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
The invention relates to a marker according to the preamble of claim 1, in particular for use in microsurgery and neurosurgery, but is not restricted to this area of use. The relevant information in this patent application is therefore to be understood only as an example.
In order to be able to carry out operations inside a human or animal organism, the newer surgical technique provides for spatial detection of the area to be operated on by means of MRI or computer tomography and three-dimensional representation on screens. The improved microscope technology allows an image of the body seen from the outside to be captured outside of the operating area and superimposed on the MRI or CT image. This basically helps a surgeon to better localize the area to be operated on in the tissue. To do this, however, it is also necessary to determine the position of the body relative to the position of the body at the time of the MRI or CT scan or to bring the two positions into agreement.
For this purpose, markers are preferably mounted on the body (for example on the head of a patient; so-called fiducial markers), which are in a specific position with respect to one another and both during the MRI or CT scan and during the operation under the surgical microscope at the same location of the patient remain. Orientation is possible using these markers. Such markers are preferably formed as active transmission elements, e.g. Radiate infrared signals that are received by an infrared receiver and can be evaluated with the help of a computer to determine their position.
DE 3 807 578 A1 discloses a method for the spatial detection of a human skull, in which optically detectable reference points are attached to the skull. These reference points can also be formed by light-emitting diodes.
DE 4 202 505 A1 discloses a guidance system for the spatial positioning of an instrument, but does not offer any teaching regarding the position detection of a patient or object. The problem of voltage-induced fault currents in the brain due to current-carrying tracks in the area of the brain has not been recognized there.
The invention is based on the discovery that such active positioning systems, especially since they are often used on or near a patient's head and are directly connected (screwed in) to the patient's head, could create problems. The brain of a patient should be as little as possible during such operations, and certainly not irritated or stressed by external electrical currents, as this could increase the risk of surgery. In addition, external currents that occur can negatively influence the brain currents that are necessary for surgery. The aim of the invention is therefore to create markers with active transmission properties which do not require any electrical currents in the area of their application.
The goal is achieved in that the electrical or electronic light-transmitting elements are arranged at a distance from the marker and are connected to the marker via optical waveguides in such a way that the signals of the light-transmitting elements fed in at one end of the optical waveguide at the light exit end of the optical waveguide - at the marker - can radiate outdoors.
According to a preferred embodiment of the invention, at least two, preferably three exit points of two or three mutually independent optical fibers are provided per marker, to which at least one or possibly one transmitter is assigned. The method for operating the transmitter corresponds to the previously known and applied method, so that there is no need to go into detail here.
Another particularly great advantage of using the glass fibers results from the fact that the glass fibers have a very small defined light exit area compared to previously used light-emitting diodes, which therefore allows the location of this light exit to be positioned with greater accuracy than was previously possible with light-emitting diodes .
The light exit surface can moreover by optical measures known per se, such as correction lenses, aperture or slit diaphragms, pinholes or the like. can still be improved.
Figure description
In the drawing, 6 figures are shown with different details. The figures are purely schematic and are described together. The same components have the same reference numerals. Functionally similar components have indexed reference numerals. Show it:
1 two oppositely arranged markers with position sensor and control,
2 shows a marker with three light transmission outputs and an optical waveguide,
3 shows an annular marker, for example attachable to a head, with at least three optical waveguides,
4 shows a frame-shaped marker, the optical waveguides of which are connected to a controller,
Fig. 5 is an enlarged variant of a light exit surface from an optical waveguide and
Fig.
6 shows a variant with several markers coded by geometrical slot diaphragms or optical waveguide outputs.
1 shows a marker 1a, on the upper side of which a small deflecting mirror or a light-optical scattering element 2a and the end of an optical waveguide 3a are mounted. At the other end of the optical waveguide 3a there is a transmitter in the form of a light-emitting diode 4a, which is controlled by a controller 5a. A position sensor 6a, which can receive the light of the marker 1a, is connected to the controller 5a.
A second marker 1b is arranged at a distance 7 from the first and likewise sends the signal from the same transmitter 4a or another transmitter 4b into the room. The information arriving from different directions at sensor 6a can be evaluated by electronic or computational evaluation, by the distance 7 between adjacent markers 1a, b and the distance to sensor 6a and then the position of the markers or the associated one Body part to be determined. For example, roughened reflecting surfaces can be used as scattering element 2a, e.g. sandblasted aluminum surfaces.
Known multi-dimensional sensors, such as CCD arrays, matrix arrangements, etc., can be used as position sensors.
Glass fibers (bundles), plastic lines, liquid-filled hoses (e.g. Silicon²l) etc. are suitable as optical fibers.
In principle, this method is already known. What is new is that, according to the invention, no measurable electrical currents occur at the markers 1.
2 shows a marker 1c with three light transmission outputs 8a-c, which are supplied with transmission energy by a single optical waveguide 3b via an integrated optical waveguide system. The integrated light guide system 9a is only hinted at since many known techniques can be used for this. In particular, optical fibers could run along glass plates or spliced glass fibers, beam splitters or the like. are used. The advantage of such a marker over that of FIG. 1 lies in an improved or simplified determinability of its position relative to the sensor 6a, since there is a predetermined geometry of the signal delivery points on the marker itself, which is known and preferably unchangeable, which is further improved with an even larger marker according to FIG. 3.
3 shows a large-area marker 1d in the form of a ring, which can be attached to a head by means of three screws 10, for example. Integrated in the ring 1d are three or more optical waveguides 3c, each of which leads to a transmission output 8d-f, a separate transmitter being arranged at the respective other ends of the optical waveguides 3c, so that the transmission energy emitted by the outputs 8d-f is different , e.g. different pulse frequency, light color or the like. having. This enables the position of the marker to be determined by recognizing the position of the individual outputs 8d-f. The ring shape increases its stability, so that deviations are less likely to occur during repeated assembly.
The ring-shaped, stable structure also allows good, reproducible positioning of the marker 1b, e.g. on the head of a patient, even if he is not screwed into the skull with screws, but is reproducibly distanced from it using measuring distance adjusting screws.
FIG. 4 shows another variant with a frame 15 which carries the markers 8g, which are connected to the control 5a via optical waveguides 3. The frame has a certain geometric shape that allows its detection and thus its position in space. The frame is connected via an arm 14 e.g. connected by means of a "mayfield clamp '' (a clamp 1e which can be attached to the patient) so that it lies in a rigid relation to the patient. A change in the position of the patient leads to a change in the spatial position of the frame and the light outputs 8g. This structure is therefore different and advantageous compared to the structure of FIG. 3, when it allows the patient more freedom of movement for a surgeon without leading to increased shadowing of the light exit surfaces.
FIG. 5 shows an enlarged variant of a light exit surface from an optical waveguide 3, in front of which a lens 11 is placed, which leads to an enlarged exit angle or radiation angle alpha. The end of the optical waveguide 3 and the lens are held together on a mount 12 which is connected to a base 13.
Of course, the invention can also be used in all other areas in which optical positioning is advantageous and in which electrical current paths in the area of the markings are to be dispensed with. The use in surgical surgery is only given as a typical example.
Another variant within the scope of the invention is training with several markers, i.e. Fiber optic outputs, but only a single signal function on it. I.e. all markers are fed via a single fiber optic cable or several fiber optic cables are based on a single light source. The optical recognition and assignment is then not limited to the modulated light output from the individual marker, but only from its spatial arrangement in relation to the other markers.
A further variant of the invention is conceivable (cf. FIG. 6), in which instead of the geometric arrangement of a plurality of markers or optical waveguide outputs by means of geometric slit diaphragms 16 or the like. are geometrically coded, so that, for example, a geometrically defined, e.g. star-shaped or asymmetrical radiation power can be emitted, the cross sections of the individual beams 17 being defined, e.g. round, triangular or multiple points lying next to each other or the like. This enables the use of only a few markers or only one, which leads to an improved compactness.
However, the individual beams 17 could also e.g. be color-coded using a filter to enable appropriate assignment and orientation.
Reference list
1a-f markers
2a scattering element
3 optical waveguides
3a-d optical fiber
4a-c transmission element, light emitting diode, transmitter
5a control
6 sensor
6a sensor
7 distance
8 light exit end
8a-c light transmission outputs
8d-h outputs / transmit outputs
9 light guide system
9a light guide system
10 screws
11 lens
12 version
13 base
14 arm
15 frames