DE10259250A1

DE10259250A1 - Chirurgisches Instrument mit integrierter Navigationskontrolle

Info

Publication number: DE10259250A1
Application number: DE10259250A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Hey
Original assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-07-01

Abstract

System zur Durchführung einer Behandlung eines insbesondere menschlichen oder tierischen Körpers, umfassend ein handhabbares Instrument 2 mit einem den Körper beaufschlagenden und ein Werkzeug 12 tragenden Instrumentenkopf 3 und umfassend eine Kontrolleinheit mit einem Computer 4, auf dem ein Navigationsprogramm zur Unterstützung der Führung des Instrumentenkopfes 3 realisiert ist, wobei das Navigationsprogramm basiert auf den Körper repräsentierenden Daten (Körperdaten), wobei ein Ortungsmittel 7 vorhanden ist, das die Position und die Ausrichtung des Instrumentenkopfes 3 (Instrumentendaten) registriert und in das System der Körperdaten überträgt, wobei das Navigationsprogramm die Instrumentendaten mit zur Verfügung stehenden Sollwerten (Planungsdaten) vergleicht, wobei die Lage des Instrumentenkopfes 3 innerhalb der Körperdaten und relativ zu den Planungsdaten einem Operateur als Information dargeboten wird, wobei ein Signalmittel 10, 11 vorhanden ist, das dem Operateur Abweichungen der Position und der Ausrichtung des Instrumentenkopfes 3 von den Planungsdaten anzeigt und wobei die Signale wahrnehmbar sind, während der Operateur den Instrumentenkopf 3 unmittelbar in seinem Blickfeld hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Durchführung einer Behandlung eines insbesondere menschlichen oder tierischen Körpers, umfassend ein handhabbares Instrument mit einem den Körper beaufschlagenden und ein Werkzeug tragenden Instrumentenkopf und umfassend eine Kontrolleinheit mit einem Computer, auf dem ein Navigationsprogramm zur Unterstützung der Führung des Instrumentenkopfes realisiert ist, wobei das Navigationsprogramm basiert auf den Körper repräsentierenden Daten (Körperdaten), wobei ein Ortungsmittel vorhanden ist, das die Position und die Ausrichtung des Instrumentenkopfes (Instrumentendaten) registriert und in das System der Körperdaten überträgt, wobei das Navigationsprogramm die Instrumentendaten mit zur Verfügung stehenden Sollwerten (Planungsdaten) vergleicht und wobei die Lage des Instrumentenkopfes innerhalb der Körperdaten und relativ zu den Planungsdaten einem Operateur als Information dargeboten wird.

Derartige Systeme sind bekannt aus der modernen computerunterstützten Chirurgie, so beispielsweise aus der Neurochirurgie. Dort eröffnen sie die Möglichkeit, anhand präoperativ oder intraoperativ gewonnener und meist dreidimensionaler Bilddaten Planungen am zu behandelnden Körperteil vorzunehmen und bei der späteren Behandlung das Instrument entlang der Planungsdaten zu führen. Der Operateur bekommt während der Behandlung die zur manuellen Führung des Instruments notwendige Information. Die Planung wird meist an dreidimensionalen Darstellung des Körperteiles, die durch CT oder NMR Daten generiert werden, vorgenommen. Beispielsweise bei der Kieferchirurgie werden auch dezidierte 3D bildgebenden Geräte eingesetzt.. Anhand dieser Informationen wird der Eingriff vorab geplant und in die Darstellung des Körperteiles eingezeichnet. Im Falle einer Zahnbehandlung kann die Lage des Implantats im Kiefer und dessen Tiefe festgelegt werden.

Vor dem Eingriff wird im Rahmen einer Registrierung das Koordinatensystem der Körperdaten mit den darin enthaltenen Planungsdaten in Übereinstimmung gebracht mit dem Koordinatensystem des realen Körperteiles, das zu diesem Zweck entweder fixiert oder mit einem System von Markern ausgestattet wird. Dabei erlauben es die Marker, jede Bewegung des Körperteils zu verfolgen. Das Instrument ist ebenfalls mit Markern ausgestattet, die eine Vermessung der Position und der Ausrichtung des Instruments durch das Navigationssystem erlauben. Somit ist einerseits die Lage des Körperteils und andererseits die Lage des Instruments im System der Körperdaten bekannt. Die für den Operateur relevante Information, insbesondere das Bild des Körperteiles in Form der Körperdaten, die darin enthaltenen Planungsdaten und die aktuelle Lage des Instruments werden auf einem Bildschirm dargestellt. Kleine Zusatzbildschirme können in die Nähe des Operations Situs gebracht werden und unterstützen die Visualisierung des Instruments im Raum der Planungsdaten.

Nachteilig an den bekannten Systemen ist, dass der Operateur bei der Durchführung des Eingriffs seinen Blick vom Ort des Eingriffs weg auf den Bildschirm richten muss, um die für ihn relevante Information zu erhalten. Anhand dieser Information muss er sich überlegen, in welche Richtung er sein Instrument führen muss. Die Führung des Instrumentes ist daher nur mittelbar und bedarf einer großen Übung. Zudem lenkt der Blickwechsel vom eigentlichen Eingriff ab, so dass Fehler die Folge sein können.

Neben den genannten Systemen sind für den Einsatz in der Zahnbehandlung Bohrer bekannt, deren Neigungswinkel auf eine entfernt vom zu behandelnden Körperteil angebrachte mit Winkelgebern ausgestattete Sensorik übertragen wird. Der mit den Winkelgebern errechnete Neigungswinkel wird mit einem vorgegebenen Sollwinkel verglichen und die Abweichung wird dem Operateur über Signalmittel angezeigt, wobei die Signalmittel im Sichtfeld des Operateurs liegen. Der Nachteil dieser Systeme liegt zum einen in dem vergleichsweise hohen konstruktiven Aufwand, der zur Übertragung des eingestellten Neigungswinkels notwendig ist. Dieser macht die Instrumente für den Operateur unhandlich. Zum anderen werden die Änderungen des patientenbezogenen Bezugssystems, hier des zu behandelnden Kiefers, nicht wahrgenommen. Eine Bewegung des Patienten kann damit leicht zu Fehlern in der Behandlung führen. Diese Systeme stellen lediglich den vorab festgelegten Neigungswinkel des Instrumentes sicher. Es ist vor allem von Nachteil, dass das System lediglich zur Parallelausrichtung taugt und daher nur ein eingeschränktes Applikationsfeld im Bereich des parallelen Vorschleifens beim Einsatz von Kronen hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein System zu schaffen, das sich einfach umsetzen lässt und das eine ergonomische Handhabung sowie eine exakte Kontrolle des Instrumentes gewährleistet und damit zu einer fehlerfreien Behandlung des Körperteiles beiträgt, sowie flexibel und für beliebige Planungen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein System mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung liegt darin, dem Operateur während der Handhabung seines Instrumentes Informationen über die Abweichungen von der Planung zu geben, ohne dass er das Instrument aus dem Blickfeld verliert. Diese Informationen geben ihm dann die Möglichkeit, unter der unmittelbaren Kontrolle eine Korrektur seiner manuellen Instrumentenführung vorzunehmen. Bei der Umsetzung der Erfindung werden die Position und die Ausrichtung des Instrumentenkopfes (Instrumentendaten) aus dem System des zu behandelnden Körpers übertragen in das System der präoperativ oder intraoperativ aufgenommenen Körperdaten, an denen auch die Behandlungsplanung vorgenommen wurde. Durch vorherige Registrierung wird der Körper im System der Körperdaten ausgerichtet, so dass er mit diesen übereinstimmt. Über die Ortungsmittel wird das Instrument beobachtet und die Instrumentendaten werden an das Navigationsprogramm übermittelt. Dort findet der Abgleich mit den Planungsdaten statt. Das Ergebnis des Vergleiches, das sich in einer Abweichung ausdrückt, wird dem Operateur durch Signalmittel angezeigt, wobei die Signale der Signalmittel wahrnehmbar sind, während der Operateur den Instrumentenkopf unmittelbar im Blickfeld hat. Die Information, in welche Richtung der Operateur sein Instrument in Bezug auf die Planung bewegen muss, ist somit erfindungsgemäß direkt am Ort der Operation verfügbar, so dass eine besonders ergonomische Arbeitsweise möglich ist.

Die Planung hat der Operateur im Vorfeld der Behandlung an einem Computer vorgenommen, in dem die Planung als Planungsdaten im System der Körperdaten hinterlegt werden. Dabei können die Körperdaten anhand von Schnittbildern erstellt werden, die erzeugt sind von einem Computertomographen (CT), einem Kernspintomographen (MR) oder einem dezidierten dental 3D bildgebenden Gerät. Im Falle einer Zahnbehandlung können im Rahmen der Planung die exakte Lage des Bohrkanals und dessen korrekte Tiefe vorbestimmt werden. Die Instrumentendaten werden dabei auf eine nachfolgend zu beschreibende Art durch die Ortungsmittel erhoben. Das Koordinatensystem der Körperdaten (Körperkoordinatensystem, KOS) wird im Rahmen der Registrierung in Übereinstimmung gebracht mit dem Koordinatensystem der realen Behandlung (OP-KOS). Die Lage des Instrumentes wird in einer besonders vorteilhaften, weil praktikablen Form über Marker am Instrument durch ein Ortungsmittel erfasst und innerhalb der Körperdaten visualisiert. Falls der Körper nicht fixiert ist, werden Bewegungen des Körpers über Marker erfasst, die an diesem angebracht sind und die mit den Planungsdaten abgeglichen werden. Eine Visualisierung des Instrumentes im System der Körperdaten erfolgt in Relation zum Körper.

Erfindungsgemäß wird die Position und die Lage des Instruments in Bezug auf die Planung am Instrument selber visualisiert, so dass der Operateur nicht auf externe Bildschirme und Displays angewiesen ist, die sich außerhalb des Operationsortes befinden. Eine solche optische Anzeige am Instrument selber ermöglicht eine intuitive Bedienung durch den Operateur, ohne dass dieser seinen Blick vom Ort des Eingriffs abgewendet werden müsste. Die Visualisierung führt sozusagen die Hand des Operateurs in die richtige Richtung.

Für den Operateur ist es daher besonders vorteilhaft, wenn das Signalmittel optische Anzeigen aufweist, die an einer für den Operateur jederzeit sichtbaren Stelle des Instruments oder des Instrumentenkopfes angebracht sind. Um eine solche optische Darstellung der Information im oder am Instrument selber und damit unmittelbar am Eingriffsort zu ermöglichen, ist es zudem besonders vorteilhaft, die für den Operateur relevante Information auf ein Minimum zu reduzieren. Dazu kann das Signalmittel einen mit Leuchtmitteln, insbesondere mit LED's, ausgestatteten Kranz aufweisen. Über eine variierende Leuchtstärke der im Kranz angeordneten Leuchtmittel lässt sich ein Zeiger realisieren, der die Funktion einer in die richtige Richtung weisenden Kompassnadel hat. Die Anzahl der Leuchtmittel bestimmt dabei die Winkelauflösung, mit der eine Korrektur angezeigt werden kann. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn das Signalmittel zwei Kränze aufweist, wobei der eine Kranz die Richtung zum vorgesehenen Ort und der andere Kranz das Verschwenken in die vorgesehene Ausrichtung des Instrumentenkopfes anzeigt. In einer anderen besonders kompakten Ausführungsform ist lediglich ein Kranz vorhanden, dessen Leuchtmittel in unterschiedlichen Farben leuchten können, wobei eine erste Farbe die Richtung zum vorgesehenen Ort und die zweite Farbe das Verschwenken in die geplante Ausrichtung des Instrumentenkopfes anzeigt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ortet das Ortungsmittel die Position und die Ausrichtung des Instrumentenkopfes über elektromagnetische Wellen oder Ultraschall. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Sender im Instrument selber angebracht und wird über einen außerhalb des Patienten angeordneten entsprechenden Empfänger aufgenommen.

Die Führung über die Signalmittel kann in zwei oder drei Dimensionen oder Freiheitsgraden erfolgen. Mit zwei Dimensionen wird zunächst ein Ort auf einer festgelegten Fläche erreicht, bevor das Instrument im richtigen Winkel ausgerichtet wird. Als dritte Dimension kann die Eindringtiefe des Instrumentes beobachtet werden. Gerade bei einer Zahnbehandlung reicht es aus, das Instrument zunächst in zwei Dimensionen zu kontrollieren. Dabei setzt der Operateur das Instrument mit dem Instrumentenkopf auf die Oberfläche des Körpers (hier des Kieferkammes) auf, so dass die Bewegung des Instruments auf die Oberfläche begrenzt ist. Der Operateur wird dann vom Signalmittel mit dem aufgesetzten Instrumentenkopf zunächst an den in der Planung festgelegten Ort auf der Oberfläche dirigiert. Ist der Ort gefunden gibt dasselbe oder ein weiteres Signalmittel dem Operateur Hinweise zum Auffinden der korrekten Ausrichtung des Instrumentenkopfes. Dieser kann bei der Zahnbehandlung als Werkzeug einen Bohrer tragen. Dieser wird an den richtigen Ort geführt und in den geplanten Neigungswinkel gebracht, bevor der Kanal gebohrt werden kann. Dabei ist es zudem vorteilhaft, wenn ein weiteres Signalmittel vorgesehen ist, das eine Kontrolle der Bewegung des Kopfes in Vortriebsrichtung ermöglicht und das im Falle des Dentalbohrers signalisiert, wann die gewünschte Tiefe erreicht ist, wobei auch diese Funktion von einem einzigen universellen Signalmittel übernommen werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Die Figur zeigt ein System zur Durchführung einer Kiefer- oder Zahnbehandlung, die an einem Patienten 1 durchgeführt wird. Das System umfasst zunächst einen Dentalbohrer 2 als ein für den Arzt handhabbares Instrument mit einem den Kiefer beaufschlagenden und einen Bohrer tragenden Instrumentenkopf 3. Zudem umfasst das System eine Kontrolleinheit mit einem Computer 4, auf dem ein Navigationsprogramm zur Führung des Instrumentenkopfes 3 realisiert ist. Der Dentalbohrer 2 ist über eine Datenleitung mit dem Computer 4 verbunden. Das Navigationsprogramm greift auf Körperdaten zu, die von einem CT 5 oder einem dental 3D bildgebenden Gerät 6 erzeugt sind und an denen die Planung durchgeführt wurde. Zudem ist ein Ortungsmittel mit Stereokamera 7 vorhanden, das im Bereich des Infraroten aufnimmt und geeignet ist, die Instrumentendaten in einem den Raum der Körperdaten aufspannenden Koordinatensystem zu erfassen. Über die Stereokamera 7 werden Marker 8 und 9 aufgenommen, die einerseits starr mit dem zu behandelnden Objekt und andererseits am Bohrer 2 angebracht sind. Sowohl die Bildgebenden Geräte 5 und 6 als auch die Stereokamera 7 sind mit jeweils eine Datenleitung mit dem Computer 4 verbunden und übermitteln die Körperdaten respektive die Instrumentendaten über diese Leitungen.

Im Vorfeld des Eingriffs werden mittels eines der Geräte 5 oder 6 Planungsdaten aufgenommen, die eine Grundlage für das Navigationsprogramm bilden. Die Planung wird ebenfalls am Computer 4 durchgeführt. Während der Behandlung wird die Lage des Instrumentenkopfes innerhalb der Körperdaten bestimmt und mit den Planungsdaten verglichen. Zur Anzeige von Abweichungen ist am Dentalbohrer 2 ein Signalmittel vorhanden, das dem Operateur Abweichungen der Instrumentendaten von den Planungsdaten anzeigt, wobei die Signale wahrnehmbar sind, während der Operateur den Instrumentenkopf unmittelbar in seinem Blickfeld hat.

In diesem Beispiel wird zum Setzen eines Implantats ein Loch in den Kieferkamm gebohrt. Der Bohrer ist mit Markern 9, insbesondere mit Infrarotgebern, ausgestattet. Die Marker 8 sind fest mit dem Kieferkamm verbunden, so dass die Bewegung des Patienten 1 kontrollierbar ist. Wie die Figur zeigt besitzt der Bohrer am Bohrkopf LED's 10 als Signalmittel, die zu einem Kranz angeordnet sind. Die LED's 10 werden über den Rechner 4 angesteuert, der auch die zuvor abgespeicherten Planungsdaten erhält und der, wie beschrieben, in Verbindung mit dem Navigationssystem steht. Zuerst positioniert der Arzt die Spitze 12 des Bohrers 2, wobei er durch die rot blinkende LED 11 des Kranzes 12 in die Richtung gewiesen wird. Die zur Navigation nötige Information ermittelt der Rechner wie oben beschrieben aus den Planungsdaten und der Lage des Instruments, die er vom Navigationssystem erhält. Hat der Operateur die Position im Rahmen einer definierten Toleranz erreicht, leuchtet der gesamte äußere LED Kranz. Danach stellt er die korrekte Ausrichtung des Bohrers ein, indem er den Bohrer 2 in die Richtung neigt, die ihm jetzt durch eine blau leuchtende LED auf dem Kranz 10 visualisiert wird. Stimmt nun die Position der Spitze und die Lage im Raum, wechselt der gesamte äußere Kranz seine Farbe und leuchtet grün. Nun kann der Arzt bohren, da der Bohrer exakt entlang der Planung ausgerichtet ist. Hat er die korrekte Tiefe erreicht blinkt der Kranz. Zusätzlich kann vom Rechner auch noch ein akustisches Signal gegeben werden.

Claims

System zur Durchführung einer Behandlung eines insbesondere menschlichen oder tierischen Körpers, umfassend ein handhabbares Instrument (2) mit einem den Körper beaufschlagenden und ein Werkzeug (12) tragenden Instrumentenkopf (3) und umfassend eine Kontrolleinheit mit einem Computer (4), auf dem ein Navigationsprogramm zur Unterstützung der Führung des Instrumentenkopfes (3) realisiert ist, wobei das Navigationsprogramm basiert auf den Körper repräsentierenden Daten (Körperdaten), wobei ein Ortungsmittel (7) vorhanden ist, das die Position und die Ausrichtung des Instrumentenkopfes (3) (Instrumentendaten) registriert und in das System der Körperdaten überträgt, wobei das Navigationsprogramm die Instrumentendaten mit zur Verfügung stehenden Sollwerten (Planungsdaten) vergleicht und wobei die Lage des Instrumentenkopfes (3) innerhalb der Körperdaten und relativ zu den Planungsdaten einem Operateur als Information dargeboten wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalmittel (10,11) vorhanden ist, das dem Operateur Abweichungen der Position und der Ausrichtung des Instrumentenkopfes (3) von den Planungsdaten anzeigt, wobei die Signale wahrnehmbar sind, während der Operateur den Instrumentenkopf (3) unmittelbar in seinem Blickfeld hat.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ortungsmittel(7) den Instrumentenkopf (3) mittels elektromagnetischer Wellen, insbesondere im ifraroten Bereich, oder mittels Ultraschall ortet.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Instrumentenkopf (3) einen Sender für die Wellen trägt.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalmittel optische Anzeigen (10,11) aufweist, die an einer für den Operateur jederzeit sichtbaren Stelle des Instruments (2) oder des Instrumentenkopfes (3) angebracht sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalmittel (10,11) den Operateur zunächst mit dem auf die Oberfläche des Körpers aufgesetzten Instrumentenkopf (3) an den vorgesehenen Punkt auf der Oberfläche dirigiert und ihn nachfolgend zu einer korrekten Ausrichtung des Instrumentenkopfes (3) führt.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalmittel vorgesehen ist, mit dem die Bewegung des Kopf (3) in Vortriebsrichtung kontrollierbar ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalmittel einen mit Leuchtmitteln, insbesondere mit LED's, ausgestatteten Kranz (10,11) aufweist, bei dem die Leuchtmittel im Kreis angeordnet sind und über eine unterscheidbare Leuchtstärke einen Zeiger realisieren, der die Funktion einer Kompassnadel hat.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalmittel zwei Kränze (10,11) aufweist, wobei der eine Kranz (10) die Richtung zum vorgesehenen Ort und der andere Kranz (11) das Verschwenken in die vorgesehene Ausrichtung des Instrumentenkopfes (3) anzeigt.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmittel des einen Kranzes in unterschiedlichen Farben leuchten, wobei die eine Farbe die Richtung zum vorgesehenen Ort und die andere Farbe das Verschwenken in die vorgesehene Ausrichtung des Instrumentenkopfes anzeigt.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrumentein Dentalbohrer ist.