用于显示位置标记的位置的医疗器械、医学系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种医疗器械(2)，其包括至少三个分别具有至少一个能够由相机(16)在相机图像(46)中可识别地检测到的标记元件(12)的导航标记(8a、8b、8c)，其中，在所述医疗器械(2)上所述导航标记(8a、8b、8c)分别被固定在位于第一直线(G1)上的固定点(10a、10b、10c)上，并且所述导航标记(8a、8b)中的至少一个包括至少三个在与各自导航标记(8a、8b)相对应的第二直线(G2)上以已知的间距布置的标记元件(12)。此外，本发明还涉及对与医疗器械(2)位置相关的位置标记(48)的位置进行显示的一种医学系统(14)和一种方法。
【专利说明】用于显示位置标记的位置的医疗器械、医学系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及对与医疗器械位置相关的位置标记的位置进行显示的一种医疗器械、一种医学系统和一种方法。
【背景技术】
[0002]作为医疗措施，例如在患者身上实施外科手术。也属于此列的例如对骨折的治疗，在骨头中置入植入物。在此必须这样使用植入物并且将植入物固定在各个待治疗的骨头段上，使得这些骨头段能够在期望的相对位置上彼此愈合。将植入物固定在各个骨头段上是其中使用不同的医疗器械(例如锁定螺钉)或医学工具(例如钻头)的过程。为了建立各个骨头段所要求的相对位置，必须以正确的方式对在治疗期间所使用的医疗器械、例如锁定螺钉或钻头进行定位。然而由于用于器械的目标位置位于患者身体内部并且由此用肉眼无法看到，所以所述定位变得困难。例如用于锁定螺钉的目标位置是在植入物内部的洞，所述植入物又位于骨头内部。以通常的方式和方法，借助X射线图像来实施对医疗器械的定位控制。那么，在这样的X射线图像上可以看到器械的实际位置以及目标位置，例如植入物的洞。根据实际位置与目标位置之间的偏差，然后可以进行校正。然而在这样的方法中不利的是，患者和医务人员要遭受高剂量的X射线辐射。
[0003]为了降低放射负荷，然而也存在这样的方法，借助这些方法来实施所谓的导航辅助的外科手术。对此，在所涉及的医疗器械上安上具有标记元件的导航标记，这些标记元件可以借助光学照相机被可识别地检测到。在实施医学措施之前，必须借助包括光学照相机的导航系统对各个标记元件进行校准。依据在相机图像中所识别出的标记元件的影像然后可以确定器械的准确位置。然后又可以将该实际位置与目标位置相比较，由此为医务人员显示校正措施，以便例如达到目标位置。然而，在此不利的是，在治疗区域中的物体或医务人员自身可能掩盖光学的导航标记，使得妨碍对标记元件的影像的识别和由此妨碍导航。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，提供用于对与医疗器械位置相关的位置标记的位置进行显示的一种医疗器械、一种医学系统和一种方法，借此避免上文所提到的缺点。
[0005]第一个技术问题通过一种医疗器械来解决。该器械在此包括至少三个导航标记，所述导航标记分别具有至少一个可以由照相机在相机图像中可识别地检测到的标记元件。在器械上将各个导航标记分别固定在位于第一直线上的固定点上。导航标记中的至少一个包括至少三个在与各自导航标记相对应的第二直线上的以已知的间距布置的标记元件。
[0006]由于至少一个导航标记包括至少三个标记元件，所以可以借助各个标记元件在第二直线上的的已知间距来在数学上确定同样位于第二直线上的导航标记的固定点在医疗器械上的位置。因此，没有标记元件必须直接固定在器械上。标记元件因此与器械具有特定的间距并且由此在实施医学措施期间在操作它时例如在医务人员用手抓取的情况下不被覆盖。在极端情况下，这样构造全部所需的导航标记，使得标记元件不是直接位于器械本身上，而是以特定的间距分别布置在第二直线上，所述第二直线从器械的固定点处向外延伸。为了实现标记元件的各个影像在相机图像中的良好可辨别性，这些第二直线在不同的方向上延伸。
[0007]然后如果确定了至少三个位于第一直线上的固定点在照相机坐标系中的位置并且已知器械的固定点的间距，那么，也可以确定其他的对于器械来说典型的位于该第一直线上的点的位置。在此可以涉及器械的这样的点，其在实施医学措施期间用肉眼是不可见的，原因在于，其例如被患者身体所掩盖。由此，无需使用X射线辐射也可以实现对器械相宜的导航。
[0008]为了进一步改进器械的可操作性，包括在第二直线上布置的标记元件的导航标记可围绕第一直线上的固定点旋转地固定在器械上。因此，医务人员可以握住器械并且也可以在实施医学措施期间将导航标记旋转到这样的位置上，使得所述导航标记在利用照相机拍摄时不被遮挡。由此始终保证对标记元件的影像的识别和对器械的导航。
[0009]为了以简单的方式和方法探测器械的末端的位置，通过在器械的末端上所固定的单独的标记元件构成导航标记。构成该导航标记的标记元件因此被直接固定在这样的固定点上，该导航标记的固定点的位置因此与该标记元件的位置重合。在这种情况下，在此可以摒弃利用多个位于第二直线上的标记元件来构造导航标记的成本高昂设计。特别地，在将标记元件安装在器械的末梢端的情况下，通常保证了其在相机图像中的可辨别性。 [0010]在本发明的优选扩展设计中，医疗器械恰好具有三个导航标记，其中两个导航标记恰好包括三个分别在第二直线上以确定的间距布置的标记元件。对于这样的器械，也可以如上所描述的那样首先在数学上确定两个固定点在照相机坐标系中的位置，然而其上具有由一个标记元件所形成的导航标记的固定点的位置直接依据其影像在相机图像中的位置来确定。因此，位于第一直线上的固定点的位置是已知的。依据这些位置和已知的实际间距，然后又可以确定在该第一直线上的其他典型的点。在此，例如可以涉及锁定螺钉的或钻头的尖端。因此，尖端自身不必为了确定其在照相机坐标系中的位置而配备标记元件。因此，间接地通过确定各个标记元件的位置来进行确定这些与器械位置相关的点的位置。
[0011 ] 在本发明优选的扩展设计中，第一直线与器械的中心纵轴线重合，就像例如在采用螺钉或钻头时相宜地就这种情况。
[0012]为了借助照相机简单地探测各个标记元件，所述标记元件的表面构造成荧光的或光反射的。
[0013]为了达到标记元件的更好的可辨别性，标记元件可以具有不同形状，例如球状或锥形。特别地，与一个导航标记相对应的标记元件可以具有与另一个导航标记相对应的标记元件相同的或者与之不同的形状。
[0014]第二个技术问题通过医学系统来解决。这样的医学系统包括:
[0015]-按照本发明的医疗器械，
[0016]-生成相机图像的照相机，
[0017]-依据标记元件的影像在相机图像中的位置对标记元件在照相机坐标系中的位置进行确定的计算单元。
[0018]按照本发明的优选的扩展设计，医学系统附加地具有生成X射线图像的、优选布置在C形臂上的X射线设备，其中照相机这样集成在X射线设备中，即，使得所述照相机的视向与X射线设备的成像方向重合。
[0019]由此，可以以简单的方式和方法使X射线图像和相机图像位置准确地重叠并且附加地渐现关于医疗器械的位置信息。
[0020]第三个技术问题通过用于对与医疗器械位置相关的位置标记的位置进行显示的的方法来解决。
[0021]相应地，在步骤a)中，借助照相机生成包括标记元件的影像的相机图像。
[0022]在步骤b)中，借助计算单元来确定标记元件的影像在相机图像中的位置。
[0023]在步骤c)中，借助计算单元依据标记元件的影像在相机图像中的位置来确定标记元件在照相机坐标系中的位置。
[0024]在步骤d)中，依据已知的几何关系来确定与器械位置相关的位置标记在照相机系统中的位置并且显示在用户界面上。
[0025]通过与器械位置相关的位置标记，可以显示标记元件或导航标记的实际位置。但是也可以对依据标记元件的位置借助已知的几何关系在数学上所确定的点的位置进行显示，就像例如导航标记的固定点在器械上的位置。因此，也可以借助位置标记来示出锁定螺钉的尖端的实际位置。因此，也可以示出在器械上的由于例如被患者身体挡住而用肉眼或在相机图像中不可见的点的位置。但是在实施医学措施期间无需X射线辐射，通过按照本发明的方法也实现了对实际位置的实时显示。
[0026]在本发明的优选扩展设计中，在步骤d)中将位置标记位置准确地渐现在相机图像中。医务人员由此获得了这样的信息，所述信息具有实时位置也就是在相机图像中的与器械位置相关的点。
[0027]在本发明的另一优选扩展设计中，在步骤a)之前生成治疗区域的X射线图像。在步骤b)中然后依据照相机坐标系以及X射线坐标系的已知的几何关系将位置标记位置准确地渐现到X射线图像中。由此，也可以相对于X射线图像获取关于位置标记的位置信息。总之，也可以得到由X射线图像、相机图像和位置标记组成的组合。
[0028]为了辅助导航，可以附加地将用于位置标记的目标标记渐现在X射线图像中。医务人员据此既获得位置标记(也就是器械实际位置)的指示，也获得了对其期望的目标位置的指示。因此，医务人员可以判断器械必须在哪个方向上移动以便将其带到目标位置上。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]结合下面的结合附图所详细解释的实施例，本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现这些的方法和方法变得更为清楚和明显。
[0030]为了进一步描述本发明，参考附图的实施例。分别在示意性的原理图中:
[0031]图1示出了医疗器械，
[0032]图2示出了医学系统，
[0033]图3示出了 X射线图像，
[0034]图4示出了相机图像，
[0035]图5示出了具有示出的位置标记的用户界面，
[0036]图6示出了用户界面，其具 有叠加的X射线图像和相机图像以及位置标记。【具体实施方式】
[0037]图1示出了按照本发明的医疗器械2，所述医疗器械在本实施例中例如是山茨氏(Schanzsche)钉。医疗器械包括中心纵轴线M以及尖端4和末端6。在医疗器械2上分别将三个导航标记8a、8b、8c固定在固定点10a、10b、IOc上。固定点10a、10b、IOc位于第一直线G1上，所述第一直线与医疗器械2的中心纵轴线M重合。在直线G1上的各个不同的固定点10a、10b、IOc的间距是已知的。导航标记8c通过单个标记元件12构成,所述标记元件在相机图像中能可识别地检测到。由此，将与导航标记8c对应配设的标记元件12直接固定在固定点IOc上，由此使标记元件12的位置和固定点IOc的位置一致。
[0038]导航标记8a、8b分别恰好具有三个分别在与各自导航标记8a、8b相对应的第二直线G2上以已知的间距布置的标记元件12。由此，器械2总共具有七个标记元件12。围绕在第一直线G1上的各自固定点10a、IOb可旋转地将导航标记8a、8b固定在器械2上。为了实现在相机图像中标记元件12的良好可检测性，标记元件12的表面构造成荧光的或光反射的。在实施例中，球状地构造各个标记元件。为了保证各个标记元件12的更好的可辨别性，分别与导航标记8a、8b、8c对应配设的标记元件12的直径是不同的。例如与导航标记8a相对应的标记元件12具有Icm的直径,与导航标记8b相对应的标记元件具有1.2cm的直径，而与导航标记8c相对应的标记元件具有2cm的直径。然而也可以通过标记元件12具有不同的形状、例如球状或锥状， 来确保各个标记元件12的可辨别性。现在在图2中示出了按照本发明的医学系统，其首先包括按照本发明的医疗器械2。此外，医学系统14包括生成相机图像46的照相机16和X射线设备18，所述X射线设备包括X射线源20和X射线探测器22。X射线源20和X射线探测器22例如固定在未示出的C形臂上。为了与X射线设备具有相同的拍摄几何范围A，在照相机16上布置了镜子24。由此将照相机16这样集成在X射线设备18上，即，使得所述照相机的视向与X射线设备18的成像方向28重合。
[0039]此外，医学系统14包括计算单元30，所述计算单元与X射线设备18以及照相机16相连接并且依据在相机图像中标记元件12的影像的位置能够确定在照相机坐标系K中标记元件12的位置。与计算单元30相连接的还有用户界面32，例如用于为医务人员输出信息的显示器。
[0040]在图2中同时也示出了用于实施按照本发明的方法的初始状态。在手术的范围内在患者的身体34中引入植入物36，所述植入物在本实施例中用于治疗骨头38。为了将植入物36固定在骨头38上，植入物具有多个洞40，必须通过这些洞引入合适的紧固件。为了在骨头38上标记安装点，必须首先将表示医疗器械2的山茨氏钉带到或借助本发明导航到在洞40之上的位置处。
[0041]为了确保这一点，首先为治疗区域B生成在图3中示出的X射线图像42。在该X射线图像上可以看到骨头38以及引入其中的带有洞40的植入物。
[0042]在按照本发明的步骤a)中，然后借助照相机16生成在图4中示出的包括治疗区域B以及进而也包括标记元件12的影像44的相机图像46。在该相机图像46中还可以看到患者的身体34的表面，但是不能看到植入物36以及其洞40，因为植入物被骨头38所掩盖
[0043]在步骤b)中，借助计算单元30来确定标记元件12的影像在相机图像46中的位置。[0044]在步骤c)中，借助计算单元依据标记元件12的影像44在相机图像46中的位置来确定标记元件12在照相机坐标系K中的位置。
[0045]在步骤d)中，依据已知的几何关系来确定与器械2位置相关的位置标记48在照相机坐标系K中的位置并且显示在用户界面32上。位置标记48在此示出了与标记元件12具有固定几何关系的也就是位置相关的点在照相机坐标系K中的实际位置。因此，位置标记48示出了标记元件12自身的实际位置,但是也示出了与标记元件12位置相关的点的实际位置。
[0046]在这种情况下，在图5和图6中以加号所表示的位置标记48代表了器械2的尖端4的位置。这意味着，也就是在用户界面32上示出器械2的尖端4的实际位置。用户借此可以看到尖端4在用户界面32上的位置，尽管例如尖端4已经位于患者的身体34之内并且因此用裸眼不能看到。
[0047]为了计算医疗器械2的尖端4在照相机坐标系K中的位置，使用标记元件12的在步骤c)中所确定的位置并且首先确定位于直线G1上的固定点10a、10b、IOc的位置和尖端4的位置。在此直接从与导航标记Sc对应配设的标记元件12的位置得到固定点IOc的位
置。
[0048]反之，必须在数学上确定固定点8a、8b的位置。
[0049]如果三个位于直线上的点A、B、C在照相机坐标系K中的位置是已知的，那么也可以计算第四点D在照相机坐标系中的位置，只要这些点的实际间距是已知的。
[0050]在此适用下面的关系式，其中Clij是点1、j (也就是标记元件12)在照相机坐标系K中的间距。
[0051]
【权利要求】
1.一种医疗器械(2)，其包括至少三个分别具有至少一个能够由相机(16)在相机图像(46)中可识别地检测到的标记元件(12)的导航标记(8a、8b、8c)，其中，在所述医疗器械(2)上所述导航标记(8a、8b、8c)分别被固定在位于第一直线(G1)上的固定点(10a、10b、IOc)上，并且所述导航标记(8a、8b)中的至少一个包括至少三个在与各自导航标记(8a、8b)相对应的第二直线(G2)上以已知的间距布置的标记元件(12)。
2.按照权利要求1所述的医疗器械(2)，其中，包括在第二直线(G2)上所布置的标记元件(12)的导航标记(8a、8b)可围绕所述第一直线(G1)上的所述固定点(IOaUObUOc)旋转地固定在所述器械(2)上。
3.按照权利要求1或2所述的医疗器械(2)，其中，导航标记(Sc)通过固定在所述医疗器械(2)的末端上的单独的标记元件(12)构成。
4.按照上述权利要求中任一项所述的医疗器械(2)，其恰好具有三个导航标记(8a、8b、8c)，其中，两个导航标记(8a、8b)分别恰好含有三个分别在第二直线(G2)上以已知的间距布置的标记元件(12)。
5.按照上述权利要求中任一项所述的医疗器械(2)，其中，所述第一直线(Gl)与所述器械的中心纵轴线(M)重合。
6.按照上述权利要求中任一项所述的医疗器械(2)，其中，所述标记元件(12)的表面构造成荧光的。
7.按照上述权利要求中任一项所述的医疗器械(2)，其中，所述标记元件(12)的表面构造成光反射的。
8.按照上述权利要求中任一项所述的医疗器械(2)，其中，所述标记元件(12)具有不同的形状。
9.按照上述权利要求中任一项所述的医疗器械(2)，其中，所述标记元件(12)构造成球状的。
10.一种医学系统(14),其包括: -按照权利要求1至9中任一项所述医疗器械(2)， -生成相机图像(46)的照相机(16)， -依据所述标记元件(12)的影像(44)在所述相机图像(46)中的位置确定这些标记元件(12)在所述相机坐标系(K)中的位置的计算单元(30)。
11.按照权利要求10所述的医学系统(14)，其具有生成X射线图像(42)的X射线设备(18)，其中，所述照相机(16)这样集成在所述X射线设备(18)中，即，使得该照相机的视向(26)与该X射线设备(18)的成像方向(28) —致。
12.按照权利要求11所述的医学系统(14)，其中，所述X射线设备(18)是C形臂X射线设备。
13.一种用于显示与按照权利要求1至9中任一项所述的医学设备(2)位置相关的位置标记(48)的位置的方法，其具有下述步骤: a)借助照相机(16)生成包括标记元件(12)的影像(44)的相机图像(46)， b)借助计算单元(30)来确定所述标记元件(12)的影像(44)在所述相机图像(46)中的位置， c)借助所述计算单元(30)，依据所述标记元件(12)的影像(44)在所述相机图像(46)中的位置，确定这些标记元件(12)在所述照相机坐标系(K)中的位置， d)依据已知的几何关系，确定与所述器械(2)位置相关的位置标记(48)在所述照相机坐标系(K)中的位置并且在用户界面(32)上示出。
14.按照权利要求13所述的方法，其中，在步骤d)中，将所述位置标记(48)位置准确地渐现在所述相机图像(46)中。
15.按照权利要求13或14所述的方法，其中，在步骤a)之前生成治疗区域(B)的X射线图像，并且在步骤d)中依据已知的所述照相机坐标系⑷以及X射线坐标系的几何关系将所述位置标记(48)位置准确地渐现在所述X射线图像(42)中。
16.按照权利要求15所述的方法，其中，附加地将用于所述位置标记(48)的目标标记(40)渐现在所述X射线图像(42)`中。
【文档编号】A61B19/00GK103735314SQ201310692256
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2012年10月1日
【发明者】B·迪奥特, P·法拉沃利塔, N·纳瓦布, L·王 申请人:西门子公司