DE102005006775A1

DE102005006775A1 - Anordnung zur intraoperativen Registrierung

Info

Publication number: DE102005006775A1
Application number: DE102005006775A
Authority: DE
Inventors: Hayo Knoop; Ulrich Wyslucha
Original assignee: Maquet GmbH
Current assignee: Maquet GmbH
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-17
Also published as: WO2006087263A1

Abstract

Eine Anordnung zur automatischen intraoperativen Registrierung aufgrund von Bilddatensätzen, die mittels eines intraoperativen Tomographieverfahrens von einer anatomischen Region eines Patienten erstellt wurden, umfasst eine Patientenlagerfläche (10), die CT- oder MRT-fähig ist, Mittel zur Fixierung eines Patienten auf der Lagerfläche hat und mit stereotaktischen Referenzelementen (22) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen intraoperativen Registrierung aufgrund von Bilddatensätzen, die mittels eines intraoperativen Tomographieverfahrens von einer anatomischen Region eines Patienten erstellt wurden.

Unter Registrierung werden im folgenden Berechnungen verstanden, mit deren Hilfe mehrere 3-D-Objekte im gleichen Koordinatensystem in Beziehung gesetzt werden können.

Die intraoperative Registrierung findet heute in der Regel auf der Basis präoperativ gewonnener 3-D-Patientenbilddaten statt. Dies sind beispielsweise Bilddatensätze, die von einer anatomischen Region des Patienten mittels Computertomographen (CT) oder Magnetresonanztomographen (MRT, Kernspin) erstellt wurden. Dabei sollen Positionen aus dem jeweiligen Bilddatensatz (z.B. die Lage eines erkannten Tumors) während der Operation am Patienten wiedergefunden werden. Ferner soll die Möglichkeit bestehen, die Position und Orientie rung von chirurgischen Instrumenten in den Bilddaten darzustellen und zu steuern, was im folgenden allgemein als Navigation bezeichnet wird.

Die meisten heutigen Verfahren werden durch am Patienten angebrachte Markierungen unterstützt.

Verfahren mit invasiv gesetzten Markierungen gelten heute als der Standard mit der höchsten erzielbaren Genauigkeit. Dabei kommen als Markierung knochengetragene, stereotaktische Rahmen oder kleine Schrauben zum Einsatz, die sowohl im Bilddatensatz als auch intraoperativ identifiziert werden können. Bei bekannter Zuordnung der Markierungen (Bilddatensatzposition zu intraoperativer Position) kann daraus die Registrierung berechnet werden. Hierzu wird eine CT- oder MRT-Untersuchung mit den angebrachten Markierungen benötigt. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die invasiv gesetzten Markierungen den Patienten durch den zusätzlichen Eingriff für das Anbringen der Markierungen belasten und insgesamt die Operationsdauer verlängern.

Bei den nicht-invasiven Verfahren gibt es die Möglichkeit, manuell oder semiautomatisch anatomische Regionen (Landmarken) oder aufgeklebte Markierungen intraoperativ und im Datensatz zu identifizieren und so eine Zuordnung herzustellen. Ferner werden nicht-invasive oberflächenbasierte Verfahren verwendet, welche die Oberfläche des menschlichen Gewebes (Haut, Knochen) sowohl aus dem Bilddatensatz rekonstruieren als auch intraoperativ, z.B. mittels eines Laserscanners aufnehmen und bei bekannter Zuordnung die Registrierung berechnen. Nachteilig an diesen Verfahren ist ihre relativ geringe Genauigkeit und der ebenfalls hohe Zeitaufwand. Die Ursachen liegen dabei in der manuellen Zuordnung von Landmarken, der Variabilität der korrespondierenden Oberfläche (z.B. Hautverschiebungen), der unterschiedlichen Interpretation durch den Chirurgen oder der intraoperativen Beleuchtungssituation bei einem Oberflächenscan.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine automatische intraoperative Registrierung mit hoher Genauigkeit und möglichst geringer Belastung für den Patienten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Patientenlagerfläche, die CT- oder MRT-fähig ist, Mittel zur Fixierung eines Patienten auf der Lagerfläche hat und mit stereotaktischen Referenzelementen versehen ist. Durch die Erfindung kann eine Operation sofort nach der intraoperativen Bildgebung ohne Zeitverzögerung fortgesetzt werden.

Bei der Patientenlagerfläche kann es sich dabei um eine durchstrahlbare Operationstischlagerfläche oder um eine auf dieser befindliche, verschiebbare durchstrahlbare Unterlage (Transferboard) handeln.

Mit der erfindungsgemäßen Patientenlagerfläche erfolgt die Registrierung in der folgenden Weise: Der Patient wird zunächst auf der Lagerfläche temporär fixiert, beispielweise mit Hilfe von Gurten, fixierten anatomischen Abdrücken und/oder Vakuumkissen. In dem Tomographen werden dann die Bilddatensätze erstellt, wobei die Referenzelemente automatisch in den Bilddaten erkannt werden. Aus der Lage der Referenzelemente kann dann die Position und damit die Registrierung zum Bilddatensatz mittels eines automatischen Algorithmus berechnet werden. Während der sich unmittelbar anschließenden Operation bleibt der Patient auf der Lagerfläche fixiert, so dass die Registrierung während des folgenden Eingriffes erhalten bleibt.

Die Referenzelemente können direkt in der Lagerfläche angeordnet oder ausgebildet sein. So kann beispielsweise die Patientenlagerfläche auf zumindest einem Teil ihrer Länge ein Profil mit die Auflagefläche für den Patienten seitlich begrenzenden Holmen haben, die eine Fixierung des Patienten auf der Lagerfläche erleichtern, wobei mindestens ein Teil der Referenzelemente in den seitlichen Holmen angeordnet ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Referenzelemente in einem den Patienten mindestens teilweise umschließenden, beispielsweise U-förmigen Rahmen vorzusehen, der mit der Patientenlagerfläche lösbar verbunden ist. Vorzugsweise sind die Referenzelemente von Hohlräumen in dem Material der Lagerfläche oder des mit ihr verbindbaren Rahmens gebildet. Diese Hohlräume können mit Luft oder einem kontrastgebenden Material gefüllt sein. Ein solches Material sind z.B. Aluminium- oder Titanstäbe. Allerdings ist dieses Material bei ausschließlicher Diagnostik nur sinnvoll in Verbindung mit dem abnehmbaren Profilrahmen einsetzbar, da die Aluminium- oder Titanstäbe möglicherweise Artefakte bilden.

Vorzugsweise sind die Hohlräume über verschließbare Öffnungen mit einem Kontrastmittel befüllbar und evakuierbar. Dies bietet die Möglichkeit, ein für das jeweils verwendete bildgebende Verfahren geeignetes Kontrastmittel einzusetzen.

Um die Registrierung anschließend für verschiedene Geräte nutzen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Lagerfläche oder der lösbar mit ihr verbundene Rahmen eine Schnittstelle zur räumlich definierten Ankopplung eines Referenzkörpers hat, der dann von den Geräten genutzt werden kann, um die Position und Orientierung von chirurgischen Instrumenten darzustellen oder diese zu steuern.

Vorzugsweise umfasst ein solcher Referenzkörper eine Mehrzahl von Strahlung reflektierenden oder aussendenden Elementen, die eine feste räumliche Zuordnung zueinander haben. Solche Elemente können beispielsweise reflektierende Kugeln, Infrarotdioden oder HF-Spulen sein. Dabei sind die zum Eingriff mitein ander bestimmten Kupplungselemente der Schnittstelle und des Referenzkörpers zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass sie beim Ineinandergreifen eine eindeutige räumliche Position des Referenzkörpers relativ zu den lagerflächenfesten Referenzelementen gewährleisten.

Die Referenzelemente können in an sich bekannter Weise stabförmig sein, wobei mindestens ein Teil der Referenzelemente so angeordnet ist, dass die Längsachsen jeweils mindestens zweier Referenzelemente einen tatsächlichen oder virtuellen gemeinsamen Schnittpunkt haben.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet eine Möglichkeit zur weitgehend automatischen intraoperativen Registrierung. Die manuellen Eingriffe des Chirurgen oder des OP-Personals beschränken sich auf das Anordnen des Rahmens an der Lagerfläche, sofern ein solcher vorgesehen ist, bzw. auf das Anbringen des Referenzkörpers. Die erfindungsgemäße Lagerfläche kann unabhängig von der Art des bildgebenden Gerätes verwendet werden und ist prinzipiell für Röntgen- und Kernspinanwendungen geeignet durch entsprechende Wahl des Füllmaterials für die Referenzelemente. Durch die Schnittstelle ist der Anwender außerdem nicht an die Verwendung eines bestimmten Navigationssystems gebunden, sondern kann den hierfür geeigneten Referenzkörper einsetzen. Die erfindungsgemäße Lagerfläche ist auch für verschiedene chirurgische Disziplinen verwendbar. Dies gilt insbesondere für die Ausführungsform mit dem abnehmbaren Rahmen, da dieser immer an der zu untersuchenden oder zu behandelnden anatomischen Region des Patienten eingesetzt werden kann.

Das vorstehend beschriebene Verfahren ist nicht invasiv, da keine knochengetragenen Markierungen eingesetzt werden. Durch die Einsparung eines präoperativen Eingriffs wird der Patient weniger belastet und ein Zeitgewinn erzielt. Ein Zeitgewinn wird außerdem durch die automatische Registrierung (Einsparung manueller Registrierung von z.B. Landmarken) und die Möglichkeit zur sofortigen Fortsetzung der Operation erzielt.

Die folgende Beschreibung erläutert in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Patientenlagerfläche gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine der 1 entsprechende Darstellung eines einzelnen Abschnittes einer Patientenlagerfläche,
3 einen schematischen Querschnitt durch eine Lagerfläche gemäß einer zweiten Ausführugsform,
4 einen schematischen Schnitt durch einen als Referenzelement dienenden mit einem Kontrastmittel befüllbaren Hohlraum,
5 eine schematische Darstellung zweier einen Winkel miteinander bildender Referenzelemente,
6 eine schematische Draufsicht auf einen Abschnitt der Patientenlagerfläche mit an dieser angeordneten Referenzkörpern und
7 eine schematische Darstellung einer an der Patientenlagerfläche oder dem mit ihr lösbar verbundenen Rahmen ausgebildeten Schnittstelle für einen Referenzkörper.
Die in der 1 dargestellte allgemein mit 10 bezeichnete Patientenlagerfläche umfasst einen Basisrahmen 12 und darin angeordnete Auflagepolster 14 für einen Patienten 16. Der Basisrahmen 12 besteht aus Längsholmen 18 und einem Boden 20. In dem Boden 20 und den Längsholmen 18 sind Bohrungen 22 ausgebildet, die als Referenzelemente dienen. Die Patientenlagerfläche kann einteilig ausgebildet sein, wie in 1 dargestellt, oder aus mehreren Segmenten der in 2 dargestellten Art bestehen, die gelenkig miteinander verbunden sind, so dass sie gegeneinander verstellbar sind, wie dies bei Operationstischflächen bekannt ist. Unter Umständen ist auch nur ein Segment einer mehrteiligen Operationstischfläche in der in 2 dargestellten Weise ausgebildet.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform besteht die Patientenlagerfläche aus einer Grundplatte 24 und einem lösbar mit dieser verbundenen U-förmigen Profilrahmen 26, der ebenso wie der Basisrahmen 12 der Ausführungsform nach 1 zwei Längsholme 18 und einen Boden oder Querholm 20 hat, in denen die als Referenzelemente dienenden Bohrungen oder Hohlräume 22 ausgebildet sind.
Die Hohlräume 22 können mit Luft befüllt, evakuiert oder mit einem Kontrastmaterial gefüllt sein, das beispielsweise auch aus Metall bestehen kann. Bei der Ausführungsform gemäß 4 sind die Hohlräume 22 jeweils über eine Zuleitung 28 und ein Ventil 30 von außen her mit einem Kontrastmittel befüllbar bzw. wieder entleerbar. Auf diese Weise können die Bohrungen oder Hohlräume 22 mit dem für das jeweilige bildgebende Verfahren geeigneten Kontrastmittel gefüllt werden.
Die Abbildung in 5 zeigt zwei als Referenzelemente dienende Bohrungen 22, die einen Winkel miteinander bilden, so dass sich ihre Längsachsen in ei nem Punkt 32 schneiden. Dieser Schnittpunkt 32 kann als Bezugspunkt für die Registrierung dienen.
Die mit Hilfe der Referenzelemente 22 vorgenommene Registrierung kann anschließend von verschiedenen Geräten genutzt werden. Hierbei sind zwei Varianten vorgesehen, die beide an einer Lagerfläche gemäß den 1 oder 3 genutzt werden können. Bei der Ausführungsform gemäß 6 werden an der Lagerfläche 10 selbst Referenzkörper für das Auffinden und Steuern sowie das Nachverfolgen von Patientenbewegungen angeordnet. Diese Referenzkörper können aus Strahlung reflektierenden Kugeln oder Strahlung abgebenden Infrarot- oder Leuchtdioden bestehen oder auch von HF-Spulen gebildet sein.
Bei der Ausführungsform gemäß 7 ist an der Patientenlagerfläche, beispielsweise einem Holm 18, eine Schnittstelle in Form einer Universalkupplung 36 ausgebildet, die mit einem Referenzkörper 38, der eine Gegenkupplung 40 trägt, in einer eindeutig definierten Relativstellung kuppelbar ist. Der Referenzkörper 38 umfasst wiederum den Kugeln 34 in 6 entsprechende Kugeln 42 oder Leuchtdioden oder HF-Spulen. Nach dem Ankoppeln des Referenzkörpers 38 an der Schnittstelle 36 stehen die Kugeln 42 in einer eindeutigen räumlichen Beziehung zu einer vorgegebenen Position der Bilddatensätze, so dass ein zu steuerndes Gerät durch Bezugnahme auf diese Kugeln 42 präzise gesteuert werden kann.

Claims

Anordnung zur automatischen intraoperativen Registrierung aufgrund von Bilddatensätzen, die mittels eines intraoperativen Tomographieverfahrens von einer anatomischen Region eines Patienten erstellt wurden, gekennzeichnet durch eine Patientenlagerfläche (10), die CT- oder MRT-fähig ist, Mittel zur Fixierung eines Patienten auf der Lagerfläche hat und mit stereotaktischen Referenzelementen (22) versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelemente (22) in der Lagerfläche (10) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Patientenlagerfläche (10) auf zumindest einem Teil ihrer Länge ein Profil mit die Auflagefläche (14) für den Patienten (16) seitlich begrenzenden Holmen (18) hat, wobei mindestens ein Teil der Referenzelemente (22) in den Holmen (18) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Patientenlagerfläche (10) mit einem den Patienten (16) mindestens teilweise umschließenden Rahmen (26) verbindbar ist, in dem die Referenzelemente (22) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelemente (22) von Hohlräumen in der Lagerfläche (10) oder dem Rahmen (12, 26) gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (22) mit einem kontrastgebenden Material gefüllt sind.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (22) über eine verschließbare Öffnung (28, 30) evakuierbar oder mit einem Kontrastmittel befüllbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelemente (22) stabförmig sind, wobei mindestens ein Teil der Referenzelemente (22) so angeordnet ist, dass die Längsachsen jeweils mindestens zweier Referenzelemente (22) einen tatsächlichen oder virtuellen gemeinsamen Schnittpunkt (32) haben.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (10) oder der U-förmige Rahmen (26) eine Schnittstelle (36) zur räumlich definierten Ankopplung eines Referenzkörpers (38) zur Referenzierung von externen Geräten hat.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzkörper (38) eine Mehrzahl von Strahlung reflektierenden oder aussendenden Elementen (42) umfasst, die eine feste räumliche Zuordnung zueinander haben.
Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Eingriff miteinander bestimmten Kupplungselemente der Schnittstelle (36) und des Referenzkörpers (38) so ausgebildet sind, dass sie beim Ineinandergreifen eine eindeutige räumliche Position des Referenzkörpers (38) relativ zu den lagerflächenfesten Referenzelementen (22) gewährleisten.