DE10030507A1 - Manipulator für interventionelle und operative Eingriffe unter CT/MRT-Kontrolle - Google Patents

Manipulator für interventionelle und operative Eingriffe unter CT/MRT-Kontrolle

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Abstract

Manipulator zur Positionierung von medizinischen Instrumenten am Patienten in einem Magnetresonanztomographen MRT oder Computertomographen CT, bestehend aus einem schwenk-, dreh-, neig- und ausfahrbaren Manipulatorarm, einer Halterung für den Manipulatorarm, einen Manipulatorkopf, welcher am distalen Ende des Manipulatorarmes angeordnet ist, sowie mindestens einem medizinischen Instrument, welches in dem Manipulatorkopf schwenkbar eingesetzt ist. Aufgabe der Erfindung ist es, den beschriebenen Manipulator so weiterzuentwickeln und in seiner Handhabung zu verbessern, dass er im CT oder MRT universell, insbesondere als Trägersystem für ferngesteuerte bildgestützte Eingriffe am Patienten ohne Lageveränderung des Patienten auf der Patientenliege einsetzbar ist. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Halterung für den Manipulatorarm eine Laufkatze ist, die motorisch auf einem Bogenträger verfahrbar ist und der Manipulatorarm oder der Manipulatorkopf eine Sicherheitsvorrichtung für ein schnelles manuelles Entfernen des medizinischen Instrumentes vom Patienten enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Manipulator für den Einsatz in einem Magnetresonanztomographen MRT oder Computertomographen CT mit einem durchgehenden Kanal zum Einschieben einer Patientenauflage für Patienten gemäß des Oberbegriffs des ersten Anspruchs.
Derartige Manipulatoren eignen sich für ferngesteuerte Ein­ griffe an einem Patienten in der interventionellen Radiolo­ gie. Sie müssen dabei ein chirurgisches Instrument in den beengten Verhältnissen im CT oder MRT zu der gewünschten Position am Patienten heranführen, an dieser Position in die gewünschte Richtung zum Patienten durch Schwenken für den ferngesteuerten Eingriff auszurichten.
Bei der interventionellen Radiologie orientiert und über­ wacht der Arzt seine operativen Eingriffe mit Hilfe von bildgebenden Verfahren, beispielsweise mit Hilfe der CT und MRT. Üblicherweise liegt der Patient dabei auf einer Pati­ entenliege, während der behandelnde Arzt den Eingriff am Bildschirm überwacht. Bei tomographischen Verfahren, wie z. B. die CT- und MRT-Verfahren sind dies zweidimensionale Schnittbilder durch den Patientenkörper, welche im geringen Abstand zueinander aufgenommen werden und zu einem dreidi­ mensionalen Abbild, einem sogenannten Tomogramm des Patien­ tenkörper zusammensetzbar sind. Die erstellten Tomogramme zeigen die inneren Organe, Gewebe- und Knochenstrukturen im Detail. Dabei können beliebige Schnittbilder generiert wer­ den. Zudem lassen sich beim CT durch Kippen der Gantry oder programmgesteuert beim MRT individuelle Schnittdarstellun­ gen generieren.
Anhand der tomographischen Daten legt der behandelnde Arzt seine Zugangplanung zum anschließend zu operierenden Organs fest und ermittelt die Koordinaten für den Einstich des me­ dizinischen Instrumentes. Diese Daten lassen sich beispielsweise auch als Positionsdaten an die Manipulatorsteu­ erung überführen.
In DE 198 18 785 A1 wird ein Manipulator für die Diagnostik und therapeutische Behandlung der Mammas bäuchlings auf der Patientenliege liegender weiblicher Patienten im MRT be­ schrieben, wobei der behandelnde Arzt den operativen Ein­ griff mit Hilfe des MRT bildgestützt überwacht. Dabei be­ steht der Manipulator aus einer Halterung, an die ein schwenk-, dreh- und ausfahrbarer Manipulatorarm befestigt ist, einem Manipulatorkopf, welcher am distalen Ende des Manipulatorarmes angeordnet ist, sowie ein medizinisches Instrument, welches in dem Manipulatorkopf schwenkbar ein­ gesetzt ist. Die Antriebe erfolgen im wesentlichen über rechnergestützte Stellmotoren außerhalb des MRT und werden über Wellen und. Seilzüge zum Manipulator im MRT übertragen, wobei die erforderlichen Getriebe zum Teil im Manipulator, d. h. im MRT angeordnet sind. Aufgrund seiner konstruktiven Gestaltung, bedingt auch durch die begrenzten Platzverhält­ nisse im Kanal eines MRT, ist der Manipulator nur für das Anfahren der Mammas und daher nicht universell einsetzbar.
Ausgehend davon hat nun die vorliegende Erfindung zur Auf­ gabe, einen wie eingangs beschriebenen Manipulator weiter­ zuentwickeln und in seiner Handhabung zu verbessern. Dabei soll der Manipulator im CT oder MRT universell, insbesonde­ re als Trägersystem für ferngesteuerte bildgestützte Ein­ griffe über weite Bereiche am Patienten ohne Lageverände­ rung des Patienten im Kanal eines MRT oder CT, einsetzbar sein.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale vor, die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind. Weitere, vorteilhafte und die Erfindung weiterbildende Merkmale sind in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprüche zu sehen.
Der erfindungsgemäße Manipulator wird im folgenden anhand von Zeichnungen zweier Ausführungsformen erläutert. Als chirurgi­ sches Instrument am Instrumentenkopf dient bei beiden Ausfüh­ rungsformen beispielhaft eine Vorrichtung für die manipulator­ gesteuerte Injektion von medizinischen Präparaten in den Patien­ tenkörper. Es zeigen
Fig. 1a und b Ansichten des Manipulators der ersten Ausführungs­ form, in axial bzw. radial zum Patienten verlaufender Richtung,
Fig. 1c die Aufsicht des Manipulators der ersten Ausführungs­ form,
Fig. 2 eine Ansicht des Manipulators der ersten Ausführungsform entsprechend Fig. 1b mit Patientenliege, Patient und geschwenk­ tem Gantry eines CT als Prinzipskizze, sowie
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Manipulators der zweiten Ausführungsform mit Patient, Patientenliege und geschwenktem Gantry eines CT.
Die erste Ausführungsform des Manipulators besteht, wie den Fig. 1a bis c und 2 zu entnehmen ist, aus einer Laufkatze 1, welche mit über in Fig. 1a und b erkennbare Laufrollen 2 auf speziellen Laufschienen auf dem Bogenträger 3 geführt ist und motorisch auf diesem verfahren wird, ferner einem ausfahrbaren Teilarm 4, an dessem distalen Ende der um dieses distale Ende schwenkbare Teilarm 5 anschließt. Als Manipulatorkopf 6 mit ei­ ner C-Bogenführung 7 für die schwenkbare Aufnahme eines medizi­ nischen Instrumentes, im Beispiel einer Injektionsnadelvorschub­ vorrichtung 8, dient das distale Endstück des schwenkbaren Teil­ armes. Für die Versorgung der Injektionsnadelvorschubvorrichtung 8 mit zu injizierenden medizinischen Präparaten ist eine Dosier­ vorrichtung 11, in Fig. 1b und c angedeutet, erforderlich, wel­ che am proximalen Ende des ausfahrbaren Teilarmes so befestigt ist, dass sie mit in den MRT oder CT mit einfahrbar ist.
Der ausfahrbare Teilarm 4 ist, wie in den Fig. 1a bis c dargestellt, parallel zur Hauptachse des Patienten mittels Spindelantrieb ausfahrbar. Ferner kann lässt sich dieser ausfahrbare Teilarm mittels Schneckenradantrieb um seine eigene Achse drehen, womit sich die Schwenkrichtung des schwenkbaren Teilarmes 5 zum Patienten ändert. Die beiden genannten Antriebseinheiten sind in der ersten Ausführungs­ form in der Laufkatze untergebracht. Alternativ zum genann­ ten Spindelantrieb eignen sich auch Zahnstangen-, Riemenan­ triebe oder hydraulische oder pneumatische Zylinder. Ebenso kann der in Fig. 1b dargestellte Schneckenradantrieb durch pneumatische, hydraulische oder riemengestützte Antriebs­ einheiten ersetzt werden.
Der schwenkbare Teilarm 5 ist mit einer Schwenkverbindung 12 an das distale Ende des ausfahrbaren Armes 4 angebracht und damit mittels eines Schneckenradantriebs in einer Schwenkebene schwenkbar. Diese Schwenkebene lässt sich durch Drehen des ausfahrbaren Teilarmes 4 um seine eigene Achse verdrehen. Der in den Fig. 1b und c dargestellte Schneckenradantrieb ist durch pneumatische, hydraulische oder riemengestützte Antriebseinheiten ersetzbar.
Der Bogenträger 3 ist im ersten Ausführungsform auf der Patien­ tenliege 9 auf einer nicht weiter dargestellten angetriebenen Schienenschlittenführung axial zum und über den Patienten 10 verschiebbar. Als Antriebe hierfür eignen sich Spindelantriebe, welche beispielsweise im Falle einer MRT-Anwendung von außerhalb des MRT positionierten Elektromotors und über längere Wellen an­ getrieben werden. Alternativ eignen sich für einen MRT-Einsatz prinzipiell auch hydraulische Langhubzylinder, Antriebe mit pneumatischen oder hydraulischen Turboantrieben oder Zahnstan­ genantriebe.
Im Falle von Komplikationen beim Patienten während des Eingrif­ fes ist ein schnelles Herausfahren der Patientenliege aus dem CT oder MRT und ein schnelles Entfernen des chirurgischen Instrumentes vom Patienten 10 erforderlich. Aus diesem Grund ist der Bogenträger 3 mit einer Schnellkupplung auf der Schlittenführung befestigt und die Schwenkverbindung 12 zwischen ausfahrbaren und schwenkbarem Teilarm mit einer Rutschkupplung zum manuellen Weg­ schwenken des schwenkbaren Teilarmes und damit zum Entfernen des medizinischen Instrumentes, im Beispiel der Injektionsnadelvor­ schubvorrichtung 8, vom Patienten ausgestattet.
Fig. 2 zeigt schematisch den Manipulator der ersten Ausführungs­ form mit einer Injektionsnadelvorschubvorrichtung 8 entsprechend Fig. 1b, jedoch im Betriebszustand in einem CT mit Patientenlie­ ge 9 und einen hierauf bäuchlings liegenden Patienten 10. Die Patientenliege 9 ist entlang ihrer Längsachse verschiebbar, das Gantry 13 des CT schwenkbar. Dadurch können Schnittbilder vom im Messbereich des CT liegenden Teilbereich des Patienten 10 mit innerhalb des Schwenkbereichs des Gantrys 13 beliebigen Winkeln zur Körperlängsachse aufgenommen werden. In Fig. 2 ist das Gan­ try 13 des CT zur Lage des Patienten 10 so geschwenkt, dass eine CT-Schnittdarstellung durch den Patienten 10 auf der in Fig. 2 als Linie dargestellten Schnittebene 14 generierbar ist. Wird die Injektionsnadelvorschubvorrichtung 8 durch den Manipulator so ausgerichtet, dass sich die Injektionsnadel direkt auf der Schnittebene 14 befindet und bewegt wird, ist eine Injektion un­ ter ständiger Überwachung mittels bildgebender CT-Schnittdar­ stellung auf vorteilhafter Weise allein auf der eingestellten Ebene durchführbar.
Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung die zweite Ausfüh­ rungsform des Manipulators, bei der im Gegensatz zu der ersten, zuvor beschriebenen Ausführungsform der Bogenträger 3 nicht auf der Patientenliege 9, sondern an den Gantry 13 des CT befestigt und mit diesem schwenkbar ist. Ferner ist der ausfahrbare Teil­ arm 4 an die Form des Kanals in der Gantry 13 angepasst, d. h. geknickt gestaltet, wobei das proximale Ende 15 des ausfahrbaren Teilarmes 4 in der Laufkatze 1 radial und nicht tangential zum Patienten 10 mittels Spindel-, Riemen-, hydraulischer Zylinder- oder Zahnstangenantrieb bewegbar ist. Die axiale Relativbewegung von Manipulatorkopfes 6 mit der Injektionsnadelvorschubvorrich­ tung 8 zum Patienten 10 erfolgt dagegen allein über ein Ver­ schieben der Patientenliege im CT. Ferner ist der ausfahrbare Teilarm 4 konstruktiv bedingt nicht um seine Längsachse drehbar. Dagegen ist die Schwenkvorrichtung 12 auf dem ausfahrbaren Arm 4 um die Längsachse des distalen Endes des ausfahrbaren Armes drehbar aufgesetzt, wobei für die Verstellung ein elektromotori­ scher Schneckenradantrieb, alternativ im Falle eines MRT-Einsat­ zes mit einem pneumatischen oder hydraulischen Turbomotor, einem Piezoantrieb oder einem kolbengestützten pneumati­ schen oder hydraulischen Antrieb, zum Einsatz kommt.
Die Schwenkvorrichtung 12, der schwenkbare Arm 5 und der Manipu­ latorkopf 6 mit C-Bogenführung 7 und die hierfür erforderlichen Antriebe der zweiten Ausführungsform entsprechen denen der er­ sten Ausführungsform, wobei jedoch das medizinische Instrument über eine schnell lösbare Schnellkupplung am Manipulatorkopf be­ festigt ist. Im Falle von Komplikationen während eines Eingrif­ fes ist so das eingesetzte medizinische Instrument schnell vom Manipulatorkopf entfernbar und gemeinsam mit dem Patienten 10 aus dem CT oder MRT herausfahrbar.
Gegenüber der ersten Ausführungsform liegt in der gemeinsamen Schwenkbarkeit von Gantry 13 und Manipulator der besondere Vor­ teil der zweiten Ausführungsform. Wird durch den Manipulator eine Injektionsnadelvorschubvorrichtung so positioniert, dass einerseits die Längsachse der Injektionsnadel auf der Schnitt­ ebene 14 liegt und auf dieser auch in den Patienten einstechbar ist, andererseits die CT-Schnittdarstellung des Patienten 10 ebenfalls mit dieser Schnittebene zusammenfällt, kann die Injek­ tionsnadelvorschubvorrichtung 8 gemeinsam mit der Schnittebene 14 bei fest eingestellter Manipulatoreinstellung verschoben wer­ den. Eine Korrektur der Ausrichtung der Injektionsnadelvorschub­ vorrichtung 8 mit der Injektionsnadel wäre dann nur auf der Schnittebene 14, d. h. im eingeschränkten Maße, erforderlich. Dies erspart für diesen Einsatzbereich ein Teil der Manipula­ torsteuerung. Sind bestimmte Bewegungsvorgänge des Manipulators während des Eingriffes nicht erforderlich, kann ferner auf ein­ zelne Antriebseinheiten für den Manipulator verzichtet werden, womit sich der technische Aufwand und damit die Kosten für einen Manipulator reduzieren.
In jedem Fall ist der Manipulator mit geeigneten Kontaktsensoren Abstandshalter und Endschaltern ausgestattet, welche ein unkontrolliertes Anfahren des Manipulators auf den Patienten 10, damit ungewollte Verletzungen des Patienten 10 vermeiden und beim Ansprechen eine vorprogrammierte Reaktion, beispielsweise ein Wegfahren des Manipulators vom Patienten, veranlassen. Alternativ zu den Kontaktsensoren sind auch berührungslose Infrarotdetektoren oder Temperaturfühler für diesen Zweck einsetzbar.
Wird der Manipulator im MRT eingesetzt dürfen keine magne­ tisierbaren Materialen für die Antriebe und Sensoren ver­ wendet werden, wobei ggf. vorhandene Elektromotoren durch pneumatische oder hydraulische Turbomotoren, durch Piezoan­ triebe oder kolbengestützte pneumatische oder hydraulische Antriebe ersetzt werden müssen.
Als Antriebe für den Manipulator für einen Einsatz im MRT eignen sich alternativ zu den beschriebenen Antrieben unabhängig von der Ausführungsform auch außerhalb des MRT liegenden Elektroan­ triebe, wobei die Antriebsleistung über Kardan- Bowdenzug- oder Seilzugtriebe auf den Manipulator übertragen werden.
Auf jeden Fall ist vor dem Eingriff Patient und Manipulator mit Sterilbezügen abzudecken.
Bezugszeichenliste
1
Laufkatze
2
Laufrollen
3
Bogenträger
4
ausfahrbarer Teilarm
5
schwenkbarer Teilarm
6
Manipulatorkopf
7
C-Bogenführung
8
Injektionsnadelvorschubvorrichtung
9
Patientenliege
10
Patient
11
Dosiervorrichtung
12
Schwenkverbindung
13
Gantry
14
Schnittebene
15
Proximales Ende des ausfahrbaren Teilarmes

Claims (6)

1. Manipulator zur Positionierung von medizinischen Instru­ menten am Patienten (10) in einem Magnetresonanztomo­ graphen MRT oder Computertomographen CT mit einem durch­ gehenden Kanal zum Einschieben einer Patientenliege (9) für Patienten (10), bestehend aus
  • a) einem schwenk- dreh-, neig- und ausfahrbaren Manipu­ latorarm,
  • b) einer Halterung für den Manipulatorarm,
  • c) einen Manipulatorkopf (6), welcher am distalen Ende des Manipulatorarmes angeordnet ist, sowie
  • d) mindestens einem medizinischen Instrument, welches in dem Manipulatorkopf (6) schwenkbar eingesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) die Halterung für den Manipulatorarm eine Laufkatze (1) ist, die motorisch auf einem Bogenträger (3) ver­ fahrbar ist,
  • b) der Manipulatorarm oder der Manipulatorkopf (6) eine Schnellkupplung oder eine Rutschkupplung als Sicher­ heitsvorrichtung für eine schnelles manuelles Entfer­ nen des medizinischen Instrumentes vom Patienten (10) enthält, und
  • c) im Falle eines Einsatzes im MRT alle Komponenten, insbesondere aller Antriebe und aller Sensoren des Manipulators aus nicht magnetisierbaren Materialien bestehen und keine magnetische Magnetfeldlinien er­ zeugen.
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe pneumatische oder hydraulische Turbo- oder kolbengestützte Antriebe oder Piezoantriebe oder Schneckenrad-, Spindel- oder Zahnstangenantriebe sind.
3. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe außerhalb des MRT liegenden Elektroan­ triebe sind und die Antriebsleistung über Kardan- Bowdenzug- oder Seilzugtriebe auf den Manipulator übertragen werden.
4. Manipulator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Manipulatorarm aus je einem ausfahr­ baren (4) und einem schwenkbaren Teilarm (5) besteht, diese Teilarme hintereinandergeschaltet sind, der aus­ fahrbare Teilarm (4) axial zur Hauptachse des Patienten mittels eines Antriebes ausfahrbar sowie um seine eigene Längsachse angetrieben drehbar ist und der schwenkbare Teilarm (5) radial zum Patienten (10) angetrieben kombi­ niert mit einer Rutschkupplung als Sicherheitsvorrich­ tung um die Schwenkverbindung (12) schwenkbar ist.
5. Manipulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bogenträger (3) auf der Patientenliege (9) axi­ al zum Patienten (10) verschiebbar und über eine Schnellkupplung lösbar ist, der ausfahrbare Teilarm (4) auf der auf dem Bogenträger (3) angetrieben verfahrbaren Laufkatze (1) befestigt ist und am anderen Ende des aus­ fahrbaren Teilarmes (4) der angetrieben schwenkbare Teilarm (5) angebracht ist, an dessen distalen Ende sich wiederum der Manipulatorkopf (6) mit einer C-Bogenführung (7) für die angetrieben schwenkbare Aufnahme des medizini­ schen Instrumentes befindet.
6. Manipulator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Bogenträger (3) fest an dem CT oder MRT befestigt und mit diesem bewegbar ist, somit die Pa­ tientenliege (9) im CT oder MRT relativ zu dem Bogenträ­ ger (3) verschiebbar ist, der Manipulator einen ausfahr­ baren Teilarm (4) und einen schwenkbaren Teilarm (5) enthält, der ausfahrbare Teilarm auf der Laufkatze (1) befestigt, an dieser angetrieben radial zum Patienten (10) positionierbar ist und als Träger für den schwenkbaren Teilarm (5) dient, welcher wiederum an­ getrieben radial zum Patienten (10) einschwenkbar und gemeinsam mit der Schwenkvorrichtung (12) um die axiale Achse des distalen Endes des ausfahrbaren Armes (4) angetrieben drehbar ist und an dessen distalen Ende sich der Manipulatorkopf (6) mit einer C-Bogenführung (7) für die schwenkbare Aufnahme des medizinischen Instrumentes mit einer Schnellkupplung als Sicherheitsvorrichtung befindet.
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