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1. Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen von einem chirurgischen Instrument, und insbesondere zum Führen eines chirurgischen Instruments in einen Patientenkörper.
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2. Technischer Hintergrund
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Interventionelle Behandlungen werden in Diagnose und Therapieverfahren angewendet um gezielte Eingriffe am erkrankten Gewebe vorzunehmen. So wird beispielsweise bei einer Biopsie Gewebe für eine spätere Untersuchung aus einem lebenden Organismus entnommen. Für solch eine Biopsie kann ein Endoskop verwendet werden, welches es erlaubt, das Innere von lebenden Organismen (aber auch technischen Hohlräumen) zu untersuchen oder sogar zu manipulieren.
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Bei der interventionellen Radiologie werden derartige Eingriffe unter Bildsteuerung vorgenommen. Hierzu können verschiedene Navigationstechniken eingesetzt werden, um ein relativ genaues Platzieren beispielsweise des Endoskops zu ermöglichen. Beispielsweise können Computertomografie (CT), Ultraschall (US), Magnetresonanztomographie (MRT) und Angiographie verwendet werden. Allerdings lässt sich beispielsweise bei der Biopsie, Endoskopie oder Hochfrequenzablation das entsprechende chirurgische Instrument (wie beispielsweise die Biopsie-Nadel) nur schwer positionieren und kontrollieren. Dies gilt auch für die Positionierung des Instruments innerhalb beispielsweise eines Tumors. Somit ergibt sich aufgrund der schlechten Positionierung eine ungenaue Diagnostik und verschlechterte Therapie.
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Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Methode für interventionelle Behandlungen, und insbesondere für die interventionelle Radiologie bereitzustellen. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System bereitzustellen, mit welchem die Start- und Endposition eines chirurgischen Instruments genau kontrolliert und dokumentiert werden kann.
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Diese und weitere Aufgaben werden durch den Gegenstand der Hauptansprüche gelöst.
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3. Inhalt der Erfindung
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Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Führen von einem chirurgischen Instrument. Die Vorrichtung eignet sich dabei insbesondere zum Führen eines chirurgischen Instruments in einem Patientenkörper, vorzugsweise für den Einsatz bei einer interventionellen Behandlung und weiter vorzugsweise für den Einsatz bei interventioneller Radiologie. Als Beispiel kann die Vorrichtung verwendet werden, um ein entsprechendes chirurgisches Instrument zu führen, um Gewebebiopsie (zum Beispiel an Lunge, Leber, Niere), Hochfrequenzablation, oder Ähnliches durchzuführen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dabei ein Kupplungselement zum trennbaren Anbringen des chirurgischen Instruments auf. Es kann somit ein entsprechendes chirurgisches Instrument (wie beispielsweise eine Biopsie-Nadel) mit der Vorrichtung verbunden werden.
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Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung auf: eine erste Linearführung zum Bewegen des Kupplungselements entlang einer ersten Richtung, eine Zirkularführung oder Kurvenführung zum Bewegen des Kupplungselements entlang einer zweiten Richtung, wobei die zweite Richtung nicht parallel zu der ersten Richtung ist, und eine zweite Linearführung zum Bewegen des Kupplungselements entlang einer dritten Richtung, wobei die dritte Richtung nicht parallel zu der ersten und zweiten Richtung ist. Durch die Kombination der zwei Linearführungen und der Zirkularführungen ist es somit möglich, eine hohe Genauigkeit bei dem entsprechenden chirurgischen Eingriff (beispielsweise bei einer Biopsie) zu gewähren. Da die drei Führungen Bewegungen in unterschiedliche Richtungen ermöglichen, die nicht parallel zueinander sind, kann die Bewegung genau kontrolliert und präzise eingestellt werden. Durch die Kombination einer Linearführung und Zirkularführung kann das chirurgische Instrument, welches mit dem Kopplungselement verbunden ist, genau auf den Körper eines Patienten ausgerichtet werden. Eine weitere (zweite) Linearführung, welche vorzugsweise in Form einer Teleskopführung ausgestaltet ist, ermöglicht das Führen des chirurgischen Instruments in den Patientenkörper hinein, um den chirurgischen Eingriff durchzuführen.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht in Kontakt mit dem Patientenkörper. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung unabhängig von dem Patientenkörper, muss also nicht auf diesem angebracht werden oder auf diesem positioniert werden. Vielmehr kann das Kupplungselement bzw. das chirurgische Element unabhängig von dem Patienten verfahren bzw. repositioniert werden, und beispielsweise in eine gewünschte Ausrichtung bzw. Orientierung gebracht werden.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung mit einer Patientenliege verbunden. Dabei ermöglicht vorzugsweise die erste Linearführung eine lineare Bewegung entlang der Längserstreckung der Patientenliege. Somit wird durch die erste Linearführung das Kupplungselement bzw. das chirurgische Instrument entlang der Patientenliege zwischen Kopf- und Fußende bewegt. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für verschiedene Applikationen einsetzbar. Durch die vorteilhafte Verbindung mit der Patientenliege kann das chirurgische Instrument präzise entlang der Patientenliege bewegt werden und ist vorteilhaft durch ein ortsfestes Koordinatensystem ausgezeichnet.
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Vorzugsweise weist das Kupplungselement ein Kugelgelenk auf. Somit kann mittels der ersten Linienführung, der Zirkularführung und der zweiten Linearführung eine erste Positionierung des chirurgischen Instruments durchgeführt werden, während eine finale Korrektur bzw. Feinjustierung anhand des Kugelgelenks durchgeführt werden kann. Vorzugsweise bildet das Kugelgelenk die Schnittstelle zwischen der Vorrichtung und dem chirurgischen Instrument.
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Vorzugsweise sind die erste, zweite und dritte Richtung jeweils rechtwinklig zueinander. Somit ist eine präzise Positionierung des chirurgischen Instruments möglich, und vorteilhaft auch eine einfache Handhabung bzw. Steuerung der Vorrichtung gegeben.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung eingerichtet die Bewegungen des Kupplungselements entlang der ersten, zweiten und dritten Richtung unabhängig voneinander durchzuführen. Durch die Unabhängigkeit der Bewegungen wird die Flexibilität der Vorrichtung erhöht, da ein präziseres Führen des chirurgischen Instruments möglich ist.
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Vorzugsweise ermöglicht die Zirkularführung eine Kurvenbewegung des Kupplungselements um eine Achse. Dabei liegt vorzugsweise der Patientenkörper in dieser Achse. Alternativ oder zusätzlich verläuft die Achse dabei vorzugsweise parallel zu der ersten Richtung. Durch die Kurvenbewegung kann das chirurgische Instrument präzise geführt werden, um es an dem Patientenkörper auszurichten. Durch die kurvenförmige Bewegung um den Patientenkörper herum kann die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden, um unterschiedliche Bereiche eines Patienten zu behandeln.
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Die vorliegende Erfindung umfasste ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Führen eines chirurgischen Instruments. Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung ein Robotersystem, aufweisend die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Führen von einem chirurgischen Instrument. Das Robotersystem weist weiterhin eine Robotersteuerung auf, welche eingerichtet ist, eine Bewegung des chirurgischen Instruments mittels der Vorrichtung zu steuern. Das Robotersystem kann vorzugsweise zusätzlich ein Eingabegerät umfassen, um eine Bedienung der Vorrichtung durch beispielsweise einen Arzt zu ermöglichen. Das ortsfeste Koordinatensystem erlaubt dabei vorteilhaft eine effiziente Programmierung, da nur simple Koordinatentransformationen zwischen dem Weltkoordinatensystem und dem Koordinatensystem der Vorrichtung durchgeführt werden müssen.
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Vorzugsweise kann die Vorrichtung zum Führen eines chirurgischen Instruments auch weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise Kamerasysteme nur Patientenüberwachung oder zur Navigation des Instruments.
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4. Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden wird die vorliegende Findung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Dabei sind in den Figuren gleichen Elementen gleiche Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigen:
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1–3 in verschiedenen Perspektiven schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der erfinderischen Vorrichtung zum Führen von einem chirurgischen Instrument, und
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4 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der erfinderischen Vorrichtung.
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In den 1–3 ist in unterschiedlichen Perspektiven eine Patientenliege 20 dargestellt, auf welcher sich ein Patient 10 in liegender Position befindet. Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 zum Führen eines chirurgischen Instruments dargestellt. Diese besteht in der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen aus zwei bogenförmigen Schienen 31a, 31b, welche auf jeder Seite der Liege 20 mit Führungsschienen 21a, 21b verbunden sind, und dabei den Patientenkörper 10 umspannen. Die bogenförmigen Schienen 31a, 31b stellen eine Kurvenführung bereit.
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Die bogenförmigen Schienen 31a, 31b sind dabei mittels Antrieben 33a, 33b mit den Schienen 21a, 21b der Patientenliege 20 verbunden. Mittels dieser Antriebe 33a, 33b kann somit die Vorrichtung 30 linear entlang der Patientenliege 20 bewegt werden, so dass sie beispielsweise zwischen den Füßen und dem Kopf des Patienten 10 hin und her bewegt werden kann. Die Schienen 21a, 21b stellen somit eine erste Linearführung bereit.
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Weiterhin weist die Vorrichtung 30 einen Instrumententräger 35 auf, welcher als Kupplungselement zum trennbaren Anbringen eines chirurgischen Instruments dienen kann. Dieser Instrumententräger 35 ist beweglich an einer Führungsschiene 32 angebracht, so dass der Instrumententräger 35 linear zum Patientenkörper 10 hinbewegt und von diesem auch wegbewegt werden kann. Somit stellt die Führungsschiene 32 eine zweite Linearführung bereit, deren Bewegungsrichtung im rechten Winkel zu der Bewegungsrichtung der ersten Linearführung steht. Hierzu befindet sich vorteilhaft in dem Instrumententräger (Kupplungselement) 35 ein entsprechender Antrieb (nicht sichtbar). Alternativ oder zusätzlich kann in dem Instrumententräger 35 auch eine Teleskopführung bereitgestellt sein, mit welcher der Abstand zwischen einem angebrachten chirurgischen Instrument und dem Patientenkörper 10 verändert werden kann.
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Die Führungsschiene 32 ist über einen entsprechenden Antrieb 34 mit einer der bogenförmigen Schienen 31a verbunden, wodurch eine Kurvenführung oder Zirkularführung bereitgestellt wird. Somit kann der Instrumententräger 35 bogenförmig um den Patientenkörper 10 bewegt werden, um ein chirurgisches Instrument auszurichten. Die Richtung dieser bogenförmigen Bewegung ist dabei orthogonal zu den Bewegungsrichtungen der ersten und zweiten Linearführung. Der Fachmann versteht, dass die dargestellte Vorrichtung 30 auch um einen zweiten Instrumententräger erweitert werden kann, welcher beispielsweise auch an derselben bogenförmigen Schiene 31a oder an der anderen bogenförmigen Schiene 31b angebracht sein kann.
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Bevorzugt erfolgt eine primäre Positionierung des Instrumententrägers 35 durch die erste und zweite Linearführung als auch durch die Kurvenführung. Eine finale Korrektur bzw. Feinjustierung wird anschließend von einem Bediener bzw. einem Arzt durchgeführt. Hierzu befindet sich vorzugsweise an der Schnittstelle zwischen dem Instrumententräger 35 und dem chirurgischen Instrument ein Kugelgelenk (nicht dargestellt), welches eine Ausrichtung des chirurgischen Instruments in alle drei Raumrichtungen ermöglicht. Bevorzugt kann jede Bewegung entlang entsprechend der ersten und zweiten Linearführung und der Kurvenführung einzeln mechanisch arretiert werden.
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In der in 4 dargestellten Ausführungsform sind an dem Instrumententräger 35 weiterhin zwei Kameras 36a, 36b dargestellt, welche zusammen mit einer entsprechenden Steuerung (nicht dargestellt) ein Kamerasystem bilden. Es können auch mehr oder weniger als die zwei dargestellten Kameras eingesetzt werden. Ferner können die Kameras auch an anderen Komponenten der Vorrichtung 30 oder der Patientenliege 20 bereitgestellt sein. Vorzugsweise sind die Kameras allerdings an dem Instrumententräger 35 angeordnet, sodass sie gemeinsam mit diesem bewegt werden können. Das Kamerasystem kann dabei stereotaktisch, elektromagnetisch oder lasergestützt sein, und kann sowohl zur Patientenüberwachung und Patientenregistrierung verwendet werden. Weiterhin kann das Kamerasystem eingesetzt werden, um chirurgische Instrumente, wie beispielsweise Biopsie-Nadeln präzise in das vordefinierte Zielvolumina zu führen. Mit Hilfe des Kamerasystems kann auch eine Navigation am Patienten für eine externe Strahlentherapie durchgeführt werden. Wie deutlich aus 4 erkenntlich, sind die beiden Kameras 36a, 36b derart ausgerichtet, dass sie einen Schnittpunkt bilden. Dieser Schnittpunkt bildet die Zielregion für die entsprechende Anwendung. Die chirurgischen Instrumente können zur finalen Kalibrierung zusätzlich über Feingewinde im Uhr- oder Gegenuhrzeigersinn positioniert und/oder gedreht werden, um eine optimale Ausrichtung zu ermöglichen.
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Weiter bevorzugt kann sowohl die primäre Positionierung als auch die Feinjustierung über einen Joystick und ein Bedien-Panel erfolgen, mit welchem die entsprechenden Antriebe angetrieben bzw. gesteuert werden. Alternativ kann die Vorrichtung 30 auch durch Handführen bewegt werden. Weiter bevorzugt erfolgt zumindest die primäre Positionierung automatisch. Hierzu kann die Vorrichtung 30 mittels einer Bus-Konfiguration mit einer entsprechenden Steuerung verbunden sein. Hierzu wird vorzugsweise die Startposition der Steuerung mitgeteilt, was durch bekannte Teach-Verfahren geschehen kann. Die Eigenschaften bzw. die Dimensionen des chirurgischen Elements können dabei vorteilhaft ebenfalls der Steuerung zur Verfügung stehen. Die Zielposition, die bei dem Eingriff angefahren werden soll, kann von einem Bildgebungssystem über sprechende Schnittstellen der Steuerung zur Verfügung gestellt werden. Als Verifikationsmethoden können beispielsweise eine Zielerfassung mit Lasertechnik und Abstandsmessung durch Projektion zum Beispiel auf Flachdetektoren im Fall von Bildgebung mit C-Bogen/ Angiographie-Systemen eingesetzt werden. Alternativ können auch Marker auf dem Träger bzw. dem Instrumententräger 35 und ein externes Kameramesssystem eingesetzt werden, um die Bewegung des Instrumententrägers 35 zwischen der Startposition und der Zielposition zu überwachen.
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Der Fachmann versteht, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt auch weitere Achsen oder Gelenke umfassen kann, beispielsweise um ein Schwenken oder Drehen des Instruments zu ermöglichen. Somit kann die Genauigkeit und Flexibilität der Vorrichtung weiter erhöht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Patient
- 20
- Patientenliege
- 21a, 21b
- Schienen an Patientenliege (erste Linearführung)
- 30
- Vorrichtung zum Führen eines chirurgischen Instruments
- 31a, 31b
- bogenförmige Schienen (Kurvenführung)
- 32
- Führungsschiene (zweite Linearführung)
- 33a, 33b
- Antriebe der ersten Linearführung
- 34
- Antrieb der Kurvenführung
- 35
- Instrumententräger (Kupplungselement)
- 36a, 36b
- Kameras
