DE19627314C1 - Positioniervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Positioniervor­ richtung zur Planung und Durchführung chirurgischer Eingriffe auf Grundlage röntgencomputer- und kernresonanztomographischer Bilder mit einem Rahmen und einer Positioniereinheit zur Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs auf ein Operationsziel. In der Medizin werden solche Vorrichtungen auch auch stereotaktische Systeme oder Rahmen bezeichnet.

Die US 5 308 352 zeigt eine solche Vorrichtung.

Diese Positioniervorrichtungen der stereotaktischen Systeme sind Vorrichtungen, mit deren Hilfe unter Verwendung von Bildern, insbesondere von Serien parallel verlaufender Röntgencoinputer- oder Kernresonanztomogramme, Operationen mit hoher Zielgenauigkeit durchgeführt werden. Die Ortsinformation dieser Bilder, die das Operationsziel und eine neben dem Patienten angeordnete Lokalisations- oder Markereinrichtung eines stereotakischen Rahmens abbilden, wird für die exakte Planung des Operationsweges genutzt, indem zunächst mit einem vom Bild vorgegebenen Koordinatensystem die Lagebeziehung von Ziel und Rahmen beschrieben und diese dann durch besondere Berechnungen auf ein zweites, durch den stereotaktischen Rahmen vorgegebenes Koordinatensystem übertragen wird. Mit Hilfe dieses Rahmenkoordinatensystems wird auch der vom Operateur wählbare Ausgangspunkt der Operation beschrieben, an den das chirurgische Werkzeug, meist eine Nadel oder Sonde, zu Beginn der Operation mit einer am Rahmen befestigten Positioniereinheit geschoben wird. Von diesem Ausgangspunkt wird dann das Werkzeug mit Hilfe der Positionierungseinrichtung in berechneter Weise hochpräzise ausgerichtet und im Patienten exakt bis zum Ziel vorgeschoben.

Im Gegensatz zum Kopf sind die Voraussetzung am Körper ungunstig, da der Rahmen nicht fest an einer dem knöchernen Schädel vergleichbare Struktur verschraubt werden kann und sich seine Lagebeziehung zum Operationsziel in dem Zeitintervall zwischen der Bilderstellung und der Durchführung der Operation verändert. Am Kopf kann dieses Zeitintervall ohne einen Verlust an Präzision sehr lang sein. Daher bietet die von Leksell et al. (Leksell L, Leksell D, Schebel J: Stereotaxis and nuclear magnetic resonance, J Neurol Neurosurg Psychiatry, 1985; 48: 14-18) vorgeschlagene Vorrichtung die Möglichkeit, daß nach der Bilderstellung die Markereinrichtung vollständig vom Rahmen entfernt werden kann, um einer Positioniereinheit für das chirurgische Gerät Platz zu machen. Da bei Gehirnoperationen die freie Wahl des Operationsweges besonders wichtig ist, besteht die Positioniereinheit der o.g. Vorrichtung aus einem System von rotierbaren und verschieblichen Halbbögen, die den Schädel helmartig umschließen und eine halbkugelförmig um den Schädel angeordnete, große Anzahl von Ausgangseinstellungen ermöglichen.

Dieses System ist für die Anwendung am Körper jedoch ungeeignet, da die Situation bei einem stereotakti­ schen System für den Körper eine grundsätzlich andere als für den Kopf ist. Zum einen ist am Körper der Rahmen nicht in vergleichbarer Weise an Knochen zu befestigen, was bei Bewegungen des Patienten zu Verlagerungen des Rahmens mit der gegen das Zielorgan verschieblichen Haut führt. Darüber hinaus kommt es auch zu atembedingten Verlagerungen des Operationszieles. Für stereotaktische Operationen am Körper muß daher das Intervall von der Bilderstellung bis zur Operation besonders kurz sein, um die Wahrscheinlichkeit von Verlagerungen zwischen dem Rahmen und Ziel zu minimieren. Bei der o.g. Vorrichtung würde das Entfernen der Lokalisationseinrichtung und die Montage der Positioniereinheit zu einer erheblichen Zeitverzögerung und damit zu starken Abweichungen des tatsächlichen vom berechneten Operationsweg und somit letztendlich zu einer Gefährdung des Patienten führen. Auch müßte der Rahmen bei einer Anwendung des oben genannten Systems am Körper größer sein, so daß die Operation nicht im Tomographen durchgeführt werden könnte. Der Patient müßte aus dem Tomographen herausgefahren werden, wodurch das kritische Zeitin­ tervall jedoch zu lang werden würde, um eine Operation in einem Atemstillstand durchzuführen.

Die Anwendung bestimmter Marker- bzw. Lokalisationseinrichtungen von speziell für den Kopf entwickelten, stereotaktischen Systemen ohne deren Positioniereinheit ist jedoch grundsätzlich auch für stereotaktische Systeme beim Körper denkbar. Die meisten stereotaktischen Systeme für Gehirnoperationen verwenden eine von Brown beschriebene Lokalisationseinrichtung, die zwei oder drei N-förmige Lokalisationselemente mit Hilfe des Rahmens neben dem Schädel anordnet (Brown R A.: A computerized tomography-computer graphics approach to stereotactic localization, J Neurosurg, 1979; 50: 715-720). Die beiden äußeren, parallelen Schenkel eines solchen N-förmigen Elementes stehen senkrecht zur Tomogrammebene und sind im Tomogramm neben den Schädelstrukturen als zwei Punkte sichtbar. Der dritte, diagonal verlaufende Schenkel wird als ein dritter Punkt zwischen den beiden Punkten abgebildet. In der Bildebene des Tomogrammes werden die Punkte mit den Koordinaten x und y beschrieben, wobei üblicherweise die Tomogrammkoordinaten mit x (horizontal), y (vertikal) und z (senkrecht zur Bildebene) bezeichnet werden. Durch das Verhältnis des Abstands zwischen den beiden äußeren Punkten zu dem Abstand eines äußeren Punktes zum inneren, wird der z-Koordinatenwert berechnet; nach einer Parallelverschiebung der Tomogrammebene in Richtung Z, rückt der mittlere der drei Punkte weiter an den einen äußeren Punkt heran und von dem anderen weg. {Absatz gestrichen}
Aus der DE 38 31 278 A1 ist eine stereotaktische Lo­ kalisationseinrichtung bekannt, in der die N-förmigen Lokalisationselemente in einer imaginär gekrümmten Fläche angeordnet sind, wodurch der diagonale Schenkel eine wendelförmige Anordnung erhält, die parallelen Schenkel der Lokalisationseinrichtung jedoch weiterhin gerade verlaufen.

Beide der zuletzt genannten Systeme haben jedoch den Nachteil, daß von jedem Lokalisationselement drei, bei 3 Elementen also insgesamt 9, Punkte aufgefunden werden müssen, deren Lage und Ausrichtung durch Bewegungen des Patienten unvorhersehbar variiert. Die Auffindung der Punkte durch ein automatisches System ist komplex und fehleranfällig.

Da die oben genannten, für den Kopfbereich entwickelten stereotaktischen Systeme für Eingriffe am Körper ungeeignet sind, wurden für diesen Bereich andere stereotaktische Systeme vorgeschlagen. Nach Onik wird eine dreiecksförmige Referenz in einer senkrecht zur Bildebene des Tomographen verlaufenden Ebene, z. B. der Ebene (x, z), auf die Haut des Patienten geklebt (Onik, G. et al.: CT body stereotaxis: an aid for CT guided biopsies. American Journal of Roentgenology, 1986; 146: 163-178). Bei Tomogrammen an Positionen mit unterschiedlichem z-Koordinatenwert wird das Dreieck im jeweiligen Tomogramm als Strecke sichtbar. Die Länge der Strecken variiert abhängig vom z-Koordinatenwert. Von der Länge einer Strecke kann auf den z-Koordinatenwert geschlossen werden. Dieser wiederum wird außen auf einer Skala am Referenzdreieck anzeigt, und kann so auf die Haut des Patienten übertragen werden. Von diesem Punkt aus wird die Lage des Zieles mit den x- und y-Koordinaten, die im Tomogramm ausgemessen wurden, beschrieben. Die Nadel wird durch ein Stativsystem geführt, das neben dem Tomographen auf dem Fußboden steht oder am Tomographentisch befestigt wird.

Nachteilig ist bei dieser Methode, daß die Operation nicht im Tomographen durchgeführt werden kann, so daß der Patient nach der Bilderstellung aus dem Tomogra­ phen heraus gefahren werden muß, da das Stativ sehr groß ist und keinen Platz im Tomographen hat. Durch das Herausfahren ist Zeitintervall zwischen der Bilderstellung und der Punktion so lang, daß Atem­ bewegungen zu einer Verlagerung des Operationszieles führen. Zusätzlich kommt es beim Herausfahren des Patienten aus dem Tomographen zu Verlagerungen des Dreieckes durch Verschiebungen der Haut. Nachteilig ist auch, daß das Stativ sehr aufwendig am Tomographen befestigt bzw. unverrückbar aufgebaut werden muß.

Eine andere stereotaktische Vorrichtung für den Körper wird in der DE 40 29 590 C2 beschrieben. Sie bezeichnet eine Vorrichtung zum Messen eines Koordina­ tenwertes bei tomographischen Schichtbildern, die im Querschnittsbild ein unmittelbares Ablesen der senk­ recht zur Tomogrammebene verlaufenden Koordinate er­ laubt. Das Verfahren sieht ein stabförmiges Lokalisa­ tionselement mit einem zentralen Stapel numerierter Scheiben und einem umgebenden Rohr mit wendelförmig angeordneten Löchern vor, wobei Zahlen im Tomogramm lesbar den Zentimeterwert und die Querschnittsposition der abgebildeten Löcher den Millimeterwert der z-Ko­ ordinaten darstellen. Zu dieser Lokalisationsein­ richtung ist für die Anwendung am Körper ein kasten­ artiger stereotaktischer Rahmen, der den Patienten umgibt, aber nicht mit ihm verbunden ist, vorgesehen. Dieser Rahmen erfordert jedoch wegen seiner erhebli­ chen Größe, daß der Patient nach der Bilderstellung aus der Röhre gefahren werden muß, um die Operation durchführen zu können. Zwar kann Loka­ lisationseinrichtung der Vorrichtung DE 40 29 590 C2 der z-Koordinatenwert direkt im Bild vom Operateur abgelesen werden, was bei der zuvor erwähnten N-för­ migen Lokalisationseinrichtung nicht der Fall ist. Jedoch ist die im Tomogramm sichtbare Struktur des Elementes sehr komplex, so daß eine automatisierte computerunterstützte Bestimmung der z-Koordinaten sehr schwer möglich ist. Da der Rahmen am Tomographen befestigt ist und keinen Kontakt mit dem Patienten hat, kann er sich nicht mit diesem mitbewegen, wodurch im Intervall von der Bilderstellung bis zum Vorschieben der Nadel Verlagerungen zwischen dem Ziel und dem Rahmen mit dem oben bereits erwähnten Verlust an Präzision entstehen.

Aus den genannten Gründen haben stereotaktische Ver­ fahren für den Körperbereich keine Verbreitung gefun­ den. Tomographisch gesteuerte Eingriffe im Körper werden derzeit in der überwiegenden Mehrzahl ohne Lokalisations- oder Positionierungshilfen durchge­ führt. Dabei wird eine Nadel von einem Ausgangspunkt mit Hilfe eines Lichtvisiers, das die Ebene des Tomo­ grammes in der Öffnung des Tomographen anzeigt, stückweise unter mehrfacher bildlicher Kontrolle bis zum Ziel vorgeschoben (Grönemeyer, D. H. W. und Sei­ bel, R. M. M.: Interventionelle Computertomographie, Lehrbuch und Atlas zur interventionellen Operations­ technik und Schmerztherapie, Ueberreuther Wissen­ schaft, Wien Berlin 1989).

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Positio­ niervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die erlaubt, das Intervall zwischen der Bilderstellung und der Operation auf wenige Sekunden zu verkürzen, wodurch bewegungs- und atmungsbedingte Verlagerungen zwischen Rahmen und Operationsziel vermieden und hochpräzise stereotaktische Operationen am Körper durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Die Positioniervorrichtung besitzt gemeinsame Lokalisations- und tragende Elemente, zwischen denen die Positioniereinheit für die chirurgischen Instrumente angeordnet ist. Durch diesen flachen Aufbau ist die Positioniereinheit sehr klein und sie ist mit einer geringen Teilezahl herzustellen. Weiterhin besitzt sie ein geringes Gewicht.

Die Positioniervorrichtung ist frei auf oder am Körper eines Patienten lagerbar und für etwaige Korrekturen ihrer Lage leicht verschieblich. Sie ermöglicht, die gesamte Positioniereinrichtung auch in einem Tomographen unter beengten räumlichen Verhältnissen am Körper des Patienten zu belassen und so im Tomographen unter ständiger Kontrolle bzw. mit geringer Zeitverzögerung zwischen Planung und Ausführung Operationen durchzuführen.

Dabei gewährleisten die länglichen parallelen Rahmenteile durch die Markersubstanz in der Funktion von Lokalisationselementen eine sichere Erkennung der Lage des Tomogramms und die volle Einstellungsfreiheit der zwischen ihnen angeordneten chirurgischen Instrumente sowie ein freies Operationsfeld.

Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die im Tomographen kontrastierende Schraubenfläche ermöglicht die Bestimmung der Tomogrammkoordinaten in der Längsachse der Lokalisationsvorrichtung. Diese Koordinate läßt sich aus der Drehung der im Tomogramm erscheinenden Schnittlinie des Tomogramms mit der Schraubenfläche leicht visuell oder numerisch bestim­ men. Die Lokalisationsvorrichtung eignet sich daher sehr gut für die rechnergestützte automatische Bildauswertung. Durch diese Bestimmung der dritten Koordinate des Tomogrammes wird eine exakte Schnittpunktbestimmung der Längskoordinaten und die operative "Durch-Schicht-Technik" ermöglicht.

Bei einer Verkantung der Tomogrammebene gegenüber der auf der Längsachse der Lokalisationselemente senkrechten Ebene läßt sich aufgrund der sich dabei auf dem Tomogramm abzeichnenden charakteristischen "S"-Kurve als Schnittpunkt des Tomogramms mit der Schraubenfläche der Winkel zwischen dieser Längsachse und dem Tomogramm auf einfache Art und Weise bestimmen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Positioniervorrichtung an Hand der Zeichnung beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine Positioniervorrichtung;

Fig. 2 eine Darstellung von Tomogrammebenen;

Fig. 3A bis 3D eine schraubenförmige Marker- bzw. Lokalisationsvorrichtung;

Fig. 4 eine Darstellung eines Rahmenvektorsystems

Fig. 5 eine Darstellung eines Rahmenvektorsystems

Fig. 6 eine Darstellung eines Operationsweges.

Fig. 1 zeigt eine Positioniervorrichtung. Die in Fig. 1 gezeigte Positioniervorrichtung, ein stereotaktischer Rahmen, besteht aus Materialien, die keine Bildstörungen erzeugen. Das Material ist entweder selbst im Tomogramm sichtbar, oder es werden besondere Anteile des Rahmens mit Hohlräumen versehen, die durch geeignete Kontrastsubstanzen gefüllt und so im Bild sichtbar gemacht werden. Für die Röntgencomputertomographie eignet sich Acryl oder Aluminium, die sich hell im Bild darstellen, und Was­ ser oder Luft als Kontrastsubstanzen, die sich dunkel im Bild darstellen. Für die Kernresonanztomographie eignet sich Acryl, das sich schwarz im Bild darstellt und eine kontrastgebende Substanz, wie z. B. eine wäßrige Gadoliniumsalzlösung, die sich hell abbildet.

Der stereotaktische Rahmen - siehe Fig. 1 - besteht aus zwei zueinander parallelen Lokalisationselementen 1 und 2, die U-förmig auf einer Grundplatte 3 in einer Ebene angeordnet sind. Auf dieser Grundplatte ist ferner eine Positioniereinheit 4-12, die die Führung einer Nadel 13 ermöglicht, angebracht. Durch die Positioniereinheit ist der Ausgangspunkt der Operation, definiert durch den Schnittpunkt der Nadel und der von den Lokalisationselementen aufgespannten Ebene, an beliebig viele Punkte dieser Ebene verschiebbar. Zusätzlich ist die Nadel um die beiden Achsen der Ebene rotierbar.

Die Lokalisationselemente liegen auf dem Patienten und übernehmen somit auch tragende Funktion. Daher bekommt die Positioniereinheit keinen Kontakt mit der Haut und ist frei verschiebbar. Da die Lokalisationselemente auch diese tragende Funktion erfüllen, wird eine aufwendige Rahmenkonstruktion eingespart und die Anzahl der Teile reduziert. Der Rahmen wird klein und leicht. Er kann auf dem Patienten verschoben werden, wodurch besonders günstige Ausgangspositionen eingestellt werden können. Der Rahmen ist mit ca. 25 mal 30 Zentimetern Umfang so klein, daß er auf dem Patienten liegend im Tomographen Platz findet. Durch die geringe Größe und insbesondere durch die konstruktionsbedingte geringe Höhe des Rahmens braucht der Patient zu keinem Zeitpunkt vom Beginn der Bilderstellung bis zum Ende der Operation aus dem Tomographen herausgefahren werden. Die Operation kann daher im Tomographen durchgeführt werden. Voraussetzung für die Lokalisation ist jedoch, daß die Lokalisationselemente so auf dem Patienten gelagert werden, daß ihre Längsachsen senkrecht oder annähernd senkrecht zur Bildebene des Tomographen stehen.

Für die Planung des Operationsweges erzeugt der Tomo­ graph parallel zueinander liegende Tomogramme. Die Tomogramme sind Querschnittsbilder, die eine bestimmte Dicke und einen bestimmten Abstand zueinander aufwei­ sen. Sie bilden einen dreidimensionalen Raum ab, der durch ein rechtsdrehendes, rechtwinkliges Vektorsystem (e1, e2, e3) beschreibbar ist, siehe Fig. 1 und 2. Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Beispielen mit Koordinatensystemen werden hier der Einfachheit halber Vektoren verwendet. Die Vektoren (e1, e2) sind die Vektoren der jeweiligen Tomogrammebene. Der Vektor e3 steht senkrecht zu dieser Ebene. Vektoren werden im folgenden Text fettgedruckt, z. B. der Vektor a in Fig. 4. Im Vektorsystem des Tomographen ist der Vektor a mit den Komponenten (a1, a2, a3) der Ortsvektor des Punktes A.

Zunächst wird die Lage des Rahmens im Tomographenvek­ torsystem beschrieben. Auf zwei parallelen Tomogram­ men, T1 und T2, werden jeweils beide Lokalisa­ tionselemente in Querschnittsansicht abgebildet. Das Zentrum der kreisförmigen Querschnittsansicht ist als Schnittpunkt zwischen Lokalisationselement und Tomo­ gramm definiert. Mit drei Schnittpunkten wird das Rahmenvektorsystem konstruiert. Es sind die Punkte A, B (Schnittpunkt des ersten Lokalisationselementes mit dem Tomogramm T1 bzw. T2) und C (Schnittpunkt des zweiten Lokalisationselementes mit T1).

Mit den T1 und T2 ist die Lage der Schnittpunkte in der Bildebene (e1, e2) hinreichend beschrieben. Jedoch sind weder der Abstand zwischen den Tomogrammen T1 und T2 noch die Lage des Rahmens bezüglich der senkrecht zur Tomogrammebene verlaufenden Koordinate (e3) durch die Lokalisationseinrichtung charakterisiert. Zur Lösung dieser beiden Fragen ist im äußeren Rohr jedes Lokalisationselementes 1 und 2 eine Schraubenfläche vorgesehen, siehe Fig. 3. Die Schraubenflächen werden so in den Lokalisationselementen montiert, daß die Längsachse einer Schraubenfläche mit der Längsachse des entsprechenden Lokalisationselementes zur Deckung kommt. Die Schraubenflächen werden durch ein zweites Koordinatensystem, das Rahmenvektorsystem beschrieben. Es ist rechtwinklig und rechtsdrehend. Es wird durch die Vektoren (u, v, n) aufgespannt. Die Schrau­ benflächen weisen auf einer definierten Distanz k des in ihrer Längsachse verlaufenden Vektors u eine Eigenrotation ϕ von n nach v auf. Als Beispiel sei k 12 Zentimeter lang und führe eine Rotation ϕ um 180 Grad aus. Steht ein Lokalisationselement der Schraubenfläche senkrecht oder annähernd senkrecht zur Tomogrammebene, dann stellt sich die Schraubenfläche in Querschnittsansicht, wie in Fig. 3B gezeigt, als Strecke dar. Die Strecke wird von einem Kreis umgeben, der der Abbildung des Rohres entspricht. Die Strecke bildet mit dem Horizontalenvektor v des Rahmens einen Winkel κ. Dem oben genannten Beispiel folgend sei k = 0 cm, wenn κ = 0 Grad und k = 6 cm, wenn κ = 90 Grad, siehe Fig. 3C. Falls die Längsachse der Lokalisations­ elemente nicht senkrecht zur Tomogrammebene angeordnet ist und der Normalenvektor dieser Tomogrammebene in einem bestimmten Winkel ψ von n abweicht, dann verformt sich in der Querschnittsdarstellung der Kreis zu einer Ellipse und die gerade Strecke zu einer symmetrischen, s-förmigen Kurve, siehe Fig. 3D. Tritt dieser Fall auf, so kann die Lage der Vorrichtung leicht korrigiert werden. Die Abbildung der Schraubenlinie im Tomogramm dient also der einfachen Erkennung der Lage des stereotaktischen Rahmens.

Die ersten Aufgabe, die mit Hilfe der Schraubenfläche gelöst werden soll, die Bestimmung der Distanz zwi­ schen T1 und T2, ist für den Fall, in dem die Lokali­ sationselemente senkrecht zu den Tomogrammebenen T1 und T2 stehen, einfach. Die Distanz errechnet sich aus der Differenz von k1 und k2, die an den Schnittpunkten A bzw. B bestimmt werden.

Stehen die Lokalisationselemente nicht ganz genau senkrecht zu T1 und T2, dann berechnet sich die Di­ stanz zwischen zwei parallelen Tomogrammen folgendermaßen. Ein Lokalisationselement schneide das Tomogramm T1 im Punkt A mit (a1, a2, a3) und das Tomo­ gramm T2 in dem Punkt B mit (b1, b2, b3), wobei a3 die dritte Komponente aller auf T1 und b3 mit b3 = 0 die dritte Komponente aller auf T2 befindlichen Orts­ vektoren ist. Die Differenz (k2, k1) entspricht der Länge des Vektors a-b. Für die Bestimmung von a3 wird ein Hilfspunkt y (a1, a2, 0) durch Projektion von A von T1 auf T2 gewonnen. Der Betrag von a3 zwischen T1 und T2 ist |a-y|.

Die zweite Aufgabe, die mit Hilfe der Schraubenflächen gelöst werden soll, ist die Beschreibung des Ursprungs des Rahmenkoordinatensystems. Der Ursprung des Rahmenvektorsystems X ist durch den Schnittpunkt der Längsachse des Lokalisationselementes 1 und der Grundplatte 3 definiert, siehe Fig. 1. Vor der exakten Bestimmung des Ursprungs wird mit Hilfe der drei Schnittpunkte A, B und C das Rahmenvektorsystem (u, v, n) konstruiert.

Der zuerst gebildete Rahmenvektoren ist u, wobei u mit dem Vektor b-a des Tomographenkoordinatensystems übereinstimmt. Der Vektor n ist der Normalenvektor aus dem Vektorprodukt n = U×(c-a), siehe Fig. 1 und 4. Der Vektor v steht senkrecht zu u und n. Er wird durch mit dem Richtungsvektor vR, der sich aus dem Vektorprodukt vR = n×u ergibt und durch den Betrag |v|, der baulich bekannt ist und der Distanz zwischen den Lokalisationselementen des Rahmens entspricht, berechnet. Die Ebene (u, v) ist die Ebene zwischen den Lokalisationselementen, der Vektor n die Hauptrichtung des Operationsweges. Der Ursprung X des Rahmenvektorsystems entspricht dem Schnittpunkt A.

Der Ausgangspunkt der Operation J liegt in der Ausgangsebene (u, v) zwischen den Lokalisations­ elementen. Der Ortsvektor von J wird vom Operateur festgelegt und ist sowohl durch das Tomographen­ vektorsystem (e1, e2, e3) als auch durch die Rahmen­ vektorsystem (u, v) beschreibbar, wobei λ und µ vom Operateur frei gewählt werden:

j-a = λu + µv.

Der Zielpunkt Z mit dem Ortsvektor z des Tomographen­ vektorsystems wird ebenfalls sowohl durch das Tomo­ graphenvektorsystem als auch durch das Rahmenvektor­ system beschrieben:

z = a + ρu + σv + τn,

wobei

Der Vektor z-j entspricht dem Operationsweg. Die Länge des Operationsweges ist:

Nach Projektion von z-j auf die Ebene (v, n) wird der Winkel α zwischen z-j und v bestimmt.

Nach Projektion von z-j auf die Ebene (u, n) wird der Winkel β zwischen z-j und u bestimmt.

Der Operationsweg ist durch den Ausgangspunkt J, die Winkel α und β sowie die Punktionstiefe vollständig charakterisiert.

Diese Berechnung erlaubt, den Operationsweg schräg durch mehrere Tomogrammebenen zu legen. Im einfachen Fall verläuft die Nadel innerhalb einer einzigen Tomogrammebene und nur ein Tomogramm wird zur Berechnung des Operationsweges verwendet, siehe Fig. 6. Voraussetzung ist, daß der Ausgangspunkt der Operation J und das Operationsziel Z in dieser Ebene liegen. Der Operationsweg kann dann abweichend von der oben genannten Lösung durch die Schnittpunkte A und B, den Ausgangspunkt J und den Zielpunkt Z berechnet werden.

Der Vektor z-j entspricht dem Operationsweg. Die Länge des Operationsweges ist:

Der Winkel γ (AJZ) wird berechnet nach:

Technisch wird die Ausrichtung des chirurgischen Gerätes in der Ausgangsebene (u, v) durch die Verschiebungen von Führungseinrichtungen 3-7 umgesetzt. Zum einen ermöglicht ein Läufer 4 eine Verschiebung des Ausgangspunktes der Operation entlang v. Diese Funktion ist durch eine Schraube 5, die gegen die Grundplatte 3 drückt, arretierbar. Zum anderen kann durch eine Bohrung im Läufer 4 das Rohr 6 teleskopartig in Richtung u verschoben werden. Eine Nut des Rohres 6 und eine Rinne 4 in der Bohrung des Läufers verhindern eine Rotation des Rohres. Durch eine Schraube 7 im Läufer kann das Rohr 6 arretiert werden. Dieses weist eine Skalierung auf, die für den Ausgangspunkt den Betrag des Vektors u anzeigt.

Die Rotationen der Nadel um u und v werden konstruktionsbedingt folgendermaßen verwirklicht. Ein Rohr 8, das innerhalb des genannten Rohres 6 montiert ist, ermöglicht die Rotation der Nadel um u, wobei eine Skalierung am nadelfernen Ende des Rohres 6 den Rotationsgrad angibt und eine Schraube 9 eine Arretierung dieser Funktion ermöglicht. Die Rotation um v erfolgt durch eine Verschiebung des oberen Führungselementes 11 gegen das fest mit dem Rohr 8 verbundene untere Führungselement 10. Ein Nut (nicht gezeigt) verhindert die Rotation des oberen Führungselementes. An seinem nadelfernen Ende ist das obere Führungselement mit einer hülsenförmigen Schraube 12 verbunden, die frei gegen das Führungselement verdrehbar ist. Da die Schraube mit ihrem Gewinde am Rohr 8 faßt, kann das obere Führungselement teleskopartig gegen das Rohr herausgeschoben oder hereingezogen werden. Der Grad der Rotation ist an einer geeigneten Skala am nadelfernen Ende des Rohres 9 abzulesen. Die hülsenartige Schraube 12 ist so schwergängig, daß sie eine vorgenommene Einstellung trotz anderer Manipulationen am Apparat beibehält.

Die Nadel 13 selbst kann durch je ein Loch der Führungselemente 10, 11 vorgeschoben werden. Kleine Gummiringe (nicht gezeigt), die in die Löcher eingesetzt werden zentrieren die Nadeln verschiedener Stärke exakt in der Lochmitte und verhindern ein ungewolltes Verrutschen. Eine Skalierung auf der Nadel ermöglicht die Operationstiefe zu kontrollieren.

Die Operation wird folgendermaßen geplant und durch­ geführt. Vor der Operation wird der Patient bequem im Tomographen gelagert. Der stereotaktische Apparat wird auf den Patienten über das Operationsziel gelegt und mit Klebestreifen fixiert oder mit einem Gürtel am Patienten befestigt, wobei ein Gürtel zusätzlich ungewollte Atembewegungen einschränkt. Wichtig ist, daß der Apparat mit einem Spielraum von bis zu ca. 5 cm verschoben werden kann und doch genug Haftung am Patienten hat, um nicht ungewollt verlagert zu werden. Durch das Lichtvisier des Tomographen, das die Tomogrammebene darstellt, wird der stereotaktische Rahmen so plaziert, daß die Lokalisationselemente senkrecht oder annähernd senkrecht zur Tomogrammebene verlaufen. In einigen orientierenden Tomogrammen, die mit der herkömmlichen Röntgencomputertomographie nacheinander oder die mit der Spiral-Röntgencomputer­ tomographie oder der Kernresonanztomographie auf einmal aufgenommen werden, wird das Operationsziel auf einem Bildschirm des Tomographen oder eines peripheren Computers, zu dem die Bilder übertragen wurden, abgebildet. In einem Tomogramm wird der Zielpunkt markiert und seine Koordinaten gespeichert. Der Ausgangspunkt der Operation J wird durch den Operateur definiert. Wird ein Operationsweg durch ein oder mehrere Tomogramme gewählt, dann wird in zwei voneinander entfernt liegenden Tomogrammen T1 und T2 der Schnittpunkt der Lokalisationselemente und der Tomogramme durch Markierung per Hand oder durch eine Konturfindungsfunktion, die beide Lokalisations­ elemente umfährt und den Mittelpunkt der so gewonnenen Kreisfläche errechnet, oder durch eine Mustererkennung, die die Lokalisationselemente im Bild automatisch findet, bestimmt. Nach Berechnung des Operationsweges wird das Rahmenvektorsystem, der Operationsweg, sowie die Länge und die Winkel α und β in den Tomogrammen graphisch dargestellt. Der Operateur stellt darauf mit Hilfe der berechneten Werte den Ausgangspunkt und die Ausrichtung des chirurgischen Gerätes am Rahmen ein. Die restlichen Schritte der Operation werden in Sekundenschnelle durchgeführt.

In einem anschließend angefertigten Kontrolltomogrammen wird das chirurgische Gerät und das Ziel erneut abgebildet und die Lokalisations­ elemente, die jetzt möglicherweise an einer etwas anderen Position liegen, markiert. Vom Rahmen­ vektorsystem wird jedoch der Operationsweg, genauso wie er in der ersten Serie geplant worden ist, graphisch dargestellt. In diesen Tomogrammen vergleicht der Operateur die geplante und die tatsächliche Einstellung des chirurgisch Gerätes. Stimmen sie überein, dann kann er rasch das Gerät bis zum Ziel oder zumindest ein Stück weit vorschieben. Stimmen sie nicht überein, dann kann er durch Veränderung der Ausrichtung des Gerätes, durch Verlagerungen des Rahmens oder durch Atemkommandos so lange ausprobieren, bis die optimale Einstellung gefunden ist. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Überprüfung der Einstellung und die Durchführung der Operation in einem Atemstillstand, da Bewegungs­ verlagerungen ausgeschaltet werden, wodurch hochpräzise Operationen im Körper ermöglicht werden.

Claims (13)

1. Positioniervorrichtung zur Planung und Durchführung chirurgischer Eingriffe auf Grundlage röntgencomputer- und kernresonanztomographischer Bilder mit einem Rahmen und einer Positioniereinheit zur Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs auf ein Operationsziel, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen zwei längliche parallele Rahmenteile aufweist, die sich mittels einer Markersubstanz auf dem tomographischen Bild abbilden-und zwischen denen die Positioniereinheit für das Werkzeug angeordnet ist, und daß die Vorrichtung solche Abmessungen aufweist, daß sie zusammen mit dem Patienten innerhalb des Tomographen Platz findet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden länglichen parallelen Rahmenteile mit einer Querstrebe miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstrebe mit den länglichen parallelen Rahmenteilen im Bereich ihrer nebeneinanderliegender Enden verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinheit an der Querstrebe oder einem der parallelen Rahmenteile befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinheit in Längsrichtung der Querstrebe und/oder der länglichen parallelen Rahmenteile und/oder einer dritten Achse rotierbar und/oder verschieblich angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen parallelen Rahmenteile und die Positioniereinheit in einer Ebene oder auf einer gekrümmten Fläche angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einem Material besteht, das bei der Kernresonanztomographie oder Röntgencoinputertomographie keine Störungen er­ zeugt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Vorrichtung Hohlräume besitzen, die mit geeigneten Markersubstanzen gefüllt sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen parallelen Rahmenteile zumindest teilweise stabförmig sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einem der länglichen Rahmenteile entlang einer Achse eine verdrillte Fläche angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinheit manuell und/oder automatisch ausrichtbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Feststellelemente vorgesehen sind, durch die die Einstellungen der Positioniereinheit feststellbar sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenteile- und/oder die Positioniereinheit sichtbare Skalierungen zur Winkel- und/oder Längenbestimmung aufweisen.