DE102018131501A1 - Method and system for operation-supporting visualization, computer program product - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur operationsunterstützenden Visualisierung, insbesondere zur visuellen Unterstützung einer perkutanen Nephrolithotomie.Es wird ein 3-dimensionales Muster von wenigstens drei radiopaken Markern (12) auf der Hautoberfläche (20) eines für die Operation vorzubereitenden Patienten im Bereich eines geplanten Zugangs zu einem zu operierenden Organ erstellt, 3-dimensionale Referenzdaten mittels eines oder mehrerer bildgebender Scans des zu operierenden Bereichs mit den radiopaken Markern (12) und daraus ein virtuelles 3-dimensionales Modell (40) des Gewebes (22) des Patienten im zu operierenden Bereich mit den Positionen der radiopaken Marker (12) erstellt, ergänzt oder abgeglichen und am virtuellenThe invention relates to a method and a system for visualization to assist surgery, in particular for visually supporting a percutaneous nephrolithotomy. A 3-dimensional pattern of at least three radiopaque markers (12) on the skin surface (20) of a patient to be prepared for the operation in the area of a planned access to an organ to be operated, 3-dimensional reference data created using one or more imaging scans of the area to be operated with the radiopaque markers (12) and from this a virtual 3-dimensional model (40) of the patient's tissue (22) in the operating area with the positions of the radiopaque markers (12) created, supplemented or compared and on the virtual
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur operationsunterstützenden Visualisierung für einen Eingriff an einem Patienten, insbesondere zur visuellen Unterstützung einer perkutanen Nephrolithotomie, sowie ein Computerprogrammprodukt.The invention relates to a method and a system for operation-supporting visualization for an intervention on a patient, in particular for the visual support of a percutaneous nephrolithotomy, and a computer program product.
Die Erfindung betrifft das Feld der operationsunterstützenden Visualisierung, speziell in Feldern, in denen ein direkter Einblick in den zu operierenden Körper fehlt. Dies ist in manchen minimalinvasiven Prozeduren der Fall, wie beispielsweise bei der Implantation von Cochlear-Implantaten, perkutaner Lungenbiopsie oder perkutaner Nephrolithotomie (PCNL). Bei perkutaner Nephrolithotomie werden Nierensteine lokalisiert und minimalinvasiv unter Punktion der betroffenen Niere entfernt. Der Patient liegt bei der Operation in Rücken- oder Bauchlage. Der Eingriff erfolgt typischerweise mit rigiden Endoskopen oder Hohlnadeln. Das Endoskop bzw. die Hohlnadel wird dabei entlang eines Einführkanals oder „Nephrostomie-Trakts“ durch die Haut und das dazwischenliegende Gewebe in die Niere eingeführt. Dieser Einführkanal wird üblicherweise mit einer dünnen Hohlnadel erzeugt, die das Nierenparenchym durchstößt und in das Nierenbecken eindringt, wo sich der Nierenstein befindet.The invention relates to the field of operation-supporting visualization, especially in fields in which a direct view of the body to be operated is missing. This is the case in some minimally invasive procedures, such as the implantation of cochlear implants, percutaneous lung biopsy or percutaneous nephrolithotomy (PCNL). In percutaneous nephrolithotomy, kidney stones are localized and removed minimally invasively by puncturing the affected kidney. The patient lies supine or prone during the operation. The intervention is typically carried out with rigid endoscopes or hollow needles. The endoscope or hollow needle is inserted into the kidney along an insertion channel or “nephrostomy tract” through the skin and the tissue in between. This insertion channel is usually created with a thin hollow needle that pierces the renal parenchyma and penetrates into the renal pelvis, where the kidney stone is located.
Diese Punktionen werden üblicherweise von einer Fluoroskopie begleitet. Die Fluoroskopie wird mittels eines Röntgengeräts durchgeführt, welches an einem C-Arm drehbar und kippbar aufgehängt ist und Live-Röntgenaufnahmen in verschiedenen Projektionsebenen erstellen kann. Es kommt ein Kontrastmittel zur Abbildung des Nierenbeckens zum Einsatz, sowie ggf. auch begleitende Ultraschallmessungen. Diese Bilder und Messungen dienen dazu, zu beurteilen, ob die Hohlnadel richtig gesetzt ist. Die Vorbereitung und die Durchführung der Punktion ist der zeitraubendste Verfahrensschritt der PCNL und dauert bis zu 60 Minuten. Er umfasst die Vorbereitung für die Fluoroskopie, die Positionierung des C-Arms durch einen technischen Assistenten und die Aufnahme mehrerer Röntgenbilder, um das richtige Bild der betroffenen Anatomie aufzunehmen und zu identifizieren. Außerdem muss der C-Arm um 45 bis 90 Grad in einem Polarwinkel gedreht werden, um die Position der Niere in der dritten Dimension zu erfassen. Diese Information wird verwendet, um die Hohlnadel für den Zugang zum Nierensammelsystem, also dem Nierenbecken, zu positionieren und auszurichten.These punctures are usually accompanied by fluoroscopy. The fluoroscopy is carried out by means of an X-ray device, which can be rotated and tilted on a C-arm and can take live X-rays in different projection planes. A contrast medium is used to image the kidney pelvis, as well as accompanying ultrasound measurements, if necessary. These images and measurements are used to assess whether the hollow needle is correctly placed. The preparation and execution of the puncture is the most time-consuming process step of the PCNL and takes up to 60 minutes. It includes preparation for fluoroscopy, positioning of the C-arm by a technical assistant, and taking multiple X-rays to take and identify the correct image of the anatomy involved. In addition, the C-arm must be rotated 45 to 90 degrees in a polar angle to detect the position of the kidney in the third dimension. This information is used to position and align the hollow needle for access to the kidney collection system, i.e. the kidney pelvis.
Da mehrere Röntgenbilder nötig sind, um während der Operation Informationen bezüglich der Positionen der Niere zu gewinnen, ist die für die Fluoroskopie (Röntgenaufnahme) verwendete Zeit relativ hoch, im Durchschnitt etwa 240 Sekunden. Dies bringt eine hohe Strahlenbelastung mit sich. Es ist daher gewünscht, diese Strahlenbelastung für den Patienten und das die Operation ausführende Personal zu reduzieren.Since several x-rays are needed to obtain information regarding the positions of the kidneys during the operation, the time used for fluoroscopy (x-ray) is relatively long, on average around 240 seconds. This entails high radiation exposure. It is therefore desirable to reduce this radiation exposure for the patient and the personnel performing the operation.
Eine weitere Komplikation kann daraus erwachsen, wenn die Punktion nicht ausreichend zielgerichtet erfolgt. Dies kann zu einer Verletzung benachbarter Organe und des Pleuraraums sowie zu Blutungen führen.A further complication can arise if the puncture is not sufficiently targeted. This can result in injury to neighboring organs and the pleural space, as well as bleeding.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, Risiken für den Patienten zu verringern.In contrast, the object on which the invention is based is to reduce risks for the patient.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur operationsunterstützenden Visualisierung für einen Eingriff an einem Patienten gelöst, insbesondere zur visuellen Unterstützung einer perkutanen Nephrolithotomie, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Erstellen eines 3-dimensionalen Musters von wenigstens drei radiopaken Markern durch Platzieren der radiopaken Marker auf der Hautoberfläche eines für die Operation vorzubereitenden Patienten an mehreren Stellen im Bereich eines geplanten Zugangs zu einem zu operierenden Organ,
- b) Erstellen von 3-dimensionalen Referenzdaten mittels eines oder mehrerer bildgebender Scans des zu operierenden Bereichs mit den radiopaken Markern,
- c) Erstellen, Ergänzen oder Abgleichen eines virtuellen 3-dimensionalen Modells des Gewebes, insbesondere eines zu operierenden Organs, des Patienten im zu operierenden Bereich, mit den Positionen der radiopaken Marker,
- d) Bestimmen von räumlicher Positionierung und Orientierung eines Einführkanals für ein chirurgisches Instrument, insbesondere eine Hohlnadel oder ein Endoskop, am virtuellen 3-dimensionalen Modell,
- e) Erfassen momentaner Positionen der radiopaken Marker am Patienten mittels einer AR-Brille und Abgleich der erfassten Positionen mit den Positionen der radiopaken Marker im virtuellen 3-dimensionalen Modell,
- f) Berechnung einer momentanen Lage und Orientierung des Einführkanals relativ zur AR-Brille anhand des Abgleichs aus Verfahrensschritt e) mit den erfassten momentanen Positionen der radiopaken Marker und
- g) Darstellen einer lagerichtigen Repräsentation des Einführkanals und/oder einer Verlängerung des Einführkanals außerhalb des Körpers des Patienten in einer Überlagerung visueller Informationen in der AR-Brille.
- a) creating a 3-dimensional pattern of at least three radiopaque markers by placing the radiopaque markers on the skin surface of a patient to be prepared for the operation at several locations in the area of a planned access to an organ to be operated on,
- b) Creation of 3-dimensional reference data by means of one or more imaging scans of the area to be operated with the radiopaque markers,
- c) creating, supplementing or comparing a virtual 3-dimensional model of the tissue, in particular an organ to be operated on, of the patient in the area to be operated on, with the positions of the radiopaque markers,
- d) determining the spatial positioning and orientation of an insertion channel for a surgical instrument, in particular a hollow needle or an endoscope, on the virtual 3-dimensional model,
- e) Acquisition of current positions of the radiopaque markers on the patient using AR glasses and comparison of the acquired positions with the positions of the radiopaque markers in the virtual 3-dimensional model,
- f) calculation of a current position and orientation of the insertion channel relative to the AR glasses on the basis of the comparison from method step e) with the recorded current positions of the radio-opaque markers and
- g) Representing a positionally correct representation of the insertion channel and / or an extension of the insertion channel outside the patient's body in a superimposition of visual information in the AR glasses.
Die Sicherheit des Patienten wird erhöht und die Belastung von Patient und operierendem Personal durch ionisierende Strahlung verringert, indem der Eingriff durch ein bildgebendes Verfahren, in welchem ein virtuelles 3D-Modell des zu operierenden Bereichs des Körpers erstellt wird, unterstützt wird. Dies ermöglicht es, die Positionierung der Hohlnadel bzw. des Instruments zu verbessern und abzusichern und den allgemeinen Bedarf an begleitender Live-Fluoroskopie, welche zu einer hohen Strahlenbelastung führt, zu senken. The patient's safety is increased and the exposure of the patient and operating personnel to ionizing radiation is reduced by the intervention being supported by an imaging method in which a virtual 3D model of the region of the body to be operated on is created. This makes it possible to improve and secure the positioning of the hollow needle or the instrument and to reduce the general need for accompanying live fluoroscopy, which leads to high radiation exposure.
Hierzu wird zunächst ein virtuelles 3-dimensionales Modell auf der Grundlage eines bildgebenden Verfahrens, beispielsweise eines CT-Scans oder auch einer Mehrzahl von Röntgen-Scans aus verschiedenen Richtungen und Perspektiven, erstellt, ergänzt oder abgeglichen, welches als Grundlage für die Bestimmung eines geeigneten Punktions- bzw. Einführkanals dient. Unter Verwendung einer AR-Brille (Augmented Reality) wird dem operierenden Arzt dann eine Überlagerung des Modells oder zumindest einer Repräsentation des Einführkanals angezeigt, die lagerichtig auf das vom operierenden Arzt oder einer Kamera der AR-Brille wahrgenommene Bild überlagert wird. Der Arzt sieht somit nicht nur den Patienten vor sich, sondern auch eine Überlagerung des Einführkanals und ggf. des zu durchstoßenden Gewebes und/oder des zu operierenden Organs sowie ggf. weiterer Organe. AR-Brillen haben zu diesem Zweck eine Lagesensorik sowie eigene stereoskopische Aufnahmevorrichtungen, welche es ermöglichen, die relative Lage der AR-Brille relativ zum erfassten Objekt, in diesem Fall den Patienten, zu bestimmen.For this purpose, a virtual 3-dimensional model is first created, supplemented or compared on the basis of an imaging method, for example a CT scan or a plurality of X-ray scans from different directions and perspectives, which serves as the basis for determining a suitable puncture - or insertion channel is used. Using AR glasses (augmented reality), the surgeon is then shown an overlay of the model or at least a representation of the insertion channel, which is superimposed in the correct position on the image perceived by the surgeon or a camera of the AR glasses. The doctor therefore not only sees the patient in front of him, but also a superimposition of the insertion channel and, if applicable, the tissue to be pierced and / or the organ to be operated on and any other organs. For this purpose, AR glasses have position sensors and their own stereoscopic recording devices, which make it possible to determine the relative position of the AR glasses relative to the detected object, in this case the patient.
Um ein gemeinsames Koordinatensystem als Referenz für die verschiedenen Perspektiven zu definieren, werden dem Patienten vor der Operation und vor Beginn der CT- oder Röntgen-Scans radiopake Marker auf die Hautoberfläche im Bereich der geplanten Einstichstelle aufgesetzt, die auch während der Operation an den einmal angesetzten Positionen auf der Hautoberfläche verbleiben. Die radiopaken Marker sind strahlenundurchlässig (radio-opak) und werden sowohl in CT-Scans als auch in Röntgen-Scans deutlich kontrastierend abgebildet. Das virtuelle 3D-Modell enthält somit neben den räumlichen Informationen über das Gewebe des Patienten im Bereich des Einführkanals auch die Positionsinformationen der Marker und, für die Tiefeninformation, ggf. die Lage eines Nierensteins, welcher sich ebenfalls kontrastierend in den Aufnahmen abhebt.In order to define a common coordinate system as a reference for the different perspectives, radiopaque markers are placed on the skin surface in the area of the planned puncture site before the operation and before the start of the CT or X-ray scans Positions remain on the skin surface. The radiopaque markers are radio-opaque and are clearly contrasted in both CT scans and X-ray scans. The virtual 3D model thus contains, in addition to the spatial information about the patient's tissue in the area of the insertion channel, also the position information of the markers and, for the depth information, possibly the position of a kidney stone, which is also contrasting in the images.
In einem Aspekt der Erfindung wird vor dem Erstellen des 3-dimensionalen Musters von wenigstens drei radiopaken Markern in Schritt a) ein virtuelles 3-dimensionales Modell des Gewebes, insbesondere eines zu operierenden Organs, des Patienten im zu operierenden Bereich, erstellt, welches im Schritt c) um die Positionen der radiopaken Marker ergänzt wird oder mit welchem die Positionen der radiopaken Marker abgeglichen und/oder registriert werden.In one aspect of the invention, before creating the 3-dimensional pattern of at least three radiopaque markers in step a), a virtual 3-dimensional model of the tissue, in particular of an organ to be operated on, of the patient in the area to be operated on, which is created in the step c) the positions of the radiopaque markers are supplemented or with which the positions of the radiopaque markers are compared and / or registered.
Die Erstellung des virtuellen Modells auf der Grundlage von CT-Scans oder Röntgenscans kann im Rahmen der Erfindung grundsätzlich mit oder ohne vorherige Platzierung der radiopaken Marker erfolgen. Eine vorherige Platzierung, die in der Merkmalsalternative des Schritts c) enthalten ist, dass das virtuelle Modell mit den Positionen der radiopaken Marker erstellt wird, erlaubt es, das virtuelle Modell mit den Positionen der Marker in einem Zug zu bestimmen, so dass eine unmittelbare Lagebeziehung der Marker zu dem Gewebe bzw. den Organen im Modell besteht und nur ein Scan notwendig ist.Within the scope of the invention, the creation of the virtual model on the basis of CT scans or X-ray scans can in principle take place with or without the radiopaque markers being placed beforehand. A previous placement, which is contained in the feature alternative of step c), that the virtual model is created with the positions of the radiopaque markers, allows the virtual model to be determined with the positions of the markers in one go, so that an immediate positional relationship the marker for the tissue or organs in the model exists and only a scan is necessary.
Bei einer nachträglichen Aufbringung der radiopaken Marker nach der Erstellung des virtuellen Modells ist ein weiter Scan, beispielsweise eine Fluoroskopie oder ein CT- oder Röntgen-Scan, notwendig, der es erlaubt, die Positionen der radiopaken Marker mit dem vorhandenen virtuellen Modell in Beziehung zu setzen. Das Modell wird entweder um die Positionen der radiopaken Marker ergänzt, oder es wird eine feste Beziehung zwischen Modell und Markerpositionen registriert, also ein Abgleich vorgenommen. Dies hat den Vorteil, dass damit eventuelle Verschiebungen der Anatomie zwischen dem Zeitpunkt des Scans und der Operation sehr gering gehalten werden können, während der zeitaufwändigere Schritt der Erstellung des virtuellen Modells schon vorher stattgefunden hat. Dies erhöht die Sicherheit des Verfahrens.If the radiopaque markers are applied after the virtual model has been created, a further scan, for example a fluoroscopy or a CT or X-ray scan, is necessary, which allows the positions of the radiopaque markers to be related to the existing virtual model . The model is either supplemented with the positions of the radio-opaque markers, or a fixed relationship between the model and marker positions is registered, ie a comparison is made. This has the advantage that any shifts in the anatomy between the time of the scan and the operation can be kept very small, while the more time-consuming step of creating the virtual model has already taken place beforehand. This increases the security of the process.
Da die AR-Brille ebenfalls über eine Kamera verfügt, erfasst auch sie die optisch auffälligen radiopaken Marker auf der Hautoberfläche des Patienten. Es kann daher abgeglichen werden, wo sich die AR-Brille in Bezug auf das virtuelle 3D-Modell befindet und wie somit das 3D-Modell und der Einführkanal abzubilden sind. Hierbei handelt es sich um bekannte 3-dimensionale Transformationen, also Translationen und Rotationen, für die in der Informationstechnologie viele Software- und Hardware-Lösungen existieren.Since the AR glasses also have a camera, they also record the optically striking radiopaque markers on the patient's skin surface. It can therefore be compared where the AR glasses are in relation to the virtual 3D model and how the 3D model and the insertion channel are to be represented. These are known 3-dimensional transformations, i.e. translations and rotations, for which there are many software and hardware solutions in information technology.
Während des Ansetzens und des Einführens der Nadel wird dem Operateur in der AR-Brille, die von dem Operateur getragen wird, der Einführkanal angezeigt. Dies ist vergleichbar mit der Anzeige einer Einflugschneise oder eines Einflugkorridors für einen Flugzeug-Piloten und unterstützt den Arzt dabei, die Hohlnadel korrekt einzuführen und somit weitere Schädigungen des Patienten zu vermeiden.While the needle is being inserted and inserted, the insertion channel is displayed to the surgeon in the AR glasses worn by the surgeon. This is comparable to the display of an entry lane or an entry corridor for an aircraft pilot and supports the doctor in correctly inserting the hollow needle and thus avoiding further damage to the patient.
Vorteilhafterweise wird oder werden der Einführkanal, und insbesondere eine Einstichstelle, visuell hervorgehoben, insbesondere eingerahmt oder farblich markiert. Diese Hervorhebung ermöglicht es dem behandelnden Arzt zu überprüfen, dass seine reale Hohlnadel richtig gesetzt ist. Da die AR-Brille Lageveränderungen erfasst, wird die Anzeige des Einführkanals entsprechend in der Anzeige mitgeführt. Der Arzt kann so kontrollieren, ob die Hohlnadel auch in den verschiedenen Perspektiven korrekt mit dem geplanten Einführkanal übereinstimmt.Advantageously, the insertion channel, and in particular a puncture site, is visually highlighted, in particular framed or marked in color. This highlighting makes it possible to check the attending doctor that his real hollow needle is correctly inserted. Since the AR glasses detect changes in position, the display of the insertion channel is accordingly carried along in the display. In this way, the doctor can check whether the hollow needle also corresponds correctly with the planned insertion channel in the different perspectives.
Vorteilhafterweise werden während eines operativen Eingriffs die Verfahrensschritte e), f) und g) fortwährend durchgeführt. Dies bedeutet, dass während der Operation fortlaufend geprüft wird, an welcher Position sich die AR-Brille in Bezug auf den Patienten, maßgeblich in Bezug auf die radiopaken Marker, befindet, so dass die Anzeige, die die AR-Brille dem Arzt anbietet, zu jedem Zeitpunkt die lagerichtige perspektivische Darstellung des Einführkanals sowie ggf. des umliegenden Gewebes zeigt.Process steps e), f) and g) are advantageously carried out continuously during an operative intervention. This means that during the operation it is continuously checked at which position the AR glasses are in relation to the patient, mainly in relation to the radiopaque markers, so that the display that the AR glasses offers to the doctor is closed shows the correct perspective view of the insertion channel as well as the surrounding tissue at any time.
Als bildgebende Scans in Verfahrensschritt b) wird vorzugsweise ein CT-Scan durchgeführt und/oder es werden ein oder mehrere Röntgen-Scans in mehreren Ebenen durchgeführt, aus denen eine räumliche Verteilung des Gewebes extrahiert wird.A CT scan is preferably carried out as imaging scans in method step b) and / or one or more X-ray scans are carried out in several planes, from which a spatial distribution of the tissue is extracted.
Vorteilhafterweise wird im Verfahrensschritt f) zusätzlich eine momentane Lage und Orientierung von Gewebestrukturen oder dem zu operierenden Organ aus dem virtuellen 3-dimensionalen Modell berechnet und die Gewebestrukturen oder das zu operierende Organ aus dem 3-dimensionalen Modell im Verfahrensschritt g) in einer lagerichtigen Repräsentation in der AR-Brille dargestellt. Hierbei umfasst der Begriff „Gewebe“ bzw. „Gewebestruktur“ auch die Organe des Patienten. Dies gibt dem Arzt die Möglichkeit, neben der reinen Lage und Ausrichtung des Einführkanals auch abzuschätzen, wo das umliegende Gewebe und wo das zu behandelnde Organ liegt, um in den verschiedenen Phasen der Einführung der Hohlnadel in das Gewebe besser abschätzen zu können, wie nah benachbarte Organe sind und somit so wenig schädlich wie möglich beispielsweise auf Bewegungen des Patienten reagieren zu können.Advantageously, in step f), a current position and orientation of tissue structures or the organ to be operated is additionally calculated from the virtual 3-dimensional model and the tissue structures or organ to be operated from the 3-dimensional model in step g) in a positionally correct representation the AR glasses. The term “tissue” or “tissue structure” also includes the patient's organs. This gives the doctor the opportunity, in addition to the pure position and orientation of the insertion channel, to also estimate where the surrounding tissue and where the organ to be treated is located, in order to be able to better estimate how closely neighboring tissue is in the various phases of insertion of the hollow needle into the tissue Organs are and therefore as little harmful as possible, for example being able to react to patient movements.
Während des operativen Eingriffs werden vorteilhafterweise laufende Bilder einer Live-Fluoroskopie, welche auch die radiopaken Marker erfasst, anhand der in der Live-Fluoroskopie erfassten Positionen der radiopaken Marker in das räumliche System des virtuellen 3-dimensionalen Modells umgerechnet und in der AR-Brille lagerichtig dargestellt. Dieser Teil des Verfahrens wird auch bislang bereits bei der Einführung der Hohlnadel durchgeführt und ist mit einer Strahlenbelastung für den Patienten und das operierende Personal verbunden. Da allerdings die Einführung der Hohlnadel erfindungsgemäß visuell unterstützt wird, dient die Live-Fluoroskopie vor allem noch zur Kontrolle und kann daher wesentlich schneller und somit mit weniger Strahlenbelastung als zuvor erfolgen. Es reicht in diesem Fall auch aus, wenn die Live-Fluoroskopie in einer Ebene durchgeführt wird, welche den Einführkanal vollständig umfasst, mit anderen Worten, dass der Einführkanal in der abgebildeten Ebene liegt und nicht perspektivisch verkürzt dargestellt ist. Die Ebene kann so gewählt sein, dass besonders gut erkennbar ist, an welchen kritischen Stellen die Hohlnadel bei Abweichung vom angezeigten Einführkanal besonders großen Schaden anrichten würde.During the surgical intervention, live images of a live fluoroscopy, which also records the radiopaque markers, are advantageously converted into the spatial system of the virtual 3-dimensional model based on the positions of the radiopaque markers recorded in the live fluoroscopy and are correctly positioned in the AR glasses shown. This part of the procedure has already been carried out when the hollow needle was introduced and is associated with radiation exposure for the patient and the operating personnel. However, since the introduction of the hollow needle is visually supported according to the invention, live fluoroscopy is primarily used for control purposes and can therefore be carried out much faster and therefore with less radiation exposure than before. In this case, it is also sufficient if the live fluoroscopy is carried out in a plane which completely encompasses the insertion channel, in other words that the insertion channel lies in the plane shown and is not shown in a shortened perspective. The level can be selected in such a way that it is particularly easy to see at which critical points the hollow needle would cause particularly great damage if it deviates from the indicated insertion channel.
Dazu werden vorteilhafterweise die Scans der Live-Fluoroskopie in einer Ebene des Einführkanals erzeugt.For this purpose, the scans of the live fluoroscopy are advantageously generated in one plane of the insertion channel.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden im Verfahrensschritt f) bei der Berechnung der momentanen Lage und Orientierung des Einführkanals und gegebenenfalls zusätzlich der Gewebestrukturen oder des zu operierenden Organs, Verformungen des Gewebes einberechnet, die aufgrund von Lageänderungen des Patienten gegenüber einer Lage des Patienten bei der Aufnahme der Referenzdaten in Verfahrensschritt b) oder durch natürliche Bewegungen des Patienten auftreten, wobei die Berechnung von räumlicher Positionierung und Orientierung des Einführkanals an die Verformungen angepasst wird. Damit kann berücksichtigt werden, dass beispielsweise die Position des Patienten in einem CT-Scanner eine andere war als auf dem Operationstisch, oder es können natürliche Bewegungen des Patienten mit einberechnet werden, beispielsweise die Atmung.In one embodiment of the method, in method step f), when calculating the current position and orientation of the insertion channel and, if appropriate, additionally the tissue structures or the organ to be operated on, deformations of the tissue are taken into account, which are due to changes in the position of the patient compared to a position of the patient during the admission of the reference data in method step b) or as a result of natural movements of the patient, the calculation of the spatial positioning and orientation of the insertion channel being adapted to the deformations. It can thus be taken into account that, for example, the position of the patient in a CT scanner was different from that on the operating table, or natural movements of the patient, for example breathing, can be taken into account.
Dabei werden die Lageänderungen des Patienten vorzugsweise anhand der in der Live-Fluoroskopie erfassten Positionen der radiopaken Marker erfasst. Diese Vorgehensweise erlaubt anhand von Positionsänderungen der radiopaken Marker eine genaue Erfassung von Lageänderungen, welche sich auf die Lagebeziehungen der Organe und des geplanten Einführkanals auswirken können. Entsprechende Algorithmen, welche Bewegungen der internen Organe, beispielsweise in Antwort auf das Atmen oder andere Bewegungen auftreten, sind bekannt und können in die Berechnung des virtuellen Modells implementiert werden.The patient's changes in position are preferably recorded using the positions of the radiopaque markers recorded in live fluoroscopy. Based on changes in the position of the radio-opaque markers, this procedure allows an accurate detection of changes in position, which can affect the positional relationships of the organs and the planned insertion channel. Corresponding algorithms, which movements of the internal organs occur, for example in response to breathing or other movements, are known and can be implemented in the calculation of the virtual model.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein akustisches, optisches oder taktiles Warnsignal ausgegeben, wenn das chirurgische Instrument beim Einführen in das Gewebe des Patienten vom Einführkanal abweicht. Dies hilft, Verletzungen des Patienten zu vermeiden.In one aspect of the invention, an acoustic, optical or tactile warning signal is emitted if the surgical instrument deviates from the insertion channel during insertion into the patient's tissue. This helps to avoid injury to the patient.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird dem Operateur für die vorbereitende Berechnung des Einführkanals am virtuellen 3-dimensionalen Modell ein Einfluss gewährt, wobei insbesondere bei einer perkutanen Nephrolithotomie auszuwählen ist, durch welchen Nierenkelch der zu operierenden Niere der Einführkanal verlaufen soll. Dazu kann dem Operateur das errechnete virtuelle Modell angezeigt werden, und dieser kann entweder selbst den virtuellen Einführkanal positionieren, oder das Programm sucht einen geeigneten Einführkanal, den der Operateur noch seinen Erfahrungen nach verschieben kann, oder eine Auswahl aus verschiedenen möglichen Einführkanälen, was besonders bei der perkutanen Nephrolithotomie sinnvoll sein kann, da möglicherweise die Auswahl zwischen dem Zugang durch verschiedene Nierenkelche gegeben sein kann, von denen einer auszuwählen ist.According to a further aspect of the invention, the surgeon is granted an influence for the preparatory calculation of the insertion channel on the virtual 3-dimensional model, in particular in the case of a percutaneous nephrolithotomy, through which kidney cup the patient to be operated must be selected Kidney the insertion channel should run. For this purpose, the calculated virtual model can be displayed to the surgeon, and the surgeon can either position the virtual insertion channel themselves, or the program searches for a suitable insertion channel, which the surgeon can still move according to his experience, or a selection from various possible insertion channels, which is particularly important for Percutaneous nephrolithotomy may be useful, since there may be a choice of access through different kidney cups, one of which must be selected.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein System zur operationsunterstützenden Visualisierung für einen Eingriff an einem Patienten, insbesondere zur visuellen Unterstützung einer perkutanen Nephrolithotomie, gelöst, umfassend wenigstens einen ersten bildgebenden Scanner, insbesondere CT-Scanner oder Röntgen-Scanner, wenigstens drei radiopake Marker, eine Datenverarbeitungseinrichtung, eine AR-Brille und ein fluoroskopisches Bildgebungssystem mit einem C-Arm, wobei die radiopaken Marker ausgebildet und eingerichtet sind, auf der Hautoberfläche eines Patienten befestigt zu werden, und die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, einen oder mehrere der Verfahrensschritte des hierüber beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens und seinen verschiedenen Aspekten durchzuführen. Damit verwirklicht das System die hierüber zu dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile, Merkmale und Eigenschaften.The object on which the invention is based is also achieved by a system for operation-supporting visualization for an intervention on a patient, in particular for the visual support of a percutaneous nephrolithotomy, comprising at least one first imaging scanner, in particular CT scanner or X-ray scanner, at least three radiopaque markers , a data processing device, AR glasses and a fluoroscopic imaging system with a C-arm, wherein the radiopaque markers are designed and set up to be attached to the skin surface of a patient, and the data processing device is designed and set up one or more of the method steps of the perform the inventive method described above and its various aspects. The system thus realizes the advantages, features and properties mentioned for the method according to the invention.
In einem weiteren Aspekt umfasst das System ein chirurgisches Instrument, insbesondere eine Hohlnadel oder ein Endoskop, welches insbesondere eine spezifische radiopake Struktur aufweist, welche sich auf fluoroskopischen Live-Aufnahmen abhebt. Eine solche spezifische radiopake Struktur kann eine genaue Lokalisierung der Spitze der Hohlnadel begünstigen, was insbesondere sinnvoll ist bei Operationen in komplizierten und engen Gewebestrukturen, aber auch unter anderen Bedingungen eine gute Abschätzung gestattet, ob die Positionierung und die Einhaltung des Einführkanals gewährleistet sind.In a further aspect, the system comprises a surgical instrument, in particular a hollow needle or an endoscope, which in particular has a specific radiopaque structure which stands out on fluoroscopic live recordings. Such a specific radiopaque structure can favor an exact localization of the tip of the hollow needle, which is particularly useful during operations in complicated and narrow tissue structures, but also under other conditions allows a good estimate of whether the positioning and compliance with the insertion channel are guaranteed.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere Computerprogramm mit Programmcodemitteln, gelöst, die bei Ausführung auf einer Datenverarbeitungseinrichtung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Systems einen oder mehrere Verfahrensschritte des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens und seinen verschiedenen Aspekten ausführen. Auch hierdurch sind die gleichen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile realisiert wie bei dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und System.The object on which the invention is based is also achieved by a computer program product, in particular a computer program with program code means, which, when executed on a data processing device of a system according to the invention described above, carry out one or more method steps of the method described above and its various aspects. This also realizes the same properties, features and advantages as in the method and system according to the invention described above.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.Further features of the invention will become apparent from the description of embodiments according to the invention together with the claims and the accompanying drawings. Embodiments according to the invention can fulfill individual features or a combination of several features.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der Einführung einer Hohlnadel in eine Niere, -
2 ein Röntgen-Kontrastbild einer Niere, -
3 eine Querschnittsdarstellung durch einen menschlichen Oberkörper, -
4 eine Virtualisierung eines 3D-Modells von inneren Organen, -
5 die Sicht eines Operateurs durch eine AR-Brille mit erfindungsgemäßer visueller Unterstützung und -
6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems.
-
1 1 shows a schematic representation of the introduction of a hollow needle into a kidney, -
2nd an X-ray contrast image of a kidney, -
3rd a cross-sectional view through a human torso, -
4th a virtualization of a 3D model of internal organs, -
5 the view of an operator through AR glasses with visual support according to the invention and -
6 is a schematic representation of a system according to the invention.
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.In the drawings, the same or similar elements and / or parts are provided with the same reference numerals, so that a renewed presentation is not given.
In
In
Ebenso hervorgehoben ist mit umrahmenden Punkten der Einführkanal
In
Beide Scanner sind mit einer Datenverarbeitungseinrichtung
Die Hohlnadel
Ferner sind als Teil des Systems
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.All of the features mentioned, including those that can be seen in the drawings alone and also individual features that are disclosed in combination with other features, are considered to be essential to the invention, alone and in combination. Embodiments according to the invention can be fulfilled by individual features or a combination of several features. In the context of the invention, features that are labeled “in particular” or “preferably” are to be understood as optional features.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010th
- HohlnadelHollow needle
- 1111
- radiopake Strukturradiopaque structure
- 1212
- radiopaker Markerradiopaque markers
- 1414
- EinführkanalInsertion channel
- 2020th
- HautoberflächeSkin surface
- 2222
- Gewebetissue
- 2424th
- RückenwirbelDorsal vertebrae
- 2626
- BrustkorbRib cage
- 3030th
- Nierekidney
- 3131
- NierenrindeRenal cortex
- 3232
- NierenbeckenRenal pelvis
- 3434
- NierenkelchKidney cup
- 3636
- NierenparenchymRenal parenchyma
- 4040
- virtuelles 3-dimensionales Modellvirtual 3-dimensional model
- 4444
- zentraler Ausschnittcentral neckline
- 5050
- Systemsystem
- 5252
- CT-ScannerCT scanner
- 5454
- Röntgenscanner mit C-ArmX-ray scanner with C-arm
- 5656
- DatenverarbeitungseinrichtungData processing equipment
- 5858
- AR-BrilleAR glasses
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102018131501.5A DE102018131501A1 (en) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | Method and system for operation-supporting visualization, computer program product |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102018131501.5A DE102018131501A1 (en) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | Method and system for operation-supporting visualization, computer program product |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102018131501A1 true DE102018131501A1 (en) | 2020-06-10 |
Family
ID=70776251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102018131501.5A Ceased DE102018131501A1 (en) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | Method and system for operation-supporting visualization, computer program product |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102018131501A1 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160225192A1 (en) * | 2015-02-03 | 2016-08-04 | Thales USA, Inc. | Surgeon head-mounted display apparatuses |
-
2018
- 2018-12-10 DE DE102018131501.5A patent/DE102018131501A1/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160225192A1 (en) * | 2015-02-03 | 2016-08-04 | Thales USA, Inc. | Surgeon head-mounted display apparatuses |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |