CH690707A5

CH690707A5 - Marker zur Positionserfassung mit elektrischen bzw. elektronischen Licht-Sendeelementen

Info

Publication number: CH690707A5
Application number: CH01443/96A
Authority: CH
Inventors: Roger Spink
Original assignee: Leica Mikroskopie Sys Ag
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 2000-12-29
Also published as: WO1997047240A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Marker gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, insbesondere zur Verwendung in der Mikto- und Neurochirurgie, ist jedoch auf dieses Verwendungsgebiet nicht eingeschränkt. Die diesbezüglichen Angaben in dieser Patentanmeldung sind daher insofern nur beispielhaft zu verstehen.

Um Operationen im Inneren eines menschlichen oder tierischen Organismus durchführen zu k²nnen, sieht die neuere Operationstechnik vor, mittels MRI oder Computertomographie das zu operierende Gebiet räumlich zu erfassen und dreidimensional auf Bildschirmen darzustellen. Die verbesserte Mikroskopiertechnologie erlaubt dabei, ein Bild des von aussen gesehenen K²rpers ausserhalb des Operationsbereiches zu erfassen und dem MRI oder CT Bild zu überlagern. Dies hilft einem Chirurgen grundsätzlich, die zu operierende Stelle im Gewebe besser zu lokalisieren. Dazu ist es jedoch auch erforderlich, die Position des K²rpers relativ zur Position des K²rpers zum Zeitpunkt der MRI- oder CT-Aufnahme festzulegen bzw. die beiden Positionen in !bereinstimmung zu bringen.

Bevorzugt werden dazu am K²rper (z.B. am Kopf eines Patienten; sogenannte Fiducial Markers) Marker montiert, die zueinander in einer bestimmten Position sind und sowohl bei der MRI- oder CT-Aufnahme, als auch während der Operation unter dem Operationsmikroskop am selben Ort des Patienten verbleiben. !ber diese Marker ist eine Orientierung m²glich. Bevorzugt werden solche Marker als aktive Sendeelemente ausgebildet, die z.B. Infrarotsignale abstrahlen, die von einem Infrarotempfänger empfangen werden und zur Positionsbestimmung computerunterstützt ausgewertet werden k²nnen.

Die DE 3 807 578 A1 offenbart ein Verfahren zur räumlichen Erfassung eines menschlichen Schädels, bei dem optisch erfassbare Bezugspunkte am Schädel befestigt werden. Diese Bezugspunkte k²nnen auch durch Leuchtdioden gebildet sein.

Die DE 4 202 505 A1 offenbart ein Führungssystem zur räumlichen Positionierung eines Instrumentes, bietet jedoch keine Lehre hinsichtlich der Positionserfassung eines Patienten oder Objektes. Die Problematik von spannungsinduzierten Fehlstr²men im Gehirn durch stromleitende Bahnen im Bereich desselben ist dort nicht erkannt worden.

Die Erfindung geht von der Entdeckung aus, dass solche aktiven Positionierungs-Systeme, zumal sie häufig am Kopf eines Patienten oder in seiner Nähe angewendet werden und mit dem Kopf des Patienten unmittelbar verbunden sind (eingeschraubt), Probleme erzeugen k²nnten. Das Gehirn eines Patienten sollte bei solchen Operationen m²glichst wenig, und zwar schon gar nicht durch elektrische Fremdstr²me irritiert oder belastet werden, da solches das Operationsrisiko steigern k²nnte. Ausserdem k²nnen auftretende Fremdstr²me operationsnotwendige !berwachungen der Gehirnstr²me negativ beeinflussen. Die Erfindung setzt sich daher zum Ziel, Marker mit aktiven Sendeeigenschaften zu schaffen, die im Bereich ihres Anwendungsortes ohne elektrische Str²me auskommen.

Gel²st wird das Ziel dadurch, dass die elektrischen bzw. elektronischen Licht-Sendeelemente vom Marker entfernt angeordnet sind und mit dem Marker über optische Wellenleiter derart verbunden sind, dass die an einem Ende der optischen Wellenleiter eingespeisten Signale der Licht-Sendeelemente am Lichtaustritts-Ende der optischen Wellenleiter - am Marker - ins Freie abstrahlen k²nnen.

Gemäss einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind pro Marker wenigstens zwei, vorzugsweise drei Austrittsstellen von zwei bzw. drei voneinander unabhängigen Lichtwellenleitern vorgesehen, denen wenigstens ein oder gegebenenfalls je ein Sender zugeordnet ist. Das Verfahren zum Betreiben der Sender ent spricht dem bisher bekannten und angewendeten Verfahren, sodass darauf hier nicht näher eingegangen werden muss.

Ein weiterer besonders grosser Vorteil durch die Anwendung der Glasfasern ergibt sich daraus, dass die Glasfasern im Vergleich zu bisher verwendeten Leuchtdioden eine sehr kleine definierte Lichtaustrittsfläche aufweisen, die somit eine Positionierung des Ortes dieses Lichtaustrittes mit gr²sserer Genauigkeit erlauben, als dies bisher mit Leuchtdioden m²glich war.

Die Lichtaustrittsfläche kann darüber hinaus durch an sich bekannte optische Massnahmen, wie Korrekturlinsen, Loch- oder Schlitzblenden, Pinholes o.dgl. noch verbessert werden.

Figurenbeschreibung

In der Zeichnung sind 6 Figuren mit unterschiedlichen Details dargestellt. Die Figuren sind rein schematisch und werden zusammenhängend beschrieben. Gleiche Bauteile tragen gleiche Bezugszeichen. Funktionsähnliche Bauteile tragen indizierte Bezugszeichen. Es zeigen:

Fig. 1 zwei einander gegenüberliegend angeordnete Marker mit Positionssensor und Steuerung,
Fig. 2 einen Marker mit drei Lichtsendeausgängen und einem optischen Wellenleiter,
Fig. 3 einen ringf²rmigen, beispielsweise an einem Kopf befestigbaren Marker mit wenigstens drei optischen Wellenleitern,
Fig. 4 einen rahmenf²rmigen Marker, dessen optische Wellenleiter mit einer Steuerung verbunden sind,
Fig. 5 eine vergr²sserte Variante einer Lichtaustrittsfläche aus einem optischen Wellenleiter und
Fig.

6 eine Variante mit mehreren, durch geometrische Schlitzblenden codierten Markern oder optischen Wellenleiter-Ausgängen.

Fig. 1 zeigt einen Marker 1a, an dessen Oberseite ein kleiner Umlenkspiegel oder ein lichtoptisches Streuelement 2a und das Ende eines Lichtwellenleiters 3a montiert sind. Am anderen Ende des Lichtwellenleiters 3a befindet sich ein Sender in Form einer Leuchtdiode 4a, diese ist über eine Steuerung 5a angesteuert. Mit der Steuerung 5a ist ein Positionssensor 6a verbunden, der das Licht des Markers 1a empfangen kann.

Ein zweiter Marker 1b ist in einem Abstand 7 vom ersten angeordnet und sendet ebenso das Signal desselben Senders 4a oder eines anderen Senders 4b in den Raum. !ber elektronisches bzw. rechnerisches Auswerten k²nnen die Informationen, die aus verschiedenen Richtungen am Sensor 6a eintreffen, ausgewertet werden, um den Abstand 7 zwischen benachbarten Markern 1a, b und den Abstand zum Sensor 6a und dann die Position der Marker bzw. des damit verbundenen K²rperteils zu bestimmen. Als Streuelement 2a kommen beispielsweise aufgeraute reflektierende Flächen in Frage z.B. sandgestrahlte Aluminiumflächen.

Als Positionssensor kommen an sich bekannte, mehrdimensionale Sensoren, wie z.B, CCD-Arrays, Matrixanordnungen etc. in Frage.

Als Lichtwellenleiter bieten sich Glasfasern(-Bündel), Kunststoffleitungen, flüssigkeitsbefüllte Schläuche (z.B. Silicon²l) usw. an.

Dieses Verfahren ist grundsätzlich schon bekannt. Neu ist, dass an den Markern 1 erfindungsgemäss keine messbaren elektrischen Str²me auftreten.

Fig. 2 zeigt einen Marker 1c mit drei Lichtsendeausgängen 8a-c, die von einem einzigen Lichtwellenleiter 3b über ein integriertes Lichtleitersystem mit Sendeenergie versorgt werden. Das integrierte Lichtleitersystem 9a ist nur angedeutet, da sich dafür viele bekannte Techniken einsetzen lassen. Insbesondere k²nnten Lichtleiterbahnen entlang von Glasplatten oder gespleisste Glasfasern, Strahlenteiler o.dgl. zum Einsatz gelangen. Der Vorteil eines solchen Markers gegenüber jenen nach Fig. 1 liegt in einer verbesserten bzw. vereinfachten Bestimmbarkeit seiner Position relativ zum Sensor 6a, da auf dem Marker selbst eine vorgegebene Geometrie der Signalabgabestellen herrscht, die bekannt und vorzugsweise unveränderbar ist, was noch weiter verbessert ist mit einem noch gr²sseren Marker nach Fig. 3.

Fig. 3 zeigt einen grossflächigen Marker 1d in Ringform, der mittels drei Schrauben 10 beispielsweise an einem Kopf befestigt werden kann. In dem Ring 1d integriert sind drei oder mehr Lichtwellenleiter 3c, die zu je einem Sendeausgang 8d-f führen, wobei an den jeweils anderen Enden der Lichtwellenleiter 3c jeweils ein eigener Sender angeordnet ist, sodass die von den Ausgängen 8d-f abgestrahlte Sendeenergie unterschiedlich ist, z.B. unterschiedliche Pulsfrequenz, Lichtfarbe o.dgl. aufweist. Diese erm²glicht die Lagebestimmung des Markers durch Erkennen der Lage der einzelnen Ausgänge 8d-f. Die Ringform erh²ht dessen Stabilität, sodass es bei wiederholten Montagen weniger leicht zu Abweichungen kommen kann.

Der ringf²rmige stabile Aufbau erlaubt darüber hinaus ein gutes reproduzierbares Positionieren des Markers 1b z.B. am Kopf eines Patienten, selbst wenn er nicht mittels Schrauben im Schädel angeschraubt, sondern von diesem durch Mess-Distanz-Stellschrauben reproduzierbar distanziert ist.

Fig. 4 zeigt eine andere Variante mit einem Rahmen 15, der die Marker 8g trägt, die über Lichtwellenleiter 3 mit der Steuerung 5a verbunden sind. Der Rahmen verfügt über eine bestimmte geometrische Form, die seine Erkennung und damit seine Lage im Raum festzustellen erlaubt. Der Rahmen ist über einen Arm 14 z.B. mittels "mayfield clamp'' (einer am Patienten befestigbaren Klammer 1e) verbunden, sodass er in einer starren Relation zum Patienten liegt. Eine Positionsänderung des Patienten führt zu einer nderung der Raumlage des Rahmens und der Lichtausgänge 8g. Dieser Aufbau ist insofern unterschiedlich und vorteilhaft gegenüber dem Aufbau der Fig. 3, als er beim Patienten mehr Bewegungsfreiheit für einen Operateur erm²glicht, ohne zu einer erh²hten Abschattung der Lichtaustrittsflächen zu führen.

Fig. 5 zeigt eine vergr²sserte Variante einer Lichtaustrittsfläche aus einem Lichtwellenleiter 3, der eine Linse 11 vorgesetzt ist, die zu einem vergr²sserten Austrittswinkel bzw. Abstrahlwinkel alpha führt. Das Ende des Lichtwellenleiters 3 und die Linse sind gemeinsam an einer Fassung 12 gehalten, die mit einer Basis 13 verbunden ist.

Selbstverständlich kann die Erfindung auch in allen anderen Bereichen, in denen eine lichtoptische Positionierung von Vorteil ist und in denen auf elektrische Strombahnen im Bereich der Markierungen verzichtet werden soll, zum Einsatz gelangen. Die Anwendung in der Operationschirurgie ist nur als typisches Beispiel angeführt.

Als weitere Variante liegt im Rahmen der Erfindung eine Ausbildung mit mehreren Markern, d.h. Lichtleiterausgängen, jedoch nur einer einzigen Signalfunktion darauf. D.h. die Zuführung zu allen Markern erfolgt über ein einziges Glasfaserkabel bzw. mehrere Glasfaserkabel gehen von einer einzigen Lichtquelle aus. Die optische Erkennung und Zuordnung ist dann nicht eingeschränkt auf die modulierte Lichtabgabe vom einzelnen Marker, sondern nur von dessen räumlicher Anordnung in Bezug zu den anderen Markern.

Eine weitere Variante der Erfindung ist denkbar (vgl. Fig. 6), bei der an Stelle der geometrischen Anordnung mehrerer Marker bzw. Lichtwellenleiterausgänge durch geometrische Schlitzblenden 16 o.dgl. geometrisch codiert sind, sodass beispielsweise von einem einzigen Marker 1f eine geometrisch definierte, z.B. sternf²rmige oder auch asymmetrische Abstrahlleistung abgegeben werden kann, wobei die Querschnitte der einzelnen Strahlenbündel 17 definiert sind, z.B. rund, dreieckig oder mehrfach punktf²rmig nebeneinander liegend o.dgl. Dies erm²glicht das Verwenden von nur wenigen Markern oder nur einem, was zu einer verbesserten Kompaktheit führt.

Die einzelnen Strahlenbündel 17 k²nnten beispielsweise jedoch auch z.B. mittels Filter farbcodiert sein, um eine entsprechende Zuordnung und Orientierung zu erm²glichen.

Bezugszeichenliste

1a-f Marker
2a Streuelement
3 optischer Wellenleiter
3a-d Lichtwellenleiter
4a-c Sendeelement, Leuchtdiode, Sender
5a Steuerung
6 Sensor
6a Sensor
7 Abstand
8 Lichtaustritt-Ende
8a-c Lichtsendeausgänge
8d-h Ausgänge/Sendeausgänge
9 Lichtleitersystem
9a Lichtleitersystem
10 Schrauben
11 Linse
12 Fassung
13 Basis
14 Arm
15 Rahmen

Claims

1. Marker (1) mit elektrischen bzw. elektronischen Licht-Sendeelementen (4), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen bzw. elektronischen Licht-Sendeelemente (4) vom Marker (1) entfernt angeordnet sind und mit dem Marker (1) über optische Wellenleiter (3) derart verbunden sind, dass die Signale der Licht-Sendeelemente (4) an einem Ende der optischen Wellenleiter (3) eingespeist, am Lichtaustritts-Ende (8) der optischen Wellenleiter (3) - am Marker (1) - ins Freie abstrahlen k²nnen.

2. Marker (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ihm wenigstens zwei, vorzugsweise drei Lichtaustritts-Enden (8) von zwei bzw. drei voneinander unabhängigen optischen Wellenleitern (3) zugeordnet sind, denen wenigstens ein oder gegebenenfalls je ein Licht-Sendeelement (4) zugeordnet ist.

3.

Marker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zweiteilig ausgebildet ist, wobei der untere Teil als in einem Knochen befestigbare Schraube ausgebildet ist und der obere Teil - der die Lichtaustritts-Enden (8) trägt - am unteren Teil l²sbar befestigbar ist.

4. Marker (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Markers (1) eine Rast-Klemm- oder Magnethaftverbindung vorgesehen ist.

5. Marker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Marker (1) mündenden Lichtaustritts-Enden (8) des optischen Wellenleiters (3) l²sbar befestigt sind.

6. Marker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lichtaustritts-Ende (8h) der optischen Wellenleiter (3) eine geometrische Schablone oder Blende (16) zugeordnet ist.