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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Schulung von navigationsunterstützten chirurgischen Eingriffen
mit einem rechnergestützten
Navigationssystem mit Bildschirmausgabe, welches insbesondere chirurgische
Instrumente navigiert, wobei deren Positionen im Koordinatensystem
des Navigationssystems erfaßt
und am Bildschirm ausgeben werden, einem Datensatz von einem Körper eines
Patienten oder von einem Teil davon, welcher mittels eines bildgebenden
Verfahrens, beispielsweise eines Tomographie-Scans, gewonnen und
in einem Erfassungskoordinatensystem dargestellt ist, und einer Anordnung
von wenigstens drei Referenzpunkten, welche nicht in. einer Ebene
liegen, dem Körper
des Patienten oder dem Teil davon positionsfest zugeordnet und deren
räumliche
Positionen in genanntem Erfassungskoordinatensystem erfaßt sind.
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Chirurgische Eingriffe, insbesondere
solche schwieriger Art, werden zunehmend unter Zuhilfenahme von
Navigations- oder Trakkingsystemen durchgeführt. Diese Systeme basieren
auf einem Datensatz vom Patienten oder von einem Teil davon, welcher
in einem ersten Schritt mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens
gewonnen wird und in einem Erfassungskoordinatensystem dargestellt
ist. Bevorzugte bildgebende Verfahren sind hierbei Kernspintomographie
oder Computertomographie. Im gleichen Koordinatensystem werden auch
die Raumkoordinaten spezieller Referenzpunkte des Patientenkörpers erfaßt.
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In einem zweiten Schritt wird dann
in dem Koordinatensystem, welches dem Navigationssystem zugrunde
liegt, die räumliche Position
der genannten Referenzpunkte erfaßt und anhand dieser Information
der Datensatz des Patienten in das Koordinatensystem des Navigationssystems
transformiert. Dem Navigationssystem sind damit die Patientendaten
positionsgenau bekannt. Im letztgenannten Koordinatensystem findet
darüber
hinaus auch eine lückenlose
Verfolgung der räumlichen
Position der während
des chirurgischen Eingriffs genutzten Instrumente statt. Zur Positionserfassung
werden hierbei insbesondere Infrarot-, Ultraschalloder elektromagnetische
Verfahren eingesetzt.
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Diese Ausgestaltung des Navigationssystems
ermöglicht
es, die Bewegungen eines chirurgischen Instrumentes innerhalb des
durch den Patientendatensatz wiedergegebenen Gewebebereichs an einem
Bildschirm darzustellen und zu verfolgen. Der behandelnde Arzt kann
somit den realen Eingriff über die
Wiedergabe am Bildschirm kontrollieren und anhand dieses Hilfsmittels
den Eingriff äußerst exakt ausführen.
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Insbesondere in der Neurochirurgie
kommt es darauf an, den Ort und die Richtung des Eingriffs sorgfältig auszuwählen. Der
eingeschlagene Operationspfad muß hierbei sicherstellen, daß kritische
Bereiche des Gehirns gemieden werden, da eine Beschädigung der
dort verlaufenden Nervenbahnen zu einer erheblichen Schädigung des
Patienten führen würden. Ebenso
ist eine Zerstörung
gesunder Nervenzellen weitgehend zu vermeiden, da eine Nachbildung
dieser Zellen nicht erfolgt. Aus den genannten Gründen heraus
ist der kürzeste
Operationspfad daher nicht unbedingt auch immer der beste.
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Für
derartige Operationen besteht der Bedarf, vor Durchführung des
chirurgischen Eingriffs Operationsstrategien zu planen und zu simulieren. Hierdurch
ließen
sich die Chancen für
einen erfolgreichen chirurgischen Eingriff in jedem Fall erhöhen. Für Anfänger besteht
zudem das Problem, den Umgang mit dem Navigationssystem zu erlernen
und zu trainieren, ohne daß eine
fehlerhafte Handhabung zu folgenschweren Auswirkungen für den Patienten
führen würde. Die
bekannten Navigationssysteme stellen hierfür keine ausreichenden Lösungen zur
Verfügung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, diesem Mangel abzuhelfen und eine Vorrichtung und ein
Verfahren anzugeben, welche sowohl zur Schulung von Anfängern, zur
Fortbildung erfahrener Ärzte
als auch zur Planung bzw. Simulation eines geplanten chirurgischen
Eingriffs einsetzbar sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich
der Vorrichtung wird dadurch erzielt, daß
- – das Navigationssystem
mit einem Modell vom Körper
des Patienten oder dem Teil davon ausgestattet ist,
- – das
Modell wenigstens drei weitere Referenzpunkte aufweist,
- – die
relativ zum Modell die gleichen Positionen aufweisen, wie die Referenzpunkte
relativ zum Körper
des Patienten oder dem Teil davon,
- – und
deren räumliche
Position jeweils im Koordinatensystem des Navigationssystems erfaßbar ist,
- – und
der Datensatz des Patienten dem Modell derart zuordenbar ist, daß
- – die
genannten Referenzpunkte und die genannten weiteren Referenzpunkte
im Koordinatensystem des Navigationssystems datentechnisch zur Deckung
kommen.
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Hinsichtlich des Verfahrens werden
folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen:
- – Ausstatten
des Navigationssystems mit einem Modell des Körpers eines Patienten oder
eines Teiles davon,
- – wobei
das Modell wenigstens drei weitere Referenzpunkte aufweist,
- – die
relativ zum Modell die gleichen Positionen aufweisen, wie die Referenzpunkte
relativ zum Körper
des Patienten oder dem Teil davon,
- – Erfassung
der räumlichen
Position der weiteren Referenzpunkte im Koordinatensystem des Navigationssystems
- – Zuordnung
des vom Patienten oder von einem Teil des Patienten mittels eines
bildgebenden Verfahrens gewonnenen Datensatzes zum Modell derart,
daß
- – die
genannten Referenzpunkte und die genannten weiteren Referenzpunkte
im Koordinatensystem des Navigationssystems datentechnisch zur Deckung
kommen,
- – Durchführung von
chirurgischen Eingriffen am Modell.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung geht
von an sich bekannten rechnergestützten Navigationssystemen aus.
Wie bei den bekannten Systemen wird auch bei vorliegender Vorrichtung
von dem Patienten oder von dem betrachteten Teil des Patienten ein
Datensatz mittels eines bildgebenden Verfahrens gewonnen. Dieser
Satz wird zusammen mit den räumlichen
Positionen von Referenzpunkten, die dem Körper des Patienten oder einem
Teil davon fest zugeordnet sind, in einem der bildgebenden Einrichtung zugeordneten
Erfassungskoordinatensystem erfaßt und in einem Rechner abgelegt.
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In Abweichung zum Stand der Technik
ist das Navigationssystem jedoch mit einem Modell des Patienten
oder des betrachteten Teils des Patienten ausgestattet. Das Modell
gibt den Körper
oder das betrachtete Körperteil
ganz oder teilweise wieder, ist vorzugsweise detailgetreu ausgeführt und
im Maßstab
1:1 gefertigt.
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Einem Kerngedanken der Erfindung
entsprechend wird der Datensatz des Patienten dem Modell zugeordnet.
Hierbei wird in einem ersten Schritt die räumlichen Position des Modells
im Koordinatensystem des Navigationssystems erfaßt. Diese Erfassung wird anhand
von weiteren Referenzpunkten durchgeführt, welche am Modell vorliegen
und relativ zum Modell die gleichen Positionen besitzen, wie die
genannten Referenzpunkte zum Körper
des Patienten oder zu dem betrachteten Teil davon. In einem zweiten
Schritt erfolgt dann die Zuordnung des Datensatzes zum Modell. Hierbei
wird der Datensatz des Patienten derart in das Koordinatensystem
des Navigationssystems transformiert, daß die dem Körper des Patienten zugeordneten
Referenzpunkte und die dem Modell zugeordneten Referenzpunkte im
Koordinatensystem des Navigationssystems datentechnisch zur Deckung
kommen.
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Diese Ausgestaltung der Vorrichtung
ermöglicht
ein vorteilhaftes Verfahren zur Schulung an Navigationssystemen
und zur Vorbereitung von chirurgischen Eingriffen. Gemäß einem
Merkmal der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß zu schulende oder beabsichtigte
chirurgische Eingriffe zunächst
am Modell durchgeführt
werden. Wie bei den Navigationssystemen nach dem Stand der Technik
werden dabei die Bewegungen des eingesetzten chirurgischen Instrumentes
an einem Bildschirm zur Anzeige gebracht. Aufgrund der Zuordnung
des Patientendatensatzes zum Modell gemäß vorliegender Erfindung erscheinen
hierbei an dem Ort, welcher von der Außenfläche des Modells eingenommen
wird, die entsprechenden im Datensatz festgehaltenen Umrisse des Körpers des
Patienten oder des Teiles davon. Bei Berührung des Modells mit dem chirurgischen
Instrument wird daher in der Visualisierung am Bildschirm das Bild
des chirurgischen Instrumentes zeit- und positionsgleich mit der
entsprechenden im Datensatz fest gehaltenen Oberfläche des
Körpers
des Patienten in Kontakt ge bracht. Und alle Bewegungen des chirurgischen
Elementes innerhalb des Modells erscheinen am Bildschirm als Bewegungen
innerhalb des durch den Patientendatensatz wiedergegebenen Gewebebereichs.
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Die Bildschirmanzeige unterscheidet
sich dabei in nichts von der bei Verwendung des Navigationssystems
gemäß dem Stand
der Technik bei einer realen Operation. Da es sich bei dem vorgeschlagenen
Verfahren jedoch um eine Simulation des chirurgischen Eingriffs
handelt, sind folgenschwere Auswirkungen für den Patienten infolge einer
fehlerhafte Handhabung des chirurgischen Instrumentes a priori ausgeschlossen.
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Insbesondere für die Neurochirurgie eröffnet sich
damit die Möglichkeit,
optimale Operationspfade vor der eigentlichen Operation zu finden.
Bei chirurgischen Eingriffen der genannten Art ist die Richtung des
Eingriffs im wesentlichen durch das Operationsmikroskop vorgegeben.
Von entscheidender Bedeutung ist daher die Positionierung des Patienten
bezüglich
des Mikroskops.
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Die optimale Positionierung läßt bei vorgeschlagenem
Verfahren anhand einer Folge von simulativ vorgenommenen Eingriffen
herleiten. Die einzelnen Eingriffe werden hierzu an differierenden
Orten und in unterschiedlichen Richtungen des Modells vorgenommen.
Anhand der Bildschirmausgabe kann der Chirurg dabei erkennen, welche
Gewebebereiche bei dem jeweils gewählten Operationspfad tangiert
oder verletzt werden. Dabei bereitet es natürlich keinerlei Probleme, das
Modell in verschiedene Raumrichtungen auszurichten. Die mit dem
Modell verbundenen Patientendaten werden hierbei durch das Navigationssystem
mit den Bewegungen des Modells mitgeführt und dementsprechend auch
die am Bildschirm visualisierten Gewebestrukturen.
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Im Ergebnis ermöglicht die Erfindung, ohne jegliches
Risiko für
den Patienten, die Simulation von navigationsunterstützten chirurgischen
Eingriffen. Die durchgeführten
Handgriffe umfassen dabei alle für
einen chirurgischen Eingriff notwendigen Maßnahmen, wie Markieren des
Operationsfeldes, Öffnen
einer Knochenschale, beispielsweise der Schädeldecke, Auftrennen von Gewebe
und Entfernen von krankhaften Körperteilen.
Gemäß einem
Merkmal der Erfindung ist daher insbesondere die Verwendung der
vorgeschlagenen Vorrichtung und des vorgeschlagenen Verfahrens
- – zur
Schulung von Anfängern
- – zur
Fortbildung erfahrener Ärzte
- – und
zur Planung bzw. Simulation eines geplanten chirurgischen Eingriffs
vorgesehen.
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Im Falle der Neurochirurgie ist die
Anwendung insbesondere zur Simulation von chirurgischen Eingriffen
am Kopf und oder der Wirbelsäule
eines Patienten ausgerichtet. Der vorliegender Vorrichtung zugrunde
liegende Datensatz beschreibt in diesem Fall den Kopf und/oder die
Wirbelsäule
des Patienten, während
das Modell die betreffenden Partien des Patienten wiedergibt.
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Bei der Ausgestaltung der Referenzpunkte werden
im Rahmen vorliegender Erfindung auch alternative Lösungen vorgeschlagen.
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Bei einer ersten Ausführungsform
hierzu ist vorgesehen, daß die
dem Patientenkörper
und die dem Modell zugeordneten Referenzpunkte jeweils als Marken
ausgebildet sind, die am Körper
des Patienten bzw. am Modell angebracht sind. Die Zuordnung des
Patientendatensatzes zum Modell erfolgt bei dieser Lösung in
gleicher Weise wie oben beschrieben.
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Ein weiterer Vorschlag sieht vor,
die Zuordnung anhand von markanten Konturen oder Bereichen des Patienten,
wie beispielsweise Augenhöhlen,
Nase oder Zähne
durchzuführen.
Die oben genannten Referenzpunkte entsprechen bei dieser Lösung einzelnen
Punkten auf den Konturen oder umfassen die komplette Kontur. Dabei
ist die Kontur im Erfassungskoordinatensystem dem Patientenkörper oder
einem Teil davon zugeordnet, während
sie im Navigationssystem durch die korrespondierende Kontur des
Modells gegeben ist.
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Im Erfassungskoordinatensystem lassen sich
die Daten dieser Strukturen, wie dem Fachmann bekannt, mit Vorteil
aus dem Patientendatensatz mit Hilfe digital rekonstruierter (ermittelter)
Röntgenbilder (DRR)
gewinnen. Die Erfassung der Konturen des Modells im Koordinatensystem
des Navigationssystems erfolgt vorzugsweise mit Hilfe bekannter
optischer Mittel. Eines dieser Mittel sieht eine sequentielle Abtastung
der markanter Partien des Patientenkörpers mittels Laserlicht vor,
wobei die Koordinaten der jeweils angestrahlten Punkte mit Hilfe
eines Systems von Kameras ermittelt werden. Die Zuordnung des Patientendatensatzes
zum Modell erfolgt dann dadurch, daß dieselben markanten Konturen
der DRRs und des Modells datentechnisch zur Deckung gebracht werden.
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Bei vorliegender Vorrichtung und
vorliegendem Verfahren sind somit die im Navigationssystem ertaßten Referenzpunkte
nicht, wie bei Navigationssystemen nach dem Stand der Technik dem
Patientenkörper
zugeordnet, sondern einem Modell des Patientenkörpers oder einem Teil davon.
Mit dieser Ersetzung sind die im Stand der Technik bekannten weiteren
Verfahren zur Zuordnung des Patientendatensatzes zum Navigationssystem
ebenfalls in vorliegende Erfindung eingeschlossen.
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Eines der wesentlichen Ziele der
vorliegenden Erfindung ist es, vielfältige Möglichkeiten zum Training und
zur Schulung von Chirurgen zur Verfügung zu stellen. Um hierbei
größtmögliche Effizienz zu
erreichen, ist es möglich,
die Vorrichtung dem Schulungszweck oder dem Schulungsfortschritt
entsprechend anzupassen. Erfindungsgemäß sind daher Mittel vorgesehen,
vorzugsweise Softwareprodukte, mit deren Hilfe der Datensatz des
Patienten manipuliert werden kann, wobei die manipulierten Daten
am Bildschirm des Navigationssystems visualisierbar sind. Die Manipulationen
umfassen dabei insbesondere eine Änderung, Ergänzung oder
Erweiterung des genannten Datensatzes oder die Auswahl einer Untermenge
an Daten.
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Bei einer bevorzugten Ausführung vorliegender
Vorrichtung bewirken die Manipulationen eine Änderung des Detailierungsgrades
des Datensatzes. Aufgrund dieser Ausgestaltung läßt sich die Wiedergabe von
Gewebedetails variieren mit der vorteilhaften Folge, den Schwierigkeitsgrad
des (simulativ) durchzuführenden
Eingriffs entsprechend den erworbenen Fähigkeiten des Schülers vorgeben
zu können.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Manipulationen zum Einfügen
eines oder mehrerer Datensätze
bekannter krankhafter Veränderungen,
beispielsweise von Tumoren, in den genannten Datensatz führen. Durch
Visualisierung der geänderten
Daten ist die Möglichkeit
gegeben, die speziellen Merkmale der jeweiligen krankhaften Veränderung
und die hieraus folgenden Konsequenzen bei einem chirurgischen Eingriff
in vorteilhafter Weise bereits anhand von Simulationen zu studieren.
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Schließlich sieht vorliegende Erfindung
auch Manipulationen vor, welche eine Markierung spezieller Bereiche,
vorzugsweise kritischer Bereiche, innerhalb des visualisierten Gewebebereichs
bewirken. Dabei erfolgt die Markierung gemäß einem Merkmal der Erfindung
bevorzugt
- – durch
die Vorgabe der Raumkoordinaten der genannten Bereiche, beispielsweise
mittels des Cursors am Bildschirm des Navigationssystems,
- – und/oder
durch Vorgabe eines Wertebereichs der in genanntem Datensatz hinterlegten
Grauwerte,
- – und/oder
durch Auswahl von Konturen innerhalb des visualisierten Gewebebereichs,
ebenfalls beispielsweise mittels des Cursors am Bildschirm des Navigationssystems.
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Von großem Nutzen für die Schulung
und insbesondere für
die Planung eines chirurgischen Eingriffs ist es, wenn der jeweils
gewählte
Operationspfad innerhalb des visualisierten Gewebereichs des Patienten
ebenfalls visualisierbar ist. Gemäß einem Merkmal der Erfindung
ist daher auf dem Rechner des Navigationssystems ein Softwareprodukt vorgesehen,
mittels dessen die Raumkoordinaten der Bewegungen des chirurgischen
Instrumentes speicherbar sind und die Raumkurve der genannten Bewegungen
am Bildschirm visualisierbar ist. Die in der Simulation gewählten alternativen
Operationspfade lassen sich hierdurch gegeneinander bewerten, insbesondere
läßt sich
ableiten, welcher Pfad die geringst möglichen Auswirkungen auf die
im Operationsfeld liegenden Gewebebereiche hat.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und
Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Teil der Beschreibung
entnehmen. In diesem Teil wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
zur Schulung von navigationsunterstützten chirurgischen Eingriffen anhand
einer Zeichnung erläutert.
Es zeigen
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1:
eine Einrichtung zur Erstellung des Datensatzes vom Patienten oder
von einem Teil des Patienten mittels eines bildgebenden Verfahrens
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2:
die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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Die vorgeschlagene Vorrichtung geht
von an sich bekannten rechnergestützten Navigationssystemen aus.
Sie umfaßt
eine Einrichtung gemäß 1 zur Durchführung eines
bildgebenden Verfahrens, mittels der in einem ersten Schritt ein
Datensatz des untersuchten Körperteils
des Patienten erstellt wird. Die 1 zeigt
einen Patienten 1, dessen Kopf 2 einer Untersuchung
mittels eines Kernspintomographen 3 unterzogen wird. Der
hierbei erzeugte Datensatz beschreibt dementsprechend die Schädeldecke und
das Gehirn des Patienten. Der Datensatz wird im Rechner 4 abgelegt,
wobei das dem Datensatz zugrunde liegende Koordinatensystem das
durch den Kernspintomographen 3 gegebene System ist. Gleichzeitig
mit der Erfassung des Patientendatensatzes werden im genannten Koordinatensystem
die räumlichen
Koordinaten von Referenzpunkten 5 festgehalten, die relativ
zum untersuchten Körperteil 2 des
Patienten 1 eine feste Position einnehmen.
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In 2 sind
wesentliche Komponenten des Navigationssystems 6 wiedergegeben.
In Abweichung zum Stand der Technik wird in diesem System jedoch
nicht der Patient selbst, sondern ein Modell 2' vom Patienten
bzw. von dessen untersuchten Körperteil
der chirurgischen Behandlung unterzogen. Das Model 2' gibt
den betrachteten Körperteil – im vorliegenden
Fall den Kopf 2 des Pati enten – detailgetreu wieder und ist
im Maßstab
1:1 gefertigt. Es weist eine weitere Anordnung von Referenzpunkten 5' auf,
welche relativ zum Modell 2' die gleichen Positionen besitzen,
wie die Referenzpunkte 5 zum Kopf 2 des Patienten.
Die räumliche
Position der weiteren Referenzpunkte 5' wird mit Hilfe
eines Systems von Kameras 7 im Navigationssystem 6 erfaßt und bezüglich dessen
Koordinatensystem festgehalten. Anschließend wird der Datensatz des
Patienten dem Navigationssystem 6 zugeordnet. Hierbei werden
die genannten Daten so in letzteres Koordinatensystem transformiert,
daß die
Referenzpunkte 5 und 5' datentechnisch zur Deckung
kommen.
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Im Ergebnis erhält man hierdurch eine Zuordnung
des Patientendatensatzes und der hierdurch beschriebenen Gewebestrukturen
zum Modell 2', wobei im vorliegenden Fall die Schädeldecke
des Patienten und die innerhalb des Patientenkopfes 2 vorliegenden
Strukturen mit dem Modellkopf 2' verknüpft werden. Die Zuordnung ist
dabei so ausgeführt,
daß die
am Bildschirm 8 visualisierte Begrenzung der Schädeldecke
des Patienten bezüglich
aller Aktionen innerhalb des Navigationssystems 6 eine
räumlichen Position
einnimmt, welche exakt der Position der Umrisse des Modells 2' entspricht.
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Bestandteil des Navigationssystem 6 ist auch
wenigstens ein mit Signalgebern 9 ausgestattetes chirurgisches
Instrument 10. Die Signalgeber arbeiten üblicherweise
mit Infrarot-, Ultraschall- oder elektromagnetische Wellen. Bei
vorliegenden Ausführung
werden optische Signalgeber 9 eingesetzt, welche mit dem
Kamerasystem 7 zusammenarbeiten. Diese Ausgestaltung des
chirurgischen Instrumentes 10 ermöglicht eine lückenlose
Verfolgung von dessen räumlicher
Position und die Visualisierung des Instrumentes 10 in
der jeweils augenblicklichen Position am Bildschirm 8 des
Navigationssystems 6.
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Zur Durchführung von Schulungen oder zur Vorbereitung
eines chirurgischen Eingriffs werden alle hierzu notwendigen Tätigkeiten
am Modell 2' durchgeführt.
Dabei werden alle Bewegungen des eingesetzten chirurgischen Instrumentes 10 am
oder innerhalb des Modells 2' am Bildschirm 8 zusammen mit
dem durch den Patientendatensatz erfaßten Gewebebereich wiedergegeben.
Infolge der dargelegten datentechnischen Deckung der Modellumrisse und
der äußeren Begrenzung
der Schädeldecke
erscheint beispielsweise eine Berührung der Außenfläche des
Modells 2' mit dem chirurgischen Instrument 10 auf
dem Bildschirm als eine Berührung
des Bildes des Instrumentes mit der äußeren Begrenzung der Schädeldecke.
Dem zu schulenden oder sich vorbereitenden Chirurgen wird auf dem
Bildschirm 8 hierbei der räumliche Eindruck wie bei einer
realen Operation vermittelt.
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Das vorgeschlagene Simulationsverfahrens und
die dieses Verfahren realisierende Vorrichtung eröffnen somit
vielfältige
Möglichkeiten
zum Training und zur Schulung von Chirurgen.