Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Lokalisierung eines Instruments
relativ zu dreidimensionalen Körperdaten und eine Markervorrichtung zur Festlegung eines
körperfesten Bezugssystems nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 16 und 20.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Markervorrichtung und die
Referenzierungsvorrichtung finden insbesondere Anwendung in der Stereotaxie und bei
anderen orthopädischen oder neurochirurgischen Eingriffen, z. B. an der Wirbelsäule.
Um z. B. die Lage eines Tumors in einem Gehirn zu lokalisieren, werden dreidimensionale
Abtastungen des menschlichen Gehirns z. B. mittels Computertomographie (CT) oder
Kernspinresonanz-Tomographie (NMR) angewandt. Bei einem Eingriff in das Gehirn, z. B.
zur Entfernung eines Tumors, ist es notwendig, die genaue Position des Instruments relativ
zu dem Tumor zu wissen. Hierzu werden stereotaktische Verfahren angewandt.
Bei herkömmlichen stereotaktischen Operationen wird ein stereotaktisches Gerät verwendet.
Dieses weist einen Rahmen auf, der auf den Schädel aufgeschraubt wird. An diesem Rahmen
befindet sich ein Bogen, der über den Schädel des Patienten gespannt ist. An diesem Bogen
ist verschieblich das Instrument befestigt, um somit die Orientierung des Instruments relativ
zum Schädel zu verändern. Aus dieser Orientierung und der Eindringtiefe des Instruments
läßt sich die Position der Instrumentenspitze im Schädel bestimmen. Diese Position kann
dann mit den aus der CT oder NMR gewonnenen Daten verknüpft werden, um so die
Position des Tumors möglichst zielgenau zu erfassen.
Damit ein fester Bezug zwischen dem stereotaktischen Gerät und den bei der dreidimen
sionalen Analyse-Abtastung gewonnenen Daten hergestellt wird, ist es notwendig, den
Rahmen vor der Analyse-Abtastung, d. h. vor der CT oder der NMR-Tomographie an dem
Kopf des Patienten festzuschrauben. Da dieser Rahmen relativ schwer ist und eine starre
Verbindung mit dem Kopf gewährleistet werden muß, ist eine feste Verankerung im Schädel
notwendig. Dies ist jedoch für den Patienten schmerzhaft. Darüberhinaus muß dieser
Rahmen nicht nur während der Analyse-Abtastung, sondern bis zur Operation vom Patienten
getragen werden. Schließlich stört das stereotaktische Gerät die dreidimensionale Analyse-
Abtastung und behindert chirurgische Eingriffe. Außerdem ist es relativ umständlich, einen
vorher bestimmten Punkt im Gehirn des Patienten mittels des stereotaktischen Geräts
ansteuern, was die Operationsdauer verlängert.
Um diese Nachteile zu überwinden werden sogenannte rahmenlose oder "frameless" stereo
taktische Methoden vorgeschlagen und praktiziert. Verschiedene derartige Verfahren sind
z. B. aus "Computerized Medical Imaging and Graphics", Vol. 18, Nr. 4, 1994 bekannt.
Diese verwenden z. B. anatomische Landmarken wie Nasenwurzel oder Knochennähte, im
Schädel implantierte Schrauben, die aus dem Kopf heraus hervorstehen, oder auf dem Kopf
aufgeklebte Markierungspunkte. Die Erfassung der Position der Markierungspunkte im
Raum bzw. ein sogenanntes "teach in" wird dann z. B. mittels eines Roboterarms durch
geführt. Die Position der Spitze des Roboterarms wird aus den Verdrehungen der Gelenke
des Roboterarms berechnet und die zuvor genannten Marken werden von dem Roboterarm
angefahren, um die Position der Marker mittels eines Programms zu erfassen. Operiert wird
dann, indem ein Instrument mit der Spitze des Roboterarms verbunden und die relative Lage
der Instrumentenspitze zur Spitze des Roboterarms bestimmt wird. Somit läßt sich die
Position der Instrumentenspitze mit den bei der Analyse-Abtastung gewonnenen Daten in
Beziehung setzen und z. B. auf einem Bildschirm die Lage der Instrumentenspitze relativ
zu den Markern neben den zuvor durch die dreidimensionale Analyse durch Abtastung
gewonnenen Daten zeigen.
Nachteilig an der Verwendung anatomischer Landmarken ist jedoch, daß diese unscharf sind
und ein "teach in" ohne Perforation der Haut nur sehr unzulänglich möglich ist. Implantierte
Schrauben haben den Nachteil, daß sie von dem Zeitpunkt der Analyse-Abtastung bis zum
Ende der Operation im Schädel eingesetzt bleiben müssen. Dies erschwert eine vollständige
Desinfizierung des Schädels vor der Operation und erhöht somit Infektionsrisiken währen
der Operation. Das Aufkleben von Markierungspunkten auf der Haut hat schließlich den
Nachteil, daß sich die Haut relativ zum Schädel zwischen der Analyse-Abtastung und der
Operation verschieben kann. D.h. es ist nur eine sehr ungenaue Bestimmung der Position
des Instruments relativ zu dem bei der Analyse-Abtastung gewonnenen Daten möglich.
Um das Anbringen von Markern zu umgehen, ist ein weiteres Verfahren aus "A frameless
stereotactic approach to neurosurgical planning based on retrospective patient-image
registration", J. Neurosurg 79, 296-303, 1993 bekannt. Hierbei wird ein dreidimensionales
Modell der Kopfoberfläche in einem Computer gespeichert. Jedoch werden auch hiermit
aufgrund der möglichen Hautverschiebungen nur Genauigkeiten von typischerweise 3 bis
8 mm erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und Vorrichtungen zur genauen Lokalisierung
eines Instruments relativ zu mittels Analyse-Abtastung gewonnenen dreidimensionalen
Körperdaten bereitzustellen, wobei gleichzeitig das Risiko von Infektionen und die Belastung
für den Patienten minimiert werden sollen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 16 und 20 gelöst.
Die Unteransprüche sind auf zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Lokalisierung eines Instruments relativ zu
dreidimensionalen Körperdaten bereitgestellt. Dieses Verfahren kann z. B. für stereotaktische
Operationen verwendet werden. Es läßt sich aber auch für beliebige andere Operationen am
menschlichen oder tierischen Körper einsetzen, insbesondere bei orthopädischen oder
neurochirurgischen Eingriffen. Die dreidimensionalen Körperdaten werden mittels Analyse-
Abtastung, also z. B. mittels Computertomographie (CT) und/oder Kernspintomographie
(NMR) gewonnen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine interne Markereinrichtung im Körper
implantiert.
Vorteilhaft erfolgt dies so, daß die interne Markereinrichtung unter der Haut liegt und
vorzugsweise am Skelett, z. B. dem Schädel befestigt wird. Eine derartige Befestigung kann
z. B. erfolgen, indem ein Gewindesackloch in das Skelett eingebracht wird oder der Marker
einfach in den Knochen, z. B. mittels Cortikalenschraube, eingeschraubt werden.
Dadurch daß die Marker vor einer Analyse-Abtastung des Körpers, z. B. des Kopfes, durch
z. B. CT, unter die Haut implantiert werden, ist eine Desinfizierung des zu operierenden
Körperteils vor der Operation ohne Probleme möglich.
Vorteilhaft werden die internen Marker der internen Markereinrichtung klein und kugel
förmig ausgebildet. Dies ermöglicht einerseits eine genaue Positionsbestimmung der Marker
bei der Analyse-Abtastung und andererseits wird der erforderliche Eingriff in den Körper
minimiert, so daß die Marker unter Lokalanästhesie ohne besondere Belastung des Patienten
implantiert werden können.
Dadurch daß die Marker im Körper implantiert, also fest mit diesem verbunden sind, ist es
möglich, bei der Durchführung einer Analyse-Abtastung nacheinander eine CT-Aufnahme
und eine NMR-Aufnahme zu machen und die somit gewonnenen Daten zu kombinierten, da
bei geeigneter Wahl des Markermaterials der Marker sowohl bei der Computertomographie
als auch bei der Kernspintomographie nachweisbar ist. Die somit gewonnenen Daten können
demnach kombiniert werden, um die dreidimensionalen Körperdaten der Analyse-Abtastung
zu erhalten.
Als geeignetes Material wird vorzugsweise Titan verwendet. Es ist jedoch auch möglich, die
Marker aus verschiedenen Materialien zu kombinierten, die entweder einen optimalen
Nachweis für die Kernspinresonanz-Tomographie oder für die Computertomographie ge
währleisten. Werden andere Analyse-Abtastverfahren verwendet, so weisen die Marker
vorteilhaft dafür optimal geeignete Materialien auf.
Es werden mindestens drei Marker mit bekannter realtiver Position zueinander verwendet,
um ein dreidimensionales körperinternes Bezugssystem festzulegen. Es können jedoch auch
natürlich mehr Marker verwendet werden, um eine Korrelation mit dem später beschriebe
nen körperexternen Bezugssystem zu erleichtern und um Fehler bei der Markerpositionsbe
stimmung durch die Verwendung mehrerer Markerpositionsdaten, z. B. nach der Methode
der kleinsten Fehlerquadrate zu minimieren.
Vorteilhaft an der Implantation einer internen Markereinrichtung unter die Haut ist auch, daß
diese Markereinrichtung auch nach der Operation von dem Patienten problemlos weiter mit
sich herumgetragen werden kann. Dies bedeutet, daß bei Nachfolgeuntersuchungen der
Erfolg der Operation genau überwacht werden kann. Denn die bei der Nachfolgeunter
suchung gewonnenen Meßdaten können genau mit den vor der Operation gewonnenen Meß
daten korreliert werden. Die Implantation der Markereinrichtung erlaubt somit die genaue
Verfolgung einer Krankengeschichte und insbesondere die genaue Beobachtung der weiteren
Krankheitsentwicklung, also z. B. der Entwicklung eines Tumors.
Alternativ zur vollständigen Implantierung der internen Markereinrichtung unter die Haut
kann z. B. auch nur eine Verankerung für die interne Markereinrichtung im Skelett unter
der Haut implantiert werden. Eine Halteeinrichtung für eine Markereinrichtung wird dann
bei Bedarf in der Verankerung lösbar befestigt. Somit kann ein für jede Analyse-
Abtastuntersuchungsart geeignetes Material flexibel gewählt werden. Weiter läßt sich die
Halteeinrichtung aus der Verankerung nach der Untersuchung wieder vom Patienten
entfernen. Dies bedeutet, daß auch in diesem Falle vor der Operation eine gründliche
Desinfizierung des zu operierenden Körperteils möglich ist, da die Verankerung vollständig
unter der Haut implantiert ist. Nach der Desinfizierung und vor der Operation wird dann der
für die Verankerung vorgesehene Einsatz, der die Halteeinrichtung und eine Markerein
richtung aufweist, vorteilhaft einrastend wieder an der Verankerung befestigt. Dabei nimmt
die Markereinrichtung wieder die gleiche Position relativ zum Skelett ein, wie während der
Analyse-Abtastung.
Nach der Implantierung einer internen Markereinrichtung wird, wie oben bereits erwähnt,
eine Analyse-Abtastung des Körpers einschließlich der internen Markereinrichtung
durchgeführt. Dabei wird, z. B. mit Hilfe eines Computers und geeigneter Software, die
Position der durch die Analyse-Abtastung gewonnenen dreidimensionalen Körperdaten relativ
zu den körperinternen Markerpositionen bestimmt. Dadurch ist z. B. die Lage und die
Ausdehnung eines Tumors in dem durch die interne Markereinrichtung festgelegten
Bezugssystem bestimmt.
In einem nächsten Schritt, der Referenzschritt genannt wird, wird durch die Bestimmung der
Position von externen Markern einer externen Markereinrichtung die Lage und Orientierung
eines körperexternen Bezugssystems relativ zu dem körperinternen Bezugssystem bestimmt,
um eine Koordinatentransformation zwischen den beiden Bezugssystemen zu ermöglichen.
Dabei wird die externe Markereinrichtung in einer festen räumlichen Beziehung zu der
internen Markereinrichtung gehalten. Deshalb erfolgt dieser Schritt vorteilhaft vor der
Operation, aber nachdem der zu operierende Körperteil fixiert ist.
Ein derartiger Referenzschritt kann z. B. dadurch durchgeführt werden, indem die internen
Marker als Verankerungen ausgebildet sind, in die von außen durch die Haut hindurch
vorteilhafterweise lösbar und einrastend ein Einsatz befestigt wird. Dieser Einsatz steht aus
der Haut hervor und weist außerhalb des Körpers eine externe Markereinrichtung auf. Durch
die Befestigung der externen Markereinrichtung über die Halteeinrichtung an der internen
Markereinrichtung wird somit eine feste räumliche Beziehung zwischen der externen und der
internen Markereinrichtung hergestellt, die durch die Ausführung der verwendeten
Einzelteile bestimmt und bestimmbar ist. In diesem Fall ist sogar eine Fixierung des zu
operierenden Körperteils erläßlich.
Alternativ hierzu kann der Referenzschritt eine weitere Abtastung umfassen, die im
folgenden Referenz-Abtastung genannt wird. Durch diese Referenz-Abtastung kann eine
direkte mechanische Verbindung zwischen der internen und der externen Markereinrichtung
vermieden werden und trotzdem die relative Beziehung zwischen einem körperinternen und
einem körperexternen Bezugssystem bestimmt werden.
Dazu weist die externe Markereinrichtung vorteilhaft zwei Markereinrichtungen auf, nämlich
eine erste externe Markereinrichtung und eine zweite externe Markereinrichtung. Die erste
externe Markereinrichtung ist dabei so ausgebildet, daß sie zusammen mit der internen
Markereinrichtung mittels der Referenz-Abtastung abgetastet werden kann. Damit wird eine
Beziehung zwischen einem ersten externen Bezugssystem, das durch die erste externe
Markereinrichtung festgelegt ist, und dem körperinternen Bezugssystem bestimmt. Zwischen
der zweiten externen Markereinrichtung und der ersten externen Markereinrichtung wird
vorteilhaft eine feste mechanische Beziehung hergestellt, die eine Umrechnung der in das
erste körperexterne Bezugssystem transformierten Daten in das zweite externe Bezugssystem,
das durch die zweite externe Markereinrichtung festgelegt ist, erlaubt.
Die zweite externe Markereinrichtung ist so ausgebildet, daß das mit ihr verbundene zweite
externe Bezugssystem leicht durch eine Instrumentenpositions-Bestimmungseinrichtung erfaßt
werden kann. Auf das Verfahren zur Instrumentenpositions-Bestimmung wird weiter unten
noch eingegangen.
Es ist nun denkbar, die Marker der ersten externen Markereinrichtung zusammen mit den
Markern der internen Markereinrichtung wiederum durch eine dreidimensionale Abtastung
wie z. B. eine CT zu bestimmen. Vorteilhaft werden jedoch Röntgenaufnahmen aus wenig
stens zwei verschiedenen Richtungen gemacht, um die Position der internen Marker relativ
zu den ersten externen Markern zu bestimmen. Dadurch ist es z. B. mittels eines mobilen
und drehbaren C-Bogens möglich, kurz vor der Operation oder auch noch während der
Operation, wenn der zu operierende Körperteil bereits fixiert ist, die Position der internen
Marker relativ zu den externen Markern zu bestimmen. Der C-Bogen läßt sich nach der
erfolgten Bestimmung einfach wieder wegfahren, so daß eine ungehinderte Operation
möglich ist.
Die externe Markereinrichtung ist dabei vorteilhaft so aufgebaut, daß wenigstens drei
Markerpositionen bei jeder Röntgenaufnahme erfaßt werden. Prinzipiell genügt es zwar
bereits, wenn insgesamt, also durch sämtliche Röntgenaufnahmen, drei Markerpositionen
erfaßt werden, jedoch muß dann die Orientierung bzw. die Aufnahmerichtung der Röntgen
aufnahme relativ zur externen Markereinrichtung genau bekannt sein. Werden aber jeweils
wenigstens drei Markerpositionen bestimmt, die vorteilhaft nicht in einer Ebene liegen und
deren relative Position zueinander bekannt ist, so läßt sich hieraus die Aufnahmerichtung der
erfolgten Röntgenaufnahme zurückrechnen. Um diese Aufnahmerichtung der Röntgenauf
nahme möglichst genau zu bestimmen, befinden sich deshalb vorteilhaft vor und hinter dem
zu untersuchenden Körperteil externe Marker der ersten externen Markereinrichtung, die bei
einer Röntgenaufnahme erfaßt werden.
Wie bereits oben erwähnt, genügen zwei Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Rich
tungen, um hieraus die räumliche Position der internen Marker relativ zu den externen
Markern, z. B. mittels geeigneter Software zu berechnen. Auf diese Weise ist eine präzise
Transformation der bei der Analyse-Abtastung gewonnenen Körperdaten von dem internen
Bezugssystem in das erste externe Bezugssystem möglich.
Die erste externe Markereinrichtung und die zweite externe Markereinrichtung ist vorteilhaft
durch einen Abstandshalter verbunden, der die Röntgenaufnahmen nicht stört. Dazu werden
z. B. die ersten externen Marker in Plexiglas eingegossen und die zweiten externen dann an
dem Plexiglas angebracht.
Ist, wie oben beschrieben, eine Beziehung zwischen dem körperinternen Bezugssystem und
dem körperexternen Bezugssystem hergestellt, so wird in einem nächsten Schritt die Lage
des Instruments im körperexternen Bezugssystem bestimmt. Dies kann auf herkömmliche
Weise unter Abtastung der Positionen der externen Marker und der Position des Instruments
geschehen, wie dies z. B. in "Computerized Medical Imaging and Graphics", Vol. 18, Nr.
4, beschrieben ist. Auch die Verwendung von Ultraschallsendern als Marker und die
Anbringung von Ultraschallsendern an dem Instrument sind bekannt.
Neben diesen aktiven Markern, wie z. B. Infrarot-LEDs oder Ultraschallsendern, können
vorzugsweise auch passive Marker verwendet werden.
Bevorzugt werden als Reflektoren ausgebildete passive Marker eingesetzt, die Infrarot
strahlung reflektieren. Diese Infrarotstrahlung wird von der Instrumentenpositions-Be
stimmungseinrichtung ausgesandt, vorzugsweise in Gestalt von Infrarotblitzen. Die re
flektierten Infrarotstrahlen werden von drei Infrarotkameras erfaßt. Aus den Signalen wird
die Position des Instruments bestimmt. Dazu wird die bekannte relative Position der externen
Marker zueinander verwendet.
Ein Vorteil dieser passiven Marker ist, daß das Instrument nicht mit Strom versorgt werden
muß und somit keine Leckströme auftreten, und daß sie getrennt von Leitungen völlig
unabhängig bewegbar ist. Dies erleichtert die Handhabung und die Desinfizierung des
verwendeten Instruments.
Nachteilig bei der Verwendung von Magnetfeldern zur Instrumentenpositionsbestimmung ist,
daß alle sonstigen medizinischen Geräte abgeschirmt werden müssen und daß die Bestim
mung relativ ungenau ist. Bei der Verwendung von Ultraschall können Meßfehler aufgrund
von Temperaturdifferenzen zwischen Sender und Empfänger auftreten.
An dem Instrument sind vorzugsweise wenigstens zwei Marker angebracht, um die Neigung
des Instruments zu bestimmen. Der Abstand zwischen der Instrumentenspitze und den
Markern ist bekannt. Ist die Instrumentenspitze z. B. gekröpft, so werden wenigstens drei
Marker am Instrument angebracht, um hieraus nicht nur die Orientierung sondern auch noch
die Verdrehung des Instruments zu bestimmen. Damit ist es wiederum möglich, die Lage
der Instrumentenspitze zu berechnen.
Es ist vorteilhaft, Reflexions-Marker mit möglichst großer, kugelförmiger Oberfläche
einzusetzen, da bei der optischen Erfassung der Reflexionskugeln durch die Infrarotkameras
aus dem erfaßten Umfang der Reflexionskugeln auf deren Mittelpunkt jeweils zurückge
rechnet wird.
Um bei der Verwendung von z. B. nur zwei Markern am Instrument zu bestimmen, auf
welcher Seite des Instruments sich die Instrumentenspitze befindet, kann zu Beginn der
Operation eine Kalibrierung vorgenommen werden. Z. B. hält der Operateur bei dieser
Kalibrierung das Instrument in Richtung auf den Patienten. Von da ab wird dann die
Bewegung des Instruments verfolgt und die Position der Instrumentenspitze bestimmt. Auch
können Marker unterschiedlicher Form oder Größe oder mit unterschiedlichen Reflexions
eigenschaften, z. B. bezüglich der reflektierten Wellenlänge oder der reflektierten Intensität
verwendet werden, um aus einem Vergleich der beiden unterschiedlichen Marker zu
bestimmen, in welche Richtung das Instrument zeigt.
Ist dann schließlich mit Hilfe der Instrumentenbestimmungs-Einrichtung die Position der
Instrumentenspitze im zweiten externen Bezugssystem festgelegt, so läßt sich mit Hilfe von
Koordinatentransformationen die Lage der Instrumentenspitze relativ zu den bei der Analyse-
Abtastung gewonnenen Körperdaten bestimmen.
Mit Hilfe von Computern und geeigneter Software läßt sich somit für einen Operateur in
Echtzeit die Position und Orientierung der Instrumentenspitze, z. B. in 3D, relativ zu den
Körperdaten, also relativ z. B. zu dem Tumor, auf einem Bildschirm darstellen.
Die Genauigkeit der Positionsbestimmung der Instrumentenspitze relativ zu den dreidi
mensionalen Körperdaten, die durch das oben beschriebene Verfahren und mit Hilfe der
oben beschriebenen Vorrichtungen erzielbar ist, liegt in der Größenordnung von 0,1 mm.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit erheblich exakter als die bisher bekannten
Verfahren. Darüberhinaus ist es für den Patienten wenig belastend. Das Infektionsrisiko wird
minimiert. Schließlich wird die Arbeit des Operateurs erleichtert, da ihn das erfin
dungsgemäße Lokalisierungsverfahren weniger behindert.
Eine weitere Erleichterung für den Operateur läßt sich dadurch erreichen, indem nach er
folgter Referenzierung zwischen der internen und externen Markereinrichtung (erste und
zweite externe Markereinrichtung) eine weitere Referenzierung zu einer dritten externen
Markereinrichtung erfolgt. Diese dritte externe Markereinrichtung weist vorteilhaft einen
ähnlichen Aufbau wie die zweite externe Markereinrichtung auf.
Die dritte externe Markereinrichtung kann von der ersten und zweiten externen Marker
einrichtung entfernt liegen und damit außerhalb des Operationsbereichs. Die Referenzierung
kann z. B. wieder auf optischem Wege mit Hilfe einer Instrumentenpositions-Bestim
mungseinrichtung erfolgen. Ist die Referenzierung erfolgt und der zu operierende Körperteil
fixiert, so kann die erste und zweite Markereinrichtung entfernt werden, um den Zugang
zum Operationsgebiet noch weiter zu erleichtern.
Auch kann die dritte externe Markereinrichtung an dem zu operierenden Körperteil befestigt
werden, z. B. durch Kleben, Festklemmen oder mittels einer Haube. Dadurch wird es
möglich, daß der zu operierende Körperteil, z. B. der Kopf, während der Operation bewegt
werden kann. Denn die Veränderung der Lage und Orientierung der dritten externen
Markereinrichtung wird ständig durch die Instrumentenpositions-Bestimmungseinrichtung
erfaßt.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung anhand der
beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung offenbart. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Referenzierung des internen
Bezugssystems zu dem externen Bezugssystem mit Hilfe eines C-Bogens;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bei einer Referenzabtastung gewonnenen
Röntgenaufnahme;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines implantierten Markers; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Markervorrichtung mit einem lösbaren Einsatz
und einer Verankerungseinrichtung.
Soweit im folgenden gleiche Bezugszeichen verwendet werden, bezeichnen diese gleiche
oder funktionsgleiche Teile.
In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Referenzierung des körperinternen Bezugssystems mit
dem körperexternen Bezugssystem gezeigt. Das zu untersuchende Körperteil 20, z. B. ein
Kopf, ist im Querschnitt gezeigt und durch einen Kreis dargestellt. In diesem sind interne
Marker 10 implantiert. Außerhalb des Kopfes 20 befindet sich die externe Markereinrichtung
30. Diese besteht aus vier Teilen 50, 51, 52, 53 von denen jeweils ein Teil oberhalb 51,
unterhalb 53 und zwei seitlich 50, 52 vom Kopf einander gegenüberliegend, jeweils um
ca. 90° um den Kopf herum winkelig beabstandet, angeordnet sind. Jedes dieser Teile weist
ein Kupfergitter 32 (erste externe Markereinrichtung) auf, das z. B. mittels eines
Wasserstrahls aus einem Kupferblech geschnitten wird. Das Kupfergitter 32 ist in einem
Plexiglasblock 36 (Abstandshalter) eingegossen. Es ist so angeordnet, daß die vier Ecken
des Kupfergitters bei einer Röntgenaufnahme zusammen mit den internen Markern mit erfaßt
werden.
Der Kopf wird z. B. mittels eines Mayfield-Adapters (nicht gezeigt) vor den Röntgen
aufnahmen fixiert, um eine feste räumliche Beziehung zwischen den internen und externen
Markern zu gewährleisten.
Die Röntgenaufnahme erfolgt mittels eines C-Bogens 40, dessen Röntgengerät 45 entlang
des Umfangs des zu untersuchenden Körperteils bewegbar ist. In der in Fig. 1 gezeigten
Stellung wird bei einer Röntgenaufnahme sowohl das Kupfergitter 32a als auch das in
Röntgenaufnahmerichtung hinter dem zu untersuchenden Körperteil gelegene Kupfergitter
32b erfaßt. Die Kupfergitter 32a und 32b sind vorzugsweise von einer unterschiedlichen
Größe, damit deren Eckpunkte sich bei einer Röntgenaufnahme nicht überlappen. Zu der
zweiten Röntgenaufnahme wird das Röntgengerät 45 entlang des C-Bogens 40 verfahren, um
dann das zu untersuchende Körperteil so zu durchleuchten, daß die Kupfergitter 33a und 33b
miterfaßt werden.
Die erste externe Markereinrichtung, die gemäß des Ausführungsbeispieles durch Kupfer
gitter gebildet wird, wird vorzugsweise durch einen für die Röntgenaufnahme durchsichtigen
Abstandshalteeinrichtung mit der zweiten externen Markereinrichtung verbunden. In diesem
Falle handelt es sich dabei um Plexiglasblöcke.
An dieser Abstandshalteeinrichtung ist vorzugsweise in bekannter räumlicher Anordnung die
zweite externe Markereinrichtung angebracht. Besteht die erste externe Markereinrichtung
aus mehreren Teilen 32a, 32b, 33a, 33b z. B. vier, wie dies im Ausführungsbeispiel der Fall
ist, so wird vorzugsweise jedem Teil eine zweite externe Markereinrichtung zugeordnet, die
zu diesem Teil in einer festen räumlichen Beziehung steht. In dem Ausführungsbeispiel der
Fig. 1 sind hierzu als zweite externe Markereinrichtung jeweils vier Markerkugeln 34 fest
mit den Plexiglasblöcken 36 verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, jeden einzelnen
Plexiglasblock und damit das darin enthaltene Kupfergitter variabel in eine bestimmte Stel
lung zu bringen und diese Stellung dann aufgrund der Marker 34 für jeden Plexiglasblock
bzw. für jedes Kupfergitter einzeln mit Hilfe der Instrumentenpositions-Bestimmungseinrich
tung zu bestimmen. Dies ermöglicht eine für die jeweilige Position geeignete Anpassung der
Anordnung der externen Markereinrichtung.
Wahlweise können natürlich die Plexiglasblöcke zueinander in einer starren räumlichen
Beziehung stehen, indem sie z. B. auf einem Ring angeordnet sind. In diesem Fall genügt
es, wenigstens drei Marker der zweiten externen Markereinrichtung mit dem Ring oder den
Plexiglasblöcken zu verbinden.
Fig. 2 zeigt schematisch ein bei dem Referenzschritt gewonnenes Röntgenbild. Dabei ist
strichliert der Umriß des zu untersuchenden Körperteils 20 gezeigt. Die internen Marker 10
sind punktförmig eingezeichnet. Auf dem Röntgenbild 48 sind die beiden Kupfergitter 32a
und 32b zu sehen. Zur Auswertung werden die Eckpunkte der Kupfergitter 32a und 32b
verwendet. Aus der relativen Lage der Eckpunkte des Kupfergitters 32a zu den Eckpunkten
des Kupfergitters 32b läßt sich die Richtung errechnen, aus der die Röntgenaufnahme erfolgt
ist. Diese Richtung geht dann wieder bei der Verwertung der aus zwei Richtungen erfolgen
den Röntgenaufnahmen mit ein, um die Lage der Eckpunkte der Kupfergitter relativ zu den
internen Markern zu bestimmen. Die beiden Aufnahmerichtungen sind vorzugsweise zu
einander senkrecht.
Die Position der Eckpunkte der Kupfergitter relativ zu den Positionen der jedem Plexiglasteil
zugeordneten Marker 34 ist festgelegt. Dadurch läßt sich mit Hilfe der Instrumentenposi
tions-Bestimmungseinrichtung die Lage jedes Eckpunktes eines jeden Kupfergitters 32 im
Operationssaal bestimmen. Werden Marker geeignet am Instrument angebracht, so läßt sich
auch die Position der Instrumentenspitze im Operationssaal bestimmen. Somit sind
ausreichend Informationen vorhanden, um mit Hilfe von Koordinatentransformationen die
Position der Instrumentenspitze relativ zu den bei der Analyse-Abtastung gewonnenen
Körperdaten zu berechnen.
Werden passive Marker verwendet, so wird vorzugsweise eine Instrumentenpositions-
Bestimmungseinrichtung auf Infrarotbasis eingesetzt. Diese sendet vorzugsweise Infrarotblitze
aus. Diese werden von den Markern 34 reflektiert. Die Reflexion wird von wenigstens drei
Infrarotkameras erfaßt, um die Position der Marker zu berechnen. Die Marker 34 sind
vorzugsweise kugelförmig und weisen einen Durchmesser von z. B. 15 mm auf.
Fig. 3 zeigt einen implantierten Marker 10 mit einem Schraubgewinde 12. Dieses Schraub
gewinde 12 ist in einen Knochen 22 eingeschraubt. Der Marker 10 befindet sich unterhalb
der Haut 24 und wurde zuvor unter Lokalanästhesie mit Hilfe eines kleinen Einschnitts in
den Knochen 22 eingeschraubt.
Fig. 4 zeigt eine Markereinrichtung, die eine Verankerungseinrichtung 12 mit zylinder
förmigem Schaft sowie einen Einsatz 14, 16 aufweist. Die Verankerungseinrichtung 12 wird
im Skelettknochen 22 z. B. mittels eines Gewindes 13 unterhalb der Haut 24 befestigt. Sie
kann z. B. aus Titan, Kohlefasern oder Keramik bestehen.
Die Verankerung 12 kann nun wahlweise als Marker ausgebildet sein oder rein der Veranke
rung dienen. Ist sie als Marker ausgebildet, so kann sie z. B. aus Titan sein. Wahlweise
(nicht gezeigt) könnte die Verankerung 12 mit einer Markerkugel fest verbunden sein. In die
Verankerung 12 kann z. B. eine nadelförmige Halteeinrichtung 14 paßgenau eingesetzt
werden. Hierbei kann die Passung so gewählt werden, daß die Halteeinrichtung 14 einerseits
wieder lösbar ist und andererseits ein fester Sitz gewährt wird. Auch eine lösbar einrastende
Verbindungsart kann gewählt werden. Mit der Halteeinrichtung 14 kann z. B. ein Trichter
16 verbunden sein. Dieser ermöglicht bei mechanischer Abtastung des Trichters 16 und der
Orientierung der Nadel 14, daß aus der Länge der Nadel 14 die Position der Verankerung
12 berechenbar ist, wenn diese als Marker ausgebildet ist.
Alternativ (nicht gezeigt) läßt sich an der Halteeinrichtung 14 außerhalb der Haut 24 ein
externer Marker befestigen. Dabei kann je nach Art der gewählten Untersuchungsmethode
(CT, Röntgenaufnahmen oder NMR) ein geeigneter Marker mit der Halteeinrichtung 14
verbunden werden. Die Positionen der externen Marker können durch beliebige "teach-in"-
Verfahren erfaßt werden.
Die Halteeinrichtung 14 läßt sich auf einfache Weise vor einer Analyse-Abtastung in den
Kopf einsetzen und mit einem geeigneten externen Marker, z. B. eine Titankugel, versehen.
Nach der Abtastung läßt sich die Halteeinrichtung 14 auf einfache Weise wieder aus der
Verankerung lösen. Dadurch kann der zu untersuchende Körperteil vor der Operation ohne
Probleme desinfiziert werden. Um einen Bezug zu den bei der Analyse-Abtastung gewon
nenen Körperdaten herzustellen, wird dann vor der Operation die Halteeinrichtung 14 wieder
eingesetzt und mit einem geeigneten externen Marker (z. B. eine Reflektorkugel) versehen.
Da die Positionen dieser externen Marker mit den Positionen der externen Marker der Ana
lyse-Abtastung übereinstimmen, ist eine direkte Zuordnung der bei der Analyse-Abtastung
gewonnenen Daten möglich. Eine Referenzierung zwischen den externen Markern während
der Operation und dem Instrument erfolgt dann wiederum über eine Instrumentenpositions-
Bestimmungseinrichtung.
Sind auch die Verankerungen der Verankerungseinrichtungen als Marker ausgebildet, so
kann bei Nachfolgeuntersuchungen ein Einsetzen des Einsatzes 14, 16 vermieden werden.
Denn es genügt für den Vergleich verschiedener Untersuchungsergebnisse von dreidimen
sionalen Analyse-Abtastungen, daß die internen Marker (hier die Verankerungen) sich immer
an der gleichen Stelle befinden. Wahlweise können die Verankerungen z. B. auch aus
Kunststoff gebildet sein, in dem Markerkugeln (z. B. Titankugeln) eingelassen sind.