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Die
Erfindung betrifft ein medizinisches Hilfsinstrument zum Einbringen
in den Körper
eines Patienten, die Verwendung eines solchen Hilfsinstrumentes,
ein Positionierungssystem für
perkutane Interventionen sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer
Referenzposition für
ein solches Positionierungssystem.
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Bildgeführte Interventionen,
insbesondere CT-geführte
Interventionen, sind heute Teil der klinischen 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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Zur
Durchführung
solcher bildgeführter
Interventionen ist es erforderlich, medizinische Instrumente im
inneren des Körpers
des Patienten zu navigieren. Unter dem Begriff Navigation wird dabei
das Bestimmen der Position durch Ortung, das Planen des Zugangsweges
zum Zielpunkt sowie das Führen eines
medizinischen Instrumentes zu diesem Zielpunkt auf dem geplanten
Zugangsweg verstanden. Es ist bekannt, zu diesem Zweck an dem medizinischen
Instrument einerseits und an dem Körper des Patienten andererseits
elektromagnetische Spulen anzubringen. Werden diese Spulen einem
zu diesem Zweck erzeugten elektromagnetischem Feld ausgesetzt, so
wird in diesen Spulen ein Stromfluß induziert. Diese Stromsignale
werden aufgenommen und zur Lagebestimmung des medizinischen Instrumentes
und damit für
dessen Navigation genutzt, wobei die an dem medizinischen Instrument
selbst vorgesehene Spule die Position des medizinischen Instruments
angibt und die am Körper
des Patienten angeordneten Spulen als Referenzmarker dienen.
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Bisher
war es üblich,
diese Referenzspulen auf der Haut des Patienten zu befestigen, beispielsweise
aufzukleben. Bei schwierigen Interventionen, insbesondere im Wirbelsäulenbereich,
ist diese Art der Positionierung der Referenzspulen jedoch für eine exakte
Navigation des medizinischen Instruments zu ungenau. Dies liegt
darin begründet,
daß sich
Bewegungen der Oberfläche
des Patientenkörpers
nicht ganz vermeiden lassen. Es wird daher dazu übergegangen, Referenzspulen
direkt am Knochen des Patienten zu befestigen, beispielsweise durch
Nageln, Klemmen oder Schrauben. Hierfür sind jedoch Eingriffe in
den Patienten erforderlich, weshalb eine solche Positionierung von
Referenzspulen sehr aufwendig und riskant ist und darüber hinaus
die oben skizzierten Vorteile einer minimal-invasiven Intervention
zum großen
Teil wieder zunichte machen.
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Nur
beispielhaft ist in 1 die Funktionsweise eines solchen
aus dem Stand der Technik bekannten Positionierungssystems 100 skizziert.
Das medizinische Instrument, hier eine Biopsienadel 1,
ist mit einer Navigationsspule 2 versehen. An dem Knochen 3 des
Patienten sind zwei Referenzspulen 4 mit Hilfe von Schrauben 5 befestigt. Über entsprechende Signalleitungen 6 werden Änderungen
des Stromflusses in den Spulen 4 an eine Zentraleinheit 7 weitergeleitet.
Dort erfolgt eine entsprechende Datenauswertung. Anschließend werden
die Daten – kombiniert
beispielsweise mit Bilddaten eines Computertomographen (CT) – auf einem
Bildschirm 8 angezeigt und können von einem Operateur zur
Navigation der Biopsienadel 1 genutzt werden. Einzelheiten zum
Aufbau und zur Funktionsweise der einzelnen Komponenten des Positionierungssystems 100,
insbesondere zur Verarbeitung der Spulensignale in der Zentraleinheit 7 sowie
zur Registrierung, also dem Zusammenführen bzw. dem Abgleichen der
Daten aus dem Spulenreferenzsystem einerseits und den (CT-) Bilddaten
andererseits – sind
aus dem Stand der Technik bekannt, so daß nachfolgend hierauf nicht
weiter eingegangen werden muß.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders sichere
minimal-invasive perkutane Intervention, insbesondere im Bereich
der Wirbelsäule,
zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein medizinisches Hilfsinstrument zum Einbringen in den Körper eines
Patienten, mit einem Tubus und mit einem in dem Tubus angeordnetem
Trokarelement, wobei das Trokarelement wenigstens ein Markierungselement
aufweist, welches ausgebildet ist zur Bestimmung seiner Position
mit Hilfe eines kontaktlosen Ortungsverfahrens, und wobei der Tubus
an seinem einen Ende eine Befestigungsvorrichtung aufweist zur Ausbildung
einer lösbaren
mechanischen Verbindung mit einem Gewebeteil des Patienten derart,
daß bei
hergestellter Verbindung mit dem Gewebeteil die Position des Markierungselements
als Referenzmarker für
ein Positionierungssystem für
perkutane Interventionen dient.
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Darüber hinaus
wird diese Aufgabe gelöst durch
ein Positionierungssystem für
perkutane Interventionen, mit einem medizinischen Hilfsinstrument zum
Einbringen in den Körper
eines Patienten, wobei das medizinische Hilfsinstrument einen Tubus
und ein in dem Tubus angeordnetes Trokarelement aufweist, wobei
das Trokarelement wenigstens ein Markierungselement aufweist, welches
ausgebildet ist zur Bestimmung seiner Position mit Hilfe eines kontaktlosen
Ortungsverfahrens, und wobei der Tubus an seinem einen Ende eine
Befestigungsvorrichtung aufweist zur Ausbildung einer lösbaren mechanischen
Verbindung mit einem Gewebeteil des Patienten derart, daß bei hergestellter
Verbindung mit dem Gewebeteil die Position des Markierungselements als
Referenzmarker für
das Positionierungssystem dient.
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Diese
Aufgabe wird schließlich
auch gelöst durch
die Verwendung eines medizinischen Hilfsinstrumentes, wie oben angegeben,
zum Zurverfügungstellen
einer Referenzposition für
ein Positionierungssystem für
perkutane Interventionen sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer
Referenzposition für ein
Positionierungssystem für
perkutane Interventionen, mit den Schritten: Einbringen wenigstens
eines medizinischen Hilfsinstrumentes, wie oben angegeben, in den
Körper
eines Patienten, Herstellen einer mechanischen Verbindung zwischen
dem Tubus des Hilfsinstrumentes und dem Gewebeteil des Patienten,
und Ermitteln der Position des Markierungselements des Hilfsinstruments
mit Hilfe eines kontaktlosen Ortungsverfahrens.
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Eine
Kernidee der Erfindung ist es, ein Markierungselement als Referenzmarker
minimal-invasiv im Inneren des Patientenkörpers zu positionieren. Dieser
Referenzmarker soll vorzugsweise für ein Positionierungssystem
zur Durchführung einer
computer-navigierten perkutanen Intervention verwendet werden, insbesondere
für die
Navigation eines medizinischen Instrumentes, beispielsweise eines Schneideinstrumentes
oder einer Biopsienadel, in dem Körper des Patienten.
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Hierzu
dient ein medizinisches Hilfsinstrument, welches nach Art eines
Trokars aufgebaut ist, und einen Tubus, ein Trokarelement und ein
entsprechendes Markierungselement umfaßt. Unter einem Tubus wird
dabei ein Bauteil in Form eines Hohlzylinders verstanden, welches
im wesentlichen eine Röhren-
oder Schlauchform aufweist. Vorzugsweise ist der Tubus starr. Das
ermöglicht
eine besonders einfache und sichere Plazierung im Körperinneren.
Bei einer entsprechenden Ausbildung des Trokarelements kann der
Tubus auch biegsam und flexibel sein.
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Das
Markierungselement wird erfindungsgemäß mit dem Hilfsinstrument an
seinen Bestimmungsort im Inneren des Patientenkörpers verbracht. Anders als
beim Stand der Technik erfolgt dabei die Anordnung des Referenzmarkers
in dem Patienten ebenso wie die Navigation des medizinischen Instruments
minimal-invasiv. Mit Ausnahme der zusätzlichen Öffnungen zum Einführen eines
oder mehrerer erfindungsgemäßer Hilfsinstrumente
in den Körper
des Patienten sind keine weiteren Eingriffe zur Festlegung des Referenzsystems
des Positionierungssystems notwendig. Mit der vorliegenden Erfindung
wird also eine Referenzspule im bzw. unmittelbar am Zielort, beispielsweise
einem Knochengewebe des Patienten, plaziert, ohne daß hierzu
aufwendige Eingriffe erforderlich sind.
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Während beispielsweise
bei herkömmlichen Biopsienadeln
die Nadel ausschließlich
zum Plazieren der Nadelhülse
vorgesehen ist – also
im wesentlichen zum Einstechen durch die Haut des Patienten und
zum Bilden des Eintrittskanals – und
wieder entfernt wird, sobald sich die Hülse an der gewünschten Stelle
befindet, ist bei der vorliegenden Erfindung die Positionierung
des Trokarelements in dem Tubus für die Funktion des Hilfsinstrumentes
wesentlich. Das Trokarelement verbleibt in dem Tubus wenigstens solange,
bis eine einmalige Ortung des Markierungselements stattgefunden
hat.
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Durch
die vorliegende Erfindung ist es bereits mit einem einzigen erfindungsgemäßen Hilfsinstrument
möglich,
ein für
eine sichere Navigation ausreichendes Referenzsystem bereit zu stellen. Durch
die Fixierung an dem Knochen des Patienten ist keine dynamische
Registrierung erforderlich. Nachdem die Position des Markierungselements festgestellt
ist, braucht das Referenzsystem nur noch zu Kontrollzwecken oder
aber bei einer Lageänderung
des Patienten, beispielsweise nach einem Transport, neu ausgemessen
werden.
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Mit
einem bildgeführten
Navigationssystem, wie es mit Hilfe der Erfindung verwirklicht werden kann,
sind minimal-invasive Eingriffe durchführbar, bei denen ein punktgenaues
sicheres Erreichen auch kleinster Zielbereiche im Körperinneren
möglich
ist. Die Erfindung ist bei allen bildgeführten Interventionen und Therapien
einsetzbar, bei denen medizinische Instrumente im Körperinneren
bewegt werden müssen,
insbesondere bei einem perkutanen Vorschub einer Nadel zu einer
bestimmten anatomischen Position in dem Patienten. Anwendungsfelder sind
unter anderem Biopsie bzw. Punktion zur Entnahme von klärungsbedürftigem
Gewebe usw.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ist
das Markierungselement vollständig
in dem Inneren des Trokarelements angeordnet, dann ist eine besonders
vorteilhafte Handhabung des medizinischen Hilfsinstrumentes gewährleistet.
Es ist dann nämlich
möglich,
den Außendurchmesser
des vorzugsweise stift- bzw. nadelförmigen Trokarelements derart
an den Innendurchmesser des Tubus anzupassen, daß das Trokarelement den Tubus
im wesentlichen vollständig
verschließt.
Der Tubus läßt sich
dann im Gewebe leichter vorschieben und Verletzungen des Körpergewebes,
wie sie bei einem unvollständig
verschlossenen Tubus auftreten können, werden
vermieden.
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Das
Markierungselement ist vorzugsweise an dem einen Ende des Trokarelements
angeordnet, wobei es sich bei diesem Ende vorzugsweise um das Ende
des Trokarelements handelt, das eine endseitige Öffnung des Tubus an demjenigen
Tubusende verschließt,
welches die Befestigungsvorrichtung aufweist. Damit wird sichergestellt,
daß sich
das Markierungselement in oder an dem Gewebeteil oder zumindest
in unmittelbarer Nähe
zu dem Gewebeteil befindet, welches in der Montageendposition mechanisch
mit dem Tubus verbunden ist. Dies ermöglicht eine besonders genaue
Navigation eines medizinischen Instrumentes relativ zu dem Gewebeteil,
basierend auf den Signalen des als Referenz dienenden Markierungselements.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist das Trokarelement ein zweites Markierungselement
auf, das von dem ersten Markierungselement beabstandet, vorzugsweise
an dem gegenüberliegenden
Ende des Trokarelements angeordnet ist. Mit der Verwendung von mehr
als einem Markierungselement ist es möglich, das zur Navigation erforderliche Referenzkoordinatensystem
zu definieren, ohne daß hierzu
ein weiteres Hilfsinstrument erforderlich ist.
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Bei
den verwendeten Markierungselementen handelt es sich vorzugsweise
um Elemente, deren Position mit Hilfe eines elektromagnetischen
Ortungsverfahrens bestimmt werden kann, insbesondere um elektromagnetische
Spulen. Die Verwendung solcher Markierungselemente hat sich in der
Vergangenheit als besonders sicher, robust und zuverlässig bewährt. Alternativ
hierzu können
jedoch auch andere Markierungselemente verwendet werden, beispielsweise
Permanentmagneten, die als Marker dienen für die Positionsbestimmung mit
Hilfe eines Ortungsverfahrens basierend auf einem rein magnetischen
Verfahren.
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Bei
der Befestigungsvorrichtung des Tubus handelt es sich vorzugsweise
um eine Vorrichtung, die für
eine lösbare
Verbindung mit einem Knochengewebe ausgebildet ist, insbesondere
um ein Schneidgewinde, vorzugsweise in Form eines Außengewindes.
Auch hier sind jedoch alternative Formen möglich, beispielsweise dergestalt,
daß anstelle einer
Schraubverbindung eine Klemmverbindung geschaffen wird.
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Damit
das erfindungsgemäße Hilfsinstrument
zur Bestimmung einer Referenzposition in einem Positionierungssystem
verwendet werden kann, erfolgt zunächst das Einbringen des Hilfsinstrumentes
in den Körper
des Patienten. Hierzu kann das Trokarelement eine aus dem vorderen
Ende des Tubus herausragende Spitze aufweisen, die ein besonders einfaches
Einbringen in den Patientenkörper
sicherstellt. Im Anschluß daran
wird die mechanische Verbindung zwischen dem Tubus und dem Gewebeteil des
Patienten hergestellt. Dies geschieht im Fall eines Schraubgewindes
durch ein Drehen des Tubus, wodurch dieser in den Knochen des Patienten
eingedreht wird. Anschließend
wird die Position des Markierungselements bestimmt, beispielsweise
mit Hilfe des Stromsignals einer als Markierungselement dienenden
elektromagnetischen Spule in einem zu diesem Zweck angelegten äußeren elektromagnetischem
Feld.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 die
Funktionsweise eines Positionierungssystems nach dem Stand der Technik,
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2 ein
medizinisches Hilfsinstrument in Draufsicht,
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3 das
medizinische Hilfsinstrument aus 2 in einer
geschnittenen Seitenansicht,
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4 eine
erste Anwendung des Hilfsinstrumentes,
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5 eine
zweite Anwendung des Hilfsinstrumentes,
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6 eine
dritte Anwendung des Hilfsinstrumentes.
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Sämtliche
Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren
wesentlichen Bestandteilen.
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Ein
Beispiel für
ein erfindungsgemäßes medizinisches
Hilfsinstrument 10 zum Einbringen in den Körper eines
Patienten ist in den 2 und 3 dargestellt.
Das nach Art eines Trokars aufgebaute Hilfsinstrument 10 weist
einen starren, röhrenförmigen Tubus 11 und
ein in dem Tubus 11 angeordnetes starres, stiftförmiges Trokarelement 12 auf.
Der Außendurchmesser
des Trokarelements 12 ist dabei derart an den Innendurchmesser
des Tubus 11 angepaßt,
daß das
Trokarelement 12 den Tubus 11 im wesentlichen
vollständig
verschließt.
Das Trokarelement 12 verfügt über ein spitz zulaufendes Ende 13, das
die in Verbindungs- bzw. Kontaktrichtung 14 weisende Öffnung 15 des
Tubus 11 verschließt
und aus dieser herausragt. Die Spitze 13 weist entweder
eine scharfe Schneidkante zum leichteren Schaffen des Eintrittskanals
auf oder ist stumpf konisch ausgebildet.
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Vollständig im
Inneren des Trokarelements 12 angeordnet ist ein Markierungselement
in Form einer elektromagnetischen Referenzspule 16. Diese Referenzspule 16 ist
derart ausgebildet, daß deren Position
mit Hilfe eines kontaktlosen elektromagnetischen Ortungsverfahrens
bestimmt werden kann und entspricht damit grundsätzlich der in 1 dargestellten
Referenzspule 4. Hierzu werden Stromsignal über eine
Signalleitung 17 an eine Zentraleinheit 7 eines
entsprechenden Positionierungssystems 100 für perkutane
Interventionen geleitet, um eine Navigation im Körperinneren zu ermöglichen.
Anstelle der Referenzspule kann jedoch auch ein anderes Markierungselement,
beispielsweise ein Permanentmagnet, verwendet werden, sofern ein
entsprechendes Ortungsverfahren zur Verfügung steht.
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Der
an beiden Enden offene Tubus 11 weist an seinem einen Ende 18 eine
Befestigungsvorrichtung in Form eines außenliegenden Schneidgewindes 19 auf
zur Ausbildung einer lösbaren
mechanischen Verbindung dem Knochenkörper 3. Zum Herstellen
einer Verbindung mit dem Knochen 3 wird das Hilfsinstrument 10 mit
der Spitze 13 in das Knochengewebe eingedrückt. Anschließend wird
der Tubus 11 in Drehrichtung 9 um seine Rotationsachse 20,
die zugleich seine Längsachse ist,
gedreht, so daß sich das
Schneidgewinde 19 in den Knochenkörper 3 eindreht und
der Tubus 11 im Knochen 3 fixiert ist.
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Bei
hergestellter Verbindung mit dem Knochen 3 dient die Position
der Referenzspule 16 am bzw. im Knochen 3 als
Referenzmarker für
das Positionierungssystem 100.
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Die
Referenzspule 16 befindet sich in dem spitzen Ende 13 des
Trokarelements 12, das die in Verbindungsrichtung 14 weisende Öffnung 15 des Tubus 11 verschließt. Ist
die Spitze 13 in den Knochen 3 des Patienten eingedrungen,
wird somit ein Punkt als Referenzpunkt im Referenzkoordinatensystem
des Positionierungssystems 100 verwendet, der sich in unmittelbarer
Nähe der
Knochenoberfläche
befindet. Damit ist eine besonders sichere Navigation der Biopsienadel 1 oder
eines anderen medizinischen Instruments zum Knochen 3 möglich.
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Damit
das Referenzkoordinatensystem des Positionierungssystems 100 eindeutig
definiert werden kann, werden zwei Referenzspulen 16 benötigt. Bei
Verwendung nur einer einzigen Referenzspule 16 wäre die Lage
der Rotationsachse 20 bekannt, nicht jedoch die Winkellage
eines Punktes entfernt von dieser Achse. Daher kommt eine zweite
Referenzspule 16' zum
Einsatz, deren Längsachse
nicht parallel zu der Längsachse
der ersten Referenzspule 16 verläuft. Damit kann auch die Winkellage
eines sich entfernt von der Rotationsachse 10 befindenden Punktes
eindeutig bestimmt werden. Die Auswertung der Meßdaten ist besonders einfach,
wenn die zweite Referenzspule 16' in einem Winkel von 90° zu der ersten
Referenzspule 16 angeordnet ist.
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Die
zweite Referenzspule 16' kann
nun zum einen als eine weitere Spule in dem gleichen Hilfsinstrument 10,
wie in 4 dargestellt, oder aber zum anderen als Referenzspule 16' in einem zweiten Hilfsinstrument 10' angeordnet
sein, vgl. 5. Im ersten Fall befindet sich
die zweite Referenzspule 16' quer
zu der ersten Referenzspule 16 an dem gegenüberliegenden,
von der Stiftspitze 13 abgewandten Ende 21 des
Trokarelements 12 oder des Tubus 11. In dem zweiten
Fall befindet sich die weitere Referenzspule 16' wiederum in
der Spitze 13 des Trokarelements 12, jedoch aufgrund
einer nicht parallele Plazierung des weiteren Hilfsinstruments 10' im Knochen 3 schräg zur Lage
der Referenzspule 16 des ersten Hilfsinstruments 10.
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In
der Vergangenheit hat sich das Anbringen von Referenzspulen im Bereich
der Halswirbelsäule als
besonders schwierig erwiesen. Aus dem Stand der Technik sind zum
Anbringen solcher Spulen Klemmen bekannt, die am Wirbelkörper befestigt werden,
vgl. die mit durchbrochenen Linien angedeutete Klemme 22 in 6.
Dieses Verfahren ist äußerst aufwendig.
Vergleichsweise ungenau und darüber
hinaus auch sehr riskant, da sich gerade im Bereich der Wirbelsäule sehr
viele Nerven befinden, die durch eine solche Klemme verletzt werden
könnten.
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Im
Wirbelsäulen-,
insbesondere im Halswirbelsäulenbereich,
bietet sich daher die Verwendung der vorliegenden Erfindung besonders
an. Dabei werden vorzugsweise zwei Hilfsinstrumente 10, 10' an den beiden
Querfortsätzen 23 des
Wirbelkörpers 24 befestigt
(6). Dadurch ist eine besonders genaue Referenzierung
und damit eine besonders sichere Navigation beispielsweise einer
Biopsienadel 1 zum Wirbelkörper 24 möglich.
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Im
Gegensatz zu einem Trokar, bei dem das Trokarelement nach dem Einbringen
in den Körper aus
dem Tubus entfernt wird und der Operateur nach dem Herausziehen
des Trokarelements aus dem Tubus die Möglichkeit hat, eine Optik oder
ein Greif-Schneide-
oder anderes medizinisches Instrument in den Körper einzuführen, ist es zum Zwecke der
Erfindung nicht erforderlich, das Trokarelement 12 aus
dem Tubus 11 zu entfernen. Jedoch kann das Trokarelement 12 nach
der Ortung der sich in der Spitze 13 des Trokarelements 12 befindlichen
Referenzspule 16 aus dem Tubus 11 entfernt werden,
so daß dann
der Tubus 11 – wie
bei einem normalen Trokar – mit
anderen Trokarelementen, wie beispielsweise einer Biopsienadel 1,
bestückt
werden kann.
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Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 1
- Biopsienadel
- 2
- Navigationsspule
- 3
- Knochen
- 4
- Referenzspule
- 5
- Schraube
- 6
- Signalleitung
- 7
- Zentraleinheit
- 8
- Bildschirm
- 9
- Drehrichtung
- 10
- Hilfsinstrument
- 11
- Tubus
- 12
- Trokarelement
- 13
- spitzes
Ende
- 14
- Kontaktrichtung
- 15
- Tubusöffnung
- 16
- Referenzspule
- 17
- Signalleitung
- 18
- Tubusende
- 19
- Schneidgewinde
- 20
- Rotationsachse
- 21
- Tubusende
- 22
- Klemme
- 23
- Querfortsatz
- 24
- Wirbelkörper
- 100
- Positionierungssystem