DE10049938A1 - Vorrichtung zur Durchführung eines computergestützten medizinischen Eingriffs an einem Patienten - Google Patents

Vorrichtung zur Durchführung eines computergestützten medizinischen Eingriffs an einem Patienten

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DE10049938A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines computergestützten medizinischen Eingriffs an einem Patienten, enthaltend DOLLAR A 1) einen in einem Koordinatensystem frei bewegbaren Instrumententräger, an dem ein medizinisches Instrument befestigbar ist, wobei der Instrumententräger mit Meßeinrichtungen für die Erfassung seiner Bewegungen und Orientierung ausgerüstet ist; DOLLAR A 2) eine Befestigungsvorrichtung für die Befestigung des Instrumententrägers am Körper des Patienten; DOLLAR A 3) eine Datenverarbeitungsanlage mit DOLLAR A 3.1) einer Anzeigeeinheit, DOLLAR A 3.2) einem Datenspeicher zur Speicherung von zwei- und/oder dreidimensionalen Aufnahmen der Eingriffsumgebung des Patienten, DOLLAR A 3.3) einer Einrichtung zur Erzeugung einer auf der Anzeigeeinheit darstellbaren dreidimensionalen Abbildung der Eingriffsumgebung aus den im Datenspeicher gespeicherten Aufnahmen, DOLLAR A 3.4) einer Eingabeeinheit zur Eingabe von Registrationspunkten in die Abbildung der Eingriffsumgebung auf der Anzeigeeinheit, DOLLAR A 3.5) einer mit den Meßeinrichtungen des Instrumententrägers kommunizierenden Konvertierungseinrichtung, mittles derer eine Konvertierung der Registrationspunkte aus der Abbildung der Eingriffsumgebung mit den Registrationspunkten entsprechenden realen Meßpunkten am Patienten, die mit einem am Instrumententräger befestigten Instrument abgetastet werden, durchführbar und die reale Position des am Instrumententräger befestigten Instruments in der Abbildung auf der Anzeigeeinheit darstellbar ist und ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines computergestützten medizinischen Eingriffs an einem Patienten.
Derartige Vorrichtungen sind in verschiedenen medizinischen Anwendungsgebieten bereits bekannt und kommen überall dort zum Einsatz, wo es auf eine äußerst präzise Handhabung der für die Durchführung des Eingriffs einzusetzenden Instrumente ankommt, sei es, weil dem Patienten bei Ungenauigkeiten des Eingriffs hohe Risiken drohen, wie es etwa bei Operationen des Gehirns oder der Wirbelsäule der Fall ist, oder weil der zur Verfügung stehende Operationsbereich räumlich sehr stark begrenzt ist, wie es beispielsweise bei Operationen im Bereich des Kiefers, etwa zum Einsetzen von Zahnimplantaten der Fall ist.
Aus der US 5,755,725 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Durchführung eines computergestützten medizinischen Eingriffs an einem Patienten bekannt, die einen in einem Koordinatensystem frei bewegbaren Instrumententräger sowie ein den Instrumententräger mit hoher Präzision steuerndes Computersystem umfaßt, wobei der Instrumententräger ortsfest beispielsweise an einer Decke des Operationsraumes befestigt ist. Hierdurch wird jedoch ein großer Platzbedarf hervorgerufen.
Für Operationen im Kopfbereich eines Patienten, vornehmlich für die Entfernung von Hirntumoren, ist es des weiteren aus der DE 37 17 871 C3 bekannt, einen Instrumententräger ortsfest an einem Behandlungstisch für den Patienten zu befestigen und den Patienten auf dem Behandlungstisch zu fixieren, so daß mittels des Instrumententrägers ein medizinischer Eingriff mit hoher Genauigkeit durchführbar ist.
Allen diesen bekannten Verfahren ist es zu eigen, daß zunächst beispielsweise mittels eines Computertomographen Schichtaufnahmen der Eingriffsumgebung des Patienten angefertigt und in einem Computersystem abgespeichert werden, wobei in den erstellten Aufnahmen auch markante Referenzpunkte am Patienten, beispielsweise Zahnlücken zwischen zwei Zähnen oder dergleichen markiert werden. Diese Registrationspunkte werden nachfolgend zu Beginn des medizinischen Eingriffs mit einem am Instrumententräger befestigten Instrument real am Patienten als reale, den Registrationspunkten entsprechende Meßpunkte abgetastet, so daß dann ein den Instrumententräger in seinen Bewegungen und Orientierungen kontrollierendes Computersystem mittels geeigneter Software einen Abgleich zwischen der realen Patientenumgebung und der aus den Aufnahmen erzeugten Darstellung der Patientenumgebung herstellen und das am Instrumententräger befestigte Instrument mit einer sehr hohen Präzision führen kann, die auch einem erfahrenen Operateur von Hand nicht möglich ist.
Die Schwierigkeit bei den bisher bekannten Vorrichtungen zur Durchführung derartiger computergestützter medizinischer Eingriffe besteht darin, den Patienten im Bereich des Körperteiles, an welchem der medizinische Eingriff stattfinden soll, während der gesamten Dauer des Eingriffs an möglichst jeglicher Bewegung zu hindern, da bereits durch kleinste Bewegungen der erzielte Abgleich zwischen den Registrationspunkten und den realen Meßpunkten unbrauchbar wird und die Genauigkeit des medizinischen Eingriffs verlorengeht. Es ist sodann ein aufwendiges neues Abgleichen nötig, welches mit hohem Aufwand verbunden ist.
Man hat von daher bisher vorgeschlagen, bei medizinischen Eingriffen, beispielsweise am Kopf eines Patienten, zusätzlich eine Peilvorrichtung zu befestigen, die eine kontinuierliche Verfolgung der Kopfbewegungen des Patienten und eine kontinuierliche Korrektur der Steuerung des Instrumententrägers entsprechend dieser Kopfbewegungen ermöglicht, siehe US 5,755,725, wobei jedoch zusätzliche Meßeinrichtungen und hohe Rechenleistung erforderlich sind. Dies ist sehr aufwendig.
Auch ist bereits eine Fixierung des Patientenkopfes mittels Fixationsgestellen oder dergleichen vorgeschlagen worden. Diese Fixationsgestelle haben jedoch den wesentlichen Nachteil, daß sie zum einen für den Patienten unangenehm sind und zum anderen den freien Zugriff auf die Eingriffsumgebung unnötig erschweren.
Die Erfindung hat sich von daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur Durchführung eines computergestützten medizinischen Eingriffs an einem Patienten vorzuschlagen, die einen sehr kompakten Aufbau aufweist, so daß auch eine Anwendung in üblichen Behandlungsräumen von Ärzten ermöglicht ist und gleichzeitig eine besonders hohe Positionierungsgenauigkeit erzielt wird, wobei auch unvermeidliche Patientenbewegungen ausgeglichen werden können.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung mit den folgenden Bestandteilen vor:
  • 1. einen in einem Koordinatensystem frei bewegbaren Instrumententräger, an dem ein medizinisches Instrument befestigbar ist, wobei der Instrumententräger mit Meßeinrichtungen für die Erfassung seiner Bewegungen und Orientierung ausgerüstet ist;
  • 2. eine Befestigungsvorrichtung für die Befestigung des Instrumententrägers am Körper des Patienten;
  • 3. eine Datenverarbeitungsanlage mit
    • 1. 3.1) einer Anzeigeeinheit,
    • 2. 3.2) einem Datenspeicher zur Speicherung von zwei- und/oder dreidimensionalen Aufnahmen der Eingriffsumgebung des Patienten,
    • 3. 3.3) einer Einrichtung zur Erzeugung einer auf der Anzeigeeinheit darstellbaren dreidimensionalen Abbildung der Eingriffsumgebung aus den im Datenspeicher gespeicherten Aufnahmen,
    • 4. 3.4) einer Eingabeeinheit zur Eingabe von Registrationspunkten in die Abbildung der Eingriffsumgebung auf der Anzeigeeinheit,
    • 5. 3.5) einer mit den Meßeinrichtungen des Instrumententrägers kommunizierenden Konvertierungseinrichtung, mittels derer eine Konvertierung der Registrationspunkte aus der Abbildung der Eingriffsumgebung mit den Registrationspunkten entsprechenden realen Meßpunkten am Patienten, die mit einem am Instrumententräger befestigten Instrument abgetastet werden, durchführbar und die reale Position des am Instrumententräger befestigten Instruments in der Abbildung auf der Anzeigeeinheit darstellbar ist und nachfolgend anhand der erfaßten Bewegungen und Orientierung des Instrumententrägers fortlaufend aktualisierbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der vorangehend erläuterten Aufgabe bedient sich die Erfindung eines Punktreferenzsystemes mit Registrationspunkten in der erzeugten dreidimensionalen Abbildung der Eingriffsumgebung und real am Patienten abgegriffenen und diesen Registrationspunkten entsprechenden Meßpunkten, so daß eine exakte Anzeige der Position des am Instrumententräger befestigten Instruments in der Abbildung der Eingriffsumgebung erzielbar wird.
Um nun unerwünschte Verschlechterungen dieser Positionierungsgenauigkeit infolge von Bewegungen des Patienten auszugleichen bzw. vollständig zu eliminieren, schlägt die Erfindung eine Befestigungsvorrichtung für die Befestigung des Instrumententrägers vor, die unmittelbar am Körper des Patienten, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zur Eingriffsumgebung befestigt wird.
Bei einer Operation im Kopfbereich des Patienten wird hierzu die Befestigungsvorrichtung vorzugsweise ebenfalls am Kopf des Patienten befestigt, bei einer Operation in Kniebereich des Patienten kann beispielsweise eine Befestigung der Befestigungsvorrichtung für den Instrumententräger am Oberschenkel des Patienten sinnvoll sein.
Bei bestimmten Operationen, z. B. im Hüftgelenks- oder Wirbelsäulenbereich kann auch vorgesehen sein, die Befestigungsvorrichtung unmittelbar an hierfür geeigneten Knochen des Patienten zu befestigen.
In jedem Falle wird durch diese erfindungsgemäß vorgeschlagene Befestigungsvorrichtung erreicht, daß bei einer Bewegung des Patienten, beispielsweise einer Kopfbewegung, und einem am Kopf durchzuführenden medizinischen Eingriff die Genauigkeit der Positionierung des Instruments nicht verlorengeht, da auch die Befestigungsvorrichtung und damit der an dieser befestigte Instrumententräger in gleicher Weise mitbewegt wird und der zuvor erzielte Abgleich zwischen den Registrationspunkten und den realen Meßpunkten nicht verlorengehen kann.
Auf diese Weise wird eine hohe Positionierungsgenauigkeit ermöglicht, ohne daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auf externe Abtasteinrichtungen für die Bewegungen des Patienten mit verbundenem hohen Ausrüstungs- und Rechenaufwand zurückgreifen müßte. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist von daher ohne großen baulichen Aufwand innerhalb eines Operationsraumes einsetzbar.
Wesentlicher Vorteil bei der Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der Bewegungen des Patienten auf die Genauigkeit des medizinischen Eingriffs keinen Einfluß mehr haben, ist es, daß der Patient allenfalls lokal betäubt werden muß, auf eine den Patienten belastende Vollnarkose aber verzichtet werden kann, da keine vollständige Immobilisierung des Patienten mehr benötigt wird.
Für die Durchführung von Operationen im Kopfbereich des Patienten, wie die Durchführung eines computergestützten Implantierens von Zahnimplantaten im Kiefer des Patienten, wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, daß die Befestigungs­ vorrichtung nach Art einer Kopfhaube, beispielsweise mit gitterartiger Struktur ausgebildet und am Kopf des Patienten befestigbar ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die bei Operationen an den Gliedmaßen des Patienten einsetzbar ist, beispielsweise bei Knieoperationen, schlägt vor, daß die Befestigungsvorrichtung als Manschette ausgebildet ist und an Gliedmaßen, z. B. dem Oberschenkel des Patienten befestigbar ist.
Auch ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung unmittelbar am Kiefer und/oder anderen anatomischen Partien des Kopfes des Patienten zu befestigen, um Operationen im Kopfbereich desselben durchführen zu können.
Eine mit hoher Stabilität und Genauigkeit durchführbare Befestigung der Befestigungsvorrichtung am Patienten, die gleichzeitig sehr schonend für diesen ist, kann mittels Unterdruck erfolgen, so daß beispielsweise die vorgeschlagene Kopfhaube oder Manschette, die die Befestigungsvorrichtung bildet, mittels eines anlegbaren Unterdrucks am entsprechenden Körperteil des Patienten befestigbar ist.
Anstelle einer mit Unterdruck erfolgenden Fixierung der Befestigungs­ vorrichtung am Patienten kann auch eine Fixierung mittels Überdruck durch befüllbare Polster, anformbare Kissen etc., die durch Gase oder Flüssigkeiten aufgefüllt werden, oder mechanische Befestigungen, wie anschraubbare Druckstempel oder dergleichen bewirkt werden. Auch eine unmittelbare Verschraubung der Befestigungsvorrichtung mit dem Patienten ist möglich.
Zur weiteren Steigerung der Positionierungsgenauigkeit kann darüber hinaus auch vorgesehen sein, daß die Befestigungsvorrichtung mindestens eine als Kupplungsbereich für eine lösbare Verbindung mit einer ortsfesten Einrichtung, wie Behandlungsstuhl, Behandlungstisch, höhenverstellbare Haltesäule und/oder eine Bilderzeugungseinrichtung ausgebildete Stelle aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich von daher in eine OP-Raum Umgebung integrieren.
Der Instrumententräger der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist bevorzugt lösbar an der Befestigungsvorrichtung befestigbar, wobei insbesondere Mittel zum lagegenauen reproduzierbaren lösbaren Befestigen des Instrumententrägers an der Befestigungsvorrichtung vorgesehen sind, um auch bei einem notwendig werdenden vorübergehenden Abnehmen des Instrumententrägers von der Befestigungsvorrichtung die Genauigkeit des erzielten Abgleiches zwischen den Registrationspunkten und den realen Meßpunkten beibehalten zu können. Die Befestigungsvorrichtung kann auch mehr als einen Kupplungsbereich für die Befestigung des Instrumententrägers aufweisen, um verschiedene Befestigungspunkte zu bieten, die je nach Art des Eingriffs ausgewählt werden können.
Zur Abtastung der realen Meßpunkte am Patienten kann entweder ein für den medizinischen Eingriff vorgesehenes und im Instrumententräger gehaltertes Instrument oder zur Abtastung der Meßpunkte auch ein spezielles Abtastinstrument mit definierten Abmessungen vorgesehen sein, welches am Instrumententräger befestigbar ist.
Insbesondere ist vorgesehen, daß eine Vielzahl unterschiedlicher Instrumente, wie Bohrer, Fräse, Schraubendreher, Nadel, Zeigerspitze, Schablone, Abtaster, Sonde, Haltevorrichtungen für Implantate oder Hilfsmittel, wie Schrauben, Marker etc., die zur Durchführung eines medizinischen Eingriffs am Patienten benötigt werden, wahlweise am Instrumententräger in jeweils definierter Lage befestigbar sind. Eine Instrumentendatenbank, in der die geometrischen Daten der Instrumente abgespeichert und der Konvertierungseinrichtung für die Darstellung der Position in der Abbildung der Eingriffsumgebung auf der Anzeigeeinrichtung zuführbar sind, gewährleistet, daß auch nach einem Wechsel des Instruments stets dessen korrekte Position in der Abbildung der Eingriffsumgebung für den behandelnden Arzt oder Operateur sichtbar ist.
Zu diesem Zweck können die Instrumente vorteilhaft eine Codierung aufweisen und der Instrumententräger mit einer Leseeinrichtung für die Codierung ausgerüstet sein, mittels derer die Codierung bei Befestigung eines Instruments am Instrumententräger automatisch erfaßbar ist. Somit können die der Codierung zugeordneten geometrischen Daten des jeweiligen Instruments aus dem Datenspeicher der Konvertierungseinrichtung zugeführt werden, so daß die korrekte Position des Instruments in der Abbildung der Eingriffsumgebung angezeigt wird.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung umfaßt die Vorrichtung auch eine Einrichtung zur Planung und Simulation des medizinischen Eingriffs in der Abbildung der Eingriffsumgebung, wodurch dessen Anwendungsmöglichkeiten erheblich erweitert werden. Eine solche Einrichtung zur Planung und Simulation des medizinischen Eingriffs kann beispielsweise in Gestalt einer auf der Datenverarbeitungsanlage installierten Software ausgebildet sein, deren erzeugbare Simulation im Datenspeicher in Arbeitsschritte unterteilt abspeicherbar ist. Eine solche Software kann beispielsweise von entsprechend adaptierten CAD-Programmen gebildet sein, die in der Industrie auch zur Steuerung von intelligenten Werkzeugmanipulatoren, wie Arbeitsrobotern und dergleichen verwendet werden.
Ferner kann eine Steuerungseinrichtung vorgesehen sein, mittels dessen ein Vergleich der im Datenspeicher abgerufenen Arbeitsschritte mit den von der Konvertierungseinrichtung ermittelten Instrumentenpositionen durchführbar ist. Wenn der behandelnde Arzt oder Operateur das Instrument, welches am Instrumententräger befestigt ist, entsprechend der vorher festgelegten Simulation während des medizinischen Eingriffs führt, kann die Steuerungseinrichtung permanent die als Sollwerte aufzufassenden Arbeitsschritte aus dem Datenspeicher mit den als Istwerte aufzufassenden Instrumentenpositionen aus der Konvertierungseinrichtung vergleichen und bei einem Auftreten von Abweichungen optische und/oder akustische Warnsignale abgeben, um dem Operateur die präzise Führung des Instruments zu ermöglichen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können somit Instrumente oder Hilfsinstrumente, wie Bohrschablonen entsprechend einer Simulation und Optimierung mit höchster Genauigkeit angewendet werden.
Es ist darüber hinaus auch vorgesehen, daß der Instrumententräger von der Steuerungseinrichtung anhand der aus dem Datenspeicher abgerufenen Arbeitsschritte automatisiert steuerbar und bewegbar ist, wozu der Instrumententräger mit entsprechenden Antrieben ausgestattet wird, so daß eine automatisierte und mit höchster Präzision ablaufende Bewegung der am Instrumententräger befestigten Instrumente während des medizinischen Eingriffs ermöglicht wird, über deren korrekten Ablauf der behandelnde Arzt oder Operateur wacht und gegebenenfalls Protokoll geschrieben wird, so daß eine vollständige Dokumentation des Eingriffs ermöglicht ist. Hierbei stehen ihm sowohl die Anzeigevorrichtung mit der Abbildung der Eingriffsumgebung einschließlich der von der Konvertierungseinrichtung eingebrachten Position des Instruments wie auch die reale optische Kontrolle am Patienten zur Verfügung.
Im folgenden sollen weiteren Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel eines Einsatzes der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das computergestützte Implantieren von Zahnimplantaten in den Kiefer eines Patienten unter Bezugnahme auf die lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Patienten,
Fig. 2 die verschiedenen Abhängigkeiten, die zur Durchführung eines medizinischen Eingriffs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu beachten sind,
Fig. 3 die Wechselwirkungen innerhalb des Systems zwischen Patient und Vorrichtung,
Fig. 4 eine schematische Übersicht des mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbaren medizinischen Eingriffs,
Fig. 5a und 5b eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zum Durchführen eines medizinischen Eingriffs am Kopf eines Patienten 1, beispielsweise um Zahnimplantate im Kiefer des Patienten 1 befestigen zu können.
Die Vorrichtung umfaßt eine Befestigungsvorrichtung 2, die nach Art einer Haube oder eines Helmes mit einer Schale 20 mit gitterartiger Struktur auf den Kopf des Patienten aufgesetzt wird. Die Schale 20 kann beispielsweise aus einem hochstabilen und leichten Kohlefasermaterial oder dergleichen gefertigt sein. Auf der Innenseite der Schale 20 ist ein in näheren Einzelheiten nicht dargestelltes Netz oder Gitter 21 angeordnet, welches eine Vielzahl von schematisch dargestellten Kugeln 210 umfaßt, die mit einem Unterdruck beaufschlagbar sind, um die als Haube ausgebildete Befestigungsvorrichtung mit hoher Festigkeit und auf eine für den Patienten angenehme Weise am Kopf zu fixieren. Zusätzlich kann noch eine mechanische Fixierung der Schale 20 an Kiefer, Zähnen, Ohren oder anderen anatomischen Partien des Patientenkopfes erfolgen, die eine solche Fixierung ermöglichen.
Einseitig am Rahmen 20 der Haube 2 ist eine Kupplung 22 für einen Instrumententräger 3 angeordnet, an welchem dieser mittels eines Kupplungsstückes 30 befestigbar ist.
Der Instrumententräger 3 umfaßt hierbei ein erstes Armteil 31 und ein zweites Armteil 33, die über ein Gelenk 32 miteinander verbunden sind, wobei am freien Ende des zweiten Armteiles 33 ein Instrumentenhalter 34 ausgebildet ist, in welchem nicht näher dargestellte medizinische Instrumente halterbar und betätigbar sind. Aufgrund konstruktiver Merkmale ist der Instrumententräger mit vorzugsweise mindestens fünf Freiheitsgraden ausgestattet und innerhalb seines Arbeitsbereiches entsprechend bewegbar.
Der Instrumententräger 3 ist mittels seines Kupplungsstückes 30 lösbar an der als Befestigungsvorrichtung dienenden Haube 2 befestigt, wobei entsprechende mechanische Mittel vorgesehen sind, um ein lagegenaues reproduzierbares Befestigen des Instrumententrägers 3 an der Befestigungsvorrichtung zu gewährleisten.
Der Instrumententräger 3 ist darüber hinaus mit nicht näher dargestellten Meßeinrichtungen sowie Antrieben für die Messung und Bewirkung von Bewegungen der Armteile 31, 33 sowie zur Messung der Orientierung des Instrumententrägers 3 ausgebildet, so daß dieser zu einem intelligenten medizinischen Werkzeugträger, einem sogenannten Intelligent Micro-Tool Support wird, der nachfolgend mit "IMTS" abgekürzt wird.
Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung eines computergestützten medizinischen Eingriffs an dem Patienten 1 ist in der Lage, mehrere wahlweise am Instrumentenhalter 34 des Instrumententrägers 3 befestigbare Instrumente entsprechend des vorzunehmenden Eingriffs zu haltern und kann dem behandelnden Arzt oder Operateur ermöglichen, seine Operationsfähigkeiten wesentlich zu verbessern, indem er das Instrument, welches am Instrumentenhalter 34 des Instrumententrägers 3 befestigt ist, gemeinsam mit diesem in die Mundhöhle 10 des Patienten einführt und assistiert vom Instrumententräger/IMTS deren optimale Anwendung und Positionierung erzielt.
In der Fig. 5a ist eine als Gitterhaube ausgebildete Befestigungsvorrichtung 2 zum Durchführen eines medizinischen Eingriffs am Kopf eines Patienten 1 dargestellt, wobei die haubenartige Gitterstruktur mittels der Streben 20a, 20b, 20c, 20d, die eine integrale Einheit bilden, hergestellt ist. Die Befestigungsvorrichtung 2 weist hierbei eine im hinteren Kopfbereich in aufrechter Stellung vertikal verlaufende Strebe 20c auf, die an ihren Enden mit Kupplungsbereichen 24.1 und 24.2 ausgestattet ist, um beispielsweise an einem Operationsstuhl, Operationstisch, Ständereinrichtung, bildgebenden System angekoppelt und starr mit diesen während der Dauer eines Eingriffs oder sonstigen Behandlungen verbunden zu werden. Die in aufrechter Position des Patienten horizontale, den Kiefer teilweise umgebende Strebe 20d ist an ihrem Endbereich mit einem Kupplungsbereich 22 zum Befestigen eines Instrumententrägers ausgebildet. Darüber hinaus kann die Befestigungs­ vorrichtung 2 auch noch in anderen Bereichen, beispielsweise der Überkopfstrebe 20a oder der Stirnbandstrebe 20b mit Kupplungsbereichen 22.1, 22.2 und 22.3 für Instrumententräger ausgerüstet sein.
Der Patient kann somit sowohl in horizontaler, schräger oder vertikaler Lage über die Befestigungsvorrichtung 2 an einer weiteren Unterlage oder Anlage starr und definiert festgelegt werden.
In der Fig. 5b ist des weiteren dargestellt, wie bei einer gitterartigen Haube 2 gemäß Fig. 5a ein bügelartiger Instrumententräger 3 an den Kupplungsbereichen 22 der unteren horizontalen Streben 20d starr befestigt ist und dieser Instrumententräger 3 beispielsweise mit einem IMTS ausgestattet ist.
Um nun die Operationsfähigkeit des behandelnden Arztes oder Operateurs zu verbessern, wird ein in der Fig. 4 schematisch dargestellter Ablauf des computergestützten medizinischen Eingriffs am Patienten vorgenommen.
Zunächst wird von einem Radiologen eine Serie von Aufnahmen der Eingriffsumgebung des Patienten mittels geeigneter Bildaufnahmegeräte, wie Röntgengerät, CT-Scanner, MRI-Scanner etc. erstellt. Die vom Radiologen erstellten Bildaufnahmen werden einer Datenbank zugeführt, die der Speicherung der vom Radiologen erstellten zwei- und/oder dreidimensionalen Aufnahmen der Eingriffsumgebung des Patienten dient. Diese Datenbank für die Aufnahmen ist z. B. als 2D/3D-Bilddatenbank ausgebildet und ist auf die Bildaufnahmevorrichtung bezogen und liegt somit in einem ersten Frame oder Koordinatensystem, welches nachfolgend mit {Bild} bezeichnet wird.
Die Datenbank wird nachfolgend zum behandelnden Arzt, Operateur/Zahnarzt versandt, wobei verschiedenste technische Möglichkeiten, wie Abspeicherung auf Bändern, CD-ROM oder Online-Versand über Netzwerke etc. möglich sind.
Der Operateur/Zahnarzt lädt diese Datenbank der 2D/3D-Aufnahmen in eine zur Vorrichtung gehörige Datenverarbeitungsanlage, die wiederum einen entsprechenden Datenspeicher zur Speicherung der zwei- und/oder dreidimensionalen Aufnahmen der Eingriffsumgebung des Patienten, d. h. der Datenbank aufweist.
Diese Datenverarbeitungsanlage beim Operateur/Zahnarzt ist darüber hinaus in der Lage, eine Offline-Planung des computergestützten medizinischen Eingriffs vorzunehmen, was beispielsweise mit einer entsprechenden Software realisiert werden kann.
Hierzu wird zunächst aus der 2D/3D-Datenbank eine dreidimensionale Datenbank erzeugt, aus der auf einer ebenfalls zur Datenverarbeitungsanlage gehörigen Anzeigeeinheit eine dreidimensionale Abbildung der Eingriffsumgebung aus den im Datenspeicher gespeicherten Aufnahmen erzeugt werden kann. Somit ist der Operateur/Zahnarzt oder sein Assistent in der Lage, innerhalb der Datenbank zu navigieren, um anhand der erstellten Aufnahmen eine Optimierung des medizinischen Eingriffs, z. B. das Implantieren von Zahnimplantaten zu simulieren. Zu diesem Zweck verwendet er eine geeignete Software, in der er die ideale Plazierung von Implantaten relativ zum Kieferknochen und zu anderen Zähnen definieren kann, Messungen und Winkelberechnungen etc. vornehmen kann und die einzelnen Arbeitsschritte festgelegt werden können.
Bevor nun der eigentliche computergestützte medizinische Eingriff am Patienten stattfinden kann, müssen noch spezifische Punkte, die als Registrationspunkte bezeichnet werden, definiert werden, die an geeigneten exponierten Stellen, beispielsweise Zahnlücken, bestimmten Knochen­ formationen etc. festgelegt werden können. Es werden hierbei mindestens vier nicht coplanare Registrationspunkte benötigt, um ein reproduzierbares Ergebnis zu erhalten. Mittels einer ebenfalls zur Datenverarbeitungsanlage gehörigen Eingabeeinheit werden diese Registrationspunkte in die Abbildung der Eingriffsumgebung auf der Anzeigeeinheit eingegeben und sind somit auf den die Abbildung der Eingriffsumgebung bildenden Aufnahmen sichtbar. Diese werden aufgrund entsprechender Erfahrung des Operateurs festgelegt. Die Registrationspunkte werden nachfolgend während des medizinischen Eingriffs verwendet, um den Bild-Frame relativ zum Patienten-Frame, der nachfolgend noch näher erläutert wird, zu definieren. Auf diese Weise ist der Operateur in der Lage, die ideale Ausrichtung der Implantate während der Operation aufzufinden. Diese Lage ist im Bild-Frame definiert.
Die Transformation zwischen den Registrationspunkten und der virtuellen Darstellung der Eingriffsumgebung (die Matrix REG_PUNKTE|BILDT) ist unmittelbar bekannt, sobald die Definition der Position der Registrationspunkte in der Abbildung der Eingriffsumgebung abgeschlossen ist.
Nachfolgend besteht, wie aus der Fig. 4 ersichtlich, noch die Möglichkeit einer Simulation in der Patientenumgebung, d. h. es können Trajektorien, Begrenzungen etc. abgefahren werden und in Echtzeit auf der Anzeigeeinheit verfolgt werden.
Um nun den Eingriff online durchführen zu können, wird der Patient beispielsweise auf einen geeigneten Behandlungsstuhl gesetzt und es wird ihm die in der Fig. 1 dargestellte Haube 2 auf den Kopf aufgesetzt und durch Anlage z. B. eines Vakuums fest am Kopf befestigt. Der Instrumententräger 3 bzw. nachfolgend mit IMTS bezeichnet, wird an der Haube 2 mittels des Kuppelstückes 30 an der entsprechenden Kupplung 22 befestigt, wobei die Transformation zwischen dem IMTS und der Haube (die Matrix IMTS|HAUBET) konstant aufgrund des Designs bekannt ist und im übrigen auch durch eine Kalibrierung nach der Herstellung exakt ausgemessen werden kann.
In einem Netzwerk ist nunmehr eine Steuerungseinrichtung in der Lage, sämtliche IMTS-Bewegungen und -Orientierungen aufgrund der am IMTS befestigten Meßeinrichtungen aufzunehmen und einer Konvertierungs­ einrichtung, die ebenfalls Bestandteil der Datenverarbeitungsanlage ist, zuzuführen.
Um nun eine besonders hohe Genauigkeit der Positionierung der am Instrumentenhalter 34 befestigbaren Instrumente zu gestatten und die Eingriffsgenauigkeit auf hohe Präzision zu bringen, muß der Patient, die von ihm erstellten Aufnahmen und das Instrument in Korrelation gebracht werden, um die Implantate in der Mundhöhle 10 perfekt einzusetzen.
Zu diesem Zweck werden zur näheren Erläuterung die folgenden Frames, d. h. Koordinatensysteme definiert, deren Abhängigkeiten untereinander in der Fig. 2 dargestellt sind:
  • 1. der Patienten-Frame, {Patient}
    {Patient} liegt anhand der Anatomie des Patientenkopfes fest.
  • 2. der Bild-Frame, {Bild}
    {Bild} liegt anhand der Bilder des Patientenkopfes mit Röntgenstrahlen, CT-Scanner, MRI-Scanner etc. fest.
  • 3. der Instrumenten-Frame, {Instrument}
    {Instrument} befindet sich am Ende des Instruments, mit welchem der medizinische Eingriff stattfindet, d. h. beispielsweise an der Spitze eines Bohrers oder einer Nadel etc.
Andere Frames werden in der weiteren Erläuterung benutzt, um von einem Frame zum anderen über mathematische Regeln zu gelangen, die wie folgt bezeichnet werden:
  • 1. der Hauben-Frame, {Haube}
    {Haube} liegt an der Haube fest.
  • 2. der IMTS-Frame, {IMTS}
    {IMTS} ist an der Basis des Intelligent Micro-Tool Support (IMTS) angeordnet.
  • 3. der Instrumentenhalter-Frame, {Instrumentenhalter}
    {Instrumentenhalter} ist an der Basis des Instrumentenhalters angeordnet.
  • 4. der Meßpunkte-Frame, {Meßpunkte}
    {Meßpunkte} ist durch die spezifischen anatomischen oder markierten Meßpunkte festgelegt, die durch den Operateur festgelegt worden sind.
  • 5. der Registrationspunkte-Frame, {Reg_Punkte}
    {Reg_Punkte} liegt an den spezifischen Punkten in der virtuellen Darstellung fest, die in Korrelation mit den Meßpunkten vom Operateur festgelegt worden sind.
Im folgenden bezeichnen A|BT eine 4 × 4-Matrix (4 Reihen, 4 Spalten), welche die Aufrichtung (Position und Orientierung) des Frames {A} relativ zum Frame {B} beschreibt.
Wie vorangehend erläutert, war es dem Operateur bis zu diesem Schritt ermöglicht, anhand der Abbildung der Eingriffsumgebung des Patienten mittels einer geeigneten Simulationssoftware offline oder online eine Optimierung und Simulation des medizinischen Eingriffs vorzunehmen.
Der Instrumententräger/IMTS, welcher mit seinem Instrumentenhalter 34 die hierbei verwendeten Instrumente während des realen medizinischen Eingriffs aufnimmt, dient nunmehr der Führung dieser Instrumente, wobei grundsätzlich der Operateur die Bewegungen von Hand veranlaßt oder aber durch geeignete Antriebe eine automatisierte Bewegung des IMTS und damit ein automatisierter computergestützter medizinischer Eingriff entsprechend der erstellten Simulation vorgenommen wird.
Um hierbei die gewünschte Präzision zu erreichen, muß, wie vorangehend bereits erwähnt, der Patient, seine Abbildung der Eingriffsumgebung und das Instrument in eine Korrelation gebracht werden.
Hierzu wird die zu der Datenverarbeitungsanlage gehörige Konver­ tierungseinrichtung verwendet, die mit den Meßeinrichtungen des Instrumententrägers/IMTS 3 kommuniziert. Die Konvertierungseinrichtung ist in der Lage, eine Konvertierung der Registrationspunkte aus der Abbildung der Eingriffsumgebung mit den Registrationspunkten entsprechenden realen Meßpunkten am Patienten vorzunehmen.
Zu diesem Zweck müssen die den Registrationspunkten real entsprechenden Meßpunkte am Patienten mit dem IMTS abgegriffen werden, wozu ein spezielles Instrument verwendet wird, welches als Probe bezeichnet wird und exakt am Instrumentenhalter 34 des IMTS befestigt wird, wobei diese Befestigung dauerhaft fest und stabil durch entsprechende konstruktive Maßnahmen ausgebildet ist.
Nunmehr werden die einzelnen Registrationspunkte real mittels des Abtastinstruments (Probe) an den entsprechenden Meßpunkten des Patienten abgegriffen und die entsprechenden Weg- und Orientierungsinformationen der Meßeinrichtungen des Instrumententrägers (IMTS) der Konvertierungs­ einrichtung zugeführt.
Die in der Konvertierungseinrichtung vollzogene Transformation zwischen dem Instrumentenhalter 34 und dem IMTS 3 (die Matrix INSTRUMENTENHALTER|IMTST) ist aufgrund der Kinematik bekannt und die Transformation zwischen dem Abtastinstrument und dem Instrumentenhalter 34 (die Matrix INSTRUMENT|INSTRUMENTENHALTERT) ist durch Kalibrierung bekannt:
Somit wird die Vorrichtung, welche ein am IMTS befestigtes Abtastinstrument aufweist, als ein kalibriertes Meßinstrument verwendet, um die Registrierung und anatomische Auffindung der Meßpunkte, die den Registrationspunkten in der Abbildung der Eingriffsumgebung entsprechen, durchzuführen.
Die Transformation zwischen dem Instrument und der Abbildung gibt sodann dem Operateur die Möglichkeit, in Echtzeit die Position des Instruments, welches am Instrumentenhalter befestigt ist, in der dreidimensionalen Abbildung der Eingriffsumgebung auf der Anzeigeeinheit der Datenverarbeitungsanlage zu verfolgen. Die Transformation zwischen dem Instrument und der Abbildung, d. h. dem Bild-Frame ist wie folgt beschrieben:
Hiervon ist die Matrix INSTRUMENT|REG_PUNKTET noch unbekannt. Um dieses Problem zu lösen, müssen die Registrationspunkte und die entsprechenden Meßpunkte am Patient in Übereinstimmung gebracht werden.
Wenn mit dem Meßinstrument die realen Meßpunkte am Patienten abgegriffen werden und von der Konvertierungseinrichtung diese Positionen in einen Bezug zu den Registrationspunkten in der Abbildung der Eingriffsumgebung gesetzt werden, dann ist die Matrix MEßPUNKTE|REG_PUNKTET eine 4 × 4-Einheitsmatrix und
Um nun die Transformation zwischen den Bildern und dem Patienten (die Matrix BILD|PATIENTT) definieren zu können, können die Transformationen zwischen den Bildern und dem Instrument (die Matrix BILDER|INSTRUMENTT), zwischen dem Instrument und den Meßpunkten (die Matrix INSTRUMENTE|MEßPUNKTET) und zwischen den Meßpunkten und dem Patient (die Matrix MEßPUNKTE|PATIENTT) als Zwischenmatrizen genutzt werden:
Die Matrix MEßPUNKTE|PATIENTT ist eine konstante Matrix und die Matrix BILD|INSTRUMENTT ist bekannt als die Inverse der Matrix INSTRUMENT|BILDT:
Damit ist eine Korrelation zwischen der aus den Bildern gewonnenen Abbildung der Eingriffsumgebung mit den Registrationspunkten und den realen Meßpunkten am Patienten, die real vom IMTS aufgesucht worden sind, hergestellt und die Konvertierungseinheit ist in der Lage, anhand der erfaßten Bewegungen des Instrumententrägers (IMTS) fortlaufend die Position des Instruments zu aktualisieren und in der Abbildung der Eingriffsumgebung auf der Anzeigeeinheit darzustellen.
Nunmehr kann die in der Planungsphase festgelegte Simulation real mittels des IMTS durchgeführt werden, wobei eine äußerst genaue Positionierung der Implantate entsprechend der erzielten großen Genauigkeit des medizinischen Eingriffs bewirkbar ist.
Zusätzlich können sämtliche Phasen des medizinischen Eingriffs mit Weg- und Zeitinformationen von der Steuerungseinrichtung in eine Protokolldatei geschrieben und abgespeichert werden, so daß später eine lückenlose Dokumentation des medizinischen Eingriffs möglich ist.
Da der Instrumententräger (IMTS) über die Befestigungsvorrichtung unmittelbar mit dem Patienten verbunden ist, kann die Übereinstimmung zwischen den Registrationspunkten und den Meßpunkten und die exakte Darstellung der Instrumentenposition in der Abbildung der Eingriffsumgebung auch bei Bewegungen des Patienten, insbesondere Kopfbewegungen desselben, nicht verlorengehen, da hierbei in gleicher Weise der Instrumententräger (IMTS) mitbewegt wird.
Für den Fall, daß lediglich ein assistierter medizinischer Eingriff stattfinden soll, bewegt der Operateur den Instrumententräger, der in einem Arbeitsbereich um seine notwendigen Achsen frei beweglich gelagert ist, entsprechend der Simulation und führt hierbei den gewünschten medizinischen Eingriff durch die am Instrumentenhalter 34 befestigten Instrumente aus, wobei von einer Steuerung ein stetiger Vergleich der aufgrund der Simulation gewonnenen Arbeitsschritte als Sollwerte mit den von der Konvertierungseinrichtung ermittelten tatsächlichen Instrumentenpositionen als Istwerte durchgeführt wird und bei Auftreten von Abweichungen zwischen dem abgerufenen Arbeitsschritt und den Instrumentenpositionen optische und/oder akustische Warnsignale abgebbar sind, die den Operateur vor dem Auftreten von Abweichungen warnen.
Es ist jedoch auch möglich, mit der Steuerungseinrichtung anhand der aus der Simulation gewonnenen Arbeitsschritte den Instrumententräger mittels geeigneter Antriebselemente selbsttätig zu bewegen, so daß ein automatisierter medizinischer Eingriff stattfindet.
Die hierbei auftretenden Wechselwirkungen zwischen allen beteiligten Systemen, Personen und Einheiten sind nochmals in der Fig. 3 dargestellt.
Zusammenfassend umfaßt daher die vorangehend erläuterte Vorrichtung eine Befestigungsvorrichtung, beispielsweise eine Haube, die am Kopf eines Patienten befestigt wird, einen Instrumententräger bzw. Intelligent Micro-Tool Support (IMTS), mindestens ein medizinisches Instrument, ein Steuerungssystem für den Instrumententräger, welches in der Lage ist, die Position und Orientierung desselben zu steuern, ein Bildaufnahmesystem, ein Planungssystem, welches auf der Basis dieser Bildaufnahmen eine Planung und eine Simulation durchführen kann, gegebenenfalls ein System, welches in der Lage ist, den IMTS zu bewegen, ein System, welches in der Lage ist, eine Bewegung des IMTS zu simulieren (Simulationssystem) sowie eine Bildanzeigevorrichtung und eine damit zusammenhängende Online-Steuerung, die in der Lage ist, die Bilder anzuzeigen und online zu steuern.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Durchführung eines computergestützten medizinischen Eingriffs an einem Patienten, enthaltend
  • 1. einen in einem Koordinatensystem frei bewegbaren Instrumententräger, an dem ein medizinisches Instrument befestigbar ist, wobei der Instrumententräger mit Meßeinrichtungen für die Erfassung seiner Bewegungen und Orientierung ausgerüstet ist;
  • 2. eine Befestigungsvorrichtung für die Befestigung des Instrumententrägers am Körper des Patienten;
  • 3. eine Datenverarbeitungsanlage mit
    • 1. 3.1) einer Anzeigeeinheit,
    • 2. 3.2) einem Datenspeicher zur Speicherung von zwei- und/oder dreidimensionalen Aufnahmen der Eingriffsumgebung des Patienten,
    • 3. 3.3) einer Einrichtung zur Erzeugung einer auf der Anzeigeeinheit darstellbaren dreidimensionalen Abbildung der Eingriffs­ umgebung aus den im Datenspeicher gespeicherten Aufnahmen,
    • 4. 3.4) einer Eingabeeinheit zur Eingabe von Registrationspunkten in die Abbildung der Eingriffsumgebung auf der Anzeigeeinheit,
    • 5. 3.5) einer mit den Meßeinrichtungen des Instrumententrägers kommunizierenden Konvertierungseinrichtung, mittels derer eine Konvertierung der Registrationspunkte aus der Abbildung der Eingriffsumgebung mit den Registrationspunkten entsprechenden realen Meßpunkten am Patienten, die mit einem am Instrumententräger befestigten Instrument abgetastet werden, durchführbar und die reale Position des am Instrumententräger befestigten Instruments in der Abbildung auf der Anzeigeeinheit darstellbar ist und nachfolgend anhand der erfaßten Bewegungen und Orientierung des Instrumententrägers fortlaufend aktualisierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung nach Art einer Kopfhaube ausgebildet und am Kopf des Patienten befestigbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung als Manschette ausgebildet ist und an Gliedmaßen des Patienten befestigbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung mit Mitteln zur Befestigung am Kiefer und/oder anderen anatomischen Partien des Kopfes des Patienten ausgerüstet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung mittels Unterdruck oder Überdruck am Patienten befestigbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung mindestens eine als Kupplungsbereich für eine lösbare Verbindung mit einer ortsfesten Einrichtung, wie Behandlungsstuhl, Behandlungstisch, höhenverstellbare Haltesäule und/oder eine Bilderzeugungseinrichtung ausgebildete Stelle aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung mindestens eine als Kupplungsbereich für die Befestigung des Instrumententrägers ausgebildete Stelle aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Instrumententräger lösbar an der Befestigungsvorrichtung befestigbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur lagegenauen reproduzierbaren lösbaren Befestigung des Instrumenten­ trägers an der Befestigungsvorrichtung vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung der realen Meßpunkte am Patienten ein Abtastinstrument mit definierten Abmessungen vorgesehen und am Instrumententräger befestigbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl unterschiedlicher Instrumente, wie Bohrer, Fräse, Schraubendreher, Nadel, Zeigerspitze, Schablone, Abtaster, Sonde, Haltevorrichtungen für Implantate oder Hilfsmittel, wie Schrauben, Marker etc. wahlweise am Instrumententräger in definierter Lage befestigbar sind und eine Instrumentendatenbank vorgesehen ist, in der die geometrischen Daten der Instrumente abgespeichert und der Konvertierungseinrichtung für die Darstellung der Position in der Abbildung der Eingriffsumgebung auf der Anzeigeeinrichtung zuführbar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Instrumente eine Codierung aufweisen und der Instrumententräger eine Leseeinrichtung für die Codierung umfaßt, mittels derer die Codierung bei Befestigung eines Instruments am Instrumententräger erfaßbar ist und die der Codierung zugeordneten geometrischen Daten aus dem Datenspeicher der Konvertierungseinrichtung zuführbar sind, so daß die Position des Instruments in der Abbildung der Eingriffsumgebung angezeigt wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Planung und Simulation des medizinischen Eingriffs in der Abbildung der Eingriffsumgebung vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Planung und Simulation des medizinischen Eingriffs in Gestalt einer auf der Datenverarbeitungsanlage installierten Software ausgebildet und die Simulation im Datenspeicher in Arbeitsschritte unterteilt abspeicherbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, mittels dessen ein Vergleich der aus dem Datenspeicher abgerufenen Arbeitsschritte mit den von der Konvertierungseinrichtung ermittelten Instrumentenpositionen durchführbar ist und bei Auftreten von Abweichungen zwischen dem abgerufenen Arbeitsschritt und der Instrumentenposition optische und/oder akustische Warnsignale abgebbar sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Instrumententräger von der Steuerungseinrichtung anhand der aus dem Datenspeicher abgerufenen Arbeitsschritte automatisiert steuerbar und bewegbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung die vollzogenen Arbeitsschritte in zeitlicher Abfolge in einer Protokolldatei abspeichert, so daß eine vollständige Dokumentation des medizinischen Eingriffs bewirkbar ist.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2919171A1 (fr) * 2007-07-23 2009-01-30 Hospices Civils De Lyon Etabli Dispositif de positionnement et d'immobilisation dun guide chirurgical dans la bouche d'un patient.
WO2010061006A2 (en) 2010-02-23 2010-06-03 Phonak Ag Customized drilling jig for implantation of a hearing aid
DE202011005573U1 (de) * 2011-04-21 2012-04-23 Isys Medizintechnik Gmbh Vorrichtung zur Fixierung
CN108524016A (zh) * 2018-02-27 2018-09-14 南阳市中心医院 一种整形美容颌面部固定装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1988009151A1 (en) * 1987-05-27 1988-12-01 Schloendorff Georg Process and device for optical representation of surgical operations
DE4339049A1 (de) * 1993-11-16 1995-05-18 Erbe Elektromedizin Einrichtung zur Konfiguration chirurgischer Systeme
DE19618945A1 (de) * 1996-05-10 1997-11-20 Implex Gmbh Vorrichtung zur Positionierung und Fixierung von chirurgischen, therapeutischen oder diagnostischen Instrumenten

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1988009151A1 (en) * 1987-05-27 1988-12-01 Schloendorff Georg Process and device for optical representation of surgical operations
DE4339049A1 (de) * 1993-11-16 1995-05-18 Erbe Elektromedizin Einrichtung zur Konfiguration chirurgischer Systeme
DE19618945A1 (de) * 1996-05-10 1997-11-20 Implex Gmbh Vorrichtung zur Positionierung und Fixierung von chirurgischen, therapeutischen oder diagnostischen Instrumenten

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2919171A1 (fr) * 2007-07-23 2009-01-30 Hospices Civils De Lyon Etabli Dispositif de positionnement et d'immobilisation dun guide chirurgical dans la bouche d'un patient.
WO2009016312A2 (fr) * 2007-07-23 2009-02-05 Hospices Civils De Lyon Dispositif de positionnement et d'immobilisation d'un guide chirurgical dans la bouche d'un patient
WO2009016312A3 (fr) * 2007-07-23 2009-04-09 Hospices Civils Lyon Dispositif de positionnement et d'immobilisation d'un guide chirurgical dans la bouche d'un patient
US8419426B2 (en) 2007-07-23 2013-04-16 Hospices Civils De Lyon Device for positioning and immobilizing a surgical guide in a patient's mouth
WO2010061006A2 (en) 2010-02-23 2010-06-03 Phonak Ag Customized drilling jig for implantation of a hearing aid
US9113922B2 (en) 2010-02-23 2015-08-25 Phonak Ag Customized drilling jig for implantation of a hearing aid
DE202011005573U1 (de) * 2011-04-21 2012-04-23 Isys Medizintechnik Gmbh Vorrichtung zur Fixierung
CN108524016A (zh) * 2018-02-27 2018-09-14 南阳市中心医院 一种整形美容颌面部固定装置

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