-
HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft ganz allgemein elastische Instrumente, z.B. Nadeln,
Sonden, Katheter, Küretten
und dergleichen, die in bildgebend geführten Anwendungen, beispielsweise
in der bildgebend geführte
Chirurgie verwendet werden. Insbesondere betrifft die Erfindung
ein System und Verfahren zum Bestimmen der Position eines elastischen
Instruments während
einer bildgebend geführten
Anwendung.
-
Viele
medizinische Maßnahmen
verwenden ein medizinisches Instrument, beispielsweise einen Bohrer,
einen Katheter, ein Skalpell, ein Endoskop, einen Stent oder ein
anderes Instrument. In manchen Fällen
kann eine medizinisches Bildgebungs- oder Videosystem dafür eingesetzt
werden, Positionierungsdaten für
das Instrument vorzusehen, sowie eine Visualisierung des Inneren
eines Patienten zu ermöglichen.
Allerdings können Ärzte bei
der Durchführung
von medizinische Maßnahmen
den Vorteil von medizinischen Bildgebungssystemen häufig nicht
nutzen. Typischerweise sind medizinische Bildgebungssysteme zu langsam,
um brauchbare Echtzeit-Bilder für
eine Verfolgung der Position eines Instruments für medizinische Anwendungen
zu erzeugen. Der Einsatz medizinischer Bildgebungssysteme für Instrumentenpositionsverfolgung
kann ferner beispielsweise aus Gesundheits- und Sicherheitsgründen (z.B.
Strahlendosierungsproblemen) oder wegen finanziellen Beschränkungen,
räumlichen
Beschränkungen
und sonstigen Problemen beschränkt
sein.
-
Medizinische
Praktiker, z.B. Ärzte,
Chirurgen, und sonstige medizinischen Fachkräfte verlassen sich häufig auf
eine Technologie, wenn sie eine medizinische Maßnahme wie bildgebend geführte Chirurgie
oder eine bildgebend geführte
Untersuchung durchführen.
Ein Positionsverfolgungssystem kann beispielsweise Positionierungsdaten
des medizinischen Instruments bezüglich des Patienten oder eines
Bezugskoordinatensystem vorsehen. Ein Arzt kann auf das Positionsverfolgungssystem
zurückgreifen,
um Kenntnis über
die Position des medizinischen Instruments zu erlangen, wenn sich
dieses nicht im Sichtbereich des Arztes befindet. Ein Positionsverfolgungssystem
kann ferner für
eine präoperative
Planung von Nutzen sein.
-
Das
Positionsverfolgungs- oder Navigationssystem ermöglicht es dem Arzt, die Anatomie
des Patienten darzustellen und die Position und Lage des Instruments
zu verfolgen. Der Arzt kann das Positionsverfolgungssystem verwenden,
um zu ermitteln, wann das Instrument an einer gewünschten
Stelle positioniert ist. Der Arzt kann einen gewünschten oder geschädigten Bereich
lokalisieren und diesen operieren, ohne andere Strukturen in Mitleidenschaft zu
ziehen. Eine gesteigerte Präzision
beim Setzen von medizinischen Instrumenten im Innern eines Patienten
kann ein weniger invasives medizinisches Vorgehen ermöglichen,
indem eine verbesserte Kontrolle über kleinere Instrumente gefördert wird,
die für den
Patienten eine geringere Belastung bedeuten. Eine verbesserte Kontrolle
und Präzision
bei kleineren, weiter verfeinerten Instrumenten kann ferner Risiken
reduzieren, wie sie im Zusammenhang mit invasiveren Verfahren, beispielsweise
der offenen Chirurgie, auftreten.
-
Positionsverfolgungssysteme
können
beispielsweise Ultraschall-, Trägheitslagen-,
optische oder elektromagnetische Positionsverfolgungssysteme sein.
Das US-Patent 5 803 089, mit dem Titel "Position Tracking and Imaging System
for Use in Medical Applications",
von Ferre, et al. (das "'089-Patent") und das US-Patent
6 484 049, mit dem Titel "Fluoroscopic
Tracking and Visualization System", von Seeley, et al. (das "'049-Patent") beschreiben beide chirurgische Positionsverfolgungs-
und Navigationssysteme. Auf den gesamten Inhalt des '089-Patents und des '049-Patents ist hier
Bezug genommen. Positionsverfolgungssysteme, die ein optisches Erfassen (beispielsweise
eine Videokamera und/oder CCDs (Ladungsverschiebungelemente) verwenden)
wurden zur Kontrolle der Position eines medizinischen Instruments
gegenüber
einer Bezugseinheit vorgeschlagen, wie in dem US-Patent 5 230 623,
mit dem Titel "Operating
Pointer with Interactive Computergraphics", von Guthrie, et al. (das "'623-Patent") erwähnt. Darüber hinaus sind in dem '623-Patent auch Ultraschallerfassung
verwendende Positionsverfolgungssysteme offenbart.
-
Elektromagnetische
Positionsverfolgungssysteme können
als Empfänger
und Sender Spulen einsetzen. Typischerweise ist ein elektromagnetisches
Positionsverfolgungssystem gemäß einer
Industrienormspulenarchitektur (ISCA) konfiguriert. ISCA verwendet
drei zueinander ausgerichtete senkrechte Quasidipol-Sendespulen
und drei ausgerichtete Quasidipol-Empfängerspulen. Andere Systeme können drei
große,
Nicht-Dipol, nicht ausgerichtete Sendespulen in Verbindung mit drei
ausgerichteten Quasidipol-Empfangsspulen verwenden. Eine weitere
Architektur eines Positionsverfolgungssystems verwendet ein Array
von sechs oder mehr im Raum verteilten Sendespulen und ein oder
mehrere Quasidipol-Empfangsspulen. Alternativ kann eine einzelne Quasidipol-Sendespule
in Verbindung mit einem Array von sechs oder mehr im Raum verteilten
Empfängern
verwendet werden.
-
Die
ISCA-Positionsverfolgungsarchitektur verwendet einen drei Achsen
aufweisenden Dipolspulensender und einen drei Achsen aufweisenden Dipolspulenempfänger. Jeder
dreiachsige Sender oder Empfänger
ist so konstruiert, dass die drei Spulen die gleiche effektive Fläche vorweisen,
senkrecht zueinander ausgerichtet sind und auf denselben Punkt zentriert
sind. Falls die Spulen im Vergleich zu einem Abstand zwischen dem
Sender und dem Empfänger
ausreichend klein sind, kann die Spule ein Dipol-Verhalten aufweisen.
Die durch das Trio von Sendespulen erzeugten Magnetfelder können durch
das Trio von Empfängerspulen
erfasst werden. Bei Verwendung von drei in etwa konzentrisch positionierten Sendespulen
und drei weitgehend konzentrisch positionierten Empfängerspulen
können
beispielsweise neun Parametermesswerte gewonnen werden. Anhand der
neun Parametermesswerte und einem bekannten Positions- oder Orientierungsparameter können mittels
einer Positions- und
Orientierungsberechnung die Positions- und Orientierungsdaten für jede der
Sendespulen bezüglich
des Empfängerspulentrios
mit drei Freiheitsgraden ermittelt werden.
-
Typischerweise
werden herkömmliche
Positionsverfolgungssysteme, wie die oben erörterten, verwendet, um die
Position von starren medizinischen Instrumenten, beispielsweise
Beatmungsgeräten,
chirurgischen Bohrern, Schneideinstrumenten und dergleichen zu verfolgen.
Allerdings benutzen unterschiedliche chirurgische Anwendungen elastische
Instrumente beispielsweise Küretten,
Nadeln, Katheter, Endoskope, Drähte
und dergleichen, die Auslenkungen erfahren können, während sie innerhalb eines Operationsfeldes
bei einem Patienten navigiert werden. Die herkömmlichen Positionsverfolgungssysteme
sind gewöhnlich
nicht in der Lage, die Position der nachgiebigen Spitzen dieser
elastischen Instrumente zu verfolgen. Vielmehr können diese Systeme gewöhnlich lediglich
die Position eines nicht nachgebenden proximalen Endes des Instruments genau
verfolgen. Die Systeme geben daher auf dem Display möglicherweise
eine Position des medizinischen Instruments wieder, die nicht genau
stimmt. Es ist möglich,
dass ein Chirurg oder Arzt das Instrument auf der Grundlage der
ungenauen Daten bewegt und dabei innere Strukturen des Patienten
verletzt.
-
Es
besteht daher ein Bedarf nach einem System und Verfahren, das die
Position eines medizinischen Instruments, einschließlich eines
distalen funktionalen Endes des medizinischen Instruments genau
verfolgt.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Spezielle
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung schaffen ein medizinisches Instrument
für den
Einsatz in einem bildgebend geführten Chirurgiesystem.
Das medizinische Instrument umfasst ein betriebsmäßig mit
einem elastischen Eingriffselement verbundenes Trägerelement
und einen an einem Abschnitt des elastischen Eingriffselements befestigten
Dehnungsmesser. Der Dehnungsmesser ist konfiguriert, um eine Auslenkung
des elastischen Eingriffselements zu erfassen. Der gemessene Widerstand
des Dehnungsmessers ändert
sich, wenn das elastische Eingriffselement ausgelenkt wird. Der Dehnungsmesser
ist ein Widerstand innerhalb einer elektrischen Schaltung, beispielsweise
einer Wheatstone-Brücke,
in der eine Potentialdifferenz auftritt, wenn der Widerstand des
Dehnungsmessers sich ändert.
Das medizinische Instrument kann in einem bildgebend geführten Chirurgiesystem
verwendet werden, das ein Positionsverfolgungssystem enthält, das
von einem den (die) Dehnungsmesser aufweisenden Auslenkungsverfolgungssystem
gesondert und unabhängig
ist. Das zusätzliche
Positionsverfolgungssystem kann ein elektromagnetisches, optisches,
Trägheitslagen-
oder Ultraschall verwendendes Positionsverfolgungssystem sein, das
dazu eingerichtet ist, die Position des medizinischen Instruments
zu verfolgen.
-
Das
elastische Eingriffselement kann eine Nadel, ein Katheter, eine
Kürette,
ein Endoskop oder ein K-Draht sein. Das medizinische Instrument
kann wenigstens einen zusätzlichen
Dehnungsmesser aufweisen, der an dem elastischen Eingriffselement befestigt
ist. Der (die) Dehnungsmesser ist (sind) an einem Abschnitt des
elastischen Eingriffselements befestigt, der sich in der Nähe des Trägerelements befindet.
-
Spezielle
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung schaffen ferner ein Verfahren zum Navigieren
eines medizinischen Instruments, das ein elastisches Eingriffselement
aufweist, wie es in der bildgebend geführten Chirurgie verwendet wird.
Zu dem Verfahren gehören
die Schritte: Positionsverfolgung des medizinischen Instruments
mittels eines ersten Positionsverfolgungsverfahren, das die Position
eines proximalen Endes des medizinischen Instruments verfolgt; und
Verwenden eines zweiten Positionsverfolgungsverfahren, um die Position
von Auslenkungen eines funktionalen Elements des medizinischen Instruments
zu verfolgen, das an einem distalen Ende des medizinischen Instruments
angeordnet ist. Das Verfahren beinhaltet ferner die Schritte: Kombinieren
von empfangenen Daten und basierend auf den kombinierte Daten, wiedergeben
einer Position des medizinischen Instruments auf einem Display.
-
KURZBESCHREIBUNG
EINIGER ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
-
1 veranschaulicht ein medizinisches
Instrument gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
2 veranschaulicht ein vereinfachtes
Diagramm eines Dehnungsmessers gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
3 veranschaulicht eine Draufsicht
auf einen Dehnungsmesser gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
4 zeigt ein Schaltschema
einer Wheatstone-Brücke
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
5 veranschaulicht eine geschnittene
axiale Ansicht eines elastischen Eingriffselements gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
6 veranschaulicht ein elektromagnetisches
Positionsverfolgungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
7 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines
Verfahrens zum genauen Verfolgung einer Position eines medizinischen
Instruments während
einer bildgebend geführten
Operation.
-
Die
vorausgehende Kurzbeschreibung sowie die nachfolgende detaillierte
Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden verständlicher durch Studium der
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In den Figuren
sind zur Veranschaulichung der Erfin dung spezielle Ausführungsbeispiele
gezeigt. Jedoch ist selbstverständlich
keinesfalls beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf die in den
beigefügten
Figuren gezeigten Anordnungen und Funktionalitäten zu beschränken.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
1 veranschaulicht ein medizinisches
Instrument 10 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Zu dem medizinischen Instrument 10 gehören: ein
starres Trägerelement 12, beispielsweise
ein Griff, ein Grundkörper,
in dem Elektronik und dergleichen oder eine Befestigungsanordnung
untergebracht ist, und eine elastische Spitze oder Eingriffselement 14.
Das elastische Eingriffselement 14 weist ein proximales
Ende 15 (in der Nähe
des Trägerelements)
und ein distales funktionales Ende 17 auf. Das elastische
Eingriffselement 14 bildet das funktionale Ende des medizinischen
Instruments 10. Das elastische Eingriffselement kann eine
elastische Sonde, eine Nadel, eine Kürette, ein K-Draht, ein Katheter
oder eine mannigfaltige andere derartige Vorrichtung sein, die dazu
neigt auszulenken, sich elastisch zu biegen oder sonstige derartige Bewegungen
auszuführen.
-
Auf
dem elastischen Eingriffselement 14 sind in der Nähe eines
distalen Endes 20 des Trägerelements 12 Dehnungsmesser 16 und 18 angeordnet. Die
Dehnungsmesser 16 und 18 sind dazu eingerichtet,
eine bei dem elastischen Eingriffselement 14 auftretende
Auslenkung, wie weiter unten erläutert,
zu erfassen. Die Dehnungsmesser 16 und 18 können in einem
belieben Abschnitt des elastischen Eingriffselements 14 angeordnet
sein. Allerdings sind die Dehnungsmesser 16 und 18 vorzugsweise
in einem Abschnitt des elastischen Eingriffselements 14 angeordnet,
der wesentlich nachgibt oder ausgelenkt wird, wenn auf das elastische
Eingriffselement 14 eine Kraft ausgeübt wird. Beispielsweise können die
Dehnungsmesser 16 und 18 in der Nähe des Trägerelements 12 des
medizinischen Instruments angeordnet sein.
-
2 veranschaulicht ein vereinfachtes
Diagramm eines Dehnungsmessersystems 22 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Zu dem System 22 gehören: ein
starrer Träger 24,
ein elastisches Element 26, das sich von dem starren Träger 24 senkrecht
weg erstreckt, und ein oberer Dehnungsmesser 28 und ein
unterer Dehnungsmesser 30, die an dem elastischen Element 26 befestigt
sind. Der starre Träger 24 ist
analog zu dem distalen Ende des Trägerelements 12 geformt,
während
das elastische Element 26 analog zu dem in 1 gezeigten elastischen Eingriffselement 14 geformt
ist.
-
3 veranschaulicht eine Ansicht
eines Dehnungsmessers 28 oder 30 von oben. Jeder
der Dehnungsmesser 28 und 30 weist ein Drahtelement 32 auf,
das an eine elastische Kunststoffversteifung 34 gebunden
ist. Anschlussleitungen 36 stellen eine elektrische Verbindung
der Enden 38, 40 des Drahts mit anderen Elementen
in einer (nicht gezeigten) elektrischen Schaltung her.
-
Wieder
Bezug nehmend auf 2,
wächst die
Länge des
oberen Dehnungsmessers 28 und dessen Querschnittsfläche nimmt ab,
wenn in Richtung F eine Kraft auf das elastische Element 26 ausgeübt wird,
wobei das elastische Element 26 einer Richtung F' folgend auf einem
gekrümmten
Pfad um einen Drehpunkt 27 bewegt wird. Mit dem Wachsen der
Länge des
oberen Dehnungsmessers 28 und dem Abnehmen seines Querschnitts
steigt der widerstand des oberen Dehnungsmesser 28, wie
in Gleichung (1) gezeigt: R = ρL/A (1)mit R = Widerstand,
L
= Länge
des Dehnungsmessers,
A = Querschnittsfläche des Dehnungsmessers und
ρ = spezifischer
Widerstand des Dehnungsmessers.
-
Weiter,
wenn das elastische Element 26 in Richtung F' bewegt wird, nimmt
die Länge
des unteren Dehnungsmessers 30 ab, und seine Querschnittsfläche wächst, wodurch
ein Sinken des Widerstands des unteren Dehnungsmessers 30 bewirkt wird.
Die Widerstandsänderungen
können
durch eine Wheatstone-Brückenschaltung,
wie sie in 4 gezeigt
ist, erfasst werden.
-
4 zeigt ein Schaltschema
einer Wheatstone-Brücke 42 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Die Wheatstone-Brücke 42 enthält Widerstände R1 und R2, Deh nungsmesser 28 und 30 (die
als Widerstände
dargestellt sind) und eine Quelle für elektromotorische Kraft (EMK) 44.
Die Dehnungsmesser 28 und 30 werden innerhalb
der Wheatstone-Brücke 42 eingesetzt.
Die Widerstände R1 und R2 sind so
gewählt,
das die Wheatstone-Brücke 42 ausgeglichen
ist, wenn auf das elastische Element 26 des in 2 gezeigten Dehnungsmessersystems 22 keine
Kraft ausgeübt
wird. Wenn die Wheatstone-Brücke 42 ausgeglichen
ist, besteht zwischen den Punkten a und b keine Potentialdifferenz. Wenn
allerdings eine Kraft auf das elastische Element 26 ausgeübt wird, ändert sich
der Widerstand beider Dehnungsmesser 28 und 30 und
die Wheatstone-Brücke 42 ist
nicht mehr ausgeglichen. Folglich tritt zwischen den Punkten a und
b eine Potentialdifferenz auf, die proportional zu der Stärke der
Kraft ist, die auf das elastische Element 26 ausgeübt wird.
-
Nochmals
auf 2 Bezug nehmend,
ist das Dehnungsmessersystem 22 konfiguriert, um an seinem
Ausgang eine Widerstandsänderung
aufzuweisen, die zu der Größe der in
Richtung F ausgeübten Kraft
direkt proportional ist. Falls beispielsweise eine Kraft der Stärke F1 auf das elastische Element 26 ausgeübt wird,
tritt zwischen den Punkten a und b der Wheatstone-Brücke eine
Potentialdifferenz auf. Weiter, wird sich das elastische Element
aufgrund der darauf ausgeübten
Kraft F1 eine gewisse Stecke längs des
Pfades F' bewegen.
Eine Potentialdifferenz V1 ist daher direkt
proportional zur Strecke der Auslenkung längs des Pfades F'. zwischen dem Grad
der Auslenkung und der Potentialdifferenz besteht eine direkte lineare
Beziehung. Die Strecke, um die das elastische Element ausgelenkt
wird, liefert eine eindeutige zugeordnete Potenti aldifferenz VEX. Folglich lässt sich durch vielfältige Potentialdifferenzen,
die am Ausgang einer Schaltung auftreten, die die Dehnungsmesser 28 und 30 aufweist,
der Grad der Auslenkung des elastischen Elements 26 erfahren.
Gleichung (2) zeigt die Beziehung zwischen Dehnung/Kompression und
Potentialdifferenz: VS/VG = (G(e))/2 (2)mit VS = angelegte Spannung,
VG =
Potentialdifferenz aufgrund von Dehnung/Kompression,
G = ein
Eichfaktor und
e = der Grad der Dehnung/Kompression.
-
Die
Dehnung/Kompression eines Dehnungsmessers, z.B. der Dehnungsmesser 28 und 30 liefert eine
Potentialdifferenz VG. Die Potentialdifferenz kann
mit der Dehnung/Kompression korreliert werden. D. h. eine Messung
der Potentialdifferenz ermöglicht
es, den Grad der Dehnung/Kompression der Dehnungsmesser 28 und 30 zu
bestimmen. Darüber
hinaus gibt ein Grad der Dehnung/Kompression Auskunft über die
Strecke, um die das elastische Element 26 ausgelenkt ist.
Jede gemessene Potentialdifferenz ermöglicht es, den Grad der Dehnung/Kompression
des Dehnungsmessers 28 oder 30 zu berechnen, was
wiederum Auskunft über
den Grad der Auslenkung des elastischen Elements 26 gibt.
Jede spezielle Potentialdifferenz kann somit mit einem Grad der
Auslenkung des elastischen Elements 26 korreliert werden.
Eine Messung der Potentialdifferenz VG er möglicht es,
einen Grad der Auslenkung des elastischen Elements 26 zu
berechnen.
-
Indem
nun wieder auf 1 eingegangen wird,
lassen sich die oben beschriebenen Prinzipien auf das medizinische
Instrument 10 anwenden. Die Dehnungsmesser 16 und 18 sind
oberhalb und unterhalb des elastischen Eingriffselements 14 befestigt. In
dem Maße,
wie das elastische Eingriffselement 14 ausgelenkt wird,
dehnen sich daher die Dehnungsmesser 16 und 18 bzw.
werden zusammengedrückt. Wenn
die Dehnungsmesser 16 und 18 gedehnt oder zusammengedrückt werden, ändern sich
die Längen und
Querschnittsflächen
der Dehnungsmesser, wie oben beschrieben. Während ein Dehnungsmesser 16 oder 18 beispielsweise
gedehnt wird, wächst
seine Länge
und seine Querschnittsfläche
nimmt ab, wodurch sich sein Widerstand erhöht. Falls ferner ein Dehnungsmesser 16 oder 18 zusammengedrückt wird,
nimmt seine Länge
ab und seine Querschnittsfläche
wächst,
wodurch sein Widerstand sinkt. Da die Dehnungsmesser, wie in 4 gezeigt, in eine Wheatstone-Brückenschaltung 42 eingebunden
sind, tritt innerhalb der Wheatstone-Brückenschaltung eine Potentialdifferenz
auf, die proportional zu der Strecke der Auslenkung des elastischen
Eingriffselements 14 ist. Jeder gemessenen Potentialdifferenz
entspricht in direkter Beziehung eine Grad der Auslenkung des elastischen
Eingriffselements 14.
-
5 veranschaulicht eine geschnittene
axiale Ansicht des elastischen Eingriffselement 14 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das elastische Eingriffselement 14 weist den
oberen Dehnungsmesser 16 und den unteren Dehnungsmesser 18 auf.
Das elastische Element 14 kann auch an diesem befestigte
seitliche Dehnungsmesser 46 aufweisen, um zusätzliche
Daten zur Verfügung
zu stellen, die eine seitliche Auslenkung des elastischen Eingriffselements 14 betreffen.
Optional können
die Dehnungsmesser 16, 18 und 46 Halbleiterdehnungsmesser
sein.
-
6 veranschaulicht ein elektromagnetisches
Positionsverfolgungssystem 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Zu dem System 100 gehören ein
an einem Patienten 114 befestigtes Headset 112,
das medizinische Instrument 10, ein Überwachungssystem 118 und
ein Display 120. Das mit dem medizinischen Instrument 10,
dem Headset 112 und dem Display 120 elektrisch
verbundene Überwachungssystem 118 enthält eine
Positionserfassungseinheit 122, eine Registrierungseinheit 124 und
eine Bildspeichereinheit 126. Die Bildspeichereinheit 126 speichert
Sätze von
zuvor aufgezeichneten Bildern beispielsweise CAT-, MRI- oder PET-Scan-Bilder.
Jeder Satz von Bildern kann beispielsweise entlang koronarer, sagittaler
oder axialer Richtungen aufgenommen werden.
-
Das
System 100 enthält
ferner eine Empfängeranordnung,
die Magnetsensoren aufweist, die auf dem Headset 112 angeordnet
sind. Die Empfängeranordnung
ist konfiguriert, um ein Magnetfeld zu erfassen. Auf dem medizinischen
Instrument 116 ist eine Senderanordnung angeordnet. Die
Senderanordnung ist konfiguriert, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das
durch die Empfängeranordnung
detektiert wird. Alternativ kann die Empfängeranordnung auf dem medizinischen
Instrument 16 angeordnet sein, während die Senderanordnung auf
dem Headset 12 an geordnet sein kann. Optional kann das
medizinische Instrument 10 in Verbindung mit vielfältigen anderen Positionsverfolgungssystemen,
z.B. Ultraschall-, Trägheitslagen-
und optischen Positionsverfolgungssystemen verwendet werden.
-
Das
System 100 führt
seine Funktion der Verfolgung der Position des medizinischen Instruments 10 gegenüber dem
Headset 12 mittels vielfältiger aus dem Stand der Technik
bekannter Verfahren aus. Das Überwachungssystem 118 verfolgt
die Position des medizinischen Instruments durch elektromagnetische
Positionsverfolgung und mittels der Dehnungsmesser 16 und 18.
Wenn das medizinische Instrument 10 in den Patienten 14 einführt wird,
kann das elastische Eingriffselement 14, wie oben beschrieben,
eine Auslenkung erfahren, während
es anatomische Strukturen innerhalb des Patienten 14 überwindet.
-
Die
allgemeine Position des medizinischen Instruments 10 lässt sich
mittels elektromagnetischer Positionsverfolgung beobachten. D. h.
ein elektromagnetisches Positionsverfolgungssystem kann die Position
des proximalen Endes 15 exakt verfolgen, in diesem Falle
des Endes, das dem Trägerelement 12 des
elastischen Eingriffselements 14 am nächsten ist. Die Auslenkung
des distalen Endes 17 des elastischen Eingriffselements 14 wird
mittels eines Auslenkungsverfolgungssystems erfasst, dass die Dehnungsmesser 16 und 18 aufweist.
Die mit dem Überwachungssystem 118 elektrisch
verbundenen Dehnungsmesser 16 und 18, übertragen
Auslenkungdatensignale an das Überwachungssystem 118.
Das Überwachungssystem 118 verarbeitet
anschließend sowohl
die Daten, die es von den Elementen der elektromagnetischen Positionsverfolgung
(d. h. von der Empfängeranordnung
und Senderanordnung) entgegennimmt, als auch die von den Dehnungsmessern 16 und 18 her
empfangenen Daten. Das Überwachungssystem 118 korreliert
die von den Dehnungsmessern her empfangenen Daten mit Graden der
Auslenkung des elastischen Eingriffselements 14. Das Überwachungssystem 118 kombiniert anschließend die
Daten der elektromagnetischen Positionsverfolgung mit den Daten
der Auslenkung und gibt auf dem Display 120 überlagert über früher gewonnene
Bilder des Patienten eine Position des medizinischen Instruments 10 wieder,
die die Position des elastischen Eingriffselements 14 beinhaltet.
-
7 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines
Verfahrens zum genauen Verfolgen einer Position des medizinischen
Instruments 10 während
einer bildgebend geführten
Operation. In Schritt 50 wird die Position des medizinischen
Instruments 10 mittels herkömmlicher Positionsverfolgungsverfahren
der bildgebend geführten
Chirurgie verfolgt. Beispielsweise kann die Position des medizinischen
Instrument 10 durch ein elektromagnetisches, optisches oder
Trägheitslagen-Positionsverfolgungssystem verfolgt
werden. Das herkömmliche
Positionsverfolgungssystem verfolgt eine allgemeine Position des medizinischen
Instruments 10 genau. Das herkömmliche Positionsverfolgungssystem
verfolgt die Position des Trägerelements 12 und
des proximalen Endes 15 des medizinischen Instruments 14 genau.
-
Gleichzeitig
mit der Verfolgung der Position des medizinischen Instruments 10 durch
das herkömmliche
Positionsverfolgungssystem wird in Schritt 52 die Position
des medizini schen Instruments durch das den Dehnungsmesser aufweisende Auslenkungsverfolgungssystem
verfolgt. Das Auslenkungsverfolgungssystem verfolgt die Auslenkung des
elastischen Eingriffselements 14 des medizinischen Instruments,
wie oben beschrieben.
-
In
Schritt 54 verarbeitet ein Überwachungssystem, beispielsweise
ein Mikroprozessor, die von dem herkömmlichen Positionsverfolgungssystem und
dem Auslenkungsverfolgungssystem her empfangenen Daten und führt diese
zusammen. Anschließend
gibt der Prozessor in Schritt 56 die kombinierten Daten
auf einem Monitor wieder, um die Position des medizinischen Instruments 10,
einschließlich
der proximalen und distalen Enden 15, 17 des elastischen
Eingriffselements 14 darzustellen.
-
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung schaffen ein System und Verfahren, in
denen die Position eines medizinischen Instruments mittels eines
herkömmlichen
Positionsverfolgungssystems verfolgt werden kann, das aus dem Stand
der Technik bekannte Verfahren verwendet. Das Positionsverfolgungssystem
stellt Daten zur Verfügung,
die die allgemeine Position des medizinischen Instruments betreffen.
Die Verwendung der Dehnungsmesser auf dem medizinischen Instrument
schafft ein Auslenkungsverfolgungssystem, das speziellere Daten
liefert, die den Ort der Spitze (d. h. des elastischen Eingriffselements 14)
des medizinischen Instruments 10 betreffen. Ein Verwenden
der durch ein herkömmliches
Positionsverfolgungssystem gelieferten Daten und der durch das Auslenkungsverfolgungssystem zur
Verfügung
gestellten Daten er möglicht
genaue Daten über
den Ort des medizinischen Instruments.
-
Medizinisches
Instrument 10 für
den Einsatz in einem bildgebend geführten Chirurgiesystem, zu dem
ein Trägerelement 12,
das betriebsmäßig mit
einem elastischen Eingriffselement 14 verbunden ist, und
ein Dehnungsmesser 16 oder 18 gehören, der
an einem Abschnitt des elastischen Eingriffselements 14 befestigt
ist. Der Dehnungsmesser 16 oder 18 dient dazu,
eine Auslenkung des elastischen Eingriffselements 14 zu
erfassen.
-
Während die
Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist es dem Fachmann klar, dass vielfältige Änderungen
vorgenommen werden können
und äquivalente
Ausführungen
substituiert werden können,
ohne dass der Schutzumfang der Erfindung berührt ist. Darüber hinaus
können
viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine besondere Situation
oder ein spezielles Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne
von deren Schutzumfang abzuweichen. Es ist dementsprechend nicht
beabsichtigt, die Erfindung auf das offenbarte spezielle Ausführungsbeispiel
zu beschränken,
vielmehr soll die Erfindung sämtliche Ausführungsbeispiele
einbeziehen, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
-
- 10
- ein
medizinisches Instrument
- 12
- ein
starres Trägerelement 12
- 14
- Eingriffselement
- 15
- proximales
Ende
- 17
- ein
distales funktionales Ende
- 16
und 18
- Dehnungsmesser
- 20
- distales
Ende
- 22
- Dehnungsmessersystem
- 24
- ein
starrer Träger
- 26
- ein
elastisches Element
- 28
- oberer
Dehnungsmesser
- 30
- unterer
Dehnungsmesser
- 32
- Draht
- 34
- elastische
Kunststoffstütze
- 36
- Anschlussleitungen
- 38,
40
- Enden
- 42
- Wheatstone-Brücke
- R1 und R2,
- Widerstände
- 44
- Elektromotorische
Kraftquelle (EMK)
- a
und b
- Punkte
- 46
- seitlicher
Dehnungsmesser
- 100
- Positionsverfolgungssystem
- 112
- Headset
- 114
- ein
Patient
- 118
- ein Überwachungssystem
- 120
- Display
- 122
- Positionserfassungseinheit
- 124
- Registrierungseinheit
- 126
- Bildspeichereinheit
- 50–56
- Schritte