellen Vorausschau. 9 zeigt die Icon-artige Darstellung des Instruments 901 und die virtuelle Vorausschau-Projektion des Instruments 902. Sobald die gewünschte Bahn erzielt ist, kann der Chirurg den Computer 120 anweisen, die geplante Bahn auf der Anzeige 121 „einzufrieren". Die gewünschte Bahn kann unter Verwendung von einem oder mehreren C-Arm fluoroskopischen Bildern erhalten werden, wobei zwei oder mehr benötigt werden, um eine spezifische dreidimensionale Bahn zu definieren, die dann auf irgendeiner C-Arm fluoroskopischen Ansicht angezeigt werden kann. Die Einfrierungsoperation kann dem Computer 120 durch beispielsweise eine einfache Eingabeeinrichtung, wie ein Fußpedal, eingegeben werden. Der Arzt kann dann mit dem Betrieb weiter machen, und zwar unter Verwendung der Überlagerung des geplanten Ziels als eine Führung.
Noch ein anderes Verfahren, welches konsistent mit der vorliegenden Erfindung ist, zum Spezifizieren einer geplanten Bahn eines chirurgischen Instruments, das im Gegensatz zu dem voranstehend diskutierten Verfahren eine Positionierung des chirurgischen Instruments auf oder in der Nähe des Knochens des Patienten nicht erfordert, ist in den 10 und 11 dargestellt.
Wie in 10 gezeigt, wird während der Aufnahme eines Bilds der Patient 1001 zwischen der C-Arm Röntgenstrahlquelle 1004 und dem Röntgenstrahl-Aufnahmeabschnitt 1006 positioniert. Fluoroskopische Bilder des Patienten 1001 werden durch die Röntgenstrahlen, die von der Röntgenstrahlquelle 1004 ausgesendet werden, erzeugt, wenn sie sich in dem Pfad, der im allgemeinen durch den Konus 1010 umrissen ist, durch den Patienten 1001 ausbreiten. Die Linie 1011, in der Mitte des Konus 1010, entspricht dem Ursprung (d. h. dem Mittelpunkt) in den aufgenommenen fluoroskopischen Bildern. Der Arzt 1020, der innerhalb des Bereichs des Nachverfolgungssensors 1030, aber weg von dem Patienten 1001 steht, befiehlt dem Computer eine explizite Entsprechung zwischen dem Abbildungskonus 1010 des Fluoroskops und einem „virtuellen" Konus 1012 an einer beliebigen Position in dem Raum (die für den Nachverfolgungssensor sichtbar ist) zu erzeugen. Sobald dieser virtuelle Konus definiert worden ist, kann das chirurgische Instrument 1040 von diesem virtuellen Konus in ein oder mehrere vorher aufgenommene fluoroskopische Bilder projiziert werden, und zwar in der gleichen Weise, als ob das Instrument in dem tatsächlichen Konus 1010, der einem gegebenen Bild entspricht, lokalisiert wäre. In dieser Weise kann der Arzt 1020 die Bahn des chirurgischen Instruments 1040 durch einfaches Bewegen des Instruments in dem Koordinatensystem, das durch den virtuellen Konus eingerichtet wird, planen.
Um die Entsprechung zwischen tatsächlichen und virtuellen Konussen zu definieren, ist es für den Arzt erforderlich, die Position des virtuellen Konus relativ zu dem Nachverfolgungssensor zu definieren. Im allgemeinen gibt es viele Vorgehensweisen, um einen Konus in dem Raum zu definieren. Zum Beispiel kann die Position und Orientierung eines Konus durch drei Punkte definiert werden, nämlich durch einen entsprechend zu seinem Scheitel, einem entsprechend zu einem zweiten Punkt entlang seiner zentralen Achse, und einem dritten entsprechend zu der Drehung des Konus um die zentrale Achse. Deshalb würde eine Vorgehensweise zum Definieren des Konus darin bestehen, die Spitze des chirurgischen Instruments zu verwenden, um diese drei Punkte in dem Raum relativ zu dem Nachverfolgungssensor zu definieren. Eine andere Vorgehensweise zum Definieren dieser Entsprechung besteht darin, eine einzelne Messung eines chirurgischen Instruments zu verwenden. Unter Verwendung dieses Verfahrens entspricht die Achse des Instruments der Achse des Konus, die Spitze des Instruments entspricht einem festen Punkt entlang der Achse des Konus (der der Scheitel sein könnte, aber auch irgendein anderer Punkt entlang der zentralen Achse sein könnte), und die Orientierung des Instruments um dessen Achse entspricht der Orientierung des Konus um seine Achse. Im allgemeinen kann irgendein Satz von Messungen, die die Position und Orientierung eines gegebenen Konus definieren, verwendet werden, um die Entsprechung zwischen dem tatsächlichen und dem virtuellen Konus einzurichten.
Die in 10 dargestellten Vorgänge sind in dem Flussdiagramm der 11 gezeigt. Am Anfang hält der Arzt das chirurgische Instrument 1040 in der Position, die den virtuellen Konus definiert, und zwar in der Weise, wie in dem vorangehenden Absatz angegeben (Schritt 1101). Der Computer 120 lokalisiert die Position des Instruments 1040, was effektiv der Position und Orientierung des virtuellen Konus zu dem tatsächlichen Konus entspricht (Schritt 1102). Der Computer 120 projiziert zusätzliche Bewegungen des Instruments 1040 in eines oder in mehrere vorher aufgenommene fluoroskopische Bilder, als ob das Instrument in dem tatsächlichen Konus entsprechend zu einem gegebenen Bild bewegt werden würde (Schritt 1103). In dieser Weise kann der Arzt das Instrument an bestimmte Punkte oder Bahnen innerhalb von vorher aufgenommenen Bildern ausrichten. Auf den Befehl des Arztes hin führte der Computer 120 eine „Einfrierung" der Position und / oder der Orientierung des Instruments in dem angezeigten fluoroskopischen Bild (in den angezeigten fluoroskopischen Bildern) aus und verwendet diese für eine nachfolgende Verarbeitung und eine Planerzeugung (Schritt 1104). Es ist auch konsistent mit dieser Erfindung, eine automatisierte Planung unter Verwendung von Computeranalysetechniken bereit zu stellen, um eine „optimale" Bahn in den C-Arm Bildern zu definieren. Sobald die optimale Bahn bestimmt ist, überlagert der Computer 120 die optimale Bahn in dem fluoroskopischen Bild. Zum Beispiel können automatisierte Pläne unter Verwendung von Computertechniken erzeugt werden, um einen spezifischen Betrag einer Lordose (Lordosis) bei der Wirbelsäulen-Chirurgie zu verringern.
Ein übliches klinisches Problem, insbesondere beim orthopädischen Trauma, ist die Neuausrichtung (Reduktion) von gebrochenen oder fehlerhaft ausgerichteten Knochenfragmenten. 12A ist ein fluoroskopisches Bild eines Bruchs des Femurs, was zwei Knochenfragmente 1201 und 1202 enthält. Die Aufgabe des Arztes ist es, die Knochenfragmente so erneut auszurichten, dass der Femur (der Oberschenkel) richtig ausheilen kann.
13 ist ein Flussdiagramm, welches Verfahren zum Ausrichten von Knochenfragmenten darstellt. Im allgemeinen wird ein Fragment der Knochenfragmente 1201 oder 1202 als ein fester Referenzrahmen verwendet und das andere als ein dynamischer Referenzrahmen. Wenn der Arzt das Knochenfragment entsprechend zu den dynamischen Referenzrahmen bewegt, dann erfasst der Nachverfolgungssensor 130 die Bewegung und aktualisiert das Röntgenstrahlbild, um den neuen Ort des Knochenfragments in dem Patienten zu reflektieren.
Zu Beginn der Ausrichtungsprozedur platziert der Arzt eine Nachverfolgungssensor-Markierung auf jedes Knochenfragment 1201 und 1202 (Schritt 1301) und nimmt die fluoroskopischen Bilder auf (Schritt 1302), beispielsweise das in 12A gezeigte Bild. Der Computer 120 verarbeitet das aufgenommene Bild, um eine positionsmäßige Ortsinformation zu ermitteln und das Bild zu kalibrieren (Schritt 1303, dieser Schritt ist mit den Schritten 401 – 403 in 4 identisch).
Nach der Aufnahme des fluoroskopischen Bilds (der fluoroskopischen Bilder) verwendet der Computer 120 Bilderfassungs- und Extraktionstechniken, um die Grenzen der Knochenfragmente in den Bildern zu bestimmen (Schritt 1304). Geeignete Kantenerfassungsalgorithmen zum Erzeugen der Konturen sind in dem technischen Gebiet altbekannt und können zum Beispiel der Canny Kantendetektor, der Shen-Casten Kantendetektor oder der Sobel Kantendetektor sein. Eine Kanten-erfasste Version der 12A ist in 12B gezeigt, bei der die sich ergebende Kontur entsprechend zu dem Knochenfragment 1201 mit 1203 bezeichnet ist und die Kontur entsprechend zu dem Knochenfragment 1202 mit 1204 bezeichnet ist. Die Konturen 1203 und 1204 können, wie in 12B gezeigt, graphisch durch den Computer 120 auf das aufgenommene Bild (die aufgenommenen Bilder) überlagert werden.
Eine Überlagerung der erfassten Bildkonturen auf das fluoroskopische Bild erlaubt dem Arzt die Entsprechung zwischen Bildkonturen 1203 – 1204 und Knochenfragmenten 1201 – 1202 leichter zu identifizieren. Der Arzt gibt diese Entsprechung in den Computer 120 ein (Schritt 1305). Alternativ kann der Computer 120 automatisch die Entsprechung zwischen den Bildkonturen und den Knochenfragmenten identifizieren. Sobald die Entsprechung festgestellt ist, spezifiziert der Arzt, welche Kontur festbleiben soll und welche neu positioniert werden soll. Die Nachverfolgungssensor-Markierung, die an dem Fragment angebracht ist, das repositioniert werden soll, wird als die dynamische Referenzmarkierung bezeichnet, und die Nachverfolgungssensor-Markierung, die an dem festen Fragment angebracht ist, wird als die feste Referenzrahmenmarkierung bezeichnet, obwohl physikalisch die dynamische Referenzmarkierung und die feste Referenzrahmenmarkierung identisch sein können.
Während der chirurgischen Navigation bewegt der Arzt das Knochenfragment mit der dynamischen Referenzmarkierung (Schritt 1306). Der Nachverfolgungssensor 130 erfasst die Position der dynamischen Referenzrahmenmarkierung und der festen Rahmenmarkierung. Mit dieser Information und der vorher erzeugten positionsmäßigen Ortsinformation berechnet der Computer 1230 die neue Position des dynamischen Referenzrahmens und somit dessen entsprechendes Knochenfragment in dem fluoroskopischen Bild und zeigt diese an (Schritt 1307). 12C zeigte eine aktualisierte Version der fluoroskopischen Bildkontur 1203 entsprechend zu dem festen Knochenfragment und die Kontur 1204 entsprechend zu dem neuen Ort der dynamischen Referenzmarkierung und deren Knochenfragment.
Verfahren, die voranstehend zum Ausrichten von Knochenfragmenten beschrieben wurden, können auch für die richtige Ausrichtung von mehreren Wirbelkörpern angewendet werden, zum Beispiel bei der Reduktion von Scoliosis.
Das Navigationsführungssystem 100, das durch die vorliegende Erfindung verwendet wird, ist nicht auf die breite Stellung einer chirurgischen Navigationsführung mit zweidimensionalen fluoroskopischen Bildern beschränkt. Dreidimensionale volumetrische Datensätze können ebenfalls mit graphischen Darstellungen eines chirurgischen Instruments überlagert werden. Dreidimensionale Datensätze (wie CT oder MRI) können entweder vorher gesammelt werden oder während des Betriebs gesammelt werden.
Zwei Typen von dreidimensionalen Datensätzen werden typischerweise bei der chirurgischen Navigation verwendet: Patienten-spezifische Bilddaten und nicht-Patienten-spezifische oder Atlasdaten. Patienten-spezifische dreidimensionale Bilder werden typischerweise vor der Operation unter Verwendung einer Computertomographie (CT), einer Magnetresonanz (MR) oder anderen bekannten dreidimensionalen Abbildungsmodalitäten aufgenommen, obwohl eine intra-operative Aufnahme bzw. Sammlung ebenfalls möglich ist. Atlasdaten sind nicht-Patienten-spezifische dreidimensionale Daten die einen „generischen Patienten beschreiben. Atlasdaten könnten unter Verwendung von CT, MR oder anderen Abbildungsmodalitäten von einem bestimmten Patienten gesammelt werden; und können sogar Bilder von mehreren Modalitäten umfassen, die räumlich registriert sind (z. B. CT und MR zusammen in einem gemeinsamen Koordinatensystem). Atlasdaten können mit Zusatzinformation verssehen werden, die die Anatomie, Physiologie, Pathologie, oder eine „optimale" Planungsinformation beschreibt (zum Beispiel Schraubenplatzierungen, Lordose-Winkel, scoliotische Korrekturpläne, etc.).
Ein dreidimensionaler Patienten CT oder MR Datensatz ist in 2 als Datensatz 124 gezeigt und Atlasdaten sind in 1 als ein Datensatz 126 gezeigt. Vor der Überlagerung eines dreidimensionalen Bilds mit graphischen Darstellungen von chirurgischen Instrumenten muss die Entsprechung zwischen Punkten in dem dreidimensionalen Bild und Punkten in dem Referenzrahmen des Patienten bestimmt werden. Diese Prozedur ist als Registrierung des Bilds bekannt. Ein Verfahren zum Ausführen einer Bildregistrierung ist in den voranstehend erwähnten Veröffentlichungen von Bucholz beschrieben. Dreidimensionale Patienten-spezifische Bilder können auf einen Patienten auf dem Operationsraumtisch (Chirurgieraum) unter Verwendung von mehreren zweidimensionalen Bildprojektionen registriert werden. Dieser Prozess, der oft als eine 2D/3D Registrierung bzw. Ausrichtung bezeichnet wird, verwendet zwei räumliche Transformationen, die eingerichtet werden können. Die erste Transformation ist zwischen den gesammelten fluoroskopischen Bildern und den dreidimensionalen Bilddatensatz (z. B. CT oder MR) entsprechend zu dem gleichen Patienten. Die zweite Transformation ist zwischen dem Koordinatensystem der fluoroskopischen Bilder und einem extern messbaren Referenzsystem, das an dem fluoroskopischen Abbilder angebracht ist. Sobald diese Transformationen angerichtet worden sind ist es möglich, den chirurgischen Raum direkt in Beziehung zu dem dreidimensionalen Bildraum zu setzen.
Wenn eine dreidimensionale Ausrichtung (Registrierung), wie bei der zweidimensionalen Registrierung ausgeführt wird, sollte der Abbilder 101, wenn das Bild aufgenommen wird, in Bezug auf den Patienten 110 stationär sein. Wenn der C-Arm 103 oder der Patient 110 sich während der Bildaufnahme bewegt, dann wird die Position des Fluoroskops nicht genau in Bezug auf den Referenzrahmen des Patienten bestimmt werden. Demzufolge kann die voranstehend beschriebene Technik zum Erfassen einer Bewegung eines Abbilders 101 während des Bildaufnahmeprozesses verwendet werden, wenn fluoroskopische Bilder gesammelt werden, die bei der 2D/3D Registrierung verwendet werden sollen. Das heißt, wie beschrieben, der Computer 120 kann die Positionsinformation von dem Nachverfolgungssensor 130 untersuchen, während Strahlungssensoren 107 eine Strahlungserfassung signalisieren. Wenn sich das Kalibrierungs- und Nachverfolgungsziel 106 relativ zu dem dynamischen Referenzarmen 150 während der Bildaufnahme bewegt, wird dieses Bild als fehlerhaft markiert.
Es kann notwendig sein, komplimentäre fluoroskopische Ansichten (z. B. lateral und anterior/posterior) aufzunehmen, um eine 2D/3D Registrierung zu erleichtern. Die unter Bezugnahme auf die 7–8 voranstehend diskutierten und sich auf die Aufnahme von komplimentären Ansichten beziehenden Techniken können hier angewendet werden.
Sobald eine Registrierung bzw. Ausrichtung vorgenommen worden ist, kann der Computer 120 die Positionsinformation des Instruments 140 verwenden, um graphische Darstellungen des Instruments in dem dreidimensionalen Raum, sowie die zweidimensionalen fluoroskopischen Bilder, zu überlagern.
HYBRIDE VERWENDUNG VON DREIDIMENSIONALEN UND ZWEIDIMENSIONALEN BILDDATEN
Die zweidimensionalen Bilder, die von dem Abbilder 101 erzeugt werden, sind nicht immer in der Lage die Knochenstruktur des Patienten adäquat darzustellen. Zum Beispiel sind fluoroskopische Röntgenstrahlbilder nicht effektiv, wenn sie durch die Länge des Patienten (d. h. von dem Blickpunkt, der an dem Kopf des Patienten herunterschaut oder von den Füßen des Patienten nach oben schaut) aufgenommen werden, weil die große Anzahl von Knochen, durch die die Röntgenstrahlen gehen, einander in dem abschließenden Bild verdecken. Jedoch kann erforderliche Information zum Planen eines chirurgischen Eingriffs, die ansonsten nicht auf Grundlage von zweidimensionalen Bilddaten alleine verfügbar ist, aus einem dreidimensionalen Bilddatensatz, wie einem CT oder MR Bilddatensatz extrahiert werden. Die extrahierte Information kann dann an die zweidimensionalen Röntgenstrahlbilder, die durch den Abbilder 101 erzeugt werden, transferiert und bei der chirurgischen Navigation verwendet werden. Die folgenden Beispiele beschreiben zusätzliche Verfahren zum Verwenden von dreidimensionalen und zweidimensionalen Daten bei der chirurgischen Navigation.
BEISPIEL 1: IMPORTIEREN VON DREIDIMENSIONALEN CHIRURGISCHEN IMPLANTATSPEZIFIKATIONEN AUF ZWEIDIMENSIONALE BILDER
Die 14A und 14B sind Bilder, die die Implantation eines Zwischenwirbelkäfigs in die Wirbelsäule eines Patienten unter Verwendung des Systems 100 (aber nicht unter Verwendung der vorliegenden Erfindung) darstellt. Ein Zwischenwirbelkäfig ist ein grob zylindrisches Spinalimplantat, welches in den Scheibenraum zwischen benachbarten Spinalwirbelkörpern eingefügt wird. Der Arzt kann es als schwierig, wenn nicht unmöglich, empfinden die geeignete Länge eines Zwischenwirbelkäfigs auf Grundlage von zweidimensionalen Bildern, wie dem Bild der 14A, zu wählen.
Das Rechteck 1401 stellt die Projektion des zylindrischen Zwischenwirbelkäfigs in das Bild hinein dar. Während die lange Achse des Zylinders so erscheint, dass sie vollständig innerhalb des Knochens in diesem Bild ist, mag dies nicht der Fall sein, und zwar wegen der Krümmung des anterioren Aspekts des Wirbels 1402. 14B ist ein Bild eines dreidimensionalen axialen CT Querschnitts des Wirbels. Die Ecke 1403 des Rechtecks 1401 steht von dem Knochen vor – eine höchst unerwünschte Situation, die in Röntgenstrahlbildern wie in denjenigen der 14A nicht zuverlässig erfasst werden kann. Wenn man einer derartigen Situation gegenüber gestellt ist, sollte demzufolge die geeignete Käfiglänge auf Grundlage von einem oder mehreren axialen CT Bildern, wie denjenigen in 14B gewählt werden. Eine Auswahl der Käfiglänge kann automatisch durch den Computer 120 oder halbautomatisch mit der Eingabe des Arztes ausgeführt werden.
Sobald die Käfiglänge durch den Arzt bestimmt worden und in den Computer 120 eingegeben worden ist, kann der Längenwert dann durch den Cpomputer 120 beim richtigen Anzeigen der graphischen Überlagerung in dem zugehörigen zweidimensionalen Bild verwendet werden. Die Position des chirurgischen Instruments, welches zum Halten des Käfigs während des Einfügeprozesses verwendet wird, wie durch den Nachverfolgungssensor 130 erfasst, wird verwendet, um die Position des Käfigs in 14A während des zweidimensionalen Navigationsprozesses zu berechnen.
Obwohl das voranstehend diskutierte Beispiel ein zylindrisches Spinalimplantat war, können die beschriebenen Konzepte allgemein auf irgendein chirurgisches Implantat angewendet werden.
BEISPIEL 2: AUFNAHME EINER RÖNTGENSTRAHLANSICHT ENTLANG DER MEDIALEN ACHSE DES WIRBELPEDICLES
Bei bestimmten klinischen Prozeduren kann es wünschenswert sein ein fluoroskopisches Röntgenstrahlbild aufzunehmen, das im Wesentlichen gerade die mediale Achse eines Wirbelpedicles heruntersieht. Für die Zwecke dieses Beispiels kann man sich ein Wirbelpedicle als einen Zylinder denken, und die mediale Achse entspricht der zentralen Achse des Zylinders.
15A ist ein Röntgenstrahlbild, bei dem die Sichtrichtung des Abbilders zu der medialen Achse des Pedicles ausgerichtet ist (d.h. die mediale Achse des Pedicles ist in die Ebene des Bilds hinein). In dieser sogenannten „Eulenaugen" Ansicht erscheint das Pedicle als Kreis 1501 innerhalb des Bilds. Es ist oft schwierig diese Ansicht unter Verwendung nur von fluoroskopischen Röntgenstrahlbildern genau aufzunehmen, da es schwierig ist die Sichtrichtung des Abbilders 101 zu der medialen Achse des Pedicles unter Verwendung von nur fluoroskopischen Bildern auszurichten.
Wenn eine anteriore/posteriore fluoroskopische Bildansicht der Wirbelsäule gegeben ist, wie beispielsweise diejenige, die in 15B gezeigt ist, und wenn gegeben ist, dass die mechanische Achse des Fluoroskops zu der Längsachse des Patienten (d. h. der Achse 704 in 7C) ausgerichtet ist, dann kann ein axialer CT Querschnitt eines Wirbels verwendet werden, um schnell und leicht eine Eulenaugenansicht mit hoher Qualität aufzunehmen, wie die Ansicht der 15A.
15C ist ein Bild eines axialen C7 Querschnitts eines Wirbels. Mit diesem Bild kann der Computer 120 oder der Arzt einen Winkel 1504 zwischen der anterioren/posterioren Achse 1502 und der Projektion der medialen Achse 1503 des Pedicles 1501 in die axiale Ebene hinein messen. Der Arzt kann dann den Abbilder 101 durch den gemessenen Winkel um die mechanische Drehachse drehen, die zu der Längsachse 704 des Patienten ausgerichtet ist. Weil die meisten fluoroskopischen Abbilder, wie der Abbilder 101, Winkelindikatoren aufweisen, ist eine Drehung um den gewünschten Betrag trivial. Wenn jedoch der Arzt eine zusätzliche Genauigkeit bei der Drehung benötigt, kann jedoch der Nachverfolgungssensor 130, weil er die Position des C-Armes 103 erfasst, verwendet werden, um den Drehwinkel genauer zu messen.
BEISPIEL 3: VERWENDUNG EINER DIGITAL REKONSTRUIERTEN RADIOGRAPHIE BEI DER PLATZIERUNG EINES CHIRURGISCHEN IMPLANTATS
Bei der herkömmlichen fluoroskopischen Röntgenstrahl-Bildaufnahme geht die Strahlung durch ein physikalisches Medium, um ein Projektionsbild auf einem strahlungsempfindlichen Film oder einem elektrischen Bildintensivierer zu erzeugen. Wenn ein 3D CT Datennetz gegeben ist, dann kann ein simuliertes Röntgenstrahlbild auch unter Verwendung einer Technik erzeugt werden, die als digital rekonstruierte Radiographie bekannt ist (Digitally Reconstructed Radiography; DRR). DRR ist in dem technischen Gebiet altbekannt und wird zum Beispiel von L. Lemieux et al., „A Patient-to-Computer-Tomography Image Regristration Method Based on Digitally Reconstructed Radiographs", Medical Physics 21 (11), Seiten 1749–1760, November 1994 beschrieben.
Wenn ein DRR Bild erzeugt wird, dann wird ein fluoroskopisches Bild durch computermäßiges Projizieren von Volumenelementen (Voxels) des 3D CT Datensatzes auf eine gewählte Bildebene gebildet. Unter Verwendung eines 3D CT Datensatzes eines gegebenen Patienten ist es möglich ein DRR Bild zu erzeugen, welches sehr ähnlich zu einem entsprechenden Röntgenstrahlbild des gleichen Patienten erscheint. Eine Anforderung für diese Ähnlichkeit ist, dass der „berechnungsmäßige Röntgenstrahlabbilder" und der tatsächliche Röntgenstrahlabbilder ähnliche eigentümliche Abbildungsparameter (z. B. Projektionstransformationen, eine Verzerrungskorrektur)und äußerliche Abbildungsparameter (z. B. die Sichtrichtung)verwenden. Die eigentümlichen Abbildungsparameter können aus dem Kalibrierungsprozess abgeleitet werden.
Ein DRR Bild kann verwendet werden, um für den Chirurgen bei dem in Beispiel 1 diskutierten Problem zum geeigneten Platzieren eines Zwischenwirbelkäfigs in dem Patienten eine Führung bereitzustellen. Wenn ein 3D CT Datensatz von zwei benachbarten Wirbeln gegeben ist, kann der Arzt, der mit dem Computer 120 arbeitet, manuell ein 3D CAC Modell eines Zwischenwirbelkäfigs in einer klinisch gewünschten Position in der dreidimensionalen Ansicht des Wirbels manuell positionieren. Der Arzt kann dann die DRR Technik zum Synthetisieren einer anterioren/posterioren, lateralen oder anderen Röntgenstrahlansichten der Wirbel, die das dreidimensionale CAD Modell des Zwischenwirbelkäfigs zeigt, Synthetisieren. Somit kann ein synthetisiertes fluoroskopisches Röntgenstrahlbild erzeugt werden, welches simuliert, wie ein richtig platzierter Käfig nach einer Implantation aussehen würde.
Die simulierten Röntgenstrahlbilder können mit dem tatsächlichen Bildern verglichen werden, die von dem Abbilder 101 während des chirurgischen Eingriffs aufgenommen werden. Das Ziel des Chirurgen besteht darin das Implantat so zu positionieren, dass die intra-operativen Bilder mit den DRR Bildern übereinstimmen. Für diesen Vergleich können zwei Typen von intra-operativen Bildern vorzugsweise verwendet werden. Zunächst könnte eine herkömmliche Fluoroskopie verwendet werden, um ein Bild aufzunehmen, nachdem der Zwischenwirbelkäfig implantiert worden ist. Zweitens könnten die Bilder, die vor der Käfigplatzierung aufgenommen werden, mit überlagerten graphischen Ikons ergänzt werden, die die gemessene Käfigposition darstellen. In jedem Fall kann das synthetische fluoroskopische Bild als eine Schablone verwendet werden, um zu einer Führung des Chirurgen bei der richtigen Platzierung des Zwischenwirbelkäfigs beizutragen.
Obwohl das obige Beispiel im Hinblick auf eine Implantierung eines Zwischenwirbelkäfigs beschrieben wurde, können auch andere Implantate als der Zwischenwirbelkäfig verwendet werden.
BEISPIEL 4: ERMITTELUNG EINER BESTIMMTEN ZWEIDIMENSIONALEN SICHTRICHTUNG UNTER VERWENDUNG VON DIGITAL REKONSTRUIERTEN RADIOGRAPHENBILDERN
Die DRR Technik kann verwendet werden, um für den Arzt bei der Aufnahme einer Eulenaugenansicht eines Wirbel-Pedicles eine Führung bereitzustellen. Wenn ein dreidimensionaler CT Datensatz gegeben ist, der einen Wirbelkörper und ein zugehöriges Pedicles enthält, kann der Arzt den Computer 120 verwenden, um manuell eine dreidimensionale Darstellung der medialen Achse des Pedicles relativ zu den dreidimensionalen Bildern der Wirbel zu lokalisieren. Sobald diese Platzierung erreicht worden ist, ist es möglich eine Eulenaugenansicht des Wirbels auf Grundlage der Sichtrichtung, die durch die Auswahl des Arztes der dreidimensionalen medialen Achse spezifiziert wird, zu synthetisieren. Dieses synthetisierte Bild kann dann dem während eines chirurgischen Eingriffs angezeigt und verwendet werden, um die Aufnahme einer tatsächlichen Eulenaugenansicht unter Verwendung des Fluoroskops zu führen. Durch visuelles Vergleichen von fluoroskopischen Bildern, die aufgenommen werden, während das Fluoroskop auf die synthetische Eulenaugenansicht positioniert wird, kann der Arzt ein fluoroskopisches Bild mit einer Sichtrichtung aufnehmen, die ungefähr gleich zu der manuell gewählten medialen Achse ist. In dieser Weise kann eine Eulenaugenansicht mit hoher Qualität aufgenommen werden.
Obwohl das obige Beispiel im Hinblick auf eine Synthetisierung einer zweidimensionalen Eulenaugenansicht beschrieben wurde, kann im Allgemeinen irgendeine dreidimensionale Sichtrichtung gewählt und ein entsprechendes zweidimensionales Bild synthetisiert und verwendet werden, um ein fluoroskopisches zweidimensionales Bild aufzunehmen bzw. zu sammeln.
BEISPIEL 5: MESSEN VON WINKELN AUßERHALB DER EBENEN AUF GRUNDLAGE VON FLUOROSKOPISCHEN BILDERN
Es kann wünschenswert sein den Winkel zwischen der Bahn eines chirurgischen Instruments und der ebene eines fluoroskopischen Bilds (wie eine Ebene, die zu der Mittellinie der Wirbelsäule 1502 ausgerichtet ist) während eines chirurgischen Eingriffs unter Verwendung eines vorher aufgenommenen fluoroskopischen Bilds zu messen. Dies ist nützlich, da es oft wünschenswert ist ein chirurgisches Instrument bei einem bestimmten Winkel relativ zu der Ebene des fluoroskopischen Bilds zu positionieren oder zu implantieren. Zum Beispiel muss das chirurgische Instrument unter Umständen in der Richtung implantiert werden, die zu der medialen Achse des Pedicles 1503 ausgerichtet ist.
Es sei der Wirbelquerschnitt betrachtet, der als ein axiales CT Bild in 15C gezeigt ist. Wie voranstehend beschrieben kann der Winkel 1504 zwischen der anterioren/posterioren Achse der Wirbelsäule 1502 und der medialen Achse 1503 des Pedicles aus diesem CT Bild gemessen werden. Eine Ausrichtung des chirurgischen Instruments zu der medialen Achse kann durch dynamisches Messen des Winkels zu der Bahn des chirurgischen Instruments und der Ebene, die durch die Mittellinie der Wirbelsäule 1502 definiert wird, erreicht werden. Wenn der dynamisch gemessene Winkel mit dem Winkel übereinstimmt, der vorher aus dem CT Bild erhalten wird, ist das chirurgische Instrument ausgerichtet.
Die 16A und 16B sind Figuren, die jeweils ein anteriores/posteriores fluoroskopisches Bild der Wirbelsäule und eine entsprechende dreidimensionale Ansicht der Wirbelsäule darstellen. In einer Weise, die nachstehend noch mit näheren Einzelheiten diskutiert werden wird, definiert der Arzt zwei Punkte entlang der Mittellinie der Wirbelsäule, wie beispielsweise die Punkte 1601, die auf den dornigen Prozessen in 16A gezeichnet sind (in einer nicht-pathologischen Anatomie definiert ein dorniger Prozess typischerweise die Mittellinie). Der Computer 120 des Systems 100 verwendet diese Punkte, um eine Linie 1602 in dem Bild zu definieren, oder genauer gesagt, der Computer definiert die Ebene 1603 (die in 16B gezeigt ist), um die zwei Punkte und die lineare Projektionen von diesen zwei Punkten, vorgegeben durch die Kalibrierungstransformation, einzuschließen. Mehr in intuitiv lässt sich eine Approximation erster Ordnung der Ebene 1603 als die Ebene vorstellen, die durch die zwei Punkte senkrecht zu der Bildebene geht.
Die Ebene 1603 definiert die Mittellinie der Wirbelsäule in dem dreidimensionalen Raum. Während einer Navigationsführung kann die Gleichung dieser Ebene in dem Koordinatensystem entweder des dynamischen Referenzrahmens oder des Nachverfolgungssensors 130 ausgedrückt werden.
Unter Verwendung des Nachverfolgungssensors 130 zum Messen der Position und Orientierung (d. h. der Bahn) des Instruments 140, projiziert der Computer 120 dann mathematisch diese Bahn auf die Ebene 1603. Diese Projektion wird eine Linie definieren, die durch die Ebene 1603 geht. Der Winkel zwischen dieser Linie in der Ebene 1603 und dieser Instrumentenbahn entspricht dem Winkel, der gemessen werden soll. Mit anderen Worten der zu messende Winkel entspricht dem minimalen Winkel, der zwischen der Bahn des Instruments und der Ebene 1603 vorhanden ist. Der zu messende Winkel kann von dem Computer 120 berechnet und dem Arzt entweder in einem Text- oder Grafikformat angezeigt werden.
Zusammengefasst, wie in diesem Beispiel beschrieben, kann ein einzelnes fluoroskopisches Bild während des chirurgischen Eingriffs verwendet werden, um ein chirurgisches Instrument bei einer gewünschten Bahn relativ zu der Ebene des fluoroskopischen Bilds zu positionieren. Mehr allgemein beziehen sich die in diesem Beispiel beschriebenen Verfahren auf die Messung des Winkels zwischen der Bahn eines chirurgischen Instruments 140 und einer Ebene (z. B. 1603), die durch zwei oder mehr Punkte (z. B. 1601), die manuell oder automatisch in einem fluoroskopischen Bild gewählt worden sind, definiert wird. Während die Erläuterung eine CT zur Übersichtlichkeit des Beispiels verwendet kann die Messung und die Anzeige des Winkels ohne die Verwendung von irgendwelchen 3D Bilddaten erzielt werden.
Obwohl die obigen fünf Beispiele dreidimensionale Patienten-spezifische Daten und nicht Atlasdaten verwendet haben, kann es in bestimmten Situationen möglich sein, ein 2D/3D Registrierungsschema zu verwenden, welches Nicht-Patienten spezifische Atlasdaten auf Patienten spezifische fluoroskopische Bilder unter Verwendung von deformierbaren Registrierungsverfahren registrieren bzw. angleichen, die die Festigkeit einer anatomischen Struktur während des Registrierungsprozesses nicht erhalten. In dieser Weise können die Patienten-spezifischen fluoroskopischen Bilder verwendet werden, um die Atlasdaten zu deformieren, sodass sie dem Patienten besser entsprechen und dadurch eine Atlas-bezogene Kenntnis an die Patienten-spezifischen fluoroskopischen Bilder transferieren.
ERZEUGUNG UND ANZEIGE DER ANATOMISCHEN LANDMARKE
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Schnittstelle mit dem Systemcomputerprozessor zum Eingeben von ein oder mehreren Landmarkenpositionen, die von dem Prozessor zum Erzeugen und Anzeigen der Landmarke verwendet werden sollen. Wie hier verkörpert und wiederum unter Bezugnahme auf 1 kann die Schnittstelle standardmäßige getrennt vorgesehene Eingabeeinrichtungen einschließen, wie beispielsweise die Einrichtung 2010, die betriebsmäßig mit dem Computer 120 verbunden ist. Die Eingabeeinrichtung 2010 kann zum Beispiel eine Tastatur, eine Maus, oder einen Lichtstift umfassen. Wenn das bildgeführte System bereits mit einer Eingabeeinrichtung ausgerüstet ist, dann kann die benötigte Schnittstelle geeignete Eingabebefehle umfassen, die in dem Speiche 2018 gespeichert sind, der zu dem Computer 120 gehört, oder in einer getrennt vorgesehenen und betriebsmäßig verbundenen Speichereinrichtung, wie der Speichereinrichtung 2026, die in 1 gezeigt ist. Die Speichereinrichtung 2026 kann eine Wand, eine Stärke oder ein getrennter Computer mit einem zugehörigen Speicher sein. Alternativ oder zusätzlich kann die benötigte Schnittstelle ein nachverfolgbares Instrument, wie eine Berührungssonde 2020, die schematisch in 1 dargestellt und in 19A gezeigt ist, einschließen. Die Sonde 2020 schließt ein LED Feld 2022 zum Nachverfolgen durch den Sensor 130 ein. Indem der Arzt physikalisch die gewünschte Landmarkenposition auf der Anatomie des Patienten berührt, kann die Vorrichtung 2000 automatisch die Landmarkenpositionen in dem gewünschten Koordinatenreferenzrahmen durch die Daten, die durch den Sensor 130 bereitgestellt werden, bestimmen. Weil das bildgeführte System 100 konfiguriert sein kann, um eine spezifischen Punkt auf der Sonde 2020 (d. h. die Spitze 2024) zu lokalisieren, kann die erforderliche Genauigkeit erzielt werden.
Weiter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung auch zusätzliche Computerbefehle, die in einer Speichereinrichtung gespeichert sind, auf die der bildgeführte chirurgische Systemcomputer zugreifen kann, und die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Computerprozessor veranlassen die anatomischen Landmarkenpositionen zu erzeugen und auf der Anzeigeausrichtung ausgerichtet zu einem angezeigten anatomischen Bild, das heißt in dem gleichen Koordinatenreferenzrahmen wie das Bild, anzuzeigen. Wie hier verkörpert und wiederum unter Bezugnahme auf 1 umfasst die Vorrichtung 2000 geeignete zusätzliche Computerbefehle, die entweder in dem Systemspeicher 2018 oder in der getrennten Speichereinrichtung 2026 gespeichert sind.
Wie voranstehend diskutiert, veranlassen die zusätzlichen Computerbefehle, die in dem Computerspeicher 2018 (oder in der Speichereinrichtung 2026) gespeichert sind, den Computer 120, die gewünschte Landmarke, nämlich die Mittenlinien-„Ebene" 2016 in den 18B und 19B zu erzeugen und diese anzuzeigen. Die Befehle umfassen vorzugsweise auch Befehle zum Anzeigen von Icons oder anderen Darstellungen der tatsächlich eingegebenen Positionen, die verwendet werden, um die angezeigte Landmarke zu erzeugen, beispielsweise die Icon-artigen (ikonischen) Positionen 2012 und 2014, die in
18A gezeigt sind. Ferner können die zusätzlichen Befehle Befehle einschließen, um die eingegebenen Landmarkenpositionen zu speichern, zum Beispiel in dem Systemspeicher 2018 oder der Speichereinrichtung 2026, für eine zukünftige Referenz oder für das Führen von Aufzeichnungen.
Wie voranstehend diskutiert, weist das bildgeführte Chirurgiesystem 100 den Vorteil auf, dass es in der Lage ist, die verschiedenen Instrumente (die in einer geeigneten Weise mit LED-Emitterfeldern ausgerüstet sind), zu verfolgen, die für einen chirurgischen Eingriff benötigt werden, und Icons, die die Instrumente oder Teile davon darstellen, z. B. die Spitzen- und Enden-Positionen, zu erzeugen und auf dem Monitor 121 in Anlage an einem angezeigten anatomischen Bild anzuzeigen. Für eine Implantationsprozedur einer Zwischenkörperfusionseinrichtung können somit nachverfolgbare Instrumente, wie diejenigen, die in den 20A – 20E gezeigt sind, mit dem System 100 verwendet werden, um eine Zwischenkörperfusionseinrichtung, wie eine Fusionseinrichtung 2032, die auf einem Implantateinfüger 2034 (20E) angebracht gezeigt ist, in einer Weise zu implantieren, die nachstehend noch mit näheren Einzelheiten diskutiert werden wird.
Die richtige Platzierung der Einrichtung 2032 erfordert, dass der Chirurg die Instrumente relativ zu der Mitellinienebene 1016 so lokalisiert, dass ein geeigneter Hohlraum in der Wirbelspalte an einem vorgesetzten Versatz-Betrag nach rechts oder links gebildet werden kann. Dieser Versatz-Abstand wird oft durch den Hersteller auf Grundlage der Größe, z. B. des Durchmessers, der Einrichtung 2032 spezifiziert, kann aber durch den Chirurgen gewählt werden. Die Vorrichtung 2000 erlaubt dem Chirurgen auch, über eine Schnittstelle, beispielsweise eine Eingabeeinrichtung 2010, den gewünschten Versatz einzugeben oder eine Voreinstellung auf Versatzwerte des Herstellers, die in dem Systemspeicher 2018 (oder der Speichereinrichtung 2026) gespeichert werden können, zusammen mit geeigneten Befehlen zum Errechnen der Versatzposition in dem Koordinatensystem des Bilds zu akzeptieren. Dies erlaubt, dass nachverfolgte Instrumente lokalisiert und geeignete Icon-artige Darstellungen relativ nicht nur zu der Landmarke, sondern auch zu dem Versatzpositionsort selbst, der auf die Landmarke bezogen wird, angezeigt werden.
In der vorliegenden Vorrichtung 2000 werden weitere Computerbefehle in dem Systemspeicher 2018 (oder der Speichereinrichtung 2026) vorgesehen, um auf dem Monitor 121 ein Dualschieber-Balkenicon 2036 zu erzeugen und anzuzeigen, das die Positionen der Spitze und des Endes des nachverfolgten Instruments relativ zu der gewünschten Versatzposition zeigt. Wie z. B. in der 21A gezeigt, stellt das Schieberbalkenicon 2036 Icon-artige Darstellungen der relativen Positionen sowohl der Spitze 2038 (obere Spur) als auch des Instrumentenendes 2040 (untere Spur) des Distraktors 2050 (siehe 20A) in Bezug auf die Versatzpositionsdarstellung 2042 dar. Das Verschieberbalkenicon 2036 stellt eine zweckdienliche Auswertung der relativen Positionen in Echtzeit bereit, während der Chirurg gerade das Instrument bewegt. Das Icon 2036 stellt vorzugsweise die relativen Positionen in einem vergrößerten oder verbesserten Maßstab für die einfachere Betrachtung und eine erhöhte Genauigkeit bereit und kann auch eine Mittellinienebenen-Darstellung 2044 einschließen. Die zusätzlichen Befehle in dem Systemspeicher 2018 (oder in der Speichereinrichtung 2026) können auch Befehle einschließen, um in Anlage an dem Bild Icons zu erzeugen und anzuzeigen, die der Spitze und / oder dem Ende (das Icon 2046, das in 21A gezeigt ist, stellt die Instrumentenspitze dar) entsprechen. Natürlich können andere Icons als ein Icon des Schieberstab-Typs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die relative Positionsinformation anzuzeigen, die für die Platzierungsprozedur benötigt wird.
Obwohl nicht gezeigt, können die Befehle in dem Systemspeicher 2018 (oder in der Speichereinrichtung 2026) alternativ die Erzeugung und Anzeige von Icon-artigen Darstellungen des Instruments oder von jeweiligen Teile, wie der Spitze und des Endes, und der Versatzposition selbst, in Anlage an dem angezeigten Bild und der angezeigten Landmarke, bereitstellen. Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden verstehen, dass zum Beispiel dann, wenn die Darstellungen der Spitze und des Endes des Instruments mit der Versatzposition übereinstimmen würden, der Chirurg sicher sowohl von der richtigen Positionierung als auch der Ausrichtung des Instruments relativ zu der Versatzposition und der Landmarke, wie einer Mittellinienebene, ausgehen kann.
PROZEDUR FÜR DIE PLATZIERUNG DER ZWISCHENKÖRPERFUSIONSEINRICHTUNG
In Übereinstimmung mit einem Verfahren, welches konsistent mit der vorliegenden Erfindung ist, wird zunächst bewirkt, dass ein geeignetes anatomisches Bild der Anatomie, an der gearbeitet werden soll, auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird. Wie hier verkörpert und unter Bezugnahme auf die Figuren, zeigen die 17B und bzw. 17C anterior-posterior („A-P") und laterale Röntgenstrahlbilder, die unter Verwendung der in 17A erhalten werden. Die in 17A gezeigte Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung 2000 in Verwendung mit dem bildgeführten chirurgischen System 100, wie schematisch in 1 dargestellt, mit einer fluoroskopischen Einrichtung 101, die zum Ermitteln der Röntgenstrahlbilder verwendet wird, die durch das bildgeführte chirurgische System verarbeitet werden können, um genaue A-P und laterale Bilder bereit zu stellen. Die Vorrichtung der 17A umfasst auch ein dynamisches Referenzfeld 150, das an der Wirbelsäule des Patienten angebracht ist, und das durch den Sensor 130 (in 17A nicht gezeigt) erfasst werden kann. Das bildgeführte chirurgische System „kennt" den relativen Ort des Referenzfelds 150 und der Fluoroskop-Einrichtung 101 und weist auch die Fähigkeit auf, die Bilder zu kalibrieren und die Charakteristiken des Bilds derart zu „lernen", dass es ein Icon, das die Position der nachverfolgten chirurgischen Instrumente darstellt, auf die in den 17B und 17C gezeigten kalibrierten Bilder während der tatsächlichen Prozedur für die Platzierung der Fusionseinrichtung überlagern kann.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren, das konsistent mit der vorliegenden Erfindung ist, werden ferner die eine oder die mehreren anatomischen Landmarkenpositionen in den Computer des bildgeführten chirurgischen Systems eingegeben. Wie hier verkörpert, kann dieser Schritt durch den Chirurgen in einer oder der anderen von zwei grundlegenden Vorgehensweisen erreicht werden, nämlich unter Verwendung der Eingabeeinrichtung 2010 (oder unter Verwendung der Eingabeeinrichtung des Systems über geeignete Befehle in dem Speicher 2018 oder der Speichereinrichtung 2026), oder unter Verwendung eines nachverfolgten chirurgischen Instruments, wie der Sonde 2020. In der ersten Alternative kann der Chirurg die Koordinaten der Landmarkenpositionen in den Computer direkt eingeben, wie beispielsweise unter Verwendung einer herkömmlichen Tastatur, einer Maus oder einer Lichtstift-Eingabeeinrichtung, die in geeigneter Weise mit dem Computer 120 des bildgeführten Chirurgiesystems gekoppelt ist. 18A ist das A-P Bild entsprechend zu 17B, wobei die Punkt 2012 und 2014, die von dem Chirurgen gewählt und eingegeben werden, überlagert sind. 19A zeigt die alternative Route zum Eingeben der Landmarkenpositionen, nämlich dass der Chirurg die nachverfolgte chirurgische Sonde 2020 anstelle von oder als Teil der Eingabeeinrichtung 2010 verwendet und die Anatomie des Patienten an den Orten, die er als Entsprechung zu der gewünschten anatomischen Landmarke gewählt hat, in diesem Fall einer Mittellinienebene, physikalisch berührt.
Noch weiter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erfasst das Verfahren einen Schritt zum Verarbeiten der eingegebenen anatomischen Landmarkenpositionen unter Verwendung von zusätzlichen Computerbefehlen, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, eine entsprechende anatomische Landmarke auf der Anzeigeeinrichtung und in Anlage an dem angezeigten anatomischen Bild zu erzeugen und anzuzeigen. Wie hier verkörpert, würde der Computer 120 in jedem Fall dann, unter Verwendung der eingegebenen Landmarkenpositionen, wie den Punkten 2012 und 2014, die Mittellinienebene 2016 erzeugen, die durch die zwei Punkte geht und parallel zu der Abbildungsrichtung ist, wenn das A-P Bild aufgenommen würde (d.h. senkrecht zu der Ebene des A-P Bilds).
Der nächste Schritt in der Platzierungsprozedur ist für den Chirurgen eine Versatzposition entsprechend zu der gewünschten Platzierungsposition und der Orientierung für die Zwischenkörperfusionseinrichtung zu wählen und einzugeben. Das offenbarte System erlaubt dem Chirurgen, den gewünschten Versatz von der Mittellinienebene einzugeben, wie beispielsweise durch die Eingabeeinrichtung 2010 des Tastaturtyps, oder voreingestellte Werte auf Grundlage des Durchmessers der Zwischenkörpereinrichtung anzunehmen. In dieser letzteren Hinsicht können die Versatzpositionswerte, wie diejenigen, die von dem Hersteller vorgeschlagen werden, vorher in den Speicher 2018 zusammen mit geeigneten zusätzlichen Befehlen gespeichert werden, um einen geeigneten Wert auf Grundlage einer Eingabe der Größe / des Durchmessers der Zwischenkörperfusionseinrichtung, die tatsächlich gerade von dem Chirurgen verwendet wird, zu wählen. Alternativ können die Versatzpositionswerte zusammen mit den zusätzlichen Befehlen in der Speichereinrichtung 2026 gespeichert werden.
Der nächste Schritt in der Platzierungsprozedur für die Einrichtung ist die Positionierung eines Distraktors, wie der in 20A gezeigte Distraktor 2050, um eine Platzierung des Arbeitskanal-Instruments 2052 (20B) zu ermöglichen, das verwendet werden wird, um die anderen Instrumente automatisch zu führen, die verwendet werden, um den Hohlraum vorzubereiten und die tatsächliche Zwischenkörperfusionseinrichtung 2032 einzufügen, nämlich die Reibahle 2054, die in 20C gezeigt ist, den Bohrer 2056, der in 20D gezeigt ist, und den Implantateinfüger, der in 20E gezeigt ist.
Insbesondere sind die 21A und 21B die jeweiligen A-P und lateralen Ansichten, die den ersten Versuch des Chirurgen zeigen, um den Distraktor 2050 in die richtige Position und in Ausrichtung zu der vorher eingerichteten Versatzposition zu bringen. Wegen der Nachverfolgungsmöglichkeit des bildgeführten Chirurgiesystems kann die Position des Distraktors (dargestellt mit Spitzen-Icon 2046) auf der A-P Ansicht (21A) angezeigt werden und das Linien-Icon 2058, das die Bahn und die Einfügungstiefe des Distraktors 2050 darstellt, kann auf der lateralen Ansicht in 21B angezeigt werden. Sowohl die positionsmäßigen als auch die Bahn-/Orientierungs-Darstellungen des Distaktors können natürlich in Ausrichtung zu den jeweiligen Bildern sein.
Wie in 21A gezeigt, stellt die vorliegende Erfindung Computerbefehle für die Erzeugung und die Anzeige des Dualspur-Schieberbalken-Icons 2036 bereit, um dem Chirurgen zu erlauben, die Position und Orientierung des Distraktors schnell einzustellen, um die richtige Position und Ausrichtung relativ zu der gewünschten Versatzposition zu erreichen. Wie in 21A gezeigt, sind am Anfang dieses Schritts die Icon-artigen Darstellungen sowohl der Spitzenposition 2038 als auch der Endenposition 2040 des Distraktors nicht übereinstimmend mit der gewählten Versatzposition, wie mit dem Balkenelement 2044 dargestellt. Die 22A und 22B, bis 25A und 25B, stellen relative Positionen während der Bewegung des Distraktors durch den Chirurgen dar, um eine positionsmäßige und orientierungsmäßige Ausrichtung mit dem gewünschten Versatzort während sukzessiver Zeitperioden zu erzielen. Es sei zum Beispiel darauf hingewiesen, dass in 24A die Ausrichtung der Icon-Spitzenposition 2038 mit einer Icon-Versatzposition 2042 erreicht worden ist, aber die Ausrichtung der Icon-Endenposition 2040 noch erzielt werden muss. Dies wird die Situation anzeigen, bei der die Spitze des Distraktors an der gewünschten Versatzposition, in dem A-P Rahmen der Referenz ist, aber das die axiale Orientierung des Distraktors noch nicht ausgerichtet ist. 25A zeigt sowohl die Spitze als auch das Ende ausgerichtet in Übereinstimmung mit der Versatzposition und parallel zu der Mittellinienebene.
Die jeweiligen lateralen Ansichten in den 21B bis 25B zeigen, dass sowohl die Spitzentiefe als auch die Bahn in der Sagittalebene angezeigt werden. Dies kann erreicht werden als Folge davon, dass die Dimensionen der verschiedenen Instrumente, einschließlich des Distraktors 2050 bekannt sind, so dass die Orte von sämtlichen Punkten auf dem Distraktor berechnet und auf Grundlage der Sensorerfassung des LED oder Reflektorfelds 2060, das an dem Distraktor angebracht ist, angezeigt werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass in den Instrumenten, die in den 20A und den 20C bis 20E darstellt sind, das LED-Feld 2060 eine Einrichtung 2062 des universellen Anbringungstyps ist, um verschiedene Arbeitselemente anzubringen (d.h. ein Distraktorelement, ein Feilen-Ahlen-Element, ein Bohrelement und ein Einfügeelement); siehe die US-Patentanmeldung S.N. 08/971126 von Kevin T. Foley et al., eingereicht am 20. November 1997 mit dem Titel „An Image Guided AwL/Tap/Screwdriver" für eine Beschreibung einer geeigneten universellen Anbringungseinrichtung; siehe auch die US-Patentanmeldung Nr. 09/296251 (Anwaltsakte No. 06148.0086-00000) von Thomas R. Williams, gleichzeitig eingereicht, mit dem Titel „Image Guided Universal Tool Adapter and Method for Use With Computer Assisted Image Guided Surgery", und die US-Patentanmeldung mit der Nummer 08/209248, die am 10. Dezember 1998 eingereicht wurde, mit dem Titel „Image Guided Spinal Surgery Guide System and Method for Use Thereof".
Der nächste Schritt bei der Platzierungsprozedur ist die Installation des Arbeitskanals, wie beispielsweise des Arbeitskanals 2052, der in 20b gezeigt ist. Der Arbeitskanal 2052 ist dafür vorgesehen, um über den Distraktor zu passen, und weist sein eigenes LED oder Reflektor-Nachverfolgungsfeld 2064 auf. Der bestimmte Arbeitskanal 2052, der in 20B gezeigt ist, weist ein Paar von Zacken 2066 auf, die radial von der Arbeitskanalachse 2068 beabstandet sind, um die Aufweitung aufrecht zu erhalten, die von dem Distraktor bereit gestellt wird. Das bildgeführte chirurgische System 100 kann Icon-artige Darstellungen von nicht nur dem Arbeitskanal (Zylinder 2052A), sondern auch der Zacken (Querhaare 2066A) berechnen und anzeigen, um die gewünschte rotationsmäßige Orientierung des Arbeitskanals bereit zu stellen, wenn er in den Scheibenraum eingebracht wird (d. h. die Zacken 2066 sollten parallel zu den Endplatten der Wirbelkörper sein). Die 26A und 26B bis 29A und 29B sind eine Serie von A-P und lateralen Röntgenstrahlbildern, die sukzessive Zeitpunkte während des Platzierungsschritts für den Arbeitskanal zeigen, bei dem der Chirurg allmählich den Arbeitskanal dreht, bis die Positionen der Zacken an der gewünschten Position parallel zu den Wirbelendplatten sind, wie in den 28A und 28B. Die 29A und 29B stellen die nachfolgende Einfügung des Arbeitskanals 2052 auf die richtige Tiefe dar, wie prinzipiell durch die laterale Ansicht in 29B bestimmt.
Die 30A und 30B bis 34A und 34B stellen die nachfolgenden Schritte zum Räumen (Ausfeilen), Bohren und Platzieren der Zwischenkörperfusionseinrichtung, dar, beispielsweise durch die Verwendung der in den 20C, 20D und 20E gezeigten Instrumente, wobei durch den sich an der Stelle befindlichen Arbeitskanal 2052, der in 20B gezeigt ist, von der der Distraktor 2050 entfernt worden ist, gearbeitet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die jeweiligen lateralen Ansichten in diesen Figuren den Chirurgen mit einer genauen Anzeige über die Tiefe nicht nur der Reibahle und den Bohr-Instrumenten, sondern auch über die abschließende Platzierung der Zwischenkörperfusionseinrichtung (Icon-artig dargestellt durch den Zylinder 2032A in 34B) versehen werden. Dieser letztere Aspekt ist natürlich eine Folge davon, dass der. Computer 120 den Ort von sämtlichen Punkten auf dem Implantateinfüger 2034, einschließlich der angebrachten Zwischenkörperfusionseinrichtung 2032 „kennt", und zwar als Folge der bekannten Dimensionen des Einfügers und der Zwischenkörperfusionseinrichtung selbst. Wie die Versatzpositionswerte könnten die Dimensionen der Zwischenkörperfusionseinrichtungen in dem Speicher gespeichert werden und für den Computer verfügbar sein, so dass, sobald sie von dein Chirurgen über die Eingabeeinrichtung 2010 oder eine mit dem System 100 bereit gestellte Eingabeeinrichtung gewählt / bestimmt sind, die erforderlichen Dimensionen für den Computer 120 verfügbar wären, um die benötigten Koordinatentransformationen zu erzeugen, um zu ermöglichen, dass die Orte der Schlüsselpunkte auf dem Instrument und der Zwischenkörperfusionseinrichtung, z. B. die Spitze und das Ende, erzeugt und Icon-artige Darstellungen angezeigt werden.
35 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte der Platzierungsprozedur der Zwischenkörperfusionseinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zusammenfasst. Insbesondere beinhalten die Schritte 2080 bzw. 2082 jeweils das Ausbauen des bildgeführten Systems 100 und das Aufnehmen und Anzeigen der A-P und lateralen Ansichten des Spinalabschnitts von Interesse auf dem Monitor 121. Wie vorangehend angegeben, können vorher aufgenommene Bilder, die in dem Speicher 2018 gespeichert sind, verwendet werden.
Als nächstes wird der Schritt 2084 ausgeführt, indem die Koordinaten der Mittellinie über die Eingabeeinrichtung 2010 oder unter Verwendung eines nachverfolgten Instruments, wie der Berührungssonde 2020, eingegeben werden. Nach der Erzeugung der Mittellinienebene durch den Computer 120 und eine Anzeige auf dem Monitor 121 in Ausrichtung zu den aufgenommenen A-P und lateralen Bildern, wird der Schritt 2086 dadurch erreicht, dass entweder die Versatzposition-Koordinaten eingegeben werden, beispielsweise durch Verwendung der Eingabeeinrichtung 2010, oder dass voreingestellte Werte angenommen werden, die in dem Speicher 2018 gespeichert sind (oder in der Speichereinrichtung 2026 bereit gestellt werden).
Als nächstes positioniert der Chirurg im Schritt 2088 einen nachverfolgten Distraktor, wie beispielsweise den in 20A gezeigte Distraktor 2050, an der Versatzposition unter Verwendung des bildgeführten Systems 100 und der angezeigten Versatzposition und dem Schieberbalken-Icon 2036. Ein oder mehrere neue laterale Bilder der auseinander gezogenen Anatomie können optional aufgenommen und zu dieser Zeit durch das System 100 angezeigt werden, und zwar über die Schritte 2090 und 2092, für eine nachfolgende Verwendung bei der Positionierung des Arbeitskanals.
Im Schritt 2094 wird ein nachverfolgter Arbeitskanal, wie die Einrichtung 2052 (20B), in der Anatomie an dem Versatzabschnitt unter Verwendung des Systems 100 und der angezeigten Versatzposition und dem Schieberbalken-Icon 2036 positioniert. Der Arbeitskanal-Positionierungsschritt 2094 umfasst eine x, y, z Positionierung, eine winkelmäßige und eine Drehorientierungs-Positionierung des Arbeitskanals, wie voranstehend diskutiert.
Als nächstes wird der abschließende Schritt 2096, der zu der Platzierung der Zwischenkörperfusionseinrichtung führt, unter Verwendung des bildgeführten Systems 100 ausgeführt. Der Schnitt 2096 umfasst die Unterschritte, bei denen nacheinander eine nachverfolgte Reibahle, ein Bohrer und ein Einfüger, wie die in den 20C – 20E gezeigten Instrumente, positioniert werden.
Schließlich umfasst der Schritt 2098 die Wiederholung der Schritte 2086 bis 2096 für eine Platzierung einer Fusionseinrichtung an einer entsprechenden Versatzposition auf der gegenüberliegenden Seite der Mittellinienebene, da die Einrichtungen gewöhnlicherweise in Paaren installiert werden. Wenn sowohl die rechte als die linke Versatz-Position während des Schritts 2086 eingegeben wurden, dann müssen nur die Schritte 2088 bis 2096 wiederholt werden, so dass sie den Schritt 2098 umfassen.
Die voranstehend beschriebene Vorrichtung und das Verfahren erweitern signifikant die Möglichkeiten und Vorteile von bildgeführten chirurgischen Systemen, einschließlich von bildgeführten chirurgischen Systemen, die für eine bildgeführte Zwischenkörperfusionseinrichtungs-Platzierung verwendet werden. Es würde für Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang oder dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Wie voranstehend angegeben, sind die Vorteile und Nutzen der vorliegenden Erfindung nicht auf die chirurgischen Prozeduren für die Platzierung einer Zwischenkörperfusionseinrichtung beschränkt, obwohl dies ein besonderer Nutzen für diese chirurgische Prozedur ist.
Obwohl Aspekte der vorliegenden Erfindung so beschrieben sind, dass sie in einem Speicher gespeichert sind, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet auch erkennen, dass diese Aspekte auf anderen Typen von Medien, die von einem Computer lesbar sind, gespeichert werden könnten, beispielsweise auf sekundären Speichereinrichtungen, wie Festplatten, Floppy Disks oder einer CD-ROM; einer Trägerwelle von dem Internet oder ein anderes Ausbreitungsmedium; oder andere Formen von RAM oder ROM.
Während diese Erfindung in verschiedener Weise allgemein in Verbindung mit LEDs und Kamerafeldern beschrieben worden ist, sollte erkannt werden, dass andere Nachverfolgungselemente und entsprechende Sensorfelder, die in dem technischen Gebiet bekannt sind, verwendet werden könnten, beispielsweise schallbezogene, optische oder elektromagnetische, sowie optische Reflektoren und ein entsprechendes Kamerasystem.
Andere Ausführungsformen der Erfindung sind für Durchschnittsfachleute on dem technischen Gebiet aus der Berücksichtigung der Spezifikation und der Praxis der hier offenbarten Erfindung ersichtlich.

Claims

Vorrichtung (2000) zur Verwendung in einer chirurgischen Prozedur für die Platzierung einer Zwischenkörperfusionseinrichtung, wobei die Vorrichtung zur Verwendung mit einem bildgeführten chirurgischen System (100) vorgesehen ist, wobei das System einschließt einen Computerprozessor (120), eine Anzeigeeinrichtung (121), die mit dem Prozessor gekoppelt ist, und einen Speicher (2018, 2026), der zu dem Prozessor gehört und in dem Computerbefehle gespeichert sind, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen auf der Anzeigeeinrichtung wenigstens ein A-P Bild oder ein laterales Bild entsprechend zu dem Abschnitt einer Wirbelsäule, auf der die Platzierungsprozedur ausgeführt werden soll (2082), anzuzeigen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: eine Schnittstelle (2010, 2020) zum Eingeben von ein oder mehreren Positionen (2012, 2018) in den Prozessor und zum Erzeugen einer Mittellinienebenen-Landmarke (2016); in dem Speicher gespeicherte zusätzliche Computerbefehle, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen eine Mittellinienebene (2016) entsprechend zu der einen oder den mehreren Positionen zu erzeugen und diese auf der Anzeigeeinrichtung ausgerichtet zu dem angezeigten A-P und/oder dem lateralen Bild anzuzeigen; und weitere Befehle zum Erzeugen von Versatz-Implantationspositionen relativ zu der Mittellinienebene auf Grundlage von eingegebenen Versatz-Positionswerten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Speicher zu dem Prozessor gehört.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schnittstelle aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer Tastatur, einer Maus und einem Lichtstift besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Schnittstelle ein chirurgisches Instrument einschließt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zusätzlichen Computerbefehle weitere Befehle einschließen, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen ein oder mehrere Icons, die zu anatomischen Landmarkenpositionen gehören, zu erzeugen und anzuzeigen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das bildgeführte chirurgische System ein oder mehrere verfolgbare Instrumente aufweist, und wobei ein Icon die Position und Orientierung eines verfolgten Instruments relativ zu einer anatomischen Landmarke oder einem Ort in Bezug auf die Landmarke anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Instrument einen Spitzen-Abschnitt und einen End-Abschnitt aufweist, und wobei das Icon von Positionen sowohl des Spitzen-Abschnitts als auch des End-Abschnitts relativ zu der anatomischen Landmarke oder einem Ort in Bezug auf die Landmarke anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Instrument einen Abschnitt aufweist, der radial von einer Instrumentenachse beabstandet ist, und wobei das Icon die Winkelorientierung des radialen Abschnitts relativ zu der anatomischen Landmarke oder einem Ort in Bezug auf die Landmarke anzeigt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Landmarke eine Ebene ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zusätzlichen Befehle Befehle zum Erzeugen und Anzeigen eines Icons, das die Position und Orientierung eines verfolgten Instruments relativ zu der Ebene oder einem Ort in Bezug auf die Ebene anzeigt, einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Icon ein Schiebebalken-Icon (2306) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das verfolgte Instrument eine Spitze und ein Ende aufweist, wobei das Icon die Positionen der Spitze (2038) und des Endes (2040) relativ zu der Ebene oder zu dem Ort in Bezug auf die Ebene anzeigt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Versatz-Positionen in dem Speicher gespeichert werden und empfohlenen Platzierungspositionen von Herstellern einer Zwischenkörperfusionseinrichtung entsprechen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 13, wobei die Schnittstelle eine verfolgbare chirurgische Sonde (2020) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein oder mehrere verfolgbare chirurgische Instrumente, wobei der Speicher weitere Befehle enthält, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen ein Icon, das die Position und Orientierung eines besagten verfolgbaren Instruments relativ zu der Mittellinienebene oder einem Versatz-Positionsort in Bezug auf die Mittellinienebene darstellt, zu erzeugen und dieses anzuzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das chirurgische Instrument ein Arbeitskanalinstrument (2052) ist, das einen Kanal definiert, um andere Instrumente automatisch zu führen, die verwendet werden, um einen Hohlraum vorzubereiten und die Zwischenkörperfusionseinrichtung einzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die anderen Instrumente eine Reibahle (2054), einen Bohrer (2056), und einen Implantat-Einfüger (2034) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Arbeitskanal-Instrument ein Paar von Zacken (2066) umfasst, die parallel zu Endplatten von Wirbelkörpern positioniert sind.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der Computerspeicher gespeicherte Versatz-Positionswerte einschließt, und die Computerbefehle ferner Befehle einschließen, die dann, wenn sie ausgeführt werden, den Computerprozessor veranlassen eine Voreinstellung auf eine gespeicherte Versatzposition vorzunehmen und eine Versatzposition in Bezug auf die Mittellinienebene auf Grundlage des voreingestellten Werts zu erzeugen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 18, wobei das verfolgte Instrument (140) eine Spitze (602) und ein Ende (603) aufweist, und wobei das Icon die Positionen sowohl der Spitze (2038) als auch des Endes (2040) relativ zu dem Versatz-Positionsort anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Icon die Positionen der Spitze und des Endes relativ zu der Mittellinienebene anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Icon ein Schieberstab ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 18, wobei das verfolgte Instrument einen Abschnitt aufweist, der radial von einer Instrumentenachse beabstandet ist, und wobei das Icon (108) die rotationsmäßige Orientierung des radialen Abschnitts relativ zu der Versatzposition anzeigt.