AT405126B

AT405126B - Koordinatenführungssystem und referenzpositioniersystem

Info

Publication number: AT405126B
Application number: AT0119197A
Authority: AT
Inventors: Reinhard Dr Graf; Johann Leban; Kurt Lercher; Wolfram Mag Dr Mueller
Original assignee: Graf Reinhard; Johann Leban; Kurt Lercher; Wolfram Mag Dr Mueller
Priority date: 1997-07-10
Filing date: 1997-07-10
Publication date: 1999-05-25
Also published as: ATA119197A; WO1999002100A1; AU9063798A

Description

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Bei der Erfindung handelt es sich um ein Gerät zur Verbesserung und Vereinfachung von Untersu-chungs- und Behandlungsverfahren, die nach einem standardisierten Schema durchgeführt werden, wobei der Organismus mit Hilfe einer mechanischen Halterung definiert positioniert wird. Diese Positionierung kann sich auch auf Teile des Organismus beschränken. In der weiteren Folge ist unter Organismus sowohl der gesamte Organismus zu verstehen oder auch nur Teile desselben. Es macht auch keinen Unterschied, ob der Organismus lebt oder nicht mehr lebt. Als mechanische Halterung kann jede Vorrichtung dienen, die es gestattet, den Organismus derart zu fixieren, daß ein Koordinatenreferenzsystem aufgrund der definierten Lage des Organismus bzw. von Teilen desselben festgelegt wird. Als Teile des Organismus können auch innere Bereiche des Organismus, die z.B. im Zuge einer Operation freigelegt wurden, verstanden werden. Die mechanischen Halterungsvorrichtungen können starre Verbindungen zum Organismus bzw. zu Teilen desselben sein (z.B. zu Knochen) oder Lagerungsschalen, die an äußere Formen angepaßt sind oder Lagerungskissen, die gepolsterte oder mit Luft gefüllte Kammern haben oder Kombinationen von starren Verbindungen und/oder Lagerungsschalen und/oder Lagerungskissen. Es macht für die hier beschriebene Innovation keinen Unterschied, welchen physikalischen Ursprunges die Kräfte sind, die zur Positionierung des Organismus verwendet werden. So können auch äußere physikalische Felder, z.B. elektrische oder magnetische Felder, Strömungsfelder etc., die eine definierte Positionierung des Organismus gestatten, Verwendung finden. Die Gesamtheit dieser Halterungsvorrichtungen, die durch diese Zwangspositionierungen des Organismus ein Referenzkoordinatensystem festlegen, wird in der weiteren Folge Referenzpositioniersystem genannt. Das Referenzkoordinatensystem kann auf die in der Medizin und Biologie üblichen Ebenen und Richtungsangaben bezogen sein (siehe z.B.: Pschyrembel, Klinisches Wörterbuch: Ebenen des Körpers und Richtungsbezeichnungen) oder auch auf andere anatomisch gegebene Formen und Orientierungen. Die definierte Lagerung des Organismus mit Hilfe eines Referenzpositioniersystems erleichtert bzw. ermöglicht standardisierte Untersuchungen und/oder Therapien, da dadurch eine definierte Orts- und/oder Orientierungszuordnung von Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumenten möglich wird. Als Untersuchungsinstrumente sind sämtliche in der Medizin, Veterinärmedizin, Biologie, Botanik und Landwirtschaft verwendeten Vorrichtungen zur Erfassung anatomischer, motorischer, physiologischer, psychologischer, physikalischer, chemischer und biochemischer Eigenschaften des Organismus zu verstehen. Der Begriff "Untersuchungsinstrument" bzw. "Behandlungsinstrument" schließt auch die bloße Verwendung von Untersuchungs- bzw. Behandlungsformen mit Hilfe des Auges und/oder der Hand des Untersuchers ein. Als Behandlungsinstrumente sind sämtliche in der Medizin, Veterinärmedizin, Biologie, Botanik und Landwirtschaft verwendeten Vorrichtungen zu verstehen, mit deren Hilfe chirurgische, orthopädische, physiologische, psychologische, physikalische, chemische oder biochemische Wirkungen auf den Organismus erzielt werden können.

Zur präzisen und definierten Führung von Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumenten relativ zum Referenzkoordinatensystem kann eine Koordinatenführungsvorrichtung verwendet werden, wobei die Posi-tions- und/oder Orientierungszuordnung zum Organismus durch eine mechanische Verbindung mit dem Referenzpositioniersystem gewährleistet ist. Einzelne oder mehrere Freiheitsgrade der Führungsvorrichtung können blockiert werden, sodaß nur die dadurch vorgegebenen Trajektorien und/oder Richtungseinstellungen durchlaufen werden können, wenn ein Untersuchungs- oder Behandlungsverfahren dies erfordert. Die Zahl der Freiheitsgrade kann auch größer als 6 sein, wenn dadurch die Handhabung der Untersuchungs-und/oder Behandlungsinstrumente erleichtert wird. So kann es zum Beispiel zweckmäßig sein, mit Hilfe von 3 kartesischen Koordinaten und von 3 Orientierungsrichtungen eine Ausgangstage für ein Untersuchungsoder Behandlungsverfahren zu definieren und durch weitere Freiheitsgrade, beispielsweise mit Hilfe von ebenen Polarkoordinaten, die Untersuchungs- bzw. Behandlungsinstrumente entlang dieser zusätzlichen Freiheitsgrade zu führen. Das Führungssystem mit kartesischen Koordinaten und den Orientierungsrichtungen kann nach Erreichen der Ausgangsposition und Ausgangsorientierung blockiert werden. Als Koordinatensysteme für die Führungsvorrichtung kommen sämtliche Systeme, also auch nicht orthogonale und krummlinige Koordinatensysteme in Frage. Damit sind sämtliche denkbaren Trajektorien und Richtungen für die Führung der Behandlungs- und Untersuchungsinstrumente realisierbar. Die vorgegebenen Bewegungsfreiheiten erlauben eine manuelle Führung der Instrumente nur in den erlaubten Bahnen relativ zum Referenzkoordinatensystem bzw. gestatten auch eine elektronisch gesteuerte Führung der Instrumente mit Hilfe elektro-mechanischer oder hydraulischer oder pneumatischer Elemente. Die Verwendung von Posi-tions- und Orientierungssensoren verschiedenster Bauarten ermöglicht auch die geregelt durchgeführte Bewegungsführung und die Registrierung und Protokollierung der Bewegungsabläufe und der Positionen. Auch hierbei ist das Referenzkoordinatensystem durch die an den Organismus angepaßte Form des Referenzpositioniersystems bereits vorweg definiert und es bedarf keines bildgebenden Verfahrens oder sonstiger technischer Einrichtungen für die Zuordnung von Lage- und Orientierungskoordinaten der Instrumente zum Referenzsystem und damit zur anatomischen Form des Organismus. Dies ist ein entscheiden- 2

AT 405 126 B der Vorteil gegenüber anderen, der Öffentlichkeit bereits zuvor bekanntgemachten Koordinatenführungssystemen, die größeren technischen Aufwand erfordern und damit zu kostenintensiveren Untersuchungs-und/oder Behandlungsverfahren führen. Das hier beschriebene Referenzpositioniersystem und das daran gekoppelte Koordinatenführungssystem ist äußerst einfach zu bedienen und erfordert keinerlei technische Wartung oder Kalibrierungsarbeiten. Bei verschiedenen Untersuchungs- und/oder Behandlungsverfahren wird lediglich die mechanische Halterung für den jeweiligen Organismus eingesetzt und die Bewegungsfreiheit des Koordinatenführungssystems der Aufgabe entsprechend festgelegt. Die Dimensionen des jeweils verwendeten Referenzpositioniersystems und des Koordinatenführungssystems werden den Größen der zu untersuchenden oder zu behandelnden Organismen entsprechend gewählt und können vom Mikrometerbereich bei Zellen und Zeilorganellen bis in den Meterbereich für sehr große Organismen variieren. Die einfache Bedienbarkeit ist insbesondere bei Serien- und Screeninguntersuchungen entscheidend.

Stand der Technik

In mehreren der Öffentlichkeit vor dem Prioritätstag der Anmeldung zugänglich gemachten Materialien (WO 91/04711 AI; WO 88/09151 AI; ER 427 358 AI; WO 94/13205 AI; WO 96/25881 AI; EP 326 768 A2; DE 39 08 648 A) werden Systeme beschrieben, mit deren Hilfe medizinische Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente geführt werden und/oder die Position dieser Instrumente während Behandlungen registriert werden kann. Im Gegensatz zu der hier beschriebenen Innovation erfordern diese zuvor beschriebenen Geräte technisch aufwendige Vorkehrungen für die Zuordnung der Orts- und Orientierungslage der jeweiligen Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente zu gegebenen Strukturen im oder am Körper eines Patienten. Es werden verschiedene bildgebende und computerunterstützte Verfahren für die Koordinatenzuordnung eingesetzt.

In den Patentschriften WO 96/25881A1 und DE 3908648A wird als bildgebendes Verfahren die Sonografie eingesetzt, wobei nicht berücksichtigt wird, daß durch die bekannten Bild- und Verzerrungsartefakte bei diesem Verfahren gravierende Kalibrierungsfehler auftreten können. Die hier vorgestellte Innovation kann dagegen, wie nachfolgend näher erläutert wird, dazu verwendet werden, um sonografische Verzerrungsartefakte zu vermeiden oder zu minimieren. In der hier vorgestellten Innovation wird von einer vorweg durch das Referenzpositioniersystem definierten Organismuslage ausgegangen, wodurch eine koordinaten-und Orientierungszuordnung der Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente ohne bildgebende Verfahren möglich ist.

Die Verwendung von bildgebenden Verfahren mit Hilfe ionisierender Strahlen haben neben dem hohen technischen Aufwand und den damit verbundenen Kosten den Nachteil der Strahlenbelastung des Patienten und scheiden daher für viele Aufgabenstellungen, insbesondere für Serienuntersuchungen (Screening Programme) aus. Überhaupt ist es im Sinne der strahlenschutzgesetzlichen Bestimmungen aller Länder und der Empfehlungen der ICRP (Int. Commission for Radiation Protection) die ionisierende Strahlung durch andere Verfahren zu ersetzen, wo immer dies möglich ist.

Aufgrund der technisch einfachen Realisierungsmöglichkeiten der hier beschriebenen Innovation, ist die Vorrichtung nicht nur in der Medizin sondern auch in vielen anderen Bereichen, in denen Organismen in definierter Position untersucht, vermessen oder behandelt werden, vorteilhaft einsetzbar.

Es zeigen:

Abb. 1 a: Verzeichnungsartefakt bei sonografischen Untersuchungen aufgrund von verschiedenen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten.

Abb. 1 b: Verzeichnungsartefakt bei sonografischen Untersuchungen aufgrund der Brechung der

Schallstrahlen an Grenzflächen.

Abb. 2a: Schrägriß eines Ausführungsbeispiels eines Referenzpositionier- und Koordinatenführungs systems mit schematischer Darstellung eines Lagerungskissens für einen zu untersuchenden Organismus.

Abb. 2b: Variante eines Referenzpositionier- und Koordinatenführungssystems für Zwecke der Hüft- sonographie des Säuglings. Hier sind die Bewegungsfreiheitsgrade in der x-y-Ebene mit Hilfe eines mit 2 kugelgelagerten Scharniergelenken befestigten Armes realisiert. Für die Referenzpositionierung im Falle der Säuglingshüftuntersuchung wird das Lagerungskissen nach Abb. 3 auf der Grundplatte montiert.

Abb. 3: Grund- und Aufrisse eines luftgefüllten Lagerungskissens zur sonografischen Untersuchung der Säuglingshüfte.

Beschreibung eines Anwendungsbeispieles:

Standardisiertes Screening der Säuglingshüfte. 3

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Sonografische Untersuchungsverfahren haben mehrere Vorteile gegenüber anderen bildgebenden Verfahren: Breite Verfügbarkeit der Geräte, da Sonografiegeräte im Vergleich mit Computertomographen relativ preisgünstig zu erhalten sind und keine Belastung der Organismen mit ionisierender Strahlung erfolgt. Weiters ist die Bildfolge hoch genug, um Bewegungen in Echtzeit studieren zu können. Besondere Beachtung muß bei sonografischen Diagnoseverfahren aber den Bildartefakten geschenkt werden, wenn Fehldiagnosen vermieden werden sollen. Die hier näher beschriebene Vorrichtung für das Hüftscreening der Säuglinge dient der Vermeidung bzw. Minimierung von sonografischen Verzerrungen, die durch Brechungs- und Laufzeitartefakte bedingt sind. Solche Verzerrungen können auftreten, wenn entweder die Schnittebene oder die Orientierung des Ultraschallwandlers innerhalb der vorgeschriebenen Ebene in ungeeigneter Weise gewählt wird (Verkippung des Schallwandlers). Das ist in Abb. 1a und 1b schematisch gezeigt. Abb. 1a demonstriert die Winkelverzeichnung aufgrund von Schallaufzeitunterschieden in einem Medium mit einer Schallgeschwindigkeit c*, die von der Geschwindigkeit c0 (mit der das Sonografiegerät rechnet) abweicht. Im Beispiel wurde c’ = 2co gewählt: Bei nicht orthogonalem Eintritt in ein angrenzendes Medium tritt zusätzlich noch Brechung nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz auf.

Dies ist in Abb. 1b schematisch gezeigt. Sowohl bei Abb. 1a wie auch bei 1b kann durch günstige Wahl der Position des Schallgebers (Schallkopf 1) die Verzeichnung vermieden werden (gi g und hi h) wogegen bei ungünstiger Plazierung (Schallkopf 2) eine ausgeprägte Verdrehung der Lage der Geraden im Sonografiebild entstehen kann (g2 * g und h2 * h). Abb. 1a gibt in vereinfachter Schematik die Verhältnisse bei der Sonografie der Säuglingshüfte wider (R. Graf, C. Tschauner: Sonografie der Säuglingshüfte. Radiologie (1994) 34: 30-38). Situationen, die diesen Modellfällen entsprechen, treten bei allen sonografischen Untersuchungen auf, bei denen Gewebe mit unterschiedlichen Schalleitungsgeschwindigkeiten durchstrahlt werden. Durch günstige Wahl der Position des Schallkopfes können diese Artefakte vermieden bzw. minimiert werden. Artefakte zu vermeiden oder zu minimieren ist für die visuelle Befundung wesentlich und für die Gewinnung diagnostisch wichtiger Meßwerte unerläßlich. Solche Untersuchungs- und Meßartefakte, die zu gravierenden Fehlbehandlungen führen können, sind aus der medizinischen Praxis bekannt. Durch eine definierte Führung der Schallwandler können diese Artefakte eliminiert bzw. minimiert werden. Für diese Anwendung ist die Bewegungsfreiheit für den Schallwandler nur für jene Achsen und Einstrahlrichtungen freizuschalten, die durch ein standardisiertes Untersuchungsverfahren zulässig sind. Voraussetzung für ein erfolgreiches Screening-Programm ist die definierte Positionierung des Körpers mit einem Referenzpositioniersystem, das im Falle der Hüftsonografie des Säuglings als luftgefülltes Positionierkissen ausgeführt ist.

Literatur zur Hüftsonografie des Säuglings: R. Graf, R. Soldner: Zum Problem der Winkelmeßfehler bei der Hüftsonografie durch Linear- und Sektorscanner. Ultraschall Klin Prax (1989) 4: 177-182. R. Graf: Probleme und Fehlerquellen bei der Hüftsonografie. Gynäkol. Praxis 20, 223-231 (1996). R. Graf: Hip Sonography - How Reliable? Clinical Orthopaedics 281, (1992).

Im Falle der Säuglingshüftsonografie sind nur Bewegungen entlang der 3 Raumachsen sowie die Drehung um die z-Achse erlaubt (vergl. mit oben zitierter Literatur von R. Graf). Die nicht erlaubten Verkippungen des Schallgebers werden in diesem Fall durch Blockierung der weiteren Drehachsen verhindert bzw. wird für dieses Anwendungsbeispiel ein Koordinatenführungssystem, das für nur 3 Linearund einen Rotationsfreiheitsgrad konzipiert wurde, verwendet. Zwei Konstruktionsbeispiele sind in Abb. 2a und 2b dargestellt, die in Verbindung mit dem Positionierkissen in Abb. 3 eine wesentliche Erleichterung und Verbesserung der Untersuchung der Säuglingshüfte ermöglichen.

Weitere Anwendungsbeispiele: Für andere Fragestellungen werden andere relevante Freiheitsgrade oder Auslenkungsbereiche blok-kiert oder bereits beim Aufbau der Vorrichtung als entsprechende Zwangsführung konzipiert. Solche Anwendungen können z. B. auch bei der ultraschallgeführten Punktion wesentlich sein, um durch geeignete Positionierung des Transducers die durch Brechung bedingten Mißweisungen der Ultraschallbilddarstellung zu reduzieren. Auch bei der Datenerfassung für 3-dimensionale Ultraschallbilder ist die Kenntnis der Raumlage des Ultraschallwandlers in jedem Moment erforderlich, um die Pixel der Schnittbildebene auf die Voxel des Datenquaders zu übertragen. Da die Geometrie der untersuchten Objekte im Organismus bei inhomogener Gewebebeschichtung, wenn aus verschiedenen Schnittrichtungen aufgenommen wird i. a. nicht deckungsgleich in den sonografischen Aufnahmen erscheint, können die mit Hilfe der Vorrichtung unter definierten Einstrahlrichtungen aufgenommenen Datensätze als Ausgangspunkt für rechnerische 4

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Rekonstruktion der sonografisch relevanten Gewebeeigenschaften und der wahren Geometrie verwendet werden. Zur Vermeidung mehrdeutiger Abbildungen können jene Einstrahlrichtungen, die zu nicht zu akzeptierenden Verzerrungen führen, von vorne herein vermieden werden.

Bei anderen Untersuchungsverfahren wie zum Beispiel bei Vielkanal-EKG-Studien (Body Surface Potential Mapping) oder bei elektromyografischen Untersuchungen ist die örtliche Vermessung der Elektroden an der Körperoberfläche Voraussetzung für die anschließende computerunterstützte Berechnung der elektrischen Vorgänge im Herzen bzw. in der Skelettmuskulatur. Die Innovation, verbunden mit der Möglichkeit einer Erfassung (z. B. elektro-mechanisch, elektronisch, oder optoelektronisch) und Speicherung der Lagekoordinaten bei definierter Position des Körpers stellt ein adäquates Mittel für die Lösung dieser Aufgabe dar.

Auch anthropometrische Untersuchungen und damit in weiterer Folge physikalische Beschreibungen der Form und der mechanischen Eigenschaften des menschlichen (oder tierischen) Körpers erlaubt die Innovation. Die üblichen Modelle in der Biomechanik (Hanavan, E. P., 1964: A Mathematical Mode of the Human Body. AMRL Technical Report, TR-64-102; Wright-Patterson Air Force Base, OH) sind nur in grober Näherung an die realen Verhältnisse angepaßt und könnten durch das hier beschriebene System wesentlich verfeinert werden.

Dieselbe Vorrichtung kann - in Verbindung mit einem Dynamometer - auch verwendet werden, um elastische Eigenschaften von Biomaterialien sowohl an der Leiche als auch in vivo zu untersuchen. Auch die Bewegungsfreiheitsgrade und Amplituden einzelner Gelenke können damit bestimmt werden. Das gestattet auch die Verlaufskontrolle von Rehabilitationsmaßnahmen zur Wiederherstellung der Beweglichkeit nach Verletzungen in operationalisierbarer Weise. Die Vorrichtung kann auch dazu dienen, um muskuläre Kraft-Zeitverläufe im Raum relativ zum Referenzkoordinatensystem zu studieren.

Die Vorrichtung kann auch in besonders stabiler Form aufgebaut werden und als präzise positionierbare Montageplattform für die Befestigung von chirurgischen Werkzeugen bei definierter Ausgangstage relativ zum Körper (d.h. relativ zum Referenzkoordinatensystem) verwendet werden. Bei vielen chirurgischen Eingriffen sind mechanische Tätigkeiten zu verrichten (Bohren, Fräsen, Sägen, Schneiden, etc.), die zum Teil beträchtlichen Kraftaufwand bei gleichzeitig hoher Genauigkeit erfordern.

Aufgrund der Fixierung des Körpers mit Hilfe des Referenzpositioniersystems können Kräfte und Momente über das Koordinatenführungssystem auf den Körper übertragen werden. Dies bringt wesentliche Erleichterungen bei gleichzeitiger Verbesserung der Genauigkeit mit sich. Auch für die Führung von Laserstrahlen kann das Koordinatenführungssystem verwendet werden, um Untersuchungen oder Behandlungen, bei definierter Lage relativ zum Organismus durchzuführen.

Bei vielen Behandlungsformen (Medizin, Veterinärmedizin), z.B. bei Phototherapien mit Hilfe von karzinomsuchenden und phototoxischen Substanzen wie Porphyrin, ist die Behandlung in gezielter Weise auf bestimmte Areale der Körperoberfläche zu begrenzen. Bei anderen Behandlungsverfahren - etwa der lokalen Wärmebehandlung im Körperinneren mit Hilfe von therapeutischem Ultraschall - sind sowohl der Ort des Strahleintrittes in den Körper als auch die Richtung des Strahles relativ zum Organismus entscheidend für die erfolgreiche Durchführung. Solche Therapieformen können mit Hilfe der Vorrichtung optimiert, standardisiert und damit auch automatisiert oder teilautomatisiert werden. Dasselbe gilt für eine große Zahl physikotherapeutischer Behandlungsformen. Für Einsätze im medizinischen und veterinärmedizinischen Bereich wird das Referenzpositioniersystem so ausgeführt, daß es den erforderlichen hygienischen Ansprüchen genügt; es muß leicht abwaschbar sein und resistent gegenüber Desinfektionssubstanzen und Reinigungsmitteln. Die Abb. 3 zeigt ein solches, aufblasbares Positionierkissen, das für die sonografische Hüftuntersuchung von Kindern zwischen Null und 12 Monaten entwickelt wurde.

Die Vorrichtung ist auch bei allen bildgebenden Verfahren, die eine Ruhigstellung des Körpers während der Aufnahmezeit für die Bildinformation erfordern, vorteilhaft ersetzbar. So zum Beispiel ist die Vorrichtung hervorragend geeignet, um die kindliche Hüfte mit Hilfe des MR (magnetic resonance imaging) -Verfahrens zu untersuchen. Hier kann die Narkotisierung des Säuglings entfallen. Dies ist ein wesentlicher Fortschritt bei dieser Untersuchung.

Konstruktive Lösung

Das Referenzpositioniersystem wird der jeweiligen Form und Größe und den Achsen des Organismus entsprechend konstruktiv realisiert. Die konstruktive Lösung des Referenzpositioniersystems muß derart sein, daß der Organismus oder Teile desselben in definierter Position, wie es die jeweilige Problemstellung erfordert, für Untersuchungs- und/oder Behandlungszwecke fixiert wird. Die für die Positionierung des Organismus erforderlichen Kräfte und/oder Drehmomente können durch mechanische Elemente, durch 5

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Lagerungsschalen- und Lagerungskissen, sowie durch Feldkräfte verschiedener Art auf den Organismus übertragen werden, um eine vorgegebene Lage zu erzwingen. Die Feldkräfte können z.B. elektrische, magnetische oder durch Strömungsfelder hervorgerufene Kräfte sein. Die Halterungsvorrichtung für den Organismus muß den hygienischen Erfordernissen gerecht werden.

Glatte, abwaschbare Oberflächen, die auch Desinfektionsprozeduren mit einschlägigen Desinfektions-, organischen und anorganischen Reinigungsmitteln standhalten, sind für Einsätze im human- und veterinärmedizinischen Bereich erforderlich und auch gesetzlich vorgeschrieben. Für Zwecke der Hüftsonografie des Säuglings existiert eine in Österreich patentierte Lagerungsschale (Pat. Nr.: 381 017), die aber den hygienischen Erfordernissen im medizinischen Praxisbetrieb nicht zufriedenstellend entspricht und auch in ihrer Formgebung nicht optimal an die Körperform des Säuglings angepaßt ist. Um verschieden große Organismen eines Typs untersuchen zu können, sind Lagerungsschalen, die den jeweilig aktuellen Dimensionen angepaßt werden können, vorteilhaft. Das läßt sich z. B. durch aufblasbare Kunststoffhüllen erreichen, die entsprechend der Oberfläche des zu untersuchenden oder behandelnden Organismus geformt sind und elastisch nachgeben bzw. durch Variation des Innendrucks angepaßt werden können und dabei ihre Formschlüssigkeit bewahren. Für den Aufbau derartiger Positionierkissen können verschiedene Folien Verwendung finden. Durch Druckvariationen in verschiedenen Kammern solcher Positionierkissen können auch definierte Lageänderungen des Organismus hervorgerufen werden.

Als Beispiel zeigt Abb. 3 ein für die sonografische Untersuchung der Säuglingshüfte ausgelegtes Positionierkissen, bei dem die oben beschriebenen Prinzipien verwirklicht sind. Das Positionierkissen wird in achsengerechter Weise auf der Grundplatte (vergl. Abb. 2) befestigt. Anstelle einer Grundplatte können auch andere mechanische Trägerkonstruktionen (z.B. Formrohre, Bleche, etc.) Verwendung finden.

Ausgehend vom Referenzkoordinatensystem, das durch das Referenzpositioniersystem fest gelegt ist, werden die Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente mit Hilfe eines Koordinatenführungssystems geführt. Als Koordinatensystem können kartesische, nicht-orthogonale und krummlinige Systeme konstruktiv realisiert werden, um den jeweiligen Führungsvorgaben optimal gerecht zu werden. Die Zahl der Freiheitsgrade wird der Fragestellung entsprechend konstruktiv realisiert, wobei eine Blockierung einzelner Freiheitsgrade oder eine Blockierung von Teilen eines Elongationsbereiches für die Untersuchung und/oder Behandlung wesentlich sein kann. Umgekehrt kann auch eine Anzahl von mehr als 6 Freiheitsgraden für das praktische Arbeiten vorteilhaft sein. Die Position und Orientierung der Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente kann in jeder Phase der Untersuchung und/oder Behandlung registriert werden. Dies kann im einfachsten Fall durch eingravierte Skalen erfolgen und mit dem Auge abgelesen werden, oder auch durch verschiedene Sensoren für Wege und Winkel erfolgen, die - z.B. elektromechanische, magnetische oder optische Komponenten enthalten. Die Lageinformationen von den Sensoren können als Analogsignale oder in digitalisierter Form vorliegen und weiterverarbeitet werden, um z.B. Weg-Zeit- bzw. Winkel-Zeit-Diagramme zu erstellen oder um Geschwindigkeiten und Beschleunigungen durch Differentiation nach der Zeit zu ermitteln. Umgekehrt können auch Beschieunigungs- oder Geschwindigkeitssensoren verwendet werden und daraus die Wege durch Integration ermittelt werden.

Die Bewegungen entlang der Koordinaten können manuell durchgeführt werden oder durch verschiedene Antriebsformen (z. B. elektromechanisch) erfolgen. Damit wird auch die Steuerung oder - in Verbindung mit den Positionssensoren - eine Regelung der Bewegung möglich. Damit ergibt sich ein Einsatzbereich für automatisierte oder teilautomatisierte Untersuchungen bzw. Therapien.

Durch geeignete Dimensionierung der Linearführungen, der Drehlager und der statisch entscheidenden Konstruktionselemente kann die Präzision der Vorrichtung der jeweiligen Fragestellung angepaßt werden. Eine mechanische Genauigkeit kann im Bereich von 10~6 m bis 1CT2 m - je nach Aufgabenstellung und Länge der Hebelarme - erreicht werden. Bei Verwendung als Montageplattform für chirurgische Werkzeuge wird die Stabilität der Vorrichtung den Kräften und Drehmomenten entsprechend hoch gewählt. Als Werkstoffe für den mechanischen Aufbau kommen nichtrostende Edelstähle und/oder Aluminiumlegierungen oder andere leicht zu reinigende Metalle oder Kunststoffe in Frage. Konstruktiv kann stets erreicht werden, daß das mechanische Führungssystem für die Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente nicht der limitierende Faktor für die Präzision der Positions- und Orientierungszuordnung zum Organismus ist, sondern, daß letztlich nur die Eigenschaften der Biomaterialien des Organismus die maximal erreichbare Genauigkeit determinieren. Dies ist ein wesentlicher Fortschritt im Vergleich zu herkömmlichen chirurgischen Verfahren, bei denen die Ungenauigkeit der manuellen Führung der Behandlungsinstrumente den determinierenden Faktor ausmacht.

Um manuell Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente entlang der durch das Führungssystem freigegebenen Wege möglichst ungestört vornehmen zu können, wird das Gewicht der beweglichen Teile des Führungssystems klein gehalten bzw. durch Gegengewichte und/oder Federzüge die Vorrichtung ausbalanciert. 6

Claims

AT 405 126 B Ausführungsbeispiel Die Abbildung 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel für geführte Bewegungen entlang der x-, y- und z-Achse und für Rotationen, die den Drehwinkeln ax, ay und a2 entsprechen. Die Instrumentehalterung ist hier ausgebildet, um als Untersuchungsgerät einen Ultraschallwandler aufzunehmen. Die mechanische Halterung für den zu untersuchenden Organismus ist in Abb. 2 nur schematisch angedeutet. Ein im Detail dargestelltes Ausführungsbeispiel eines aufblasbaren Lagerungskissens für die Hüftsonografie des Säuglings, das den medizinischen, meßtechnischen und hygienischen Ansprüchen genügt, ist in Abb. 3 gezeigt. Das Lagerungskissen ist achsengerecht über die Halterung H bzw. eine Grundplatte (vergl. Abb. 2a) mit dem mechanischen Führungssystem verbunden und stellt mit diesem eine funktionelle Einheit dar. Dieses Ausführungsbeispiel eines Positionierkissens ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer aufblasbaren Synthetikhaut besteht, dessen Formstabilität durch mehrere Luftkammern und entsprechende Zuschnitte der Synthetikhaut erreicht wird, wobei die Formschlüssigkeit, das heißt die eng anliegende Umhüllung des Organismus - in diesem Fall des Säuglings - auch bei der naturgegebenen Variabilität der Größen erhalten bleibt. Dies ist bereits durch das elastische Nachgeben der luftgefüllten Kammern realisiert und kann - bei beträchtlichen Größenunterschieden der Säuglinge - zusätzlich durch Veränderung des Luftdruckes in den jeweiligen Kammern (Aufblasen bzw. Luft ablassen) noch verbessert werden. Die Synthetikhaut kann leicht gereinigt und desinfiziert werden. Für Zwecke der Hüftsonografie werden die Rotationsfreiheitsgrade (ax und ay) durch Klemmschrauben (K) blockiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist neben der definierten Führung des Ultraschallwandlers relativ zur äußeren Form des Körpers (Freiheitsgrade: x, y, z und 02) als Konstruktionskriterium zu berücksichtigen, daß von einer Seite das Kind von der Mutter ohne mechanische Hindernisse in die Lagerungsschale gelegt werden kann und auch der untersuchende Arzt ausreichenden Freiraum für seine Tätigkeit hat. Daher wurde die y-Führung nur an einer Seite (bei der Halterung H) ausgebildet. (Für andere Anwendungen, bei denen größere Kräfte aus das Koordinatenführungssystem einwirken - wie z.B. bei chirurgischen Arbeiten - kann eine weitere y-Führung auch auf der gegenüberliegenden Seite - bei Hi - montiert werden, wodurch die Stabilität erhöht wird.) Dieses Ausführungsbeispiel ist für eine Anwendung, bei der die Wege entlang der kartesischen Koordinaten im 10"’m - Bereich liegen und die Führungsgenauigkeit (in diesem Fall eine Frage des elastischen Nachgebens aufgrund der Kräfte von der Hand des Untersuchers) bei 10"1 m bzw. ax = ay = konst. 1 · ist. Unter Berücksichtigung der Stabiiitätserfordernisse kann dieses Ausführungsbeispiel in einer vergrößerten Version (Wege im m - Bereich) auch für die Untersuchung von großen Organismen verwendet werden oder, bei entsprechender Dimensionierung, auch für kleine Organismen bis herab zum 10"1 m Bereich. Für chirurgische Arbeiten kann durch eine zweite y-Schiene (auf der Seite Hi) die Genauigkeit aufgrund der erhöhten Stabilität auf z.B. 10~2 m bzw. 10‘1 deg verbessert werden, trotz eventuell wesentlich höherer Kräfte, die mit dem chirurgischen Arbeiten verbunden sind. Ebensogut wie durch 2 Linearlager kann die Führung in der x-y Ebene auch durch zwei über kugelgelagerte Scharniergelenke miteinander verbundene Schenkel erfolgen, wie dies in Abb. 2b für die Hüftuntersuchung des Säuglings gezeigt ist. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Untersuchung und/oder Behandlung von Organismen oder von Teilen desselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine definierte Zuordnung der Lage und Orientierung von Untersuchungsinstrumenten und/oder Behandlungsinstrumenten zur anatomischen Form des Organismus ermöglicht, wobei die Lagerung des Organismus mit einem an seine Form und/oder Achsen angepaßten Referenzpositioniersystem erfolgt. Durch diese Zwangspositionierung des Organismus ist das Referenzkoordinatensystem festgelegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koordinatenführungssystem für die Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente mechanisch mit dem Referenzpositioniersystem für den Organismus verbunden ist, woraus sich eine definierte Zuordnung des Ortes und/oder der Orientierung der Instrumente zur äußeren Form des Organismus oder zu Teilen desselben ergibt. 7 1 Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 dadurch gekennzeichnet daß das Gerät für lebende, für nicht mehr lebende sowie für Teile von Organismen verwendet werden kann. ΑΤ 405 126 Β
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzpositioniersystem für den Organismus bzw. von Teilen desselben resistent ist gegenüber Desinfektionssubstanzen und Reinigungsmitteln, die im klinischen und veterinärmedizinischen Betrieb üblich sind, sodaß eine Desinfektion und Säuberung gemäß den gesetzlichen Vorschriften möglich ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzpositioniersystem für den Organismus bzw. von Teilen desselben mit Hilfe einer luftgefüllten (aufblasbaren) Synthetikhaut bzw. mehreren luftgefüllten Kammern realisiert wird, wobei die elastischen Eigenschaften und/oder veränderter Innendruck in diesen Lagerungskissen eine Anpassung an variable Organismusgrößen ermöglichen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Referenzpositioniersystem auch losgelöst von den mechanischen Komponenten zur Führung der Untersuchungs- und Behandlungsgeräte verwendet werden kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation des Luftdruckes in einzelnen Kammern definierte Änderungen der Position des Organismus hervorgerufen werden können und dadurch Übergänge zu neuen Referenzkoordinatensystemen erreicht werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Untersuchungsinstrumente sämtliche Vorrichtungen zur Erfassung anatomischer, motorischer, physiologischer, psychologischer, physikalischer, chemischer und biochemischer Eigenschaften des Organismus verwendet werden können.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Untersuchungsinstrumente alle Vorrichtungen für bildgebende Verfahren verwendet werden können.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß als Behandlungsinstrumente sämtliche Vorrichtungen, die chirurgische, orthopädische, physiologische, psychologische, physikalische, chemische oder biochemische Wirkungen auf den Organismus haben, verwendet werden können.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung der Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente nach kartesischen, nach nicht orthogonalen oder nach krummlinigen Koordinaten erfolgen kann.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß die Bewegungsfreiheit der Untersuchungssonden und/oder Behandlungsinstrumente relativ zur äußeren Form des Organismus definiert vorgegeben werden kann, sodaß nur bestimmte Trajektoren und Orientierungen bzw. Scharen von Trajektorien und Orientierungen möglich sind
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß auch mehrere Untersuchungssensoren und/oder Therapieinstrumente gleichzeitig verwendet werden können.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Gerät die Registrierung der Lage und/oder der Orientierung eines oder mehrerer geführter Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente relativ zum Referenzkoordinatensystem ermöglicht.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Gerät die Registrierung der Geschwindigkeits-Zeitverläufe der geführten Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente erlaubt. 8 AT 405 126 B
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Gerät die Registrierung der Beschleunigungs-Zeitverläufe der geführten Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente erlaubt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß die Bewegung der Untersuchungssonden und/oder Behandlungsinstrumente relativ zum Referenzkoordinatensystem, das durch das Referenzpositioniersystem definiert wird, mittels Computer oder sonstiger elektronischer Hilfsgeräte gesteuert oder geregelt werden kann. io Hiezu 5 Blatt Zeichnungen 75 20 25 30 35 40 45 50 9 55