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Die
Erfindung betrifft ein Positionierungssystem für perkutane Interventionen.
Darüber
hinaus betrifft die Erfindung einen Referenzrahmen und eine Instrumentenhalterung
zur Verwendung in einem solchen Positionierungssystem. Schließlich betrifft
die Erfindung ein Computerprogramm für ein solches Positionierungssystem.
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Bildgeführte Interventionen,
insbesondere CT-geführte
Interventionen, sind heute Teil der klinische Routine. Im Gegensatz
zu einer invasiven chirurgischen Behandlung ermöglichen dabei minimal-invasive
bildgeführte
Interventionen dem Anwender eine Arbeit mit minimalen Verletzungen
des Patienten. Dies verringert nicht nur die klinischen Kosten.
Es verringert auch die Gefahr von Komplikationen und besitzt einen
positiven kosmetischen Effekt.
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Die
Genauigkeit und Schnelligkeit, mit der eine Punktionsnadel im Körper des
Patienten planiert wird, hängt
jedoch in hohem Maße
von dem Können
des Radiologen ab. Insbesondere erfordert ein solcher Vorgang ein
hohes Maß an
Erfahrung. Bereits das Finden eines geeigneten Eintrittspunktes
ist oftmals willkürlich.
Daher sind meist eine Vielzahl von Kontrollscans erforderlich, um
die Nadelposition zu bestimmen und gegebenenfalls zu korrigieren,
bis sich die Nadelspitze am gewünschten
Zielpunkt befindet. Dies ist insbesondere bei solchen Anwendungen
erforderlich, bei denen eine falsche Position der Nadel zu lebensbedrohlichen
Zuständen beim
Patienten führen
kann. Die häufigen
Kontrollscans verlängern
nicht nur die Dauer des Eingriffs, sondern erhöhen auch die Strahlungsdosis
für den
Patienten.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Positionierung medizinischer
Instrumente bei perkutanen Interventionen zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Positionierungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Danach
ist ein Positionierungssystem für
perkutane Interventionen vorgesehen, mit einem Referenzrahmen zur
Anordnung in einer definierten Lage relativ zu einem Patienten,
wobei der Referenzrahmen derart ausgebildet ist, daß dessen Lage
in einem ersten Bezugssystem und in einem zweiten Bezugssystem bestimmbar
ist, mit einer Instrumentenhalterung zum Aufnehmen und/oder Halten
eines medizinischen Instrumentes, insbesondere einer Nadel, und/oder
einem medizinischen Instrument, wobei die Instrumentenhalterung
und/oder das medizinische Instrument derart ausgebildet ist, daß deren
Lage in dem zweiten Bezugssystem bestimmbar ist, und mit einer Datenverarbeitungseinheit,
welche aufweist a) ein Eingangsmodul, ausgebildet zum Empfangen
eines von einem bildgebenden System bereitgestellten Patientendatensatzes
und zum Empfangen eines von einem Ortungssystem bereitgestellten
Gerätedatensatzes,
wobei der Patientendatensatz Patientendaten, insbesondere Bilddaten,
in dem ersten Bezugssystem und Daten zur Lage des Referenzrahmens
in dem ersten Bezugssystem enthält,
und wobei der Gerätedatensatz
Daten zur Lage des Referenzrahmens in dem zweiten Bezugssystem und
Daten zur Lage der Instrumentenhalterung und/oder des medizinischen
Instrumentes in dem zweiten Bezugssystem enthält, b) ein Registrierungsmodul,
ausgebildet zum Durchführen
einer automatischen Bild-zu-Patient-Registrierung mit Hilfe der in dem Patientendatensatz
und in dem Gerätedatensatz
enthaltenen Daten und c) ein Planungsmodul, ausgebildet zum Planen
einer Trajektorie von einem Eintrittspunkt am Patienten zu einem
Zielpunkt im Patienten.
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Darüber hinaus
wird diese Aufgabe durch einen Referenzrahmen nach Anspruch 12 gelöst. Der
Referenzrahmen zur Verwendung in einem Positionierungssystem ist
ausgebildet zur Anordnung in einer definierten Lage relativ zu einem
Patienten, mit einer Anzahl erster Markierungselementen für die Bestimmung
seiner Lage in einem ersten Bezugssystem und mit eine Anzahl zweiter
Markierungselementen für
die Bestimmung seiner Lage in einem zweiten Bezugssystem, wobei
die ersten Markierungselemente zur Bestimmung einer Lage mit Hilfe
eines bildgebenden Verfahrens, insbesondere Computertomographie,
ausgebildet sind und wobei die zweiten Markierungselemente zur Bestimmung
einer Lage mit Hilfe eines optischen oder elektromagnetischen Ortungsverfahrens
ausgebildet sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Referenzrahmen
an dem oder auf dem Patienten anbringbar ist. In diesem Fall kann
durch Aufdrücken
des Referenzrahmens auf den Patientenkörper eine zusätzliche
Fixierung des Patienten erreicht werden. Alternativ dazu ist der
Referenzrahmen relativ zu dem Patienten angeordnet, ohne daß ein mechanischer
Kontakt zu dem Patienten besteht. In diesem Fall ist die Gefahr
der Übertragung
von Keimen oder dergleichen sehr gering.
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Darüber hinaus
wird diese Aufgabe durch eine Instrumentenhalterung, insbesondere
Nadelhalterung, nach Anspruch 15 gelöst. Die Instrumentenhalterung
zur Verwendung in einem Positionierungssystem umfaßt eine
Aufnahme- oder Haltevorrichtung zur Befestigung eines medizinischen
Instrumentes, insbesondere einer Nadel, und eine Anzahl zweiter
Markierungselemente für
die Bestimmung ihrer Lage in einem zweiten Bezugssystem, wobei die
zweiten Markierungselemente zur Bestimmung einer Lage mit Hilfe
eines optischen oder elektromagnetischen Ortungsverfahrens ausgebildet
sind. Vorzugsweise weist die Instrumentenhalterung zwei Drehgelenke
zur einfachen und präzisen
Ausrichtung auf.
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Darüber hinaus
wird diese Aufgabe durch ein medizinisches Instrument nach Anspruch
17 gelöst.
Das medizinisches Instrument, insbesondere eine Nadel, umfaßt eine
Anzahl zweiter Markierungselemente für die Bestimmung seiner Lage
in einem zweiten Bezugssystem, wobei die zweiten Markierungselemente
zur Bestimmung einer Lage mit Hilfe eines vorzugsweise optischen
oder elektromagnetischen Ortungsverfahrens ausgebildet sind.
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Darüber hinaus
wird diese Aufgabe durch ein Computerprogramm für ein Positionierungssystem
für perkutane
Interventionen nach Anspruch 18 gelöst. Danach ist es vorgesehen,
daß das
Computerprogramm aufweist: Computerprogrammanweisungen zum Empfangen
eines von einem bildgebenden System bereitgestellten Patientendatensatzes
und zum Empfangen eines von einem Ortungssystem bereitgestellten
Gerätedatensatzes,
wobei der Patientendatensatz Patientendaten, insbesondere Bilddaten,
in dem ersten Bezugssystem und Daten zur Lage des Referenzrahmens
in dem ersten Bezugssystem enthält,
und wobei der Gerätedatensatz
Daten zur Lage des Referenzrahmens in dem zweiten Bezugssystem und
Daten zur Lage der Instrumentenhalterung und/oder eines medizinischen
Instrumentes in dem zweiten Bezugssystem enthält, Computerprogrammanweisungen
zum Durchführen
einer automatischen Bild-zu-Patient-Registrierung mit Hilfe der in
dem Patientendatensatz und in dem Gerätedatensatz enthaltenen Daten
und Computerprogrammanweisungen zum Planen einer Trajektorie von
einem Eintrittspunkt am Patienten zu einem Zielpunkt im Patienten, wenn
das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.
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Eine
grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, vor dem eigentlichen
Eingriff den Zugangsweg zu planen und mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen
eine präzise
und schnelle Ausrichtung des medizinischen Instruments und einen
definierten Vorschub zu gewährleisten.
Damit wird eine computerunterstütze
Navigation für
perkutane Interventionen ermöglicht,
die insbesondere im Bereich der interventionellen Radiologie Anwendung
finden kann. Unter dem Begriff Navigation wird dabei das Bestimmen
der Position durch Ortung verstanden. Darüber hinaus wird unter dem Begriff
Navigation das Planen des Zugangsweges zum Zielpunkt verstanden.
Und schließlich
wird unter dem Begriff Navigation auch das Führen eines medizinischen Instrumentes
zu diesem Ziel auf dem geplanten Zugangsweg verstanden.
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Eine
weitere grundlegende Idee der Erfindung besteht in der Kombination
einer Navigationssoftware mit einer speziellen Instrumentenhalterung
und/oder eines spezielle medizinischen Instrumentes. Mit dieser Kombination
ist innerhalb weniger Sekunden eine akkurate Ausrichtung des Instrumentes,
vorzugsweise einer Nadel oder dergleichen, entsprechend der geplanten
Trajektorie möglich.
Gemäß einer
weiteren grundlegenden Idee der Erfindung wird darüber hinaus
durch die Verwendung eines speziellen Referenzrahmens eine vollautomatische
Bild-zu-Patient-Registrierung ermöglicht.
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Dies
trägt ebenfalls
zu einer sehr schnellen Bereitstellung der für den Eingriff erforderlichen
Informationen und damit insgesamt zu einer Verkürzung der Behandlungsdauer
bei.
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Mit
dem neuartigen bildgeführten
Navigationsverfahren sind minimal-invasive Eingriffe möglich, bei denen
ein punktgenaues sicheres Erreichen auch kleinster Zielbereiche
im Körperinneren
möglich
ist. Das erfindungsgemäße Positionierungssystem
kann dabei vollumfänglich
in die klinische Arbeitsumgebung integriert werden.
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Die
Erfindung ist bei allen bildgeführten
Interventionen und Therapien einsetzbar, bei denen ein perkutaner
Vorschub einer Nadel zu einer bestimmten anatomischen Position in
dem Patienten erforderlich ist. Anwendungsfelder sind u.a. Biopsie
bzw. Punktion zur Entnahme von klärungsbedürftigem Gewebe (beispielsweise
Thorax, Abdominal, Spine, Hüfte,
Knie usw.), Vetebroplastie, periradikuläre Therapie und Radiofrequenzablation.
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Durch
das erfindungsgemäße Positionierungssystem
kann die Anzahl der Kontrollscans und damit die Dauer des Eingriffes
und die Strahlenbelastung des Patienten verringert werden. Besonders
die Verringerung der Eingriffsdauer ist dann von großer Bedeutung,
wenn ein sich schnell auflösendes
Kontrastmedium verwendet wird.
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Vorzugsweise
befindet sich kein einziges Markierungselement direkt am Körper des
Patienten. Dennoch ist in den meisten Fällen ein präziser Eingriff ohne Vollnarkose
möglich.
Die Belastung des Patienten kann daher gegenüber aus dem Stand der Technik
bekannten Lösungen
deutlich verringert werden. Erreicht werden kann dies u.a. durch
den Einsatz eines hochwirksamen Patientenfixierungssystems, welches
nicht vorhersehbare Bewegungen des Patienten relativ zu dem Referenzrahmen,
welche die Bild-zu-Patient-Registrierung beeinflussen könnten, minimiert.
Dadurch können
Risiken, die mit Patientenbewegungen verbunden sind, gegenüber bekannten
Verfahren deutlich verringert werden.
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Im
Gegensatz zu konventionellen Positionierungssystemen oder Positionierungshilfen,
wie Laser oder Hautmarker, ist das vorliegende Positionierungssystem
an die Bedürfnisse
eines Radiologen angepaßt
und kann daher als ideales Werkzeug für bildgeführte perkutane interventionelle
Verfahren eingesetzt werden.
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Vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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So
ist es gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, daß die Datenverarbeitungseinheit
ein Navigationsmodul aufweist, das zum Visualisieren der Instrumentenhalterung und/oder
des medizinischen Instrumentes in dem Patientendatensatz vor und/oder
während
der Intervention ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es mit anderen Worten
also nicht nur möglich,
die Lage des medizinischen Instrumentes außerhalb des Patientenkörpers zu überprüfen. Mit
der Erfindung besteht zudem die Möglichkeit, den Nadelvorschub
in dem Patientendatensatz in Echtzeit zu visualisieren und somit
das Einbringen der Nadel in den Körper des Patienten und die
Bewegung der Nadel zu kontrollieren. Dadurch kann die Anzahl von
Kontrollscans und damit die Strahlenbelastung des Patienten gegenüber herkömmlichen
Techniken deutlich verringert werden.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die Verwendung eines optischen und/oder elektromagnetischen Ortungssystems
vorgesehen. Bei der Verwendung eines optischen Ortungssystems können die
verwendeten medizinischen Instrumente außerhalb des Patienten verfolgt werden.
Kommt zusätzlich
oder alternativ hierzu ein elektromagnetisches Ortungssystem zum
Einsatz, können die
verwendeten medizinischen Instrumente auch im Körper des Patienten verfolgt
werden.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt
ein vorzugsweise auf einem Vakuumprinzip basierendes Patientenfixierungssystem
zur Fixierung des Patienten zum Einsatz. Durch die hierdurch erreichbare
weitgehende Immobilisierung des Patienten können die Vorteil der Erfindung besonders
gut genutzt werden.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend mit Hilfe von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 eine Überblicksdarstellung
eines Positionierungssystems,
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2 eine
Blockdarstellung eines Positionierungssystem,
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3 einen
Referenzrahmen,
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4 eine
Nadelhalterung,
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5 eine
Bildschirmdarstellung der Trajektorienplanung,
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6 eine
erste Bildschirmdarstellung während
des Ausrichtens der Nadelhalterung,
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7 eine
zweite Bildschirmdarstellung während
des Ausrichtens der Nadelhalterung,
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8 eine
alternative zweite Bildschirmdarstellung während des Ausrichtens der Nadelhalterung
und
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9 einen
weiteren Referenzrahmen.
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Sämtliche
Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren
wesentlichen Bestandteilen sowie zum Teil stark vereinfacht.
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Mit
Hilfe der nachfolgend beschriebenen Technik wird die klinische Aufgabe
gelöst
werden, eine Nadel perkutan in einen Patienten zu stechen und entlange
eines zuvor geplanten Zugangsweges zu einem definierte Zielpunkt
vorzuschieben, um eine entsprechende Therapie zu beginnen. Dabei
erfolgt der Eingriff äußerst präzise und
schnell.
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Wie
in den 1 und 2 abgebildet, umfaßt das erfindungsgemäße Positionierungssystem 100 einen
Referenzrahmen 2 und eine Nadelhalterung 3. Darüber hinaus
umfaßt
das Positionierungssystem 100 eine Datenverarbeitungseinheit 4.
Die Datenverarbeitungseinheit 4 ist ausgebildet zur Durchführung aller Schritte
entsprechend des hier beschriebenen Verfahrens, die in einem Zusammenhang
mit der Verarbeitung von Daten stehen. Bei den Daten handelt es
sich insbesondere um Daten, die den zu behandelnden Patienten 5 betreffen,
wie beispielsweise Bilddaten, sowie um Daten, die verschiedene Komponenten
des Positionierungssystem 100 betreffen, insbesondere Positionsdaten
der Nadelhalterung 3, des Referenzrahmens 2 und gegebenenfalls
der Nadel 6. Die Datenverarbeitungseinheit 4 weist
vorzugsweise eine Anzahl von weiter unten näher erläuterten Funktionsmodulen auf,
wobei jedes Funktionsmodul ausgebildet ist zur Durchführung einer bestimmten
Funktion oder einer Anzahl bestimmter Funktionen gemäß dem beschriebenen
Verfahren. Bei den Funktionsmodulen kann es sich um Hardwaremodule
oder Softwaremodule handeln. Mit anderen Worten kann die Erfindung,
soweit es die Datenverarbeitungseinheit 4 betrifft, entweder
in Form von Computerhardware oder in Form von Computersoftware oder
in einer Kombination aus Hardware und Software verwirklicht werden.
Soweit die Erfindung in Form von Software verwirklicht ist, werden
die nachfolgend beschriebenen Funktionen durch Computerprogrammanweisungen
realisiert, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.
Die Computerprogrammanweisungen sind dabei auf an sich bekannte
Art und Weise in einer beliebigen Programmiersprache verwirklicht
und können
der Datenverarbeitungseinheit 4 in beliebiger Form bereitgestellt
werden, beispielsweise in Form von Datenpaketen, die über ein
Rechnernetz übertragen
werden, oder in Form eines auf einer Diskette, einer CD-ROM oder
einem anderen Datenträger
gespeicherten Computerprogrammprodukts.
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In
dem hier besprochenen Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der Datenverarbeitungseinheit 4 um
einen Standard-Personalcomputer
(PC) 10 mit einem berührungssensitiven
Bildschirm (touch screen) 7, welcher als Benutzerschnittstelle
dient. Auf dem PC 10 wird eine Navigationssoftware ausgeführt. Der
PC 10 ist vorzugsweise in einem kleinen beweglichen Trägergestell 8 untergebracht,
der bei Bedarf einfach innerhalb des Operationsraumes bewegt werden
kann. Darüber
hinaus kommt ein in 1 lediglich schematisch angedeutetes
Patientenfixierungssystem 9 zur Anwendung, welches dafür sorgt,
daß insbesondere äußere Bewegungen
des Patienten 5 bestmöglich
unterdrückt
werden.
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Zur
Bilderfassung ist das Positionierungssystem 100 an einen
Computertomographen (CT-Scanner) 200 angeschlossen. Bei
dem CT-Scanner 200 handelt es sich beispielsweise um einen
Scanner vom Typ Sensation 64 der Fa. Siemens Medical Solutions
(Deutschland). Alternativ kann anstelle des CT-Scanners 200 auch ein 3D-C-Bogen-System
oder ein Magnetresonanz-System zur Bilderfassung verwendet werden.
Darüber
hinaus sind prinzipiell auch andere bildgebende Verfahren einsetzbar.
Wichtig dabei ist lediglich, daß damit eine
Volumendarstellung, also ein dreidimensionaler Bilddatensatz des
Patienten 5 erstellt werden kann. Die Auswahl des geeigneten
bildgebenden Verfahrens ist insbesondere von der klinischen Fragestellung
abhängig.
Die Verwendung eines CT-Scanners 200 ist jedoch besonders
vorteilhaft, da damit ein Großteil
der in Frage kommenden Anwendungen abgedeckt werden kann.
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Das
Positionierungssystem 100 ist darüber hinaus an ein Ortungssystem
(tracking system) 300 angeschlossen. Das optische Ortungssystem 300 kann
dabei als Bestandteil des Positionierungssystems 100 angesehen
werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, den Referenzrahmen 2,
die Nadelhalterung 3 und die Datenverarbeitungseinheit 4 als
eigentliches „Kern"-Positionierungssystem 100 anzusehen,
welches mit einem Ortungssystem 300 zusammenwirkt.
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Bei
dem Ortungssystem 300 handelt es sich in den dargestellten
Ausführungsbeispiel
um ein passives optisches Ortungssystem, welches die Lage von passiven
Markierungselementen im Raum erfaßt. Beispielsweise kann ein
System vom Typ POLARIS der Fa. NDI, Kanada verwendet werden. Dabei
wird eine spezielle Kamera verwendet zur Aufnahme von dreidimensionalen
digitalen Photos des Patienten bzw. der Geräte (Referenzrahmen und Nadelhalterung/Nadel).
Anstelle eines passiven optischen Ortungssystems kann jedoch auch
ein aktives optisches Ortungssystem verwendet werden, bei dem als
Markierungselemente aktive Infrarot-Marker oder Leuchtdioden verwendet
werden. Wichtig dabei ist lediglich, daß mit Hilfe des Ortungssystems die
Lage von Markierungselementen in einem dreidimensionalen Raum erfaßt werden
können.
Daher kann anstelle des optischen Ortungssystems auch ein elektromagnetisches
Ortungssystem oder dergleichen eingesetzt werden.
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Minimal
invasive Eingriffe könnten
in vielen Fällen
unter lokaler Anästhesie
durchgeführt
werden. Aufgrund der Bewegungen des Patienten 5 wird der
Eingriff jedoch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Techniken
oft unter Vollnarkose vollzogen. Mit Hilfe eines geeigneten Patientenfixierungssystems 9 ermöglicht das
erfindungsgemäße Positionierungssystem
Interventionen unter Lokalanästhesie.
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Als
Patientenfixierungssystem hat sich dabei u.a. das System Fixierungssystem
der Fa. Medical Intelligence (Deutschland) als besonders geeignet
erwiesen. Jedoch können
auch andere Patientenfixierungssystem verwendet werden. Wichtig
dabei ist lediglich, daß eine
hochgenaue Fixierung des Patienten 5 relativ zu dem Referenzrahmen 2 sichergestellt
ist.
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Zur
Vorbereitung des Eingriffes mit Hilfe des Fixierungssystems wird
der Körper
des auf einem CT-Tisch 11 in einer Vakuummatte liegenden
Patienten 5 mit luftdurchlässigen Kissen bedeckt. Dann
wird eine Plastikfolie über
den Patienten 5 und die Kissen gelegt und mit einer Pumpe
die Luft aus den Kissen und der Vakuummatte gesaugt. Dadurch werden
die Kissen und die Vakuummatte hart und passen sich den Körperkonturen
des Patienten 5 an. Da unfreiwillige Bewegungen des Patienten
hiermit vollständig
verhindert werden, kann das System mit Lokalanästhesie betrieben werden. Ein
Betrieb unter Vollnarkose, wie dies bei bekannten Systemen erforderlich
ist, mit den damit verbundenen Risiken für den Patienten, kann entfallen.
Neben einer Verringerung der Patientenbewegungen ermöglicht der
Einsatz des Patientenfixierungssystems 9 auch eine reproduzierbare
Rückführung des
Patienten in seine Ausgangslage nach einem nicht vorhersehbaren
Bewegung des Patienten.
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Anschließend wird
der Referenzrahmen 2 positioniert. Der Referenzrahmen 2 besteht
aus einem Gestell, das vorzugsweise aus einem Karbon- oder Kunststoffmaterial
gefertigt und damit artefaktfrei gegenüber der Bildgebung sowie äußerst robust
und pflegeleicht ist, vgl. 3. Der Referenzrahmen 2 ist
dabei vorzugsweise derart ausgebildet, daß er an einer beliebigen Stelle
des Patienten 5 relativ zu dem Patienten 5 angeordnet
werden kann, ohne daß ein
mechanischer Kontakt zu dem Patienten 5 besteht. Referenzrahmen 2 und Patient 5 sind
mit anderen Worten vollständig
voneinander abgekoppelt. Hierdurch kann ein hohes Maß an Keimfreiheit
gewährleistet
werden. Beispielsweise ist es möglich,
den Referenzrahmen 2 mit einer sterilen Abdeckung zu versehen.
Auch eine Arbeit an offenen Wunden oder dergleichen ist daher problemlos
möglich.
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In
dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Referenzrahmen 2 skelettartig
in Form eines Schlittens ausgeführt.
Dabei liegt der Referenzrahmen 2 mit seinen unteren, als
Auflageflächen
dienenden Längsstreben 12 auf
dem CT-Tisch 11 auf und überspannt den Körper des
Patienten 5 vollständig,
ohne ihn zu berühren.
Bei einem CT-Scan wird der CT-Tisch 11 in Längsrichtung 13 auf
den CT-Scanner 200 zu verfahren und fährt zusammen mit dem Körper des
Patienten 5 und dem Referenzrahmen 2 in den CT-Scanner 200 ein.
Der Referenzrahmen 2 ist daher derart flach ausgeführt, daß ein Einfahren
in den CT-Scanner 200 problemlos möglich ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung (nicht abgebildet) ist der Referenzrahmen derart ausgestaltet,
daß er
direkt an dem oder auf dem Patienten befestigt werden kann. Der
Referenzrahmen weist dann keine mechanische Verbindung mehr zu dem
CT-Tisch 11 auf. Auch kann durch das Anbringen einer Anzahl von
Markierungen (nicht abgebildet) am Patienten 5, beispielsweise
auf der Haut des Patienten 5, überprüft werden, ob sich die Position
des Referenzrahmens während
der Messung verändert
hat.
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Wie
in 3 dargestellt sind an dem Referenzrahmen 2 erste
Markierungselemente (CT-Marker) 14 befestigt. Diese CT-Marker 14 sind
derart ausgestaltet, daß sie
in den von dem CT-Scanner 200 produzierten CT-Bildern
automatisch erkannt werden können.
Insbesondere weisen die CT-Marker 14 hierzu einen besonders
hohen HU (Hounsfield Unit)-Wert auf. Die CT-Marker 14 können dabei – wie abgebildet – an der
Oberfläche
des Referenzrahmens 2 montiert oder aber im Inneren des
Referenzrahmens angeordnet sein (vgl. 8).
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Darüber hinaus
sind an der Oberfläche
des Referenzrahmens 2 zweite Markierungselemente (optische
Marker) 15 befestigt. Die optischen Marker 15 sind
reflektierend ausgeführt
derart, daß sie
durch ein passiven optisches Ortungssystem 300 erkannt
werden können.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung reflektierender Kugeln
als optische Marker 15.
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Sowohl
CT-Marker 14 als auch optische Marker 15 sind
jeweils in einer definierten geometrischen Anordnung an dem Referenzrahmen
angebracht. Sie bilden daher jeweils ein DRF (Dynamic Reference
Frame)-System zur Bestimmung des Koordinatensystems 201 des
CT-Scanners 200 bzw. des Koordinatensystem 301 des
optischen Ortungssystems 300 und damit die Grundlage für eine Bild-zu-Patient-Registrierung. Da
sowohl CT-Marker 14 als auch optische Marker 15 fest
an dem Referenzrahmen 2 angebracht sind, ist ihre Lage
zueinander definiert. Diese Lageinformationen sind dem Positionierungssystem 100 bekannt,
so daß ein Abgleich
der beiden Koordinatensysteme, nämlich
des Patientenkoordinatensystems 201 basierend auf den CT-Daten
des CT-Scanners 200 einerseits und des Koordinatensystems 301 basierend
auf den Daten des optischen Ortungssystems 300 andererseits
erfolgen kann.
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Die
Nadelhalterung 3 ist derart ausgeführt, daß ein beliebiges medizinisches
Instrument, wie beispielsweise eine Biopsienadel oder eine Kanüle, schnell
und auf einfache Art und Weise befestigt und wieder demontiert werden
kann. Dadurch können
Biopsienadeln oder Kanülen
auf einfache Art und Weise auch während des Eingriffes in das
System integriert werden. In dem Ausführungsbeispiel handelt es sich
bei dem Instrument um eine Punktionsnadel 6. Die Nadel 6 wird
in der Nadelhalterung 3 im Bereich ihres proximalen Endes über eine
Aufnahme- oder Haltevorrichtung 16 gehalten. Die Nadelhalterung 3 weist
darüber
hinaus einen Montagearm 17 auf, an dessen einem Ende die
Aufnahme- oder Halteeinrichtung 16 befestigt ist. Dieser
Montagearm 17 ist mit seinem anderen Ende über einen
Befestigungsflansch 18 an dem Referenzrahmen 2 befestigbar.
Der Montagearm 17 kann jedoch beispielsweise auch an dem
CT-Tisch 11 des CT-Scanners 200 montiert werden.
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Die
Nadelhalterung 3 weist zwei unabhängig voneinander betätigbare
Drehgelenke 19, 19' auf,
wodurch die Nadelhalterung 3 schnell und genau auf die
geplante Trajektorie ausgerichtet werden kann. Dabei ist eines der
Drehgelenke 19 als Teil des Montagearmes 17 ausgebildet,
während
das andere Drehgelenk 19' in
bzw. an der Aufnahme- oder
Halteeinrichtung 16 vorgesehen ist. Beide Drehgelenke 19, 19' sind in beliebigen
Positionen feststellbar. Die Nadelhalterung 3 verfügt somit
vorzugsweise über
sechs Freiheitsgrade, so daß sie
auf einfache Art und Weise in der Nähe des Patienten 5 und
insbesondere in der Nähe
der Eintrittsstelle positioniert werden kann. Von der Aufnahme- oder Halteeinrichtung 16,
in der in den dargestellten Ausführungsbeispielen
stets eine Punktionsnadel 6 gehalten wird, erstreckt sich
eine Auflageschiene 21, auf welcher die Nadel 6 geführt wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind die Nadelhalterung 3 und/oder der Referenzrahmen 2 an einem
hydraulischen Montagearm (nicht dargestellt) befestigt. Dann ist
es besonders einfach, sowohl Nadelhalterung 3 als auch
Referenzrahmen 2 an jeder beliebigen Position am Patienten 5 anzuordnen.
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Auch
an der Nadelhalterung 3 sind optische Marker 15 angebracht.
Diese entsprechen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel denjenigen optischen
Markern 15, wie sie bereits bei dem Referenzrahmen 2 verwendet
wurden. Die optischen Marker 15 sind dabei derart an der
Nadelhalterung 3 angebracht, daß dem Positionierungssystem 100 durch Übertragung
der entsprechenden Lageinformationen der Marker 15 sowohl
die Lage eines Rotationspunktes 22 der Nadelhalterung 3 als
auch die Lage der durch den Rotationspunkt 22 verlaufenden
Nadelachse 23 bekannt ist. Bei dem Rotationspunkt 22 handelt
es sich dabei um den Punkt, um den die Nadelhalterung 3 später während des
Ausrichtevorgangs rotiert wird. Zusätzlich sind der Nadel 6 selbst eine
Anzahl weiterer optischer Marker 15 zugeordnet, um die
spätere
Eindringtiefe der Nadel 6 bestimmen zu können. Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
befinden sich die weiteren optischen Marker 15 an einem
Auflageelement 24, welches auf dem distalen Ende 25 der
Nadel 6 aufliegt und an der Auflageschiene 21 verschiebbar
angeordnet ist derart, daß bei
einem Eindringen der Nadel 6 in den Körper des Patienten 5 zugleich auch
das Auflageelement 24 und damit die optischen Marker 15 verschoben
werden können
oder sich selbst verschieben.
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Sowohl
die CT-Marker 14 als auch die optischen Marker 15 sind
jeweils in einer definierten geometrischen Anordnung an dem Referenzrahmen 2 bzw.
an der Nadelhalterung 3 befestigt, so daß anhand
der Marker 14, 15 eine Lagebestimmung im dreidimensionalen
Raum bzw. im Patientendatensatz eindeutig möglich ist. Vorzugsweise sind
zu diesem Zweck an jedem Gerät
jeweils mindestens drei Marker 14, 15 eines Typs vorgesehen.
Die Anzahl der an dem Referenzrahmen 2 vorgesehenen CT-Marker 14 ist
jedoch vorzugsweise höher,
damit auch dann eine eindeutige Zuordnung möglich ist, wenn nicht der gesamte
Referenzrahmen 2, sondern lediglich ein Teil des Referenzrahmens 2 und
damit auch nur ein Teil der CT-Marker 14 durch den CT-Scan
erfaßt
wird.
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Das
optische Ortungssystem 300 dient dazu, mit Hilfe der optischen
Marker 15 die Lage des Referenzrahmens 2 und der
Nadelhalterung 3 im Operationsraum festzustellen. Hierzu
wird die Lage der Nadelhalterung 3 relativ zu dem Referenzrahmen 2 bestimmt.
Alle erforderlichen 3D-Koordinaten werden von dem optischen Ortungssystem 300 zu
dem PC 10 unter Verwendung der seriellen PC-Schnittstelle 26 übermittelt.
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Um
ein medizinisches Instrument, beispielsweise die Nadel 6,
in den CT-Bildern des Patienten 5 zu visualisieren, ist
eine Bild-zu-Patient-Registrierung erforderlich. Ist der Patient 5 fixiert,
wird daher der Referenzrahmen 2 vor dem ersten CT-Scan in unmittelbarer
Nähe des
geplanten Eintrittspunktes positioniert. Dabei erfolgt die Positionierung
des Referenzrahmens 2 insbesondere derart, daß sich möglichst
viele CT-Marker 14 in der Nähe des Eintrittspunktes befinden.
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Vor
dem ersten CT-Scan werden die Positionen der einzelnen Geräte zueinander
und zu dem Patienten 5 kontrolliert, um sicherzustellen,
daß später eine
korrekte Auswertung möglich
ist. Diese Kontrolle dient vor allem dazu, unnötige Wiederholungen des CT-Scans
und damit unnötige
Strahlenbelastungen des Patienten 5 zu vermeiden.
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Während des
nun folgenden CT-Übersichtsscans
wird ein Bildfeld (field of view) bestimmt derart, daß sich während des
CT-Scans vorzugsweise alle CT-Marker 14 innerhalb des Bildfeldes
befinden. Zumindest drei CT-Marker 14 müssen sich jedoch in dem Bildfeld
befinden, damit eine eindeutige Positionsbestimmung möglich ist.
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Der
CT-Scanner 200 rekonstruiert aus den Scandaten eine 3D-Darstellung des Patienten 5.
Nachdem der CT-Scan durchgeführt
und die 3D-Darstellung erstellt wurde, werden die CT-Bilder in Form
von Schichtbildern an das Positionierungssystem 100 übertragen.
Die Übertragung
und das Laden der CT-Bilder von dem CT-Scanner 200 erfolgt
vorzugsweise vollautomatisch. Jedoch ist es ebenfalls möglich, daß vor der Übertragung
der CT-Bilder eine Vorauswahl durch den Anwender, beispielsweise
einem Radiologen, getroffen wird.
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Für den Datenaustausch
zwischen dem Positionierungssystem 100 und dem CT-Scanner 200 über das
interne Netzwerk des Krankenhauses ist eine Kommunikationssoftware
vorgesehen, die unter Verwendung eines DICOM (Digital Imaging and
Communications in Medicine)-Netzes 27 mit Hilfe einer TCP/IP-Verbindung 28 eine
Bildübertragung
ermöglicht,
einschließlich
der damit verbundenen Verifikations-, Speicher-, Anfrage- und Abrufdienste.
Diese Kommunikationssoftware ist als Hintergrundprozeß implementiert
und derart eingerichtet, daß CT-Bilder
empfangen werden, sobald die Navigationssoftware ausgeführt wird.
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Der
Einsatz von Standard-Kommunikationsverbindungen, wie die TCP/IP-Netzwerkverbindungen
des Positionierungssystems 100 mit dem CT-Scanner 200 und
das DICOM-Protokoll, ermöglichen
einen herstellerunabhängigen
und komfortablen Bildtransfer in beide Richtungen.
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Als
Navigationssoftware kommt vorzugsweise die von der Patentanmelderin
entwickelte Software CAPPA IRAD zur Anwendung. Die Navigationssoftware
ist modular aufgebaut und verfügt
u.a. über
ein Eingangs- und Ausgangsmodul 31, ein Berechnungsmodul 32 und
ein Anzeigemodul 33. Dabei ist das Eingangs- und Ausgangsmodul 31 ausgebildet
zum Empfangen und Senden von Daten an angeschlossene Geräte bzw. Systeme
und das Anzeigemodul 33 dient zur Übermittlung von Informationen
an den Anwender. Hierzu umfaßt das
Anzeigemodul 33 eine Steuereinheit 40, die ausgebildet
ist zur Ansteuerung des berührungssensitiven Bildschirms 7,
wobei zur Benutzerführung
und Interaktion mit dem Anwender ein graphisches Benutzerinterface
(GUI) zum Einsatz kommt. Das Berechnungsmodul 32 weist
eine Anzahl von Untermodulen auf, u.a. ein Registrierungsmodul 34,
ein Planungsmodul 35 und ein Navigationsmodul 36.
Diese Module sind im weitesten Sinne zur Verarbeitung von Daten
ausgebildet, wobei das Registrierungsmodul 34 ausgebildet
ist u.a. zur Durchführung
der Bild-zu-Patient-Registrierung, das Planungsmodul 35 ausgebildet
ist u.a. zum Planen einer den Zugangsweg beschreibenden Trajektorie
und das Navigationsmodul 36 ausgebildet ist u.a. zum Navigieren
der Nadel 6 im Körper
des Patienten 5. Darüber
hinaus umfaßt
die Navigationssoftware eine Anzahl weiterer Funktionsmodule (nicht
abgebildet), die für
die Datenverarbeitung im Sinne der Erfindung ausgebildet sind.
-
Der
durch das Anzeigemodul 33 angesteuerte Bildschirm 7 ist,
ebenso wie optionale angeschlossene weitere Eingabegeräte, wie
eine Computermaus, eine externe Tastatur oder dergleichen, mit dem
PC 10 verbunden und derart ausgebildet, daß mit Hilfe
dieser Eingabegeräte
eine Dateneingabe und/oder Steuerung der Navigationssoftware bzw.
des Positionierungssystems 100 sowie vorzugsweise auch
der an das Positionierungssystem 100 angeschlossenen Systeme
(insbesondere CT-Scanner 200 und Ortungssystem 300)
und somit des gesamten Navigationsverfahrens möglich ist.
-
Nach
dem Empfang der CT-Bilder werden diese in Schnittbilder-Ansichten (koronal,
sagittal, transversal) durch die Steuereinheit 40 in dem
Anzeigemodul 33 der Navigationssoftware visualisiert. Vor
der Visualisierung werden alle CT-Bilder durch das Positionierungssystem 100 durch
ein weiteres Funktionsmodul dahingehend überprüft, daß eine Übereinstimmung hinsichtlich
der Patientendaten besteht. So wird verhindert, daß fälschlicherweise
Bilddaten eines anderen Patienten angezeigt werden. Vorzugsweise
ist durch ein weiteres Funktionsmodul auch eine Überprüfung der übertragenen Bildanzahl vorgesehen,
um eine vollständige
Datenübertragung
von dem CT-Scanner 200 zu dem Positionierungssystem 100 zu überprüfen und
einen eventuellen Ausfall des Krankenhaus-Kommunikationsnetzes rechtzeitig
festzustellen. Darüber
hinaus werden die CT-Bilder durch den Anwender überprüft und mittels eines weiteren
Funktionsmoduls in dem Positionierungssystem 100 abgespeichert.
Mit Hilfe der abgespeicherten CT-Bilder ist später während des Eingriffes ein schneller Überblick über die
CT-Daten möglich.
-
Im
Anschluß an
die Übertragung
der CT-Bilder zu dem Positionierungssystem 100 über die TCP/IP-Schnittstelle 28 wird
vorzugsweise selbsttätig
ein in dem Registierungsmodul 34 integrierter Markererkennungsalgorithmus
ausgeführt,
welcher die CT-Marker 14 in dem Patientendatensatz erkennt
und die Markermittelpunkte mit einer Genauigkeit im Sub-Voxelbereich bestimmt.
Für diese
Markererkennung ist ein spezielles Markererkennungsmodul 34a innerhalb
des Registrierungsmoduls 34 vorgesehen. Für die Bild-zu-Patient-Registrierung werden
anschließend
die Koordinaten der CT-Marker 14 in
dem Patientenkoordinatensystem 201 und die Koordinaten
der CT-Marker 14 in dem Koordinatensystem 301 des
optischen Ortungssystems 300 durch das Registrierungsmodul 34 miteinander
abgeglichen. Dabei wird eine Registrierungsmatrix erzeugt. Hierzu
weist das Registrierungsmodul ein spezielles Abgleichmodul 34b.
Im Anschluß an
diesen Abgleich der beiden Marker-Gruppen besteht ein fixer Zusammenhang
zwischen den CT-Bildern und dem Patienten 5. Der gesamte
Registrierungsvorgang erfolgt dabei vorzugsweise vollautomatisch.
Ist der automatische Abgleich nicht erfolgreich, erfolgt eine Fehlermeldung über das
Anzeigemodul 33, welches zu diesem Zweck von dem Registrierungsmodul 34 angesteuert
wird. Ein Abgleich der einzelnen Markerpositionen zueinander kann
dann auch manuell durch den Anwender erfolgen.
-
Nun
erfolgt die Planung des Zugangsweges mit Hilfe des Planungsmoduls 32.
Der Anwender definiert hierzu eine Trajektorie. Dies erfolgt bei
einer geradlinigen Trajektorie im einfachsten Fall durch Festlegen
eines Zielpunktes und eines Eintrittspunktes in der 3D-Darstellung
des Patienten 5.
-
5 zeigt
ein Beispiel einer solchen Planung anhand einer Bildschirmdarstellung.
Dargestellt ist ein Teil des Körpers
des Patienten 5 mit einem Zielgebiet 37 aus dem
beispielsweise eine Gewebeprobe entnommen werden soll. Dieses Zielgebiet 37 liegt
innerhalb einer ersten Gewebeart 38. Der Anwender bestimmt
zunächst
den Zielpunkt 39 und einen ersten Eintrittspunkt 41,
wodurch eine Trajektorie 42 festgelegt wird. Dabei verläuft diese
erste Trajektorie 42 jedoch durch eine zweite Gewebeart 43 des
Patienten 5, die nicht beschädigt werden soll. Daher wählt der
Anwender zu dem gleichen Zielpunkt 39 einen zweiten Eintrittspunkt 44 aus,
der von dem ersten Eintrittspunkt 41 ausreichend beabstandet
ist. Die sich somit ergebende zweite Trajektorie 45 verläuft von
dem Eintrittspunkt 44 zu dem gewünschten Zielpunkt 39 vollständig durch
die erste Gewebeart 38 und kann daher für den tatsächlichen Eingriff verwendet
werden.
-
Das
Planen der Trajektorie 45 erfolgt mit anderen Worten anhand
der Darstellung der Patientendaten, oder anders ausgedrückt in dem
Patientendatensatz. Eintritts- und Zielpunkt 44, 39 werden
dabei entweder durch eine Computermaus oder mit Hilfe des berührungssensitiven
Bildschirms 7 festgelegt. Der Zielpunkt kann sich dabei
in weichem Gewebe oder auch an oder in einem Knochen befinden. Es
können
auch Trajektorien geplant werden, welche nicht geradlinig verlaufen.
-
Darüber hinaus
können
durch den Anwender eine Anzahl von Kontrollpunkten 46 festgelegt
werden. Erreicht während
des Eingriffes die Nadel 6 einen der Kontrollpunkte 46,
kann eine Kontrollaufnahme mit dem CT-Scanner 200 zur Überprüfung der
Nadelposition erfolgen. Selbstverständlich ist die Durchführung der
Kontrollscans nicht an das Erreichen der Kontrollpunkte 46 gebunden.
CT-Scans können
vielmehr zu beliebigen Zeitpunkten durchgeführt werden.
-
Das
GUI bzw. die Steuereinheit 40 der Navigationssoftware ist
dabei derart programmiert, daß eine intuitive
Benutzung der Navigationssoftware durch den Anwender möglich ist.
In dem Planungsmodul 35 sind neben den Standard-Schichtbilder-Ansichten eine Vielzahl
von weiteren Planungsfunktionen verwirklicht, beispielsweise schräge Schnittbilder
und das genaue Planen von Trajektorien mit Sub-Voxel-Genauigkeit.
Schräge
Schnittbilder, also Schnittbilder, die schräg durch Standard-Schichtbilder-Ansichten
verlaufen, werden dabei durch das Planungsmodul 35 des
Positionierungssystems 100 im Patientendatensatz berechnet.
-
Es
ist darüber
hinaus möglich,
beliebige schräge
Trajektorien zu planen. Das Planungsmodul 35 erlaubt mit
anderen Worten nicht nur die Planung von Trajektorien 45,
welche in einer oder zwei quer liegenden CT-Schichten liegen, sondern
auch die Planung solcher Trajektorien, welche schräg durch
das gesamte gescannte 3D-Volumen des Patientendatensatzes laufen.
Schräg
verlaufende Trajektorien im Patientendatensatz können unter Zuhilfenahme der
schräg
verlaufenden Schnittbilder abgebildet werden. Somit lassen sich umliegende
Strukturen an der Trajektorie mit einem Blick beurteilen.
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Der
Zugangsweg wird mit anderen Worten von dem Planungsmodul 35 berechnet
und von der Steuereinheit 40 des Anzeigemoduls 33 dreidimensional
am Bildschirm 7 dargestellt. Er kann somit von dem Anwender
sehr einfach überprüft werden.
Dabei ist es beispielsweise möglich
festzustellen, ob die später
einzuführende
Nadel auf ihrem Weg zu dem Zielpunkt unerwünschten Kontakt mit Gewebeteilen,
beispielsweise inneren Organen, oder Knochen haben wird. Hierzu
sind eine Vielzahl verschiedener Kontrollansichten durchführbar. Unter
anderem ist eine Ansicht möglich,
bei welcher der Zugangsweg aus der Sicht der Nadel 6 abgefahren
wird. Anderer Ansichten sind Standard-Schichtbilder-Ansichten, frei
definierbare Schichtbilder-Ansichten, und Feste-Nadel-Schichtbilder.
Bei Bedarf kann durch eine virtuelle Änderung der Eintrittsstelle
der Verlauf der Trajektorie im Planungsmodul 35 abgeändert und
der Zugangsweg erneut überprüft werden.
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Von
Vorteil bei dieser Art der Trajektorienplanung ist es, daß eine beliebige
Anzahl von Trajektorien virtuell geplant werden können, ohne
daß tatsächlich eine
Schädigung
von Patientengewebe erfolgt. So kann der Anwender einen einerseits
für den
jeweiligen Eingriff bzw. die jeweilige Therapie und andererseits
für den Patienten 5 optimalen
Zugangsweg finden.
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Um
zu verhindern, daß der
Patient 5 während
der Planung des Zugangsweges von einer möglichen Unterhaltung der beteiligten
Personen Kenntnis erlangt, ist es in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der
Erfindung vorteilhafterweise vorgesehen, die Trajektorienplanung
an einer räumlich
getrennten Planungsstation durchzuführen, welche vorzugsweise in
einem separaten Raum aufstellbar ist. Für diesem Fall ist ein Teil
der Navigationssoftware, insbesondere das Planungsmodul 35,
derart ausgeführt,
daß es
auch getrennt von den übrigen
Modulen ausführbar
ist. Dabei bleibt die Datenübertragung
zwischen den Modulen innerhalb der Navigationssoftware unverändert möglich, beispielsweise über eine
direkte Datenverbindung zwischen den die jeweiligen Module ausführenden
Rechnern.
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Das
anschließende
Ausrichten der Nadel 6 entsprechend der geplanten Trajektorie
sowie die Navigation der Nadel 6 im Patienten 5 kann
auf zwei verschiedene Arten erfolgen.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel
wird die Nadelhalterung 3 lediglich auf die zuvor geplante
Trajektorie 45 ausgerichtet, ohne daß die Nadellänge durch
das Anzeigemodul 33 in dem Patientendatensatz angezeigt
wird. Stattdessen erfolgt eine Darstellung der Nadel 6 außerhalb
des Patienten 5 und das Navigationsmodul 36 führt den
Anwender lediglich während
des Ausrichtens der Nadelhalterung 3. Während des Nadelvorschubes können optische
Markierungen, beispielsweise Farbcodes, an der Nadel 6 verwendet
werden, um Informationen über
die Eindringtiefe zu erhalten.
-
Das
Ausrichten selbst erfolgt dabei in zwei Teilschritte. Zunächst bewegt
der Anwender die Nadelhalterung 3 in die Nähe der vorgesehenen
Eintrittsstelle. Hierbei wird er von dem Navigationsmodul 36 dadurch geführt, daß die Lage
der Nadelhalterung 3 in dem Patientendatensatz auf dem
Bildschirm 7 abgebildet ist. Das Hinführen der Nadelhalterung 3 an
den Eintrittspunkt 44 erfolgt unter Nutzung des Montagearmes 17 und der
Drehgelenke 19, 19' und
dauert zumeist weniger als 10 Sekunden. Der erste Schritt wird damit
abgeschlossen, daß der
Anwender den Rotationspunkt 22 der Nadelhalterung 3 auf
eine beliebige Stelle der auf dem Bildschirm 7 abgebildeten
Trajektorie 45 legt.
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In 6 ist
eine Bildschirmabbildung dargestellt, wie sie dem Anwender von dem
Navigationsmodul 36 mit Hilfe der Steuereinheit 40 an
dieser Stelle des Verfahrens präsentiert
wird. In einem durch eine X-Achse 47 und eine Y-Achse 48 aufgespannten
zweidimensionalen Koordinatensystem wird die Position der Trajektorie 45 als
Soll-Position der Nadelhalterung 3 in Form eines erste
Kreises 49 dargestellt. Darüber hinaus erfolgt die Abbildung
der Ist-Position des Rotationspunktes 22 der Nadelhalterung 3,
ebenfalls in Form eines Kreises 51. Dabei ist die Soll-Position
mit einer durchgezogenen Linie und die Ist-Position mit einer durchbrochenen Linie
dargestellt. Auf dem Bildschirm 7 werden zur Kennzeichnung
von Soll- und Ist-Position vorzugsweise unterschiedlich farbige
Darstellungen verwendet. Der erste Schritt ist abgeschlossen, wenn
der zweite Kreis 51 auf dem ersten Kreis 49 liegt.
-
Anschließend wird
unter Nutzung der zwei verbliebenen Raumachsen die Nadelhalterung 3 ausgerichtet
derart, daß die Nadelachse 23 auf
der geplanten Trajektorie 45 liegt. Das Navigationsmodul 36 gibt
dem Anwender hierbei wichtige Informationen, wie die Nadelhalterung 3 mittels
der beiden Drehgelenke 19, 19' bewegt werden muß. Insbesondere
werden über
den Bildschirm 7 Angaben über die aktuelle Entfernung
zum Eintrittspunkt 44 und Angaben zu richtigen Eintrittswinkel
ausgegeben. Mit etwas Übung
erfolgt das Ausrichtung der Nadelhalterung 3 in weniger
als 10 Sekunden.
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In 7 ist
eine weitere Bildschirmabbildung dargestellt, wie sie in dieser
Situation dem Anwender präsentiert
wird. In dem bereits beschriebenen Koordinatensystem werden jeweils
die Soll-Position 52 der Nadelachse 23 auf der
X-Achse 47 und die Soll-Position 53 der Nadelachse 23 auf
der Y-Achse dargestellt 48. Darüber hinaus erfolgt die Abbildung
der Ist-Position
der Nadelachse 23, ebenfalls in Form einer Ist-Position 54 auf
der X-Achse 47 und einer Ist-Position 55 auf der
Y-Achse 48. In 7 sind die Soll-Positionen 52, 53 mit
durchgezogener Linie und die Ist-Positionen 54, 55 mit
durchbrochenen Linien dargestellt. In der Realität werden zur Kennzeichnung
von Soll- und Ist-Positionen vorzugsweise unterschiedlich farbige
Darstellungen verwendet. Der zweite Schritt ist abgeschlossen, wenn
die beiden Ist-Positionen 54, 55 durch Verschieben
in Korrekturrichtung 56 bzw. 57 mit den beiden
Soll-Positionen 52, 53 übereinstimmen.
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8 zeigt
eine zu 7 alternative Bildschirmabbildung
zum Ausrichten der Raumachsen der Nadelhalterung 3. Dabei
werden schematische 3' der Nadelhalterung 3 auf dem
Bildschirm 7 angezeigt, zusammen mit den entsprechenden
Soll- und Ist-Positionen 52, 53, 54, 55 für X- und
Y-Achse 47, 48. Versuche haben ergeben, daß mit einer
solchen Darstellung die benötigte
Ausrichtzeit nochmals verringert werden kann.
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Insgesamt
wird für
das Ausrichten der Nadelhalterung 3 eine Zeitdauer von
weniger als 20 Sekunden benötigt.
Ein Markieren des Eintrittspunktes 44 auf der Haut des
Patienten 5 ist nicht erforderlich.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
ist zur Bestimmung der exakten Nadellänge eine Kalibrierung der Nadel 6 erforderlich.
Die Position der Nadel 6 muß hierzu zum einen im Hinblick
auf die Nadelhalterung 3 und zum anderen im Hinblick auf
den Referenzrahmen 2 definiert werden. Somit wird sichergestellt,
daß Nadeln
verschiedener Hersteller verwendet werden können.
-
Hierfür hält der Anwender
das proximale Nadelende, also die Nadelspitze 58, zunächst an
einen Kalibrierungspunkt 59 am Referenzrahmen 2,
wobei die 3D-Koordinaten dieses Kalibrierungspunktes 59 dem
Navigationsmodul 36 des Positionierungssystems 100 zuvor
bekanntgegeben werden oder bereits in dem Positionierungssystem 100 gespeichert
sind. Als Kalibrierungspunkt 59 dient vorteilhafterweise
eine Kerbe oder ein CT-Marker 14, dessen Position dem Positionierungssystem 100 bekannt
ist.
-
Der
Nadel 6 selbst wird darüber
hinaus ein zweites DRF (Nadel-DRF) zugeordnet und derart kalibriert, daß sich der
Ausgangspunkt des Nadel-DRF an dem distalen Nadelende 25 befindet.
Zur Lagebestimmung des distalen Nadelendes 25 dienen dort
angeordnete optische Marker 15, nämlich vorzugsweise die in Verbindung
mit dem Auflageelement 24 stehenden optischen Marker 15 an
der Nadelhalterung 3. Die Nadellänge ist dann definiert als
die Länge
des Vektors zwischen dem Kalibrierungspunkt 59 an dem Referenzrahmen 2 und dem
Ausgangspunkt des Nadel-DRF.
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Aufgrund
der damit bekannten Lage der Nadel 6 im Patientenkoordinatensystem 201 und
im Koordinatensystem 301 des optischen Ortungssystems 300 kann
ein Abgleich der beiden Koordinatensysteme durch das Registrierungsmodul 31 des
Positionierungssystems 100 erfolgen.
-
Das
eigentliche Ausrichten der Nadelhalterung 3 erfolgt wie
oben beschrieben in zwei Teilschritten. Während des Nadelvorschubes bewegt
sich dann das Nadel-DRF mit der Nadel 6 mit. Die exakte
Lage der Nadel 6, insbesondere die exakte Lage der Nadelspitze 58,
wird von dem Navigationsmodul 36 ermittelt und ist in dem
Patientendatensatz auf dem Bildschirm 7 sichtbar. Somit
ist eine virtuelle Echtzeitkontrolle der aktuellen Nadelposition
am Bildschirm 7 möglich.
-
Um
eine Kontrolle über
die tatsächliche
Lage der Nadel 6 im Körper
des Patienten 5 zu erhalten, kann ein CT-Kontrollscan durchgeführt werden.
In diesem Fall verwendet das Positionierungssystem 100 Informationen über die
Lage der Nadel 6 innerhalb der CT-Koordinaten dafür, dem Anwender
einen vergleichsweise kleine Bereich für einen CT-Kontrollscan in Längsrichtung vorzuschlagen.
Vorteilhafterweise ist der vorgeschlagene Bereich der Bereich um
die Nadelspitze 58, da der übrige Teil des Zugangsweges
in dieser Situation zumeist weniger interessant ist. Vorzugsweise
werden entsprechende Steuerungsdaten automatisch von dem Positionierungssystem 100 an
den CT-Scanner 200 übertragen.
Großflächige Kontrollscans,
wie sie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen vor
allem bei schräg
verlaufenden Eingriffsbahnen erforderlich sind, und die mit einer
hohen Strahlungsbelastung verbunden wären, können dadurch entfallen.
-
Ergibt
der Kontrollscan, daß eine
Korrektur der Nadelposition erforderlich ist, beispielsweise weil
sich der Patient 5 in der Zwischenzeit bewegt hat, so können die
neuen CT-Daten für
den weiteren Verlauf des Eingriffes verwendet werden.
-
Die
Ausrichtung der Nadel 5 und/oder der Nadelvorschub kann
dabei automatisch, beispielsweise mit Hilfe einer dafür ausgebildeten
und mit der Navigationssoftware zum Austausch entsprechender Daten
verbundenen Ausrichte- und Vorschubvorrichtung (nicht abgebildet),
oder aber manuell durch den Anwender erfolgen. Die Ausrichte- und
Vorschubvorrichtung ist vorteilhafterweise ein Roboterbasiertes
System. Die Ausrichte- und Vorschubvorrichtung umfaßt beispielsweise
ein Robotermodul mit sechs Freiheitsgraden zur Ausrichtung der Nadelhalterung
und ein Vorschubmodul mit Servomotoren zum Nadelvorschub.
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Während des
Nadelvorschubes können
CT-Kontrollscans durchgeführt
werden und die entsprechenden neuen CT-Bilder über das Eingangsmodul 31 in
das Positionierungssystem 100 geladen werden, um die tatsächliche
Lage der Nadel 6 und insbesondere der Nadelspitze 58 zu überprüfen. Der
weitere Nadelvorschub kann dann entweder auf der Grundlage der bisher
verwendeten CT-Bilder oder aber auf der Grundlage der neuen CT-Bildern
des CT-Kontrolscans überwacht
werden.
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Außerdem werden
während
des Eingriffes von einem weiteren Funktionsmodul der Navigationssoftware
zu Dokumentationszwecken Bildschirmfotos (screenshots) erzeugt,
welche Informationen über
die letzte Nadelposition enthalten. Diese Bildschirmfotos werden
von einem weiteren Funktionsmodul der Navigationssoftware in DICOM-Bilder
konvertiert und zu einem örtlichen
Bildarchiv, vorzugsweise PACS (Picture Archiving & Communication
System), gesendet. Da das PACS für
die Archivierung und Verwaltung der Bilddaten zuständig ist,
werden nach dem Eingriff alle Bilder und Patientendaten von dem
Positionierungssystem 100 gelöscht.
-
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
weist das Positionierungssystem 100 einen Kalibrierkörper (nicht
dargestellt) auf. Dieser dient zur Überprüfung der Geometrie der Nadelhalterung 3.
Insbesondere dient der Kalibrierkörper der Überprüfung der relativen Lage von
Rotationspunkt 22 und Nadelachse 23 zueinander. Zu
diesem Zweck ist der Kalibrierkörper
selbst exakt vermessen und die Geometrie des Kalibrierkörpers ist dem
Positionierungssystem 100 bekannt. Darüber hinaus sind an dem Kalibrierkörper ebenfalls
optische Marker 15 vorgesehen. Der Kalibrierkörper kann
als externer Kalibrierkörper
vorgesehen sein. Vorzugsweise ist der Kalibrierkörper jedoch in den Referenzrahmen 2 integriert,
so daß der
Anwender eine Überprüfung der
Geometrie der Nadelhalterung 3 vor jeder Anwendung auf
einfache Art und Weise durchführen
kann. Dabei wird die Nadelhalterung 3 auf eine definierte
Art und Weise in einen räumlichen
Bezug zu der Kalibrierkörper
gebracht. Vorzugsweise ist an der Nadelhalterung 3 ein
Steckelement vorgesehen, welches auf eine definierte Art und Weise
in eine entsprechend vorgesehene Aufnahmeöffnung in dem Kalibrierkörper gesteckt
werden kann. Der Kalibierkörper
ist vorzugsweise in den Referenzrahmen 2 integriert.
-
Die
Verwendung eines separaten Kalibrierkörpers ist nicht erforderlich,
wenn der Referenzrahmen 2 selbst als Kalibrierkörper genutzt
wird. Da sowohl die Abmessungen als auch die räumliche Lage des Referenzrahmens 2 bekannt
sind, kann der Referenzrahmen 2 auf einfache Art und Weise
als Kalibrierkörper
dienen, wenn er beispielsweise ein geeignetes Steckelement, beispielsweise
einen Zapfen oder Stift, aufweist. Die räumliche Anordnung des Steckelements
ist bekannt. Die Nadelhalterung 3 wird dann auf das Steckelement
an dem Referenzrahmen 2 aufgesteckt. Durch einen Vergleich
der Soll- und Ist-Position der Nadelhalterung 3 können Abweichungen
festgestellt werden.
-
Wird
durch das Positionierungssystem 100 eine Abweichung in
der Geometrie der Nadelhalterung 3 festgestellt, so erfolgt
eine Berechnung der Abweichung von der Soll-Geometrie durch das
Positionierungssystem 100 sowie eine entsprechende Korrektur
bei der Planung der Trajektorie 45 bzw. der Navigation
der Nadel 6 während
des Eingriffes anhand einer ermittelten Korrekturmatrix. Mit anderen
Worten wird dann die Nadelhalterung 3 stets zusammen mit
der Korrekturmatrix verwendet. Übersteigen
die Abweichungen einen maximalen Grenzwert, beispielsweise weil
die Nadelhalterung 3 zuvor zu Boden gefallen ist, wird
durch das Positionierungssystem 100 eine entsprechende
Meldung an den Anwender ausgegeben oder die geplante Anwendung abgebrochen.
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In
einem weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
werden auf an sich bekannte Art und Weise zusätzliche optische Marker am
Patienten angebracht. Diese zusätzlichen
optischen Marker werden ebenfalls durch das optische Ortungssystem 300 erfaßt. Für die Auswertung
dieser Daten ist in dem Berechnungsmodul 32 der Navigationssoftware ein
Patientenmodul (nicht abgebildet) vorgesehen, welches ausgebildet
ist, Veränderungen
am Patienten 5, insbesondere Bewegungen des Patienten 5 mit
Hilfe dieser Daten zu erkennen. Mit den zusätzlichen optischen Markern
können
drei wesentliche Informationen erfaßt werden, nämlich ob
sich der Patient 5 bewegt hat, wie sich der Patient 5 bewegt
hat und in welcher Position sich der Patient 5 aktuell
befindet. Vorzugsweise werden diese Daten für eine automatische Echtzeit-Korrektur
der Patientendaten durch das Positionierungssystem 100 verwendet.
So kann beispielsweise die Atmungskurve des Patienten 5 bei
der Anzeige des Patientendatensatzes auf dem Bildschirm 7 berücksichtigt
werden. Darüber hinaus
können
diese Daten auch bei einem vollautomatischen Eingriff ohne manuelle
Navigation verwendet werden.
-
Die
Genauigkeit, mit der eine Navigation erfolgen kann, wurde anhand
von Untersuchungen ermittelt. Dabei wurden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Positionierungssystems 100 Trajektorien
mit Längen
von 120 mm und 180 mm geplant. Zum Einsatz kam eine Standard-Biopsienadel
(18G). Das Positionierungssystem 100 berechnete den Vektor
v zwischen der aktuellen, von dem Positionierungssystem bestimmten
Lage der virtuellen Nadelspitze einerseits und dem geplanten Zielpunkt
andererseits. Darüber
hinaus berechnete das Positionierungssystem 100 die Senkrechte
l der verlängerten
virtuellen Nadelachse zum geplanten Zielpunkt. Die Länge e =
|v| und die Senkrechte k = |l| wurden zur Kennzeichnung des Fehlers
der Fehleinstellung verwendet. Dieser Fehler umfaßt Konstruktionsfehler
von Nadelhalterung 3 und Referenzrahmen 2 ebenso
wie Fehler bei der Bild-zu-Patient-Registrierung und Fehler, die
durch das optische Ortungssystem 300 verursacht werden.
-
In
Tabelle 1 sind die Mittelwerte der Fehler mit Standardabweichungen
angegeben, wobei jeweils 105 Messungen durchgeführt wurden. Die Genauigkeit
war somit deutlich besser als 1 mm.
-
-
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird anstelle des optischen Ortungssystems 300 ein elektromagnetisches
Ortungssystem (nicht abgebildet) verwendet. An die Stelle der optischen
Marker 15 treten in diesem Fall Markierungselemente in
Form von Spulen 64. Diese Spulen 64 sind wiederum
in einer solchen Geometrie zueinander im oder am Referenzrahmen 2', in oder an
der Nadelhalterung 3 sowie in einem Instrument, beispielsweise
der Nadel 6, angeordnet, daß eine eindeutige Lagebestimmung
dieser Geräte
möglich
ist, wenn jeweils wenigstens eine oder zwei Spulen 64 von
dem elektromagnetischen Ortungssystem erfaßt sind. Dabei ergeben sich
bei der Verwendung von einer Spule 64 insgesamt fünf Freiheitsgrade
und bei der Verwendung von zwei Spule 64 sechs Freiheitsgrade.
Vorzugsweise sind die Spulen 64 derart angeordnet, daß die Spulenlängsachsen
jeweils in einem rechten Winkel zueinander liegen. Die Ortung der
Spulen 64 erfolgt über
einen Feldgenerator, welcher ein elektromagnetisches Feld im Bereich
des Referenzrahmens 2' erzeugt.
-
Sind
Spulen 64 direkt in der Nadel 6 vorgesehen, kann
auf die Verwendung einer Nadelhalterung verzichtet werden. Vorzugsweise
erfolgt dann Ausrichtung und Nadelvorschub durch „Freihand-Navigation" des Anwenders. Die
Navigation kann jedoch auch „geführt" erfolgen, beispielsweise
mit Hilfe eines Robotersystems oder eines hydraulischen Armes oder
dergleichen. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
Spulen 64 als zweite Markierungselemente in der Nadelhalterung 3 einzusetzen.
-
In 9 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Referenzrahmens 2' aus
Kunststoff abgebildet, wie er auch für das Positionierungssystem 100 mit
einem elektromagnetischen Ortungssystem verwendet werden kann. Der
Referenzrahmen 2' umfaßt im wesentlichen
zwei parallel zueinander verlaufende Auflagearmen 61 und
einen kürzeren
Mittelsteg 62. Auflagearme 61 und Mittelsteg 62 sind
dabei stabförmig
ausgebildet. Der Mittelsteg 62 ist mit den Auflagearmen 61 über zwei
flächige
Stützelemente 63 verbunden,
die den Mittelsteg 62 in einer solchen Höhe über den
Auflagearmen 61 halten, daß in dem dadurch gebildeten
Freiraum ein Patient 5 vollständig oder zumindest teilweise
Platz findet, wenn der Referenzrahmen 2 mit seinen Auflagearmen 61 auf
dem CT-Tisch 11 des CT-Scanners 200 aufliegt.
Alternativ zu einer Auflage auf dem CT-Tisch 11 kann der
Referenzrahmen 2' auch über dem
Patienten positioniert sein, ohne daß ein Kontakt zu dem CT-Tisch 11 besteht.
Vorzugsweise ist der Referenzrahmen 2' dann mit einem Montagearm 17 oder
einer anderen beweglichen Haltevorrichtung seitlich an dem CT-Tisch 11 befestigt.
-
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
(nicht abgebildet), wird der Referenzrahmen 2' auf den Patienten 5 aufgelegt
und optional unter leichtem Druck an dem Patienten 5 fixiert.
-
Dabei
dient der Referenzrahmen 2' zugleich
als Mittel zur Patientenfixierung.
-
Die
CT-Marker 14 befinden sich im Inneren der beiden Auflagearme 61.
Die als elektromagnetische Markierungselemente dienenden Spulen 64 sind
in den Stützelementen 63 angeordnet.
Jeweils ein Beispiel-Marker ist mir durchbrochenen Linien eingezeichnet.
Die optischen Marker 15 sind dabei an beiden Seiten auf
dem Mittelsteg 63 angebracht. Als Kalibrierungspunkte 59 dienen
zwei Kerben in den Auflagearmen 61.
-
Die
Verwendung eines elektromagnetischen Ortungssystems ist besonders
vorteilhaft, da die Spulen 64 vergleichsweise klein sind
und problemlos auch im Inneren der Geräte (Referenzrahmen 2 und
Nadelhalterung 3) untergebracht werden können, wo
sie ungestört
gegenüber
sämtlichen
Umgebungseinflüssen
sind. Besonders vorteilhaft ist darüber hinaus, daß eine solche
Spule 64 auch in der Nadel 6, insbesondere in
die Nadelspitze 58 integrierbar ist. Somit wird es auf
einfache Art und Weise möglich,
die Lage der Nadelspitze 58 in dem elektromagnetischen
Feld mit Hilfe des Positionierungssystems 100 zu bestimmen
und in Echtzeit in dem Patientendatensatz auf dem Bildschirm 7 anzuzeigen.
Damit kann während
des Eingriffes sicher festgestellt werden, wann sich die Nadelspitze 58 verbiegt
oder andere Änderungen
an der Nadelspitze 58 auftreten. Besonders bei sehr langen
Nadeln 6, die aufgrund ihrer Konstruktion bereits eine
gewisse Instabilität
aufweisen, ist dies von Vorteil.
-
Kann
die Position der Nadelspitze 58 im Körper des Patienten 6 exakt
verfolgt werden, ist auch ein präziser
Vorschub der Nadel 6 auf einer nicht geradlinigen Trajektorie
möglich.
-
Dies
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Zugang zu einem Zielpunkt 39 nur über eine
nichtgeradlinigen Zugangsweg erfolgen kann, beispielsweise, wenn
die Nadel 6 um ein Knochengewebe herum navigiert werden
muß.
-
Um
eine weiter optimierte Navigation zu erreichen ist es selbstverständlich möglich, alle
zuvor beschriebenen Systeme und Systemkomponenten auf verschiedene
Art und Weisen miteinander zu kombinieren. Beispielsweise können als
zweite Markierungselemente gleichzeitig optische Marker 15 und
elektromagnetische Marker 64 verwendet werden. In einem
weiteren Ausführungsbeispiel
(nicht abgebildet) werden beispielsweise optische Marker 15 zur
Kennzeichnung des Referenzrahmens 2 und der Nadelhalterung 3 verwendet,
während
elektromagnetische Marker 64 zur Kennzeichnung der Nadel 6 und
damit insbesondere zur Verfolgung der Nadelspitze 58 im
Inneren des Patientenkörpers
genutzt werden.
-
- 1
- (frei)
- 2
- Referenzrahmen
- 3
- Nadelhalterung
- 4
- Datenverarbeitungseinheit
- 5
- Patient
- 6
- Nadel
- 7
- Bildschirm
- 8
- Trägergestell
- 9
- Patientenfixierungssystem
- 10
- Personalcomputer
- 11
- CT-Tisch
- 12
- Längsstreben
- 13
- Längsrichtung
- 14
- CT-Marker
- 15
- optische
Marker
- 16
- Aufnahme-
und Haltevorrichtung
- 17
- Montagearm
- 18
- Befestigungsflansch
- 19
- Drehgelenk
- 20
- (frei)
- 21
- Auflageschiene
- 22
- Rotationspunkt
- 23
- Nadelachse
- 24
- Auflageelement
- 25
- distales
Nadelende
- 26
- serielle
Schnittstelle
- 27
- DICOM
- 28
- TCP/IP-Schnittstelle
- 29
- (frei)
- 30
- (frei)
- 31
- Eingangs-/Ausgangsmodul
- 32
- Berechnungsmodul
- 33
- Anzeigemodul
- 34
- Registrierungsmodul
- 34a
- Markererkennungsmodul
- 34b
- Abgleichmodul
- 35
- Planungsmodul
- 36
- Navigationsmodul
- 37
- Zielgebiet
- 38
- erste
Gewebeart
- 39
- Zielpunkt
- 40
- Steuereinheit
- 41
- erster
Eintrittspunkt
- 42
- erste
Trajektorie
- 43
- zweite
Gewebeart
- 44
- zweiter
Eintrittspunkt
- 45
- zweite
Trajektorie
- 46
- Kontrollpunkt
- 47
- X-Achse
- 48
- Y-Achse
- 49
- erster
Kreis
- 50
- (frei)
- 51
- zweiter
Kreis
- 52
- Soll-Position
X-Achse
- 53
- Soll-Position
Y-Achse
- 54
- Ist-Position
X-Achse
- 55
- Ist-Position
Y-Achse
- 56
- Korrekturrichtung
X-Achse
- 57
- Korrekturrichtung
Y-Achse
- 58
- Nadelspitze
- 59
- Kalibrierungspunkt
- 60
- (frei)
- 61
- Auflagearm
- 62
- Mittelsteg
- 63
- Stützelement
- 64
- Spule
- 100
- Positionierungssystem
- 200
- CT-Scanner
- 201
- erstes
Koordinatensystem
- 300
- Ortungssystem
- 301
- zweites
Koordinatensystem