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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf die
Vereinfachung von chirurgischen Verfahren. Insbesondere beziehen
sich bestimmte Ausführungsformen
auf die Schaffung von Systemen, Verfahren und Vorrichtungen zur
Führung
eines Werkzeugs, welches einen chirurgischen Eingriff erleichtern
kann.
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Chirurgische
Eingriffe bringen Risiken mit sich. Aus diesem Grunde könnte es
sowohl für Ärzte als auch
für Patienten
erstrebenswert sein, sowohl das Ausmaß als auch die Wahrscheinlichkeit
von Risiken bei Operationen zu reduzieren. Eine Möglichkeit
zur Reduzierung von Risiken könnte
darin bestehen, die Führung von
chirurgischen Werkzeugen zu verbessern.
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Ein
C-Arm kann bei radiologischen Bildgebungs-Subsystemen wie z.B. einem
fluoroskopischen Bildgebungssystem verwendet werden. Ein Trend bei
radiologischen Bildgebungs-Subsystemen kann sich auf eine verbesserte
Positionierung der Subsysteme beziehen. So haben z.B. bei fluoroskopischen
Bildgebungssystemen neuere Entwicklungen verbesserte motorisierte
Präzisionsgantrys
sowie eine weitreichende Entwicklung von Tracking-Technologie für die chirurgische
Navigation hervorgebracht.
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Mit
Hilfe von chirurgischer Navigation kann z.B. eine verbesserte Führung und
Visualisierung ermöglicht
werden. So könnte
z.B. ein Arzt, wie beispielsweise ein Chirurg, eine chirurgische
Knochenschraube platzieren wollen, um einen Frakturbe reich zu stabilisieren.
Es kann ein Werkzeug wie z.B. ein Knochenschraubenzieher verwendet
werden. Der Arzt kann die Eintrittsbahn des Werkzeugs anhand einer
beliebigen aus einer Vielzahl von Ansichten bestimmen – z.B. multiplanarer
oder multipositionaler Bildansichten. Der Chirurg kann dann der
festgelegten Eintrittsbahn manuell folgen, um beispielsweise den
Knochenstift zu platzieren. Der Chirurg kann z.B. ein Werkzeug (oder
Werkzeuge) manuell handhaben, während
er bohrt, schraubt oder den Knochenstift anderweitig am Frakturbereich
befestigt. Ebenso müssen Ärzte wie
z.B. Chirurgen eine oder mehrere chirurgische Instrumente manuell
handhaben, nachdem sie z.B. einen Eintrittsweg für das Werkzeug bestimmt haben.
Andere Beispiele umfassen Therapien, bei denen chirurgische Navigation
eingesetzt wird, wozu z.B. bei Knochenbiopsien, Gewebebiopsien,
Schmerzmanagement und/oder Ablation gehören.
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Chirurgische
Navigation kann auch zu einer Verkomplizierung des Arbeitsablaufs,
einer Steigerung der Kosten und zu einer Unübersichtlichkeit der chirurgischen
Umgebung führen.
Eine Lösung
zur Beibehaltung einer Werkzeugeintrittsbahn ist z.B. der Einsatz
von Robotern. Mit Hilfe von chirurgischen Robotern kann z.B. eine
relativ verwacklungsfreie und präzise
Werkzeugführung
bei chirurgischen Operationen erreicht werden. Allerdings können chirurgische
Roboter relativ teuer sein, und sie können z.B. in einem potenziell überfüllten chirurgischen
Umfeld Raum einnehmen. So könnte
es beispielsweise sein, dass sowohl der C-Arm als auch der chirurgische
Roboter denselben Raum oder sich überschneidende Räume einnehmen
müssen.
In solch einem Fall könnte
es notwendig sein, die Ausrüstung
während
einer Prozedur hin- und herzubewegen.
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Folglich
besteht die Notwendigkeit, die mit chirurgischen Prozeduren verbundenen
Risiken zu reduzieren. Es besteht die Notwendigkeit, eine Führung von
chirurgischen Werkzeugen bei reduzierten Kosten bereitzustellen.
Zusätzlich
besteht die Notwendigkeit, eine Führung für chirurgische Werkzeuge bereitzustellen, ohne
eine unnötige Überfüllung der
chirurgischen Umgebung zu verursachen. Ferner besteht die Notwendigkeit,
die Führung
von chirurgischen Werkzeugen zu ermöglichen, ohne den Arbeitsfluss
in einer Operationsumgebung zu unterbrechen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bestimmte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schaffen ein System zur Ausrichtung eines chirurgischen
Werkzeugs in Bezug auf einen Patienten, wozu Folgendes gehört: eine
Werkzeugführung
zur Erleichterung der Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs in
Bezug auf den Patienten, eine Werkzeugführung, die einen Halterungsabschnitt
und einen Werkzeugaufnahmeabschnitt aufweist, wobei die Werkzeugführung mindestens
in einem Teil eines radiologischen Bildgebungs-Subsystems integriert
werden kann, das eine verstellbar bewegliche Halterungsstruktur
aufweist. In einer Ausführungsform
kann der Werkzeugaufnahmeabschnitt einen Endeffektor aufnehmen.
In einer Ausführungsform
umfasst der mindestens eine Abschnitt des radiologischen Bildgebungs-Subsystems
ein fluoroskopisches Bildgebungs-Subsystem. In einer Ausführungsform
umfasst der Endeffektor mindestens eines der folgenden [Elemente]:
eine Öffnung,
eine Klemme, eine Hülse,
eine Halterungsfläche
wie z.B. einen Schlitz, einen Ring, eine Schiene, einen mit einem
Gewinde versehenen Schaft, eine Klammer, eine Bajonetthalterung,
eine Bildgebungsvorrichtung wie ein Endoskop, eine Ultraschallsonde,
ein chirurgisches Werkzeug oder eine chirurgi sche Vorrichtung wie
eine Nadel, einen Katheter, einen Stift, eine Schraube, eine Platte,
einen Bohrer, eine Ahle, eine Sonde oder einen Roboter. In einer Ausführungsform
umfasst die Werkzeugführung
ferner einen Endeffektor. In einer Ausführungsform kann die Position
eines chirurgischen Werkzeugs angepasst werden, indem die verstellbar
bewegliche Halterungsstruktur automatisch bewegt wird. In einer
Ausführungsform
umfasst das System ferner mindestens ein Positionserkennungs-Subsystem
zur Feststellung einer Position des chirurgischen Werkzeugs in Bezug
auf den Patienten. In einer Ausführungsform
kann die verstellbar bewegliche Halterungsstruktur automatisch bewegt
werden, was mindestens auf der Grundlage der Position des chirurgischen
Werkzeugs in Bezug auf den Patienten geschieht. In einer Ausführungsform
umfasst der mindestens eine Sensor mindestens eines der folgenden Systeme:
ein Bildregistrierungs-Subsystem, ein Bildgebungs-Subsystem, ein
optisches Navigations-Subsystem und ein elektromagnetisches Navigations-Subsystem.
In einer Ausführungsform
umfasst das System ferner einen Integrationsmechanismus, der auf
die verstellbar bewegliche Aufsatzstruktur aufgesetzt wird, so dass
die Werkzeugführung
wieder abnehmbar in die verstellbar bewegliche Halterungsstruktur
integriert werden kann.
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Bestimmte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zur Ausrichtung
eines chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den Patienten, wobei
zu diesem Verfahren Folgendes gehört: die Integrierung einer
Werkzeugführung
in mindestens einem Abschnitt eines radiologischen Bildgebungs-Subsystems, wobei
die Werkzeugführung
das chirurgische Werkzeug aufnehmen kann; und die Anpassung einer Position
des mindestens eines Abschnitts des radiologischen Bildgebungs-Subsystems, wobei
die Position des chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den Patienten
eingestellt wird. In einer Ausfüh rungsform
umfasst das Verfahren ferner die Nachverfolgung der Position eines
chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den Patienten, so dass eine
nachverfolgte Position vorliegt. In einer Ausführungsform wird die Einstellung
der Position der verstellbar beweglichen Halterungsstruktur automatisch
durchgeführt,
wobei dies zumindest teilweise auf der Grundlage der nachverfolgten
Position geschieht. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren
ferner die Einstellung einer Position eines Endeffektors auf der
Werkzeugführung.
In einer Ausführungsform
wird die Einstellung der Position der verstellbar beweglichen Halterungsstruktur
in Übereinstimmung
mit einer geplanten Eintrittsbahn des chirurgischen Werkzeugs in
Bezug auf den Patienten durchgeführt.
In einer Ausführungsform
kann die Integration der Werkzeugführung in der verstellbar beweglichen
Halterungsstruktur unter Einsatz eines Integrationsmechanismus zur
wieder abnehmbaren Integration der Werkzeugführung in die verstellbar bewegliche
Halterungsstruktur durchgeführt
werden.
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Bestimmte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zur Ausrichtung
eines chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf einen Patienten, wobei
das Verfahren folgendes umfasst: die Befestigung des chirurgischen
Werkzeugs an einer Werkzeugführung,
wobei die Werkzeugführung
in einer verstellbar beweglichen Halterungsstruktur integriert ist;
die Positionierung einer Lage des chirurgischen Werkzeugs in Bezug
auf den Patienten; das Ermitteln einer nachverfolgten Position des
chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den Patienten; und die Überprüfung, ob
die nachverfolgte Position des chirurgischen Werkzeugs in Bezug
auf den Patienten einer gewünschten
Position des chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den Patienten
entspricht. In einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren ferner die Einstellung einer Position der
ver stellbar beweglichen Halterungsstruktur, so dass eine entsprechende
Einstellung der Position des chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf
den Patienten in Reaktion auf die Überprüfung erfolgt, ob die nachverfolgte Position
des chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den Patienten der gewünschten
Position des chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den Patienten
entspricht. In einer Ausführungsform
wird die Anpassung der Position des chirurgischen Werkzeugs automatisch
durchgeführt.
In einer Ausführungsform
beruht die gewünschte
Position des chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den Patienten
mindestens zum Teil auf einem chirurgischen Navigationsplan.
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Bestimmte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schaffen ein System zur Ausrichtung eines chirurgischen
Werkzeugs in Bezug auf den Patienten, wobei das System folgendes
umfasst: eine Werkzeugführung
zur Erleichterung der Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs
in Bezug auf den Patienten, wobei die Werkzeugführung einen Halterungsabschnitt
und einen Werkzeugaufnahmeabschnitt umfasst, wobei die Werkzeugführung in
mindestens einen Abschnitt eines Bildintensivierungs-Subsystems integriert
werden kann, das eine verstellbar bewegliche Halterungsstruktur
enthält.
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Bestimmte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schaffen ein System zur Ausrichtung eines chirurgischen
Werkzeugs in Bezug auf den Patienten, wobei das System Folgendes
umfasst: eine Werkzeugführung
zur Erleichterung der Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs
in Bezug auf den Patienten, wobei die Werkzeugführung einen Halterungsabschnitt
und einen Werkzeugaufnahmeabschnitt umfasst, wobei die Werkzeugführung in
mindestens einen Abschnitt eines Ziel-Subsystems integriert werden
kann, das eine verstellbar bewegliche Halterungsstruktur umfasst.
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KURZBESCHREIBUNG VON SÄMTLICHEN
ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein System zur Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs in Bezug
auf einen Patienten gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
Systeme zur Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf
einen Patienten gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm 300 eines Verfahrens zur Ausrichtung
eines chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf einen Patienten gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
ein Flussdiagramm 400 eines Verfahrens zur Ausrichtung
eines chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf einen Patienten gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die
vorangegangene Zusammenfassung sowie die folgende detaillierte Beschreibung
bestimmter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
besser nachvollzogen werden, wenn sie unter Hinzunahme der angehängten Zeichnungen
gelesen werden. In den Zeichnungen werden bestimmte Ausführungsformen
zum Zwecke der Illustration der Erfindung gezeigt. Es sei allerdings
darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
in den angehängten
Zeichnungen gezeigten Anordnungen und Instrumentenausstattungen
beschränkt
ist. Ferner können
einige Figuren Darstellungen des Typs von Display und/oder Output
enthalten, die gemäß einer
oder mehrerer Aus führungsformen.
mit den Verfahren und Systemen der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang
stehen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein System 100 zur Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs 102 in
Bezug auf einen Patienten 104 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das System 100 kann beispielsweise
eine verstellbar bewegliche Halterungsstruktur 106 und
eine Werkzeugführung 110 umfassen.
Optional kann das System 100 z.B. auch ein Erkennungs-Subsystem 108 und/oder
einen Aufnahme-Mechanismus 112 umfassen.
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Eine
verstellbar bewegliche Halterungsstruktur 106 kann in eine
beliebige Anzahl von Richtungen und/oder Dimensionen beweglich sein,
wie z.B. linear entlang einer oder mehreren kartesischer Achsen
(z.B. x, y, z) und/oder in radialer Richtung. Die verstellbar bewegliche
Halterungsstruktur 106 kann bewegt werden, um eine Position
anzupassen (z.B. entlang eines Koordinatensystems) und/oder kann
bewegt werden, um beispielsweise die räumliche Ausrichtung der Halterungsstruktur
anzupassen (z.B. die Winkelstellung der Struktur 106 in
Bezug auf andere Objekte, die von Interesse sind, wie z.B. den Patienten 104).
Eine Position der beweglichen Struktur 106 kann z.B. Aspekte
in Bezug auf die Lage und/oder die räumliche Ausrichtung umfassen.
Die verstellbar bewegliche Halterungsstruktur 106 kann
z.B. manuell und/oder automatisch eingestellt werden. Die Anpassung
kann durch einen Hebel, einen Knopf, einen Griff, ein Rad oder durch
eine automatisierte Vorrichtung wie ein Solenoid, einen Servo oder
einen Motor durchgeführt
werden. Die Bewegung der Halterungsstruktur 106 kann z.B.
mit Hilfe eines Reglers, eines Computers, eines Prozessors und/oder Ähnlichem
gesteuert werden. Die Bewegung der Halterungsstruktur 106 kann
mindestens zum Teil auf Informationen beruhen, die z.B. von anderen
Komponenten empfangen wurden, wie im Folgenden beschrieben werden wird.
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Die
Halterungsstruktur 106 kann einen Abschnitt von einer Vielzahl
von Gerätschaften
bilden, die z.B. in einem Operationsraum verfügbar sind. So kann die Halterungsstruktur 106 z.B.
ein Abschnitt eines radiologischen Bildgebungs-Subsystems, eines
Navigations-Subsystems oder eines Ziel-Subsystems sein. Die Halterungsstruktur 106 kann
sich z.B. auf einem C-Arm
eines radiologischen Bildgebungs-Subsystems wie eines fluoroskopischen
Bildgebungs-Subsystems befinden.
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Der
Aufnahmemechanismus 112 kann z.B. dazu verwendet werden,
die Werkzeugführung 110 auf eine
wieder abnehmbare Weise in der Halterungsstruktur 106 zu
integrieren. Der Aufnahmemechanismus 112 kann Klinken,
Schrauben, Bolzen oder andere Formen von Hardware umfassen, die
es z.B. ermöglichen,
eine Werkzeugführung 110 wieder
abnehmbar in der Halterungsstruktur 106 zu integrieren.
Der Aufnahmemechanismus 112 kann z.B. aus einem oder mehreren
Abschnitten bestehen. Der Integrationsmechanismus 112 kann
z.B. einen halbpermanent auf die Halterungsstruktur 106 aufgesetzten
Abschnitt und einen weiteren Abschnitt zur Verbindung mit dem aufgesetzten
Abschnitt aufweisen. Durch den Integrationsmechanismus 112 kann
es beispielsweise ermöglicht
werden, mit Hilfe der Halterungsstruktur 106 eine beliebige
Anzahl von Werkzeugführungen 110 und/oder
Endeffektoren wieder abnehmbar zu integrieren.
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Das
Erkennungs-Subsystem 108 kann z.B. optional im System enthalten
sein. Das Erkennungs-Subsystem 108 kann ein beliebiges
von verschiedenen Subsystemen umfassen, wie z.B. ein Bildregistrierungs-Subsystem,
ein Bildgebungs-Subsystem, ein optisches Navigations-Subsystem,
ein elektromagnetisches Navigations-Subsystem und/oder Ähnliches.
Das Erkennungs-Subsystem 108 kann beispielsweise in Bezug
auf das radiologische Bildgebungs-Subsystem eigenständig sein
oder innerhalb des radiologischen Bildgebungs-Subsystems integriert
sein (entweder teilweise oder vollständig integriert). Ein Erkennungs-Subsystem 108 kann
auch mit anderen Subsystemen wie z.B. einem radiologischen Bildgebungs-Subsystem
kommunizieren. Das Erkennungs-Subsystem 108 kann z.B. in
der Lage sein, die Position eines chirurgischen Werkzeugs 102 in
Bezug auf den Patienten in einer, zwei und/oder drei Dimensionen
zu erkennen. Das Erkennungs-Subsystem 108 kann z.B. das
chirurgische Werkzeug 102 abbilden oder auf eine andere
Weise Informationen zu der Position (z.B. in kartesischen Koordinaten)
und/oder der Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs 102 sammeln.
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Das
Erkennungs-Subsystem 108 kann z.B. Informationen über die
Verbindung 114 (die z.B. kabellos und/oder verkabelt sein
kann) kommunizieren, um Informationen zu der Position und/oder der
Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs 102 in Bezug auf
den Patienten zu übermitteln.
Die Informationen zu der Position und/oder der Ausrichtung des chirurgischen
Werkzeugs 102 können
z.B. verwendet werden, um die Bewegung der verstellbar beweglichen
Halterungsstruktur 106 automatisch oder manuell zu steuern.
So kann das Erkennungs-Subsystem 108 unter bestimmten Umständen z.B.
eine Feedbackschleife im System 100 bilden.
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Die
Werkzeugführung 110 kann
z.B. verwendet werden, um bei der Positionierung des chirurgischen Werkzeugs 102 in
Bezug auf einen Patienten eine Führung,
Ausrichtung, Halterung oder anderweitige Unterstützung zu bieten. Die Werkzeugführung 110 kann
mit einer ganzen Reihe von chirurgischen Werkzeugen 102 Schnittstellen
bilden, oder es können
verschiedene Werkzeugführungen 110 für verschiedene
chirurgische Werkzeuge 102 verwendet werden. Wenn man 2 betrachtet,
so werden dort einige verschiedene chirurgische Werkzeuge 102 in
Kombination mit einer Werkzeugführung
(bzw. mehreren Werkzeugführungen) 110 gezeigt.
Wie bereits ausgeführt
wurde, kann eine Werkzeugführung 110 entweder
direkt oder z.B. durch einen Integrationsmechanismus 112 z.B.
in einer Halterungsstruktur 106 integriert werden. Die
Werkzeugführung 110 kann
z.B. wieder abnehmbar, halbpermanent oder permanent mit der Halterungsstruktur 106 verbunden sein.
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Die
Werkzeugführung 110 kann
einen Endeffektor umfassen und/oder kann z.B. für die Befestigung eines Endeffektors
verwendet werden. Ein Endeffektor kann einen beliebigen Abschnitt
umfassen, mit dessen Hilfe es z.B. ermöglicht wird, die Bewegung eines
chirurgischen Werkzeugs 102 in einer oder mehreren Dimensionen
zu führen,
auszurichten, zu halten, zu stabilisieren oder anderweitig zu positionieren.
Ein Endeffektor kann eine so einfache Form wie die einer Öffnung annehmen,
durch die die Bewegung eines chirurgischen Werkzeugs, wie z.B. eines
Bohreinsatzes, eingeschränkt
wird. Ein Endeffektor kann relativ komplex sein, wie dies z.B. bei
einem Miniroboter der Fall ist. Ein Beispiel für einen Endeffektor ist ein
Mazor-Spinalroboter. Andere Typen von Endeffektoren können Schneide-
oder Bohrvorrichtungen, eine Klemme, eine Hülse, eine Montagefläche wie
z.B. einen Schlitz, einen Ring, eine Schiene, einen mit einem Gewinde
versehenen Schaft, eine Klammer, eine Bajonetthalterung, eine Bildgebungsvorrichtung
wie ein Endoskop, eine Ultraschallsonde, ein chirurgisches Werkzeug
oder eine chirurgische Vorrichtung wie eine Nadel, einen Katheter,
einen Stift, eine Schraube, eine Platte, einen Bohrer, eine Ahle
oder eine Sonde umfassen.
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2 zeigt
verschiedene Systeme 200-203 zur Ausrichtung von
chirurgischen Werkzeugen 102 in Bezug auf einen Patienten 104 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Systeme 200-203 können in
vielerlei Hinsicht z.B. dem System 100 entsprechen. So
kann beispielsweise die Halterungsstruktur 206 der Halterungsstruktur 106 entsprechen.
Wie bei den Systemen 200-203 gezeigt wird, kann
die Halterungsstruktur 206 z.B. einen Abschnitt des C-Arms
in einem radiologischen Bildgebungs-Subsystem bilden. Die Bewegung
des C-Arms in einem
radiologischen Bildgebungs-Subsystem (z.B. einem fluoroskopischen Bildgebungs-Subsystem)
kann eine entsprechende Bewegung der Werkzeugführung 100 bewirken.
Anhand der Systeme 200 und 201 wird illustriert,
wie die Bewegung der Halterungsstruktur 206 z.B. die Bewegung
der Werkzeugführung
und des entsprechenden chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den
Patienten bewirkt. Systeme 202 und 202 illustrieren
verschiedene Typen von Werkzeugführungen 110,
welche z.B. verschiedene Typen von Endeffektoren aufweisen oder
mit diesen Schnittstellen bilden. Beispielsweise zeigt System 202 eine Werkzeugführung 110 mit
einem Artikulationsarm, mit oder ohne Mitkopplung. Beispielsweise
zeigt System 203 eine Werkzeugführung 110 mit einem
Sensor zur Bestimmung der Lage und/oder der Ausrichtung in Relation
zu einem bestimmten Arbeitsraum.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm 300 eines Verfahrens zur Ausrichtung
eines chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf einen Patienten gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Mindestens ein Teil der Schritte von
Verfahren 300 kann z.B. in einer abgeänderten Reihenfolge und/oder
im Wesentlichen/teilweise gleichzeitig durchgeführt werden. Beispielsweise
kann Schritt 304 gleichzeitig mit Schritt 306 durchge führt werden,
oder Schritt 304 kann nach Schritt 306 durchgeführt werden.
Einige Schritte des Verfahrens 300 können auch ausgelassen werden,
wie z.B. Schritte 306 und 308. Verfahren 300 kann
z.B. teilweise von einem oder mehreren Prozessoren durchgeführt werden.
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In
Schritt 302 kann eine Werkzeugführung z.B. in mindestens einen
Abschnitt des radilogischen Bildgebungs-Subsystems integriert werden.
Eine Werkzeugführung
wie die Werkzeugführung 110 kann
z.B. permanent oder halbpermanent in einem Abschnitt des radiologischen
Bildgebungs-Subsystems integriert werden. Eine Werkzeugführung kann
auch mit Hilfe eines Integrationsmechanismus wie des Integrationsmechanismus 112 wieder
abnehmbar in einem radiologischen Bildgebungs-Subsystem integriert
werden. Eine Werkzeugführung
kann in einem Abschnitt des radiologischen Bildgebungs-Subsystems
wie z.B. der verstellbar beweglichen Halterungsstruktur 106 integriert
werden. Eine Werkzeugführung
kann z.B. auf einem Abschnitt des C-Arms eines radiologischen Bildgebungs-Subsystems
integriert werden. Verschieden Arten von Werkzeugführungen
können
z.B. wieder abnehmbar, permanent oder halbpermanent im radiologischen
Bildgebungs-Subsystem integriert werden.
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In
Schritt 304 kann die Position eines radiologischen Bildgebungs-Subsystems
angepasst werden, wodurch z.B. die entsprechende Position der Werkzeugführung angepasst
wird. Es kann ein bestimmter Abschnitt der Position des radiologischen
Bildgebungs-Subsystems angepasst werden, oder es kann z.B. die Position des
gesamten radiologischen Bildgebungs-Subsystems angepasst werden.
Die Position des radiologischen Bildgebungs-Subsystems kann z.B.
automatisch und/oder manuell angepasst werden. Beispielsweise kann ein
Abschnitt des radiologischen Bildgebungs-Subsystems einen C-Arm
umfassen, und der C-Arm kann z.B. entweder automatisch oder manuell
verstellbar beweglich sein. Die Position kann in Reaktion auf andere Schritte
wie z.B. Schritt 306 und/oder Schritt 308 angepasst
werden. Die Position kann z.B. mit Hilfe einer Fernbedienung oder
lokal durch das radiologische Bildgebungs-Subsystem angepasst werden.
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In
Schritt 306 kann die Position eines chirurgischen Werkzeugs
in Bezug auf den Patienten nachverfolgt werden, so dass eine nachverfolgte
Position vorliegt. Die Position des chirurgischen Werkzeugs kann
mit Hilfe von verschiedenen Nachverfolgungs-Subsystemen wie z.B.
einem Bildgebungs-Subsystem (z.B. dem oben beschriebenen radiologischen
Bildgebungs-Subsystem), einem Bildregistrierungs-Subsystem, einem optischen
Navigations-Subsystem, einem elektromagnetischen Navigations-Subsystem und/oder Ähnlichem nachverfolgt
werden. Die Position eines chirurgischen Werkzeugs kann in einer
oder mehreren Dimensionen in Bezug auf den Patienten nachverfolgt
werden. Die Position kann in Bezug auf andere Objekte wie Passermarken
und/oder in Bezug auf virtuelle Objekte wie z.B. chirurgische Pläne nachverfolgt
werden. Die Informationen zu der nachverfolgten Position können z.B.
im Wesentlichen in Echtzeit nachverfolgt werden. Die nachverfolgte
Position kann an eine oder mehrere andere Komponenten übermittelt
werden, wie z.B. an ein Subsystem, das die Bewegung des radiologischen
Bildgebungs-Systems steuert. Die nachverfolgte Position kann z.B.
Informationen sowohl zur Lage (z.B. kartesische Koordinaten) als
auch zur Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs umfassen.
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In
Schritt 308 kann die Position eines Endeffektors auf der
Werkzeugführung
angepasst werden. Ein Endeffektor kann z.B. einen Roboter umfassen,
wie z.B. einen Mazor-Spinalroboter.
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Der
Endeffektor kann so selbst zur Artikulation in der Lage sein und/oder
fähig sein,
die Position und/oder Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs anderweitig
anzupassen. Die Position des Endeffektors kann z.B. in Koordination
mit der Anpassung erfolgen, welche in Schritt 304 durchgeführt wurde,
oder sie kann unabhängig
angepasst werden.
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Als
illustratives Beispiel kann das in Verbindung mit 3 beschriebene
Verfahren auf die folgende Weise durchgeführt werden: Eine bestimmte
Werkzeugführung
ist dazu gedacht, die Bewegung eines Bohreinsatzes einzuschränken. Der
Bohreinsatz wird verwendet, um in den Knochen eines Patienten zu
hineinzubohren. In Schritt 302 wird die „Bohreinsatz"-Werkzeugführung in
den C-Arm eines radiologischen Bildgebungs-Subsystems mit Hilfe
eines Integrationsmechanismus (siehe 1, 2)
integriert. Der Integrationsmechanismus erlaubt es, Werkzeugführungen
wieder abnehmbar in den C-Arm zu integrieren. In Schritt 304 wird
der C-Arm des Bildgebungs-Subsystems automatisch in Übereinstimmung
mit einem chirurgischen Plan angepasst. Der chirurgische Plan beinhaltet
z.B. die Eintrittsbahn für
den Weg des Bohreinsatzes in den Knochen des Patienten. Die Bewegung
des C-Arms ruft eine entsprechende Bewegung der Werkzeugführung und des
chirurgischen Werkzeugs hervor, so dass die Position des Bohreinsatzes
mit dem chirurgischen Plan übereinstimmt.
Die Anpassung in Schritt 304 kann durch Schritt 306 unterstützt werden,
bei dem die Position des Bohreinsatzes in Bezug auf den Patienten
nachverfolgt wird. Die Koordinaten des Bohreinsatzes werden in Bezug
auf den Knochen des Patienten durch ein chirurgisches Navigations-Subsystem wie z.B.
ein elektromagnetisches Navigations-Subsystem im Wesentlichen in
Echtzeit bestimmt. Die nachverfolgte Position des Bohreinsatzes
wird mit dem chirurgischen Plan verglichen, um festzustellen, ob
der Bohreinsatz der geplan ten Eintrittsbahn folgt. Wenn die Position
des Bohreinsatzes von der geplanten Eintrittsbahn abweicht, wird
der C-Arm des radiologischen Bildgebungs-Subsystems automatisch
bewegt, so dass er jegliche Abweichung ausgleicht. Schließlich kann
in Schritt 308 ein Endeffektor wie z.B. ein Mazor-Spinalroboter
zur Verfügung
vorhanden sein, um die Position des chirurgischen Werkzeugs weiter
anzupassen.
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4 zeigt
ein Flussdiagramm 400 des Verfahrens zur Ausrichtung eines
chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf einen Patienten gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Mindestens ein Teil der Schritte von
Verfahren 400 kann z.B. in einer abgeänderten Reihenfolge und/oder
im Wesentlichen/teilweise gleichzeitig durchgeführt werden. Beispielsweise
kann Schritt 404 gleichzeitig mit Schritt 406 durchgeführt werden,
oder Schritt 404 kann nach Schritt 406 durchgeführt werden.
Einige Schritte von Verfahren 400 können auch ausgelassen werden,
wie z.B. Schritt 410. Verfahren 400 kann z.B.
zum Teil von einem oder mehreren Prozessoren durchgeführt werden.
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In
Schritt 402 kann ein chirurgisches Werkzeug (z.B. das chirurgische
Werkzeug 102) mit der Werkzeugführung (z.B. Werkzeugführung 110)
verbunden werden, die in einem radiologischen Bildgebungs-Subsystem
integriert ist. Beispielsweise kann ein chirurgisches Werkzeug (z.B.
ein Bohrer, ein Bohreinsatz, ein Ablationswerkzeug, ein Oszilloskop
etc.) mit der Werkzeugführung
verbunden werden. Die Werkzeugführung kann
z.B. verschiedene Adapter, Bauweisen und/oder Endeffektoren zur
Aufnahme von verschiedenen Werkzeugen aufweisen. Alternativ können verschiedene
Typen von Werkzeugführungen
für die
Verbindung mit verschiedenen chirurgischen Werkzeugen gedacht sein.
Die Werkzeugführung
selbst kann entweder wieder abnehm bar, permanent oder halbpermanent
in einem radiologischen Bildgebungs-Subsystem integriert sein, wie dies
oben beschrieben wurde. Das chirurgische Werkzeug kann z.B. so mit
der Werkzeugführung
verbunden werden, dass das chirurgische Werkzeug beweglich und/oder
anpassbar ist. Zum Beispiel kann die Werkzeugführung mit einem Bohreinsatz
verbunden werden, so dass der Bohreinsatz entlang seiner Hauptachse
beweglich und um seine Hauptachse herum drehbar ist. Allerdings
kann die Werkzeugführung
die Bewegung des Einsatzes z.B. entlang anderer Dimensionen wesentlich
einschränken.
Alternativ kann das chirurgische Werkzeug z.B. so eingesetzt werden,
dass es im Wesentlichen unbeweglich ist. Beispielsweise kann ein
Miniroboter das chirurgische Werkzeug weitgehend unbeweglich machen,
indem er das chirurgische Werkzeug einklemmt. Der Miniroboter kann
selbst zur Artikulation befähigt
sein, aber das Werkzeug selbst kann in Bezug auf die Klammer weitestgehend
unbeweglich gemacht werden.
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In
Schritt 404 kann das chirurgische Werkzeug in Bezug auf
den Patienten (z.B. den Patienten 104) positioniert werden.
Das chirurgische Werkzeug kann positioniert werden, indem das Werkzeug
in Bezug auf die Werkzeugführung
angepasst wird. Zum Beispiel kann ein Bohreinsatz entlang seiner
Hauptachse abgepasst werden, so dass er sich in Bezug auf einen
Patienten in einer [bestimmten] Position befindet. Ein chirurgisches
Werkzeug kann in Bezug auf den Patienten positioniert werden, und
dann z.B. in Bezug auf die Verbindungsmechanismen auf der Werkzeugführung weitestgehend
unbeweglich gemacht werden. Ein chirurgisches Werkzeug kann z.B.
auf der Grundalge von klinischen Anforderungen, einem chirurgischen
Plan und/oder Ähnlichem
in Bezug auf den Patienten positioniert werden. Ein chirurgisches
Werkzeug kann manuell und/oder automatisch in Bezug auf den Patienten
positioniert werden.
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In
Schritt 406 kann die nachverfolgte Position des chirurgischen
Werkzeugs in Bezug auf den Patienten überprüft werden.
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Die
nachverfolgte Position des chirurgischen Werkzeugs kann mit Hilfe
eines beliebigen von verschiedenen Subsystemen wie z.B. den folgenden überprüft werden:
einem Bildgebungs-Subsystem, einem optischen Navigations-Subsystem,
einem elektromagnetischen Navigations-Subsystem, einem Bildregistrierungs-Subsystem und/oder Ähnlichem.
Ein elektromagnetisches Navigations-Subsystem kann die Position des
Werkzeugs z.B. mit Hilfe von elektromagnetischen Informationen nachverfolgen.
Beispiele von elektromagnetischen Navigations-Subsystemen umfassen
passive Erkennungssysteme und aktive Erkennungssysteme. Beispielsweise
kann das Werkzeug selbst ein elektromagnetisches Signal aussenden,
oder das Werkzeug kann ein Antennenmuster haben, das z.B. von Sensoren,
die sich außerhalb
des Körpers
des Patienten befinden, erkannt werden kann. Die nachverfolgte Position
kann z.B. Informationen zur Lage (z.B. kartesische Koordinaten)
in einer oder mehreren Richtungen beinhalten. Die nachverfolgte
Position kann auch Informationen zur Ausrichtung des chirurgischen
Werkzeugs in Bezug auf den Patienten oder auf andere Referenzpunkte
wie z.B. Passermarken umfassen.
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In
Schritt 408 kann festgestellt werden, ob die nachverfolgte
Position der gewünschten
Position entspricht. Eine gewünschte
Position kann z.B. Lageinformationen in einer oder mehreren Dimensionen
umfassen. Eine gewünschte
Position kann z.B. auch Ausrichtungsinformationen (z.B. die Ausrichtung
des chirurgischen Werkzeugs in Bezug auf den Patienten) enthalten.
Eine gewünschte
Position kann z.B. auf der Grundlage des klinischen Interesses bestimmt
werden. Eine gewünschte
Position kann z.B. auf der Grundlage eines chirurgischen Plans bestimmt
werden. Eine gewünschte
Position kann z.B. Informationen zur Einstrittsbahn des Werkzeugs
beinhalten. Ein chirurgischer Plan kann z.B. vor der Operation oder
während
der Operation entwickelt werden.
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In
Schritt 304 kann die Position eines radiologischen Bildgebungs-Subsystems
angepasst werden, wobei z.B. die entsprechende Position des chirurgischen
Werkzeugs in Reaktion auf die Übereinstimmung
zwischen der nachverfolgten Position und der gewünschten Position angepasst
wird. Die Anpassung aus Schritt 410 kann z.B. automatisch
und/oder manuell durchgeführt
werden. Die Anpassung kann erfolgen, indem z.B. die Position eines
C-Arms in einem radiologischen Bildgebungs-Subsystem angepasst wird,
wie in 2 gezeigt.
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Als
illustratives Beispiel kann das in Verbindung mit 4 beschriebene
Verfahren auf die folgende Weise durchgeführt werden: In diesem Beispiel
ist das chirurgische Werkzeug ein Ablationswerkzeug, und das radiologische
Bildgebungs-Subsystem ist ein fluoroskopisches Bildgebungs-Subsystem,
das mit einem C-Arm ausgestattet ist. In Schritt 402 wird
das Ablationswerkzeug mit einer Werkzeugführung verbunden, die in dem fluoroskopischen
Bildgebungs-Subsystem integriert ist. Die Werkzeugführung verhindert
die Bewegung des Ablationswerkzeugs in jede Richtung außer entlang
dessen Hauptachse. Das Ablationswerkzeug wird mit der Werkzeugführung verbunden,
indem das Werkzeug in eine Öffnung
in der Werkzeugführung
eingebracht wird. Dann wird das Ablationswerkzeug in Schritt 404 von
einem Arzt positioniert, der einem chirurgischen Plan folgt. Das
Ablationswerkzeug wird dann in Übereinstimmung
mit einem chirurgischen Plan innerhalb eines Tumors positioniert,
welcher abgetragen werden soll. Dann bestimmt in Schritt 406 ein
chirurgisches Navigationssystem die Position des Ablationswerkzeugs
(z.B. Lage, Ausrichtung). Ein elektromagnetisches Navigations-Subsystem
kann z.B. die Funktion eines chirurgischen Navigationssystems übernehmen,
indem es das Werkzeug in Bezug auf den Patienten abbildet, um die
Position zu bestimmen. In Schritt 408 wird festgestellt,
ob die nachverfolgte Position des Ablationswerkzeugs mit dem chirurgischen
Plan übereinstimmt.
Wenn das Ablationswerkzeug nicht mit der gewünschten Position gemäß dem chirurgischen
Plan übereinstimmt,
wird dann in Schritt 410 die Position des C-Arms in geeignetem
Maße angepasst,
so dass das Ablationswerkzeug wieder der beabsichtigten Werkzeugeintrittsbahn
angeglichen wird.
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So
liefern Ausführungsformen
der vorliegenden Anwendung ein verringertes Risiko im Zusammenhang
mit chirurgischen Prozeduren. Ausführungsformen der vorliegenden
Anwendung ermöglichen
die Führung
von chirurgischen Werkzeugen bei reduzierten Kosten. Zusätzlich ermöglichen
Ausführungsformen
der vorliegenden Anwendung die Führung
von chirurgischen Werkzeugen, ohne dabei eine unnötige Überfüllung in
chirurgischen Umgebungen hervorzurufen. Außerdem ermöglichen die Ausführungsformen
der vorliegenden Anwendung die Führung
von chirurgischen Werkzeugen, ohne dabei den Arbeitsablauf in einem
chirurgischen Umfeld zu unterbrechen.
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Bestimmte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen ein System 100, 200 zur
Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs 102 in Bezug
auf den Patienten 104 bereit, umfassend: eine Werkzeugführung 110,
l 112 zur Vereinfachung der Ausrichtung des chirurgischen
Werkzeugs 102 in Bezug auf den Patienten 104,
wobei die Werkzeugführung 110, 112 einen
Halterungsabschnitt 112 und einen Werkzeugaufnahmeabschnitt 110 umfasst,
wobei die Werkzeugführung 110, 112 mindestens
in einem Abschnitt eines radiologischen Bildgebungs-Subsystems integriert
werden kann, welches eine verstellbar bewegliche Halterungsstruktur 106, 206 umfasst.
In einer Ausführungsform
kann der Werkzeugaufnahmeabschnitt 110 einen Endeffektor 110 aufnehmen.
In einer Ausführungsform
umfasst der mindestens eine Abschnitt des radiologischen Bildgebungs-Subsystems
einen C-Arm. In einer Ausführungsform
umfasst das radiologische Bildgebungs-Subsystem ein fluoroskopisches
Bildgebungs-Subsystem.
In einer Ausführungsform
umfasst der Endeffektor 110 mindestens eines der folgenden
Elemente: eine Öffnung,
eine Schneidevorrichtung, eine Bohrvorrichtung, eine Klemme, eine
Hülse,
eine Halterungsfläche,
einen Ring, eine Schiene, einen mit einem Gewinde versehenen Schaft,
eine Klammer, eine Bajonetthalterung, eine Bildgebungsvorrichtung,
eine Ultraschallsonde, ein chirurgisches Werkzeug 102,
einen Katheter, einen Stift, eine Schraube, eine Platte, einen Bohrer,
eine Ahle oder eine Sonde. In einer Ausführungsform umfasst die Werkzeugführung 110, 112 ferner
einen Endeffektor 110. In einer Ausführungsform kann die Position
des chirurgischen Werkzeugs 102 angepasst werden, indem
die verstellbar bewegliche Halterungsstruktur 106, 206 automatisch
bewegt wird. In einer Ausführungsform
umfasst das System 100, 200 ferner mindestens
ein Positionserkennungs-Subsystem 108, 208 zur Überprüfung einer
Position des chirurgischen Werkzeugs 102 in Bezug auf den
Patienten 104.
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Obwohl
die Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde,
werden sich auf diesem Gebiet fachkundige Personen darüber im Klaren
sein, dass verschiedene Veränderungen
vorgenommen und Äquivalente
eingesetzt werden können,
ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können zahlreiche
Modifikationen durchgeführt
werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material
an die Erkenntnisse der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Schutzumfang
abzuweichen. Es können
z.B. Merkmale mit Hilfe von Software, Hardware oder einer Mischung
aus diesen implementiert werden. Daher ist vorgesehen, dass die
Erfindung nicht auf die spezifischen vorgestellten Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die
in den Schutzumfang der angehängten
Patentansprüche
fallen. Bezugszeichenliste
| Ausrichtungssystem | 100, 200 |
| chirurgisches
Werkzeug | 102 |
| Patient | 104 |
| Werkzeugführung | 110, 112 |
| Halterungsabschnitt | 112 |
| Werkzeugaufnahmeabschnitt | 110 |
| verstellbar
bewegliche Halterungsstruktur | 106, 206 |
| Endeffektor | 110 |
| Positionserkennungs-Subsystem | 108, 208 |
| Ausrichtungsverfahren | 300 |