用于顯示位置標記的位置的醫療器械、醫學系統和方法
【專利摘要】本發明涉及一種醫療器械(2)，其包括至少三個分別具有至少一個能夠由相機(16)在相機圖像(46)中可識別地檢測到的標記元件(12)的導航標記(8a、8b、8c)，其中，在所述醫療器械(2)上所述導航標記(8a、8b、8c)分別被固定在位于第一直線(G1)上的固定點(10a、10b、10c)上，并且所述導航標記(8a、8b)中的至少一個包括至少三個在與各自導航標記(8a、8b)相對應的第二直線(G2)上以已知的間距布置的標記元件(12)。此外，本發明還涉及對與醫療器械(2)位置相關的位置標記(48)的位置進行顯示的一種醫學系統(14)和一種方法。
【專利說明】用于顯示位置標記的位置的醫療器械、醫學系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及對與醫療器械位置相關的位置標記的位置進行顯示的一種醫療器械、一種醫學系統和一種方法。
【背景技術】
[0002]作為醫療措施，例如在患者身上實施外科手術。也屬于此列的例如對骨折的治療，在骨頭中置入植入物。在此必須這樣使用植入物并且將植入物固定在各個待治療的骨頭段上，使得這些骨頭段能夠在期望的相對位置上彼此愈合。將植入物固定在各個骨頭段上是其中使用不同的醫療器械(例如鎖定螺釘)或醫學工具(例如鉆頭)的過程。為了建立各個骨頭段所要求的相對位置，必須以正確的方式對在治療期間所使用的醫療器械、例如鎖定螺釘或鉆頭進行定位。然而由于用于器械的目標位置位于患者身體內部并且由此用肉眼無法看到，所以所述定位變得困難。例如用于鎖定螺釘的目標位置是在植入物內部的洞，所述植入物又位于骨頭內部。以通常的方式和方法，借助X射線圖像來實施對醫療器械的定位控制。那么，在這樣的X射線圖像上可以看到器械的實際位置以及目標位置，例如植入物的洞。根據實際位置與目標位置之間的偏差，然后可以進行校正。然而在這樣的方法中不利的是，患者和醫務人員要遭受高劑量的X射線輻射。
[0003]為了降低放射負荷，然而也存在這樣的方法，借助這些方法來實施所謂的導航輔助的外科手術。對此，在所涉及的醫療器械上安上具有標記元件的導航標記，這些標記元件可以借助光學照相機被可識別地檢測到。在實施醫學措施之前，必須借助包括光學照相機的導航系統對各個標記元件進行校準。依據在相機圖像中所識別出的標記元件的影像然后可以確定器械的準確位置。然后又可以將該實際位置與目標位置相比較，由此為醫務人員顯示校正措施，以便例如達到目標位置。然而，在此不利的是，在治療區域中的物體或醫務人員自身可能掩蓋光學的導航標記，使得妨礙對標記元件的影像的識別和由此妨礙導航。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是，提供用于對與醫療器械位置相關的位置標記的位置進行顯示的一種醫療器械、一種醫學系統和一種方法，借此避免上文所提到的缺點。
[0005]第一個技術問題通過一種醫療器械來解決。該器械在此包括至少三個導航標記，所述導航標記分別具有至少一個可以由照相機在相機圖像中可識別地檢測到的標記元件。在器械上將各個導航標記分別固定在位于第一直線上的固定點上。導航標記中的至少一個包括至少三個在與各自導航標記相對應的第二直線上的以已知的間距布置的標記元件。
[0006]由于至少一個導航標記包括至少三個標記元件，所以可以借助各個標記元件在第二直線上的的已知間距來在數學上確定同樣位于第二直線上的導航標記的固定點在醫療器械上的位置。因此，沒有標記元件必須直接固定在器械上。標記元件因此與器械具有特定的間距并且由此在實施醫學措施期間在操作它時例如在醫務人員用手抓取的情況下不被覆蓋。在極端情況下，這樣構造全部所需的導航標記，使得標記元件不是直接位于器械本身上，而是以特定的間距分別布置在第二直線上，所述第二直線從器械的固定點處向外延伸。為了實現標記元件的各個影像在相機圖像中的良好可辨別性，這些第二直線在不同的方向上延伸。
[0007]然后如果確定了至少三個位于第一直線上的固定點在照相機坐標系中的位置并且已知器械的固定點的間距，那么，也可以確定其他的對于器械來說典型的位于該第一直線上的點的位置。在此可以涉及器械的這樣的點，其在實施醫學措施期間用肉眼是不可見的，原因在于，其例如被患者身體所掩蓋。由此，無需使用X射線輻射也可以實現對器械相宜的導航。
[0008]為了進一步改進器械的可操作性，包括在第二直線上布置的標記元件的導航標記可圍繞第一直線上的固定點旋轉地固定在器械上。因此，醫務人員可以握住器械并且也可以在實施醫學措施期間將導航標記旋轉到這樣的位置上，使得所述導航標記在利用照相機拍攝時不被遮擋。由此始終保證對標記元件的影像的識別和對器械的導航。
[0009]為了以簡單的方式和方法探測器械的末端的位置，通過在器械的末端上所固定的單獨的標記元件構成導航標記。構成該導航標記的標記元件因此被直接固定在這樣的固定點上，該導航標記的固定點的位置因此與該標記元件的位置重合。在這種情況下，在此可以摒棄利用多個位于第二直線上的標記元件來構造導航標記的成本高昂設計。特別地，在將標記元件安裝在器械的末梢端的情況下，通常保證了其在相機圖像中的可辨別性。 [0010]在本發明的優選擴展設計中，醫療器械恰好具有三個導航標記，其中兩個導航標記恰好包括三個分別在第二直線上以確定的間距布置的標記元件。對于這樣的器械，也可以如上所描述的那樣首先在數學上確定兩個固定點在照相機坐標系中的位置，然而其上具有由一個標記元件所形成的導航標記的固定點的位置直接依據其影像在相機圖像中的位置來確定。因此，位于第一直線上的固定點的位置是已知的。依據這些位置和已知的實際間距，然后又可以確定在該第一直線上的其他典型的點。在此，例如可以涉及鎖定螺釘的或鉆頭的尖端。因此，尖端自身不必為了確定其在照相機坐標系中的位置而配備標記元件。因此，間接地通過確定各個標記元件的位置來進行確定這些與器械位置相關的點的位置。
[0011 ] 在本發明優選的擴展設計中，第一直線與器械的中心縱軸線重合，就像例如在采用螺釘或鉆頭時相宜地就這種情況。
[0012]為了借助照相機簡單地探測各個標記元件，所述標記元件的表面構造成熒光的或光反射的。
[0013]為了達到標記元件的更好的可辨別性，標記元件可以具有不同形狀，例如球狀或錐形。特別地，與一個導航標記相對應的標記元件可以具有與另一個導航標記相對應的標記元件相同的或者與之不同的形狀。
[0014]第二個技術問題通過醫學系統來解決。這樣的醫學系統包括:
[0015]-按照本發明的醫療器械，
[0016]-生成相機圖像的照相機，
[0017]-依據標記元件的影像在相機圖像中的位置對標記元件在照相機坐標系中的位置進行確定的計算單元。
[0018]按照本發明的優選的擴展設計，醫學系統附加地具有生成X射線圖像的、優選布置在C形臂上的X射線設備，其中照相機這樣集成在X射線設備中，即，使得所述照相機的視向與X射線設備的成像方向重合。
[0019]由此，可以以簡單的方式和方法使X射線圖像和相機圖像位置準確地重疊并且附加地漸現關于醫療器械的位置信息。
[0020]第三個技術問題通過用于對與醫療器械位置相關的位置標記的位置進行顯示的的方法來解決。
[0021]相應地，在步驟a)中，借助照相機生成包括標記元件的影像的相機圖像。
[0022]在步驟b)中，借助計算單元來確定標記元件的影像在相機圖像中的位置。
[0023]在步驟c)中，借助計算單元依據標記元件的影像在相機圖像中的位置來確定標記元件在照相機坐標系中的位置。
[0024]在步驟d)中，依據已知的幾何關系來確定與器械位置相關的位置標記在照相機系統中的位置并且顯示在用戶界面上。
[0025]通過與器械位置相關的位置標記，可以顯示標記元件或導航標記的實際位置。但是也可以對依據標記元件的位置借助已知的幾何關系在數學上所確定的點的位置進行顯示，就像例如導航標記的固定點在器械上的位置。因此，也可以借助位置標記來示出鎖定螺釘的尖端的實際位置。因此，也可以示出在器械上的由于例如被患者身體擋住而用肉眼或在相機圖像中不可見的點的位置。但是在實施醫學措施期間無需X射線輻射，通過按照本發明的方法也實現了對實際位置的實時顯示。
[0026]在本發明的優選擴展設計中，在步驟d)中將位置標記位置準確地漸現在相機圖像中。醫務人員由此獲得了這樣的信息，所述信息具有實時位置也就是在相機圖像中的與器械位置相關的點。
[0027]在本發明的另一優選擴展設計中，在步驟a)之前生成治療區域的X射線圖像。在步驟b)中然后依據照相機坐標系以及X射線坐標系的已知的幾何關系將位置標記位置準確地漸現到X射線圖像中。由此，也可以相對于X射線圖像獲取關于位置標記的位置信息。總之，也可以得到由X射線圖像、相機圖像和位置標記組成的組合。
[0028]為了輔助導航，可以附加地將用于位置標記的目標標記漸現在X射線圖像中。醫務人員據此既獲得位置標記(也就是器械實際位置)的指示，也獲得了對其期望的目標位置的指示。因此，醫務人員可以判斷器械必須在哪個方向上移動以便將其帶到目標位置上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]結合下面的結合附圖所詳細解釋的實施例，本發明的上述特性、特征和優點以及如何實現這些的方法和方法變得更為清楚和明顯。
[0030]為了進一步描述本發明，參考附圖的實施例。分別在示意性的原理圖中:
[0031]圖1示出了醫療器械，
[0032]圖2示出了醫學系統，
[0033]圖3示出了 X射線圖像，
[0034]圖4示出了相機圖像，
[0035]圖5示出了具有示出的位置標記的用戶界面，
[0036]圖6示出了用戶界面，其具 有疊加的X射線圖像和相機圖像以及位置標記。【具體實施方式】
[0037]圖1示出了按照本發明的醫療器械2，所述醫療器械在本實施例中例如是山茨氏(Schanzsche)釘。醫療器械包括中心縱軸線M以及尖端4和末端6。在醫療器械2上分別將三個導航標記8a、8b、8c固定在固定點10a、10b、IOc上。固定點10a、10b、IOc位于第一直線G1上，所述第一直線與醫療器械2的中心縱軸線M重合。在直線G1上的各個不同的固定點10a、10b、IOc的間距是已知的。導航標記8c通過單個標記元件12構成,所述標記元件在相機圖像中能可識別地檢測到。由此，將與導航標記8c對應配設的標記元件12直接固定在固定點IOc上，由此使標記元件12的位置和固定點IOc的位置一致。
[0038]導航標記8a、8b分別恰好具有三個分別在與各自導航標記8a、8b相對應的第二直線G2上以已知的間距布置的標記元件12。由此，器械2總共具有七個標記元件12。圍繞在第一直線G1上的各自固定點10a、IOb可旋轉地將導航標記8a、8b固定在器械2上。為了實現在相機圖像中標記元件12的良好可檢測性，標記元件12的表面構造成熒光的或光反射的。在實施例中，球狀地構造各個標記元件。為了保證各個標記元件12的更好的可辨別性，分別與導航標記8a、8b、8c對應配設的標記元件12的直徑是不同的。例如與導航標記8a相對應的標記元件12具有Icm的直徑,與導航標記8b相對應的標記元件具有1.2cm的直徑，而與導航標記8c相對應的標記元件具有2cm的直徑。然而也可以通過標記元件12具有不同的形狀、例如球狀或錐狀， 來確保各個標記元件12的可辨別性。現在在圖2中示出了按照本發明的醫學系統，其首先包括按照本發明的醫療器械2。此外，醫學系統14包括生成相機圖像46的照相機16和X射線設備18，所述X射線設備包括X射線源20和X射線探測器22。X射線源20和X射線探測器22例如固定在未示出的C形臂上。為了與X射線設備具有相同的拍攝幾何范圍A，在照相機16上布置了鏡子24。由此將照相機16這樣集成在X射線設備18上，即，使得所述照相機的視向與X射線設備18的成像方向28重合。
[0039]此外，醫學系統14包括計算單元30，所述計算單元與X射線設備18以及照相機16相連接并且依據在相機圖像中標記元件12的影像的位置能夠確定在照相機坐標系K中標記元件12的位置。與計算單元30相連接的還有用戶界面32，例如用于為醫務人員輸出信息的顯示器。
[0040]在圖2中同時也示出了用于實施按照本發明的方法的初始狀態。在手術的范圍內在患者的身體34中引入植入物36，所述植入物在本實施例中用于治療骨頭38。為了將植入物36固定在骨頭38上，植入物具有多個洞40，必須通過這些洞引入合適的緊固件。為了在骨頭38上標記安裝點，必須首先將表示醫療器械2的山茨氏釘帶到或借助本發明導航到在洞40之上的位置處。
[0041]為了確保這一點，首先為治療區域B生成在圖3中示出的X射線圖像42。在該X射線圖像上可以看到骨頭38以及引入其中的帶有洞40的植入物。
[0042]在按照本發明的步驟a)中，然后借助照相機16生成在圖4中示出的包括治療區域B以及進而也包括標記元件12的影像44的相機圖像46。在該相機圖像46中還可以看到患者的身體34的表面，但是不能看到植入物36以及其洞40，因為植入物被骨頭38所掩蓋
[0043]在步驟b)中，借助計算單元30來確定標記元件12的影像在相機圖像46中的位置。[0044]在步驟c)中，借助計算單元依據標記元件12的影像44在相機圖像46中的位置來確定標記元件12在照相機坐標系K中的位置。
[0045]在步驟d)中，依據已知的幾何關系來確定與器械2位置相關的位置標記48在照相機坐標系K中的位置并且顯示在用戶界面32上。位置標記48在此示出了與標記元件12具有固定幾何關系的也就是位置相關的點在照相機坐標系K中的實際位置。因此，位置標記48示出了標記元件12自身的實際位置,但是也示出了與標記元件12位置相關的點的實際位置。
[0046]在這種情況下，在圖5和圖6中以加號所表示的位置標記48代表了器械2的尖端4的位置。這意味著，也就是在用戶界面32上示出器械2的尖端4的實際位置。用戶借此可以看到尖端4在用戶界面32上的位置，盡管例如尖端4已經位于患者的身體34之內并且因此用裸眼不能看到。
[0047]為了計算醫療器械2的尖端4在照相機坐標系K中的位置，使用標記元件12的在步驟c)中所確定的位置并且首先確定位于直線G1上的固定點10a、10b、IOc的位置和尖端4的位置。在此直接從與導航標記Sc對應配設的標記元件12的位置得到固定點IOc的位
置。
[0048]反之，必須在數學上確定固定點8a、8b的位置。
[0049]如果三個位于直線上的點A、B、C在照相機坐標系K中的位置是已知的，那么也可以計算第四點D在照相機坐標系中的位置，只要這些點的實際間距是已知的。
[0050]在此適用下面的關系式，其中Clij是點1、j (也就是標記元件12)在照相機坐標系K中的間距。
[0051]
【權利要求】
1.一種醫療器械(2)，其包括至少三個分別具有至少一個能夠由相機(16)在相機圖像(46)中可識別地檢測到的標記元件(12)的導航標記(8a、8b、8c)，其中，在所述醫療器械(2)上所述導航標記(8a、8b、8c)分別被固定在位于第一直線(G1)上的固定點(10a、10b、IOc)上，并且所述導航標記(8a、8b)中的至少一個包括至少三個在與各自導航標記(8a、8b)相對應的第二直線(G2)上以已知的間距布置的標記元件(12)。
2.按照權利要求1所述的醫療器械(2)，其中，包括在第二直線(G2)上所布置的標記元件(12)的導航標記(8a、8b)可圍繞所述第一直線(G1)上的所述固定點(IOaUObUOc)旋轉地固定在所述器械(2)上。
3.按照權利要求1或2所述的醫療器械(2)，其中，導航標記(Sc)通過固定在所述醫療器械(2)的末端上的單獨的標記元件(12)構成。
4.按照上述權利要求中任一項所述的醫療器械(2)，其恰好具有三個導航標記(8a、8b、8c)，其中，兩個導航標記(8a、8b)分別恰好含有三個分別在第二直線(G2)上以已知的間距布置的標記元件(12)。
5.按照上述權利要求中任一項所述的醫療器械(2)，其中，所述第一直線(Gl)與所述器械的中心縱軸線(M)重合。
6.按照上述權利要求中任一項所述的醫療器械(2)，其中，所述標記元件(12)的表面構造成熒光的。
7.按照上述權利要求中任一項所述的醫療器械(2)，其中，所述標記元件(12)的表面構造成光反射的。
8.按照上述權利要求中任一項所述的醫療器械(2)，其中，所述標記元件(12)具有不同的形狀。
9.按照上述權利要求中任一項所述的醫療器械(2)，其中，所述標記元件(12)構造成球狀的。
10.一種醫學系統(14),其包括: -按照權利要求1至9中任一項所述醫療器械(2)， -生成相機圖像(46)的照相機(16)， -依據所述標記元件(12)的影像(44)在所述相機圖像(46)中的位置確定這些標記元件(12)在所述相機坐標系(K)中的位置的計算單元(30)。
11.按照權利要求10所述的醫學系統(14)，其具有生成X射線圖像(42)的X射線設備(18)，其中，所述照相機(16)這樣集成在所述X射線設備(18)中，即，使得該照相機的視向(26)與該X射線設備(18)的成像方向(28) —致。
12.按照權利要求11所述的醫學系統(14)，其中，所述X射線設備(18)是C形臂X射線設備。
13.一種用于顯示與按照權利要求1至9中任一項所述的醫學設備(2)位置相關的位置標記(48)的位置的方法，其具有下述步驟: a)借助照相機(16)生成包括標記元件(12)的影像(44)的相機圖像(46)， b)借助計算單元(30)來確定所述標記元件(12)的影像(44)在所述相機圖像(46)中的位置， c)借助所述計算單元(30)，依據所述標記元件(12)的影像(44)在所述相機圖像(46)中的位置，確定這些標記元件(12)在所述照相機坐標系(K)中的位置， d)依據已知的幾何關系，確定與所述器械(2)位置相關的位置標記(48)在所述照相機坐標系(K)中的位置并且在用戶界面(32)上示出。
14.按照權利要求13所述的方法，其中，在步驟d)中，將所述位置標記(48)位置準確地漸現在所述相機圖像(46)中。
15.按照權利要求13或14所述的方法，其中，在步驟a)之前生成治療區域(B)的X射線圖像，并且在步驟d)中依據已知的所述照相機坐標系⑷以及X射線坐標系的幾何關系將所述位置標記(48)位置準確地漸現在所述X射線圖像(42)中。
16.按照權利要求15所述的方法，其中，附加地將用于所述位置標記(48)的目標標記(40)漸現在所述X射線圖像(42)`中。
【文檔編號】A61B19/00GK103735314SQ201310692256
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2012年10月1日
【發明者】B·迪奧特, P·法拉沃利塔, N·納瓦布, L·王 申請人:西門子公司