DE19639615A1

DE19639615A1 - Neuronavigationssystem

Info

Publication number: DE19639615A1
Application number: DE19639615A
Authority: DE
Inventors: Stefan Vilsmeier
Original assignee: Brainlab Medizinische Computersysteme GmbH
Current assignee: Brainlab AG
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: DE19639615C5; DE19639615C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Neuronavigationssystem mit einem Reflektorenreferenzie rungssystem mit passiven Reflektoren und einem Markersystem mit Markern oder Landmarken, bei denen die Reflektoren sowie die Marker bezüglich ihrer Form, Größe und Materialauswahl sowie ihrer Anordnung bzw. Anbringung an den zu behandelnden Körperteilen und chirurgischen Instrumenten so ausgestaltet sind, daß ihre Lokalisation durch eine Rechner-/Kameraeinheit mit Grafik-Bildschirmausgabe sowie die Behandlung unter Zuhilfenahme dieser Einheit wesentlich erleichtert wird bzw. positionsgenauer stattfinden kann. Optional können ein chirurgisches Mikroskop, ein Ultraschall-Diagnosesystem sowie ein Kalibrierungsverfahren in das erfindungsgemäße Neuronavigationssystem integriert werden.

Neuronavigationssysteme stellen die Verbindung zwischen dem behandelnden Chirurgen, d. h. der Patientenanatomie wie er sie bei der Behandlung sieht, und diagnostischen Daten her, die beispielsweise durch eine Computertomographie erhalten wurden und durch eine Rechnereinheit mit einer Bildausgabe visuell dargestellt werden.

Um die oben genannte Verbindung herzustellen, d. h. die momentane Patienten anatomie und Position sowie die reale Raumposition von chirurgischen Instrumenten und Behandlungsapparaten auf dem Rechnerbildschirm sichtbar zu machen, müssen Vorrichtungen bereitgestellt werden, die die Patientenstellung und damit den genauen Ort der zu behandelnden Körperteile sowie den Ort der chirurgischen Instrumente und insbesondere deren Spitzen in einer Anfangsposition bestimmen und während der Operationstätigkeit verfolgen können.

Hierzu wird herkömmlicherweise eine Rechnereinheit zur Verfügung gestellt, an die zwei oder mehrere Referenzierungskameras angeschlossen sind. Mit den Kameras wird dann sowohl die Raumposition von an Patienten angebrachten künstlichen oder natürlichen Landmarken als auch die Raumposition von an chirurgischen In strumenten angebrachten Strahlungsemittern festgestellt.

Bei bisherigen System wird bezüglich der am Patienten angebrachten Landmarken folgendermaßen verfahren:
Vor der Durchführung der Computertomographie wird ein Satz künstlicher Landmarken an dem Patienten in der Umgebung der zu behandelnden Partie angebracht. Diese Landmarken, die sowohl bei der Computertomographie als auch später bei der Behandlung durch die Kameras erfaßt werden können, sind unterein ander völlig identisch. Sie werden beispielsweise über Pflaster aufgeklebt.

Nach der Behandlung werden die Daten der Computertomographie, d. h. sowohl die Positionsdaten der untereinander identischen künstlichen Landmarken als auch die Position des Behandlungsziels und der umgebenden Bereiche in das Rechnersystem eingegeben, das zusammen mit den Referenzierungs- bzw. Erfassungskameras am Operationstisch angeordnet ist. Hierauf folgt ein zeitaufwendiger Schritt, bei dem der Chirurg die einzelnen Landmarken am Patienten mit einem Zeigegerät anfahren muß, wonach er in den Rechner eingeben muß, welche der identischen Landmarken in der Operationsstellung derjenigen entspricht, die bei der Computertomographie erfaßt wurde. Hierzu müssen alle Landmarken mehrmals angefahren werden, worauf jedesmal die aufwendige manuelle Zuordnung zu den Computertomographie (CT)-Daten zu erfolgen hat. Da die mit Pflastern befestigten Landmarken keine charakteristischen Bezugspunkte, welche beim Anfahren mit einer Instrumentenspitze nicht verfehlt werden können, aufweisen, kann hierbei nur eine relativ ungenaue Positionsbestimmung stattfinden.

Weiterhin nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß die herkömmlichen Landmarken nach dem Abdecken mit sterilen Tüchern aufgrund ihrer insgesamt flachen Ausgestaltung nicht mehr ohne weiteres sichtbar sind und damit nicht mehr positionsgenau angefahren werden können, falls der Patient schon abgedeckt ist. Dies bringt insbesondere dann Schwierigkeiten mit sich, wenn in einer späteren Phase der Operation der Patient eine Stellungsänderung erfahrt und die Landmarken zur neuerlichen Einjustierung nochmals mit einem Zeigegerät angefahren werden müssen.

Die bekannten Landmarken sind ferner nachteiligerweise, nachdem sie einmal am Patienten befestigt wurden, nicht mehr in der Weise abnehmbar, daß sie positions genau durch andere Landmarken ersetzt werden können.

Herkömmliche Abstrahlersysteme für chirurgische Instrumente und Behandlungs apparate sind wie folgt aufgebaut:

Zwei oder mehrere aktive Abstrahler, die beispielsweise Infrarotstrahlen emittieren, sind an jedem Instrument bzw. Behandlungsapparat angebracht und wirken als auf einer Fläche befindliche Punktstrahler. Im Instrument befindet sich eine elektronische Vorrichtung, die die Abstrahlung der Signale ermöglicht, wobei das Instrument an seinem hinteren Ende mit einem Kabel mit der Rechnereinheit verbunden ist. Durch die abgegebenen Signale kann die Rechnereinheit die Raumstellung der Instrumente bzw. ihrer Spitzen identifizieren.

Auch dieses herkömmliche Instrumentenreferenzierungssystem weist einige Nachteile auf, die im folgenden erörtert werden. Schon die Verwendung von aktiven, d. h. selbst abstrahlende Signalgebern bringt den Nachteil mit sich, daß elektronische Vorrichtungen in den Instrumenten vorgesehen werden müssen, was insbesondere die Herstellung der Instrumente verteuert. Auch sind die an jedem Instrument befestigten Kabel zur Rechnereinheit bei Operationen hinderlich und können bei der Vielzahl der oftmals zu verwendenden Instrumente bei Behandlung sehr im Wege sein.

Die als Punkte auf einer Fläche des Instruments angebrachten Abstrahler sind nur in einem sehr begrenzten Winkelbereich vom Kamerasystem erfaßbar, d. h. sie können leicht durch das Instrument selbst oder die Hand des Chirurgen abgedeckt werden.

Die Sterilisation dieser Instrumente kann nur mittels der Gassterilisation erfolgen. Eine solche Gassterilisation kann bis zu einem Tag dauern, wodurch bei häufigem Einsatz mehrere Instrumentensätze eingekauft werden müssen, um jederzeit sterilisierte Behandlungsgeräte zur Verfügung zu haben.

Ein schwerwiegender Nachteil des herkömmlichen Referenzierungssystems besteht darin, daß der Chirurg ausschließlich die vom Hersteller zur Verfügung gestellten Instrumente verwenden kann. Viele Chirurgen sind jedoch an ihren eigenen Instrumentensatz gewöhnt und müßten sich bei der Verwendung eines anderen vorgegebenen Instrumentensatzes umstellen, was auch negative Auswirkungen auf den Behandlungserfolg haben kann.

Nachteiligerweise stellen herkömmliche Neuronavigationssysteme kein einfaches Kalibrierungssystem zur Verfügung, mit dem die Winkel bzw. Abstandsstellung der Erfassungs- bzw. Referenzierungskameras jederzeit komplikationslos erfaßt bzw. neu kalibriert werden kann. Da diese Kameras während einer Operation oftmals Stellungsveränderungen unterliegen, beispielsweise wenn eine der behandelnden Personen an den Kameraständer stößt, ist eine schnelle und leichte Neukalibrierung während der Behandlung von großer Wichtigkeit.

Meist kommt bei neurochirurgischen Behandlungen ein chirurgisches Mikroskop zum Einsatz. Solche Mikroskope sind herkömmlicherweise auf schweren Füßen und Gestellen gelagerte Apparaturen, wobei das eigentliche Mikroskop am Ende eines Gelenkarmes befestigt ist, der die motorische und die manuelle Verschiebung des Mikroskops gestattet und die Positionsdaten beispielsweise über die Erfassung der Winkelstellung der Armgelenke an eine bei der Neuronavigation verwendete Rechnereinheit rückmelden kann.

Die Füße bzw. Ständer solcher Mikroskope müssen sehr schwer und standfest ausgebildet werden, damit nicht etwa durch ein Anstoßen an das Mikroskop, dessen Stellung verändert werden könnte, und damit die gesamte erst auf die Anfangs stellung kalibrierte Neuronavigation des Mikroskops zusammenbricht. Die Mikroskope können nämlich herkömmlicherweise außer den Positionsdaten, die aus der Armstellung resultieren, keine zusätzlichen Positionsrückmeldungen an den Neuronavigationsrechner abgeben.

Schließlich kommen bei neurochirurgischen Behandlungen oftmals Ultraschall- Diagnosesysteme, wie sie beispielsweise bei der Untersuchung während einer Schwangerschaft bekannt sind, zum Einsatz. Nachteilig war bisher bei herkömm lichen Systemen die Tatsache, daß die Position von erfaßten Körperpartien zwar bezüglich des Ultraschallabstrahlers und Empfängers ermittelt werden konnte, jedoch keine Einordnung dieser Daten in ein am Operationstisch bereitgestelltes Neuronavi gationssystem in einfacher Weise möglich war.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Neuronavigationssystem zur Verfügung zu stellen, das die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll die Lokalisation von chirurgischen Instrumenten und Behandlungsapparaturen sowie die Referenzierung der Patientenanatomie und die Behandlungstätigkeit unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Neuronavigations systems wesentlich erleichtert werden bzw. positionsgenauer stattfinden können. Ferner soll insbesondere die Möglichkeit geschaffen werden, ein chirurgisches Mikroskop, ein Ultraschall-Diagnosesystem sowie ein Kalibrierungsverfahren für die Kamerastellung in ein Neuronavigationssystem zu integrieren.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Unteransprüchen definiert.

Das erfindungsgemäße Referenzierungssystem arbeitet mit passiven Reflektoren anstelle von nach dem Stand der Technik bekannten aktiven Signalabstrahlern. Es wird für neurochirurgische Instrumente und Behandlungsapparaturen eingesetzt. Insbesondere kommen hierzu eine Strahlungsquelle für vorzugsweise Infrarot strahlung, mindestens zwei Erfassungs- bzw. Referenzierungskameras und eine mit den Kameras verbundene Rechnereinheit mit einer Grafik-Bildschirmausgabe zum Einsatz. Erfindungsgemäß weist das Reflektorenreferenzierungssystem mindestens zwei Reflektoren auf, die wiederabnehmbar über Adapter an Instrumenten bzw. Behandlungsapparaturen angebracht werden können, und zwar in einer nur für diese Reflektorengruppe charakteristischen Anordnung. Der Vorteil eines solchen Referenzierungssystems mit passiven Signalgebern, also Reflektoren liegt ins besondere darin, daß aufgrund der charakteristischen individuellen Anordnung der Reflektoren jedes chirurgische Instrument ein nur für dieses Instrument selbst charakteristisches erfaßbares Bild zurückstrahlt. Die Recheneinheit erkennt deswegen über die Kameraerfassung sofort jedes einzelne Instrument und kann beispielsweise dessen Spitzenposition eindeutig am Bildschirm erkennbar machen.

Da passive, also reflektierende Abstrahler verwendet werden, ist keine Kabel verbindung mit der Rechnereinheit sowie kein elektronisches "Innenleben" der Instrumente mehr erforderlich. Der Chirurg erhält damit eine größere Bewegungs freiheit; Behinderungen durch Kabel werden ausgeschlossen.

Die Reflektoren, die vorteilhafterweise über Adapter wiederabnehmbar an Instrumenten bzw. Behandlungsapparaturen angebracht werden können, eröffnen die Möglichkeit, bei abgenommenen Reflektoren eine Autoklaven-Sterilisation der Instrumente durchzuführen. Solche Autoklaven-Sterilisationen können im Gegensatz zum im Stand der Technik verwendeten Gassterilisationen in sehr viel kürzerer Zeit (etwa 20 min) durchgeführt werden. Es ist damit nur noch nötig, einen oder mehrere Sätze sterilisierter Reflektoren zur Verfügung zu stellen, die auf die in der Autoklaven-Sterilisation sterilisierten Instrumente aufgebracht werden. Es müssen also nicht mehr, wie beim Stand der Technik, jeweils mehrere Sätze vollständiger Instrumente bereitgestellt werden.

Die über Adapter an den chirurgischen Instrumenten wiederabnehmbar an zubringenden Reflektoren können mit einem gewissen Abstand von der Anbringungs fläche positioniert werden. Durch diese Maßnahme ergibt sich ein gegenüber den herkömmlichen Systemen stark vergrößerter Winkelbereich, in dem die Reflektoren für das Kamerasystem noch erfaßbar sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Reflektorenreferenzierungssystems nach der Erfindung sind die Reflektoren kugelförmig ausgebildet und mit einem reflektierenden Überzug versehen. Solche Kugeln geben aus allen Raumrichtungen betrachtet ein einheitliches Reflexionsbild ab.

Vorteilhafterweise sind zwei der erfindungsgemäßen Reflektoren an einem Instrument, insbesondere einem Punktzeiger oder einem Kalibrierungsstab, angebrachte Steckverbindungen an diesem befestigt. Solche Steckverbindungen erlauben ein positionsgenaues und leicht durchzuführendes Anbringen und Abnehmen der Reflektoren. Die Abstände der beiden Reflektoren sind durch die Positionen der Steckverbindungen für jedes Instrument charakteristisch festgelegt, was dessen Ortung und Identifizierung durch das Navigationssystem in jeder Operationsphase ermöglicht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Referenzierungssystems sind drei Reflektoren an mindestens jeweils einem Armende eines mit drei Reflektorenarmen und einem Befestigungsfuß ausgebildeten Adapters befestigt, wobei der Befestigungs fuß an einem chirurgischen Instrument oder einer Behandlungsapparatur befestigbar ist. Die drei an den Armenden des Adapters angebrachten Reflektoren sind wiederum in einer charakteristischen Anordnung vorgesehen, d. h. für jeden Adapter ist beispielsweise die Winkelstellung der Arme sowie ihre Lange individuell einzigartig, wodurch für jeden Adapter ein charakteristisches Reflexionsbild entsteht. Der große Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß eine solche Reflektorengruppe mit ihrem Adapter über ihren Befestigungsfuß an praktisch jedem chirurgischen Instrument befestigt werden kann. Dies eröffnet für einen Chirurgen die Möglichkeit, seine gewohnten Instrumente weiter zu verwenden, d. h. in das Neuronavigationssystem einzubinden. Erforderlich wird hier lediglich eine kurze Kalibrierung an einem Referenzadapter, der später noch beschrieben wird, um den System die Stellung der Spitze des chirurgischen Instruments mitzuteilen. Auch durch dieses Adaptersystem wird die Sterilisierung der Instrumente in der vorher schon diskutierten Weise vereinfacht. Das System stellt eine ausreichende Anzahl von Adaptern mit charakteristischen Reflektorengruppen zur Verfügung, so daß alle notwendigen Instrumente mit dem Neuronavigationssystem zum Einsatz gebracht werden können.

Der oben erwähnte Referenzadapter wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt. Er umfaßt ebenfalls einen Befestigungsfuß, der drei in besonderer charakteristischer Anordnung befestigbare Reflektoren am Ende dreier Arme aufweist, wobei der Fuß an seinem Ende mit einer sich an die jeweilige Befestigungsstelle flexibel anpassenden Klammervorrichtung versehen ist.

Dieser Referenzadapter hat insbesondere zwei Funktionen. Zum einen kann er an einem fest mit dem Operationstisch verbundenen Punkt, beispielsweise an der Haltevorrichtung für die zu behandelnde Körperpartie befestigt werden. Dadurch und wegen der Tatsache, daß die Rechnereinheit nur diesem Referenzadapter sein charakteristisches Bild zuordnet, wird dafür Vorsorge getroffen, daß eine positions genaue Referenzierung aller Patientenanatomiedaten sowie eines gegenüber dem Patienten festen Reflexionsmuster auch dann noch möglich ist, wenn es während einer Operation notwendig wird, den Operationstisch zu verschieben, zu kippen, oder wenn versehentliche Stellungswechsel durch ein Anstoßen erfolgen. Die Reflexion des Referenzadapters meldet die Lage des fest mit dem Patienten verbundenen Systemteils jederzeit an die Rechnereinheit, so daß wegen solcher Verschiebungen keine Ungenauigkeiten und kein Zusammenbruch der Navigation auftreten kann.

Die Klammer am Befestigungsfuß des Referenzadapters kann verschiedenartig ausgestaltet werden. So ist sie zum Beispiel zur Anbringung an einer Haltevor richtung mit einer Schraubklemme ausgebildet, während in dem Fall, daß die Anbringung an einem Knochenteil erfolgt, weiche und stellungsmäßig flexible Klemmenenden zum Einsatz kommen, welche das Knochengewebe nicht schädigen. Letztere Möglichkeit kommt insbesondere bei Eingriffen im spinalen Bereich zum Tragen, wo der Referenzadapter beispielsweise an Wirbelfortsätzen befestigt wird.

Gemäß einer Ausgestaltung des Referenzadapters weist dieser vorzugsweise am Ausgangspunkt der drei Arme eine konisch zusammenlaufende Trichtermulde mit einem zentrischen Kalibrierungspunkt für die Spitzen der chirurgischen Instrumente auf. Hier kommt die zweite Funktion des Referenzadapters zum Tragen. Wie schon im vorhergehenden erläutert, bezeichnet der Referenzadapter im Navigationssystem einen gegenüber dem Patienten ortsfesten Punkt. Diese Eigenschaft kann dadurch ausgenützt werden, daß dem Referenzadapter gleichzeitig ein Kalibrierungspunkt zugeordnet wird, mit dessen Hilfe die Spitzenpositionen chirurgischer Instrumente bestimmt werden können. Wie im weiteren erläutert wird, kann mit Hilfe dieses Kalibrierungspunktes auch die Raumstellung anderer Apparaturen bestimmt werden.

Chirurgische Instrumente, insbesondere Instrumente, mit denen der Chirurg seit langer Zeit arbeitet, können wie vorher beschrieben, mit einem Drei-Reflektoren- Adapter bestückt werden, der dann ein für dieses Instrument charakteristisches Reflexionsbild abgibt. Hierzu muß allerding dem Navigationssystem noch mitgeteilt werden, wo sich die Spitze dieses Instruments befindet. Hierzu wird der Kalibrie rungspunkt am Referenzadapter verwendet. Der Chirurg bringt die Spitze seines Instruments an den ortbekannten Kalibrierungspunkt. Dies wird durch die Trichter form der konisch ausgestalteten Mulde, die an diesem Punkt zusammenläuft, erleichtert, auch wird die Spitze so festgestellt, daß sie völlig ruhig liegt. Danach führt der Chirurg einige Raumbewegungen mit dem Ende des chirurgischen Instruments durch, an dem sich der Drei-Reflektoren-Adapter befindet. Bei dieser Bewegung läuft, da die Spitze des Instruments stillsteht, jeder Reflektor auf einer Strecke, die in einer Kugelfläche mit dem senkrechten Abstand des Reflektors zum Trichtermittelpunkt liegt. Die Rechnereinheit des Navigationssystem kann diese spezielle Bewegung identifizieren und "weiß", daß mit diesem Drei-Reflektoren- Adapter gerade eine Spitzenkalibrierung vorgenommen wird. Sie errechnet den Abstand der Spitze zu den jeweiligen Reflektoren und damit die Spitzenposition des chirurgischen Instruments und ordnet diese dem charakteristischen Reflektorenmuster der drei am Instrument angebrachten Reflektoren zu. Das Instrument ist damit kalibriert und eindeutig identifiziert; es kann während der gesamten Operation zum Einsatz kommen.

Das Markersystem zur Referenzierung und Positionsbestimmung von neurochir urgisch zu behandelnden Körperpartien umfaßt mindestens drei künstliche Landmarken und ebenso viele Befestigungsvorrichtungen zur Befestigung der Landmarken am Patienten. Erfindungsgemäß gibt jede einzelne Landmarke ein sowohl bei einer diagnostischen Patientendatenerfassung als auch bei einer nachfolgenden Behandlungsüberwachung nur für sich selbst charakteristisches Bild ab.

Gegenüber dem Stand der Technik, der wie schon vorher erwähnt, mit untereinander gleichen, beispielsweise mit Pflastern aufgeklebten Landmarken arbeitet, zeigt das erfindungsgemäße Markersysteme folgende Vorteile:
Die Landmarken können einzeln identifiziert werden, und dies sowohl während der Computertomographie als auch durch das Neuronavigationssystem während der Operation. Die individuell bestimmten und erfaßten Landmarken werden nur einer Position im Raumkoordinatensystem zugeordnet. Es besteht nicht die Möglichkeit, daß die Landmarken bei der Erfassung durch das Neuronavigationssystem über die Kamera verwechselt werden.

Durch diese Ausgestaltung entfällt bei der Patientenreferenzierung der vorher beim Stand der Technik als negativ befundene langwierige erste Referenzierungsschritt für die Landmarken. Der Chirurg muß zwar immer noch mindestens drei Landmarken einzeln anfahren. Es entfällt jedoch die Tätigkeit der jeweiligen manuellen Positionszuordnung für diese Landmarke, da das Neuronavigationssystem die Reflexion der angefahrenen Landmarke erkennt und ihre Position nur derjenigen bei der Computertomographie erfaßten Landmarke zugeordnet, die dasselbe charakteristi sche Bild abgibt. Damit kann die gesamte Zeit für die Landmarkenzuordnung eingespart werden. Da die Raumanordnung der Landmarken zueinander ebenfalls ein charakteristisches Bild im Neuronavigationssystem abgibt, genügt meist das Anfahren von drei Landmarken mit einem Positionszeigegerät, dessen Spitzenposition dem System beispielsweise über eine vorgenannte Reflektorenanordnung bekannt ist, um eine ausreichend genaue Referenzierung der Patientenanatomiedaten durchzuführen. Das erfindungsgemaße Markersystem erlaubt demnach vorteilhafterweise eine sehr viel schnellere und genauere Positionsbestimmung und Referenzierung von neurochirurgisch zu behandelnden Körperteilen.

Die vorher beschriebenen Landmarken können aus Metallkörpern bestehen, die aufgrund spezifischer Materialdichte, Größe, Form und Anordnung zueinander bei der Datenerfassung in einem Computertomograph sowie bei der Positionserkennung mit Infrarotkameras inidividuell unterscheidbar sind. Vorzugsweise bestehen sie aus von ihren Befestigungsvorrichtungen abnehmbaren Aluminiumkörpern, die eine spezifische Form oder Größe aufweisen. Solche Aluminiumkörper sind einfach herstellbar und aufgrund ihres metallischen Charakters gut erfaßbar. Auch sind sie relativ leicht und lösen somit nicht schon durch ihr Eigengewicht die Befestigungs vorrichtungen, an denen sie abnehmbar befestigt sind, vom Patienten. Die Zweiteiligkeit der Landmarken spielt ebenfalls eine besondere Rolle. Die Be festigungsvorrichtungen, welche an ihrem Unterteil mit einem Haftmittel beispiels weise an der Haut des Patienten befestigt werden, können etwas erhaben, beispiels weise als Sockel ausgebildet werden. Auf diese Sockel kann mittels einer Steck verbindung oder einem andersartigen Schnellverschluß die jeweilige Landmarke befestigt werden. Damit besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die Landmarken zur Durchführung besonderer Einstellungsvorgänge auszutauschen. Weiterhin hebt sich der gesamte Marker mit Befestigungssockel und aufgesetzter Landmarke soweit von der Patientenanatomie ab, daß er auch nach einer Abdeckung durch sterilisierende Tücher noch einfach lokalisiert werden kann.

Das erfindungsgemäße Markersystem wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform dadurch ergänzt, daß es einen zusätzlichen Satz trichterförmiger Landmarken umfaßt, deren Trichtermittelpunkt dem Mittelpunkt der Landmarken entspricht, für die sie vor einer Referenzierung am Operationstisch ausgetauscht werden können.

Durch eine solche Ergänzung des Markersystems läßt sich die Genauigkeit der Positionsbestimmung und Referenzierung der Patientenanatomie in starkem Umfang erhöhen. Die bei der Computertomographie verwendeten Landmarken werden nach der Computertomographie von den Befestigungsvorrichtungen am Patienten abgenommen und durch Landmarken ersetzt, die eine Einrichtung wie einen spitz zulaufenden Innentrichter aufweisen. Durch einen solchen Innentrichter, dessen Mittel- bzw. Ausgangspunkt genau im Zentrum der Landmarke positioniert ist, läßt sich die Spitze eines chirurgischen Instruments unverschieblich und positionsgenau bei einer Referenzierung ansetzen.

Falls beispielsweise die Landmarke, die bei der Computertomographie verwendet wird, eine Kugel mit einem bestimmten Durchmesser war, kann diese nach der Computertomographie durch z. B. eine Dreiviertel-Kugel mit gleichem Durchmesser ersetzt werden, die an ihrem oberen Abschnitt einen Trichter aufweist, welcher genau im Mittelpunkt der Kugel zusammenläuft. Die Dreiviertel-Kugel ist aufgrund ihres übereinstimmenden Durchmessers noch immer als dieselbe Landmarke identifizierbar, wie die vollständige Kugel, die durch sie ersetzt wurde.

Der Chirurg kann nun, bei dem vorher beschriebenen Schritt der Landmarken erkennung mit einem Positionszeiger aufgrund der Trichterausbildung genau den Mittelpunkt der Landmarke anfahren. Hierdurch lassen sich Ungenauigkeiten beim Anfahren dieses Punktes, wie sie beim System gemäß dem Stand der Technik entstehen können, dessen Landmarken keine ausgezeichneten Stellen aufweisen, sehr gut vermeiden, die Referenzierung und Positionsbestimmung des Landmarkenmittel punktes wird mit hervorragender Genauigkeit durchgeführt. Auch bei diesem Referenzierungsverfahren kann wie beim oben erläuterten Kalibrierungsverfahren mittels des Kalibrierungspunktes des Referenzadapters, die Spitze des Positions zeigers an einer Stelle festgehalten werden, während dessen Ende bewegt wird. Beim Referenzieren der jeweiligen Landmarke wird also der Rechnereinheit durch das Stillstehen der Spitze während der Bewegung des Positionszeigers mitgeteilt, daß momentan eine Landmarken-Referenzierung stattfindet.

Weiterhin vorteilhaft wirkt sich die "Trichtergestaltung" in dem Moment aus, wenn die Landmarken während einer Operation aus irgendeinem Grund nachreferenziert werden müssen. Sollte der Patient nämlich schon durch sterile Tücher abgedeckt worden sein und befinden sich die Landmarken unter diesen Tüchern, so sind sie aufgrund ihrer erhabenen Struktur noch gut identifizierbar. Wegen der ausgebildeten Trichterform und weil die Sterilisationstücher eine geringe Dicke aufweisen, können die Mittelpunkt der Landmarken nunmehr auch dann sehr positionsgenau angefahren werden, wenn die Landmarken schon mit Tüchern abgedeckt sind. Der Patient muß, falls die Referenzierung einmal wiederholt werden muß, nicht erst von den Tüchern befreit und nach der Referenzierung wieder abgedeckt werden, was in der Praxis nie möglich ist.

Die Erfindung umfaßt weiterhin ein Kalibrierungsverfahren zur Bestimmung der Winkel- und Abstandsstellung von Referenzierungskameras, bei dem ein Kalibrie rungswerkzeug mit zwei an vorbestimmten Positionen mit bekanntem Abstand angebrachten Reflektoren in den Aufnahmebereich beider Kameras eingebracht wird, das Kalibrierungswerkzeug im Aufnahmebereich räumlich bewegt wird, mehrere Zwischenstellungen des Kalibrierungswerkzeugs von den Referenzierungskameras aufgenommen und mittels einer Rechnereinheit einzeln in Raumkoordinaten umgesetzt werden und die Rechnereinheit aus den Raumpositionen der Reflektoren die Winkel- und Abstandsstellung der Kameras errechnet und speichert.

Die Möglichkeit, daß während einer Operation einer der Operationsteilnehmer an den Kameraständer oder die Kameras selbst stößt, ist nicht völlig abwegig. Bei einer Stellungsveränderung der Kameras während einer Operation können aber plötzlich unterschiedliche Bilder an das Rechnersystem geliefert werden. Um eine Neukalibrie rung vorzunehmen, die wenig Zeit in Anspruch nimmt, aber auch um eine Anfangskalibrierung leicht durchführen zu können, bietet das vorher beschriebene Verfahren erfindungsgemäß eine vorteilhafte Möglichkeit. Die Rechnereinheit kennt die Form der Reflektoren und ihren Abstand auf dem Kalibrierungswerkzeug und kann, in einem gesonderten Kamerastellungs-Kalibrierungsschritt dieses Kalibrie rungswerkzeug deshalb dann erkennen, wenn es im Aufnahmebereich der Kameras geschwenkt wird. Die Informationen, die sich aus "Momentaufnahmen" mehrerer Stellungen des Kalibrierungswerkzeugs während dessen Bewegung ergeben, lassen für die Rechnereinheit aufgrund der bekannten Daten des Kalibrierungswerkzeugs einen Rückschluß auf die Kamerastellung zu. Schon nach kurzer Zeit kann die Rechnereinheit die Kamerastellung erfassen. Dieses Verfahren spart zunächst bei der Ersteinstellung Zeit und ist wegen seiner schnellen Durchführbarkeit und Einfachheit auch zur Nachjustierung nach einem Kamera-Stellungswechsel bestens geeignet.

Bei der räumlichen Bewegung des Kalibrierungswerkzeugs beim Kalibrierungs vorgang für die Kameras ist es von Vorteil, wenn beide Reflektoren zu jedem Zeitpunkt möglichst weit voneinander entfernt sind, und zwar bezogen auf die projizierte Kameraerfassungsebene. Deshalb wird bei einer vorteilhaften Ausgestal tung des Kalibrierungsverfahrens die räumliche Bewegung des Kalibrierungswerk zeugs und damit der Reflektoren auf einer Grafik-Bildschirmausgabe, beispielsweise dem Bildschirm des Neuronavigationssystems, durchgängig angezeigt. Die Bewegun gen können dann so durchgeführt werden, daß beide Reflexionspunkte am Schirm immer möglichst weit auseinander sind, was eine schnellere und genauere Kalibrierung ermöglicht.

Als Kalibrierungswerkzeug kann vorteilhafterweise ein mit abnehmbaren Reflektoren versehener Punktzeiger verwendet werden, welcher bei jeder Operation ohnehin benötigt wird. Die Daten der Reflektoren sowie ihr Abstand werden dann dem System als Daten des Kalibrierungswerkzeugs eingegeben werden.

Alternativ besteht die Möglichkeit, einen separaten mit abnehmbaren Reflektoren versehenen Kalibrierungsstab einzusetzen, der dann, zum jeweiligen System gehörig, jedesmal eingesetzt wird. Vorteilhafterweise kann ein solcher Kalibrierungsstab länger sein als beispielsweise ein Punktzeiger. Auch hierdurch läßt sich die Schnelligkeit und Genauigkeit der Kalibrierung verbessern.

Die Erfindung betrifft ferner eine Steuerung für ein chirurgisches Mikroskop. Das Mikroskop umfaßt folgende Bauteile:

Einen Mikroskopständer mit einem Fuß und mehreren motorisch und manuell im Raum bewegbaren aneinander angelenkten Armen und einer Mikroskophalte- bzw. Steuereinheit,
eine Strahlungsquelle für vorzugsweise Infrarotstrahlung, mindestens zwei Erfassungs- bzw. Referenzierungskameras, und
eine mit den Kameras verbundene Rechnereinheit mit einer Grafik-Bildschirm ausgabe.

Erfindungsgemäß ist das Mikroskop dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Reflektoren wieder abnehmbar über einen Adapter in einer nur für diese Reflektoren gruppe charakteristischen Anordnung an ihm angebracht sind.

Eingangs ist bei Mikroskopen gemäß dem Stand der Technik für nachteilig befunden worden, daß diese ihre Positionsmeldung lediglich aufgrund der Winkelstellung der Trägerarmteile an eine Rechnereinheit eines Neuronavigationssystems zurückmelden können. Sie müssen deshalb mit sehr schweren Ständern und Füßen ausgestattet werden, damit keine ungewollte Verschiebung des Mikroskops die Neuronavigation referenzlos machen und damit beenden kann.

Die erfindungsgemäße Mikroskopsteuerung, die eine charakteristische Reflektoren anordnung beinhaltet, welche am Mikroskop adaptiert ist, bietet nunmehr die Möglichkeit einer weiteren Rückmeldung der Positionsdaten des Mikroskops. Durch die besondere Anordnung der Reflektoren kann ein Neuronavigationssystem jederzeit diese Anordnung als Mikroskop-Reflektorenanordnung identifizieren. Die Mikro skopstellung wird über das Kamerasystem dem Rechner also als unmittelbare Raumposition mitgeteilt. Auch wenn eine Verschiebung des Mikroskops erfolgt, können deshalb die Daten aus der Arm-Gelenkstellung und diejenigen aus der Reflektorenstellung jederzeit abgeglichen werden; die Neuronavigation bleibt auch bei einem ungewollten Stellungswechsel des Mikroskops intakt.

Vorteilhafterweise wird die Raumstellung des Mikroskops bei einer ersten Kalibrierung mittels einer Fokkusierung der Mikroskopoptik auf einem Punkt mit bekannten Raumkoordinaten, vorzugsweise den Kalibrierungspunkt eines Referenza dapters durchgeführt, wobei die Fokkusierungsdaten mittels einer Datenübertragungs einrichtung an die Rechnereinheit übertragen werden, während dieselbe Rechner einheit mittels der Reflektoren und der Kameras die Raumposition des Mikroskops feststellt.

Hier kommt wieder die schon vorher erwähnte Kalibrierungsfunktion eines Referenzadapters, der ebenfalls mit einer Drei-Reflektoren-Anordnung versehen ist, zum Tragen. Um der Rechnereinheit mitzuteilen, wo sich das Mikroskop in einer Ausgangsstellung befindet, kann der Fokus des Mikroskops auf den Trichtermittel punkt eines vorher beschriebenen Referenzadapters scharfgestellt werden. Der Rechner erhält dann Daten über den Zoomfaktor und den Fokkusierungsabstand über eine Datenübertragungseinrichtung, beispielsweise einer Datenleitung, von Mikroskop und kennt damit, weil der Raumort des Kalibrierungspunkts bekannt ist, die Stellung des Fokkusierungspunktes sowie aus den Reflexionspunkten der am Mikroskop angebrachten Reflektoren die Mikroskopstellung. Aus diesen Daten kann eine genaue Positionsbestimmung des Mikroskops vorgenommen werden.

Nach der ersten Kalibrierung besteht erfindungsgemäß nunmehr auch die Möglich keit, jeweils durch die Ansteuerung der Bewegungsmotoren des Mikroskops durch die Rechnereinheit bzw. durch die Rückmeldung der Mikroskopbewegungen und -Positionsdaten an die Rechnereinheit folgende Steuerungsabläufe durchzuführen:

a) automatische Verfolgung und Fokkusierung einer Instrumentenspitze, deren Position der Rechnereinheit, über Reflektoren bekannt ist;
b) automatische Fokkusierung eines gespeicherten oder vorgegebenen Be handlungspunktes; und
c) Fokkusierung eines Behandlungspunktes aus verschiedenen Raum- und Winkelstellungen des Mikroskops.

Damit lassen sich folgende Tätgigkeiten durchführen: Der Chirurg deutet mit der Spitze eines mit Reflektoren versehenen, dem Navigationssystem bekannten Positionszeigers auf eine Stelle der zu behandelnden Partie, worauf die Recheneinheit die Koordinaten dieser Stelle identifiziert und das Mikroskop an diese Stelle fährt und den Fokus genau hier einstellt. Der Chirurg spart sich dadurch aufwendige Manövrierarbeiten mit dem Mikroskop-Steuersystem. Der Chirurg kann dem System ebenfalls einen bestimmten Punkt, den er bereits fokkusiert hat, zur Abspeicherung geben. Dieser Punkt kann danach durch einen einfachen Befehl jederzeit vom Mikroskop wieder fokkusiert werden. Manchmal, besonders wenn in Hohlräume mit nur kleinen Öffnungen einfokkusiert werden muß, muß zur "Ausleuchtung" des gesamten Hohlraums die gedachte Mikroskop-Fokuslinie um diese Öffnung "geschwenkt" werden. Es besteht mit der vorliegenden Steuerung ebenfalls die Möglichkeit, den Schwenkpunkt dieser Linie einzuspeichern und eine vorher beschriebene Ausleuchtung vorzunehmen.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Ultraschall-Diagnosesystem mit einem Ultraschallabstrahler- und empfänger und einer damit verbundenen Auswertungsein heit- und einer Bildschirmausgabe vorgestellt. Dieses System zeichnet sich erfindungsgemaß dadurch aus, daß am Ultraschallabstrahler- und empfänger ein Reflektorenadapter mit mindestens drei Reflektoren befestigt ist, der in einem eingangs beschriebenen Reflektorenreferenzierungssystem integriert ist.

Mit einer solchen erfindungsgemäßen Ausbildung lassen sich nunmehr die Daten, die mit einem Ultraschall-Diagnosegerät erhalten werden, positionell in ein Neuronaviga tionssystem einordnen. Auch der Ultraschallabstrahler- und empfänger besitzt eine Reflektorengruppe mit einer speziellen Anordnung, die vom Rechner nur für ihn identifiziert wird. Wenn die Daten, die vom Ultraschallsystem ermittelt werden, mit den Anatomiedaten aus der Computertomographie abgeglichen werden, können mit diesem System auch solche Schwierigkeiten verhindert werden, die beispielsweise dadurch entstehen, daß nach der Öffnung der über dem Behandlungsgebiet liegenden Gewebeschichten das zu behandelnde Gewebe etwas "zusammensackt".

Das erfindungsgemäße Neuronavigationssystem besteht insgesamt aus mehreren Teilen, nämlich einem Reflektorenreferenzierungssystem, einem Markersystem, einem Kalibrierungsverfahren für die Kameras, einer Mikroskopsteuerung und einem Ultraschall-Diagnosesystem. Alle diese Systemteile können jeweils separat eingesetzt und verwirklicht werden, sind aber auch in jedweder Kombination nutzbar, wobei die im Vorhergehenden beschriebenen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik zum Tragen kommen.

Die Erfindung soll im weiteren beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Gestell, in dem eine Rechnereinheit mit Bedienelementen untergebracht ist, auf dem ein Computermonitor als Grafik-Bild schirmausgabeeinheit steht und an welches ein Kamerahalter mit zwei Infrarotkameras angebracht ist;

Fig. 2 einen neurochirurgischen Punktzeiger mit an ihm angebrachten erfindungsgemäßen Reflektoren;

Fig. 3 eine chirurgische Pinzette, an deren hinterem Ende ein Adapter mit drei besonders angeordneten Reflektoren befestigt ist;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen mit zwei Reflektoren versehenen Punktzeiger;

Fig. 5 eine Aufsicht auf einen Referenzadapter mit drei Reflektoren und ein Kalibrierungspunkt;

Fig. 6 eine verkleinerte Darstellung eines Kalibrierungsstabes;

Fig. 7 einen Landmarken-Aufsatz, wie er bei einer Computertomographie aufnahme verwendet wird;

Fig. 8 einen Landmarken-Aufsatz, wie er bei der Referenzierung der Landmarken am Operationstisch verwendet wird;

Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Befestigungssockel für die Landmarken- Aufsätze aus den Fig. 7 und 8; und

Fig. 10 eine Aufsicht auf den Befestigungssockel der Fig. 9.

In einem Operationsraum, in dem das erfindungsgemäße Neuronavigationssystem zum Einsatz kommt, steht an einem Ende eines Operationstisches beispielsweise ein Gestell, wie es in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 10 angedeutet ist. In diesem Gestell ist eine Rechnereinheit 11 und verschiedene weitere Steuerungseinheiten, wie zum Beispiel eine Tastatur (nicht bezeichnet) untergebracht. Verbunden mit dieser Rechnereinheit ist der auf dem Gestell plazierte Schirm 12. Dieser gibt in verschiedenen Ansichten, auch in einer 3D-Ansicht, Schnittebenen bzw. Bilder der Patientenanatomie wieder und zeigt auch die Positionen von chirurgischen Instrumenten oder Reflektoren an diesen Instrumenten und an Behandlungs apparaturen auf. Desweiteren können in verschiedenen Feldern Zusatzinformationen ausgegeben werden.

Am Gestelloberteil, auf dem der Schirm 12 steht, ist ebenfalls ein Kamerahalter 13 befestigt. Dieser Kamerahalter 13 ist verstellbar ausgeführt und trägt an den Enden seiner oberen Arme zwei Infrarotkameras, die mit 14 bezeichnet sind.

Selbstverständlich sind die vorher beschriebenen Komponenten untereinander durch Datenübertragungsleitungen verbunden. Die Kameras 14 erfassen den Bereich des Operationstisches, in dem die Behandlung stattfindet und können dreidimensional Raumkoordinaten von chirurgischen Instrumenten und Behandlungsapparaturen erfassen, die mit Reflektoren versehen sind, welche Infrarotstrahlung reflektieren.

Am Operationstisch ist beispielsweise der Kopf eines Patienten an einer Feststellvor richtung ortsfest befestigt. Die Koordinaten der Patientenanatomie werden der in Fig. 1 dargestellten Rechnereinheit 11 durch ein im weiteren beschriebenes Markersystem zunächst durch Computertomographie-Daten mitgeteilt, wobei die momentane Anordnung der Marker bei der Operation ebenfalls mit Hilfe der Rechnereinheit und der Kameras vor Ort referenziert wird.

Dazu wird beispielsweise ein in Fig. 2 dargestellter Punktzeiger 20 verwendet. Der Punktzeiger 20 weist zwei durch Steckverbindungen an ihm angebrachte Reflektoren 21 und 22 auf. Der Abstand sowie die Form dieser Reflektoren 21 und 22 sind der Rechnereinheit 11 bekannt; d. h. dieser Punktzeiger 20 ist ein solcher, der immer dem jeweiligen Rechnersystem zugeordnet ist. Bekannt ist der Rechnereinheit 20 weiterhin die Position der Spitze 23 des Positionszeigers 20. Wenn dieser Positions zeiger 20 in das Erfassungsfeld der Kameras 14 gebracht wird, kann er unmittelbar vom System erkannt werden, d. h. seine Spitze 23 kann auf den Schirm 12 sichtbar gemacht werden.

Die Fig. 3 zeigt nunmehr eine chirurgische Pinzette 30. Am hinteren Ende dieser Pinzette 30 ist ein Adapter 31 lösbar mit dieser verbunden, der an seinen Armen drei Reflektoren 32, 33 und 34 trägt, welche eine charakteristische Anordnung aufweisen, die im Navigationssystem nur diesem Adapter 31 zugeteilt wird. Eine solche Pinzette 30 kann jedwede Pinzette sein, an der sich der Adapter 31 anbringen läßt. Es kann sich also hier auch um eine Pinzette handeln, mit der ein Neurochirurg schon seit Jahren arbeitet. Damit die Pinzette 30 zum Einsatz kommen kann, muß dem Neuronavigationssystem zunächst die Position ihrer Spitze 35 mitgeteilt werden. Hierzu wird, wie schon vorher bezüglich des Reflektorenreferenzierungssystem beschrieben, mit der Pinzettenspitze 35 ein im Navigationssystem bekannter Raumpunkt angefahren, worauf Kreisbewegungen mit dem Ende der Pinzette 30 durchgeführt werden. Die Rechnereinheit 11 erkennt über die Kameras 14 die spezielle Anordnung der Reflektoren 32, 33 und 34 und kann aus ihren Bewegungen bei stillstehender Spitze 35 der Pinzette 30 die Spitzenposition ermitteln.

Der Punktzeiger 20 aus Fig. 2 sowie die Pinzette 30 aus Fig. 3 sollen an dieser Stelle beispielhaft für alle Instrumente stehen, die bei neurochirurgischen Eingriffen verwendet werden. Das System arbeitet kabellos mit einem Reflektorenadapter mit passiven Reflektoren, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind. Diese können beispielsweise auch an Ultraschall-Diagnosegeräten und neurochirurgischen Mikroskopen befestigt werden, wobei die Kalibrierung eines Mikroskops dann, wie beschrieben, über die Fokkusierung eines ortsbekannten Kalibrierungspunktes durchgeführt wird.

Die Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des Punktzeigers 20 aus Fig. 2 in einer anderen Ebene. Deutlich wird hier, daß die Reflektoren 21 und 22 durch Steck verbindungen am Positionszeiger 20 angebracht sind. Die Reflektoren 21, 22 sind deshalb abnehmbar. Da die Reflektoren 21, 22, die meist mit einem empfindlichen reflektierenden Überzug ausgestaltet sind, die einzigen Teile des Positionszeigers 20 sind, die bezüglich der Sterilisation eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, ist dieser Positionszeiger 20 mit den abnehmbaren Reflektoren 21, 22 sehr einfach und schnell sterilisierbar. Sind nämlich die Reflektoren 21, 22 erst einmal abgenommen, kann beispielsweise eine Autoklaven-Sterilisation durchgeführt werden, worauf ein neuer vorbereiteter Satz sterilisierter Reflektoren 21 und 22 aufgesteckt wird. Der Positionszeiger 20 kann so nach kurzer Zeit sterilisiert wiederverwendet werden.

Die Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf einen schon vorher desöfteren beschriebenen Referenzadapter 50, der mittels einer in dieser Ansicht unter seinem Mittelpunkt verborgenen Anklemmvorrichtung an einem relativ zum Patienten ortsfesten Teil befestigt wird. Dieser Teil kann beispielsweise die Feststelleinrichtung für den Kopf eines Patienten sowie ein Dornfortsatz in einem Wirbelkörper sein.

Der Referenzadapter 50 besteht aus den Armen 51, 52 und 53, die eine nur für ihn charakteristische Lange und Winkelstellung aufweisen. Am Ende dieser Arme 51, 52 und 53 sind jeweils Reflektoren 54, 55 und 56 befestigt. Durch diese Reflektoren gruppe und ihre charakteristische Anordnung und/oder Größe kann der Referenza dapter 50 jederzeit eindeutig durch das Neuronavigationssystem bezüglich seiner Position identifiziert werden. Die Position des Referenzadapters 50 bleibt normaler weise während einer Operation immer dieselbe. Falls es jedoch nötig wird, den Patienten umzulagern, kann der ortsfest mit der referenzierten Patientenanatomie verbundene Referenzadapter 50 jederzeit auch nachträglich vom Navigationssystem erfaßt und verfolgt werden, so daß auch die Gesamtlage des Patienten-Referenz systems jederzeit der Rechnereinheit 11 bekannt bleibt.

Eine besondere Rolle in Hinsicht auf den Referenzadapter 50 spielt der Kalibrie rungspunkt 57, der in diesem Beispiel am Ausgangspunkt der drei Arme 51, 52 und 53 angeordnet ist. Er befindet sich in einer Mulde, so daß er positionsgenau durch Instrumentenspitzen (beispielsweise die Positionszeigerspitze 23, Fig. 2 oder die Pinzettenspitze 35, Fig. 3) angefahren werden kann. Nach diesem Anfahren folgt dann eine Bewegung des Instruments, deren Mittelpunkt die Spitze, also die Mulde des Referenzadapters 50 im Kalibrierungspunkt 57 bildet. Die bereits im einzelnen beschriebene Kalibrierung kann durchgeführt werden.

In sehr verkleinertem Maßstab ist in Fig. 6 ein Kalibrierungswerkzeug, hier ein Kalibrierungsstab 60 dargestellt. Dieser Kalibrierungsstab 60 sollte in realiter eine Lange von mindestens etwa 40 cm haben. An beiden Enden des Kalibrierungsstabes 60 ist in einem vorbestimmten, den Rechner 11 bekannten Abstand jeweils ein Reflektor 61, 62 angeordnet. Die charakteristischen Eigenschaften der auch hier abnehmbar ausgestalteten Reflektoren 61, 62, nämlich ihre Größe sowie ihr Abstand am Kalibrierungsstab 60 sind der Rechnereinheit 11 bekannt und werden nur diesem Stab zugeordnet. Mit diesem Stab 60 kann dann das schon beschriebene Kalibrie rungsverfahren für die Winkel- bzw. Abstandsstellung der Kameras 14 durchgeführt werden.

Die Fig. 7 zeigt einen Landmarken-Aufsatz, wie er bei der Erfassung der Patientenanatomie im Computertomographen verwendet wird. Dieser Aufsatz ist mit 70 bezeichnet. Er besteht aus einem kugelförmigen Hauptkörper 71, der beispiels weise eine Aluminiumkugel ist. In dieser Aluminiumkugel, die individuell auf der Basis ihrer im System einzigartigen Größe sowohl durch die Computertomographie als auch durch das Neuronavigationssystem identifiziert werden kann, ist unten ein Rastfortsatz 72 angebracht, mit dem der Landmarkenaufsatz 70 in eine Befestigungs vorrichtung 90 (Fig. 9) eingeschoben und eingerastet werden kann.

Ein Landmarkenaufsatz, durch den der Landmarkenaufsatz 70 aus Fig. 7 nach der Computertomographie ersetzt wird, ist als Aufsatz 80 in Fig. 8 bezeichnet. Die Abmessungen des Landmarkenhauptkörpers 81, d. h. der Kugeldurchmesser entspricht demjenigen des Landmarkenhauptkörpers 71 aus Fig. 7. Modifiziert ist der Landmarken-Aufsatz 80 dahingehend, daß ein oberer Teil der Kugel abge schnitten ist und in die Kugel ein muldenförmiger Trichter 83 eingearbeitet wurde, dessen Spitze sich genau in der Kugelmitte befindet, wie im Ausbruch der Fig. 8 gezeigt ist. Der Rastfortsatz 82 entspricht genau dem Rastfortsatz 72 (Fig. 7).

Nach der Patientendatenerfassung im Computertomographen wird der Landmarken-Aufsatz 70 durch den Landmarken-Aufsatz 80 ersetzt. Weil beide Kugeln denselben Durchmesser haben, kann der Landmarken-Aufsatz 80 durch das Neuronavigations system als dieselbe Landmarke identifiziert werden, wie sie als Landmarke 70 bei der Computertomographie erfaßt wurde. Die Mulde mit der trichterförmig zusammenlaufenden Spitze erlaubt beim Referenzierungsschritt für die Landmarke 80 im Rahmen der Kalibrierung des Neuronavigationssystems das genaue Anfahren des Kugelmittelpunkts durch die Spitze eines chirurgischen Instruments. Damit wird die Referenzierung erleichtert und genauer gemacht, sie kann auch nach dem Abdecken mit sterilen Tüchern durchgeführt werden.

Die Fig. 9 zeigt eine Befestigungsvorrichtung 90, die an ihrer Unterseite mittels eines Haftmittels beispielsweise auf der Haut eines Patienten befestigt wird. Der Sockel 92 dieser Befestigungsvorrichtung 90 weist eine Einstecköffnung 91 auf, in die sowohl der Landmarken-Aufsatz 70 als auch der Landmarken-Aufsatz 80 aus den Fig. 7 und 8 eingesteckt und verrastet werden können. Die Fig. 10 zeigt eine obere Ansicht der Befestigungsvorrichtung 90. Es ist zu sehen, daß im Sockel 92 eine zusätzliche nasenförmige Öffnung 100 eingebracht ist, durch die die Rast fortsätze 72, 82 eingeführt werden können. Nach dem Drehen der gesamten Landmarken-Aufsätze 70 und 80 rasten deren untere Vorsprünge im Durchgangsloch 91 des Sockels hinter dessen unterem Absatz ein und verbleiben dort fest.

Während nunmehr die wichtigsten Bestandteile des Neuronavigationssystems gemäß der Erfindung erläutert wurden, soll im folgenden die Erfindung noch dadurch weiter und eingehender erklärt werden, daß ein typischer Behandlungsablauf dargestellt wird:
Zunächst werden an einem Patienten, an dessen Gehirn ein neurochirurgischer Eingriff vorzunehmen ist, fünf Landmarkensockel 92 an der Haut in der Umgebung der zu öffnenden Schädelpartien befestigt. Zur Referenzierung der Anatomiedaten bei einer Computertomographie werden in die Sockel 92 fünf kugelförmige Aluminium-Landmarken-Aufsätze 70 eingesetzt. Die Stellen, an denen die Landmarken befestigt werden, werden so ausgewählt, daß sie während der Behandlung eine möglichst geringe Verschiebung erfahren. Sie sollten möglichst nah an der zu behandelnden Stelle liegen und dabei untereinander einen möglichst großen Abstand aufweisen. Mindestens drei Landmarken müssen verwendet werden, die Verwendung von zwei zusätzlichen Landmarken kann dem System jedoch eine größere Genauigkeit und Sicherheit verleihen.

Als nächstes wird eine Computertomographie durchgeführt, bei der die zu behandelnden Partien sowie die Landmarken erkannt und positionell miteinander ins Verhältnis gebracht werden.

Während der Patient in die Chirurgie gebracht wird, werden die Computertomogra phiedaten auf optischen Disks abgespeichert und darauf zur Rechnereinheit 11 gebracht, die die Daten ausliest und auf dem Schirm 12 als Bilder wiedergibt. Diese Bilder sind Schnittbilder in verschiedenen Ebenen sowie ein 3D-Bild. Der Chirurg kann seine Operationsstrategie nach dieser Wiedergabe planen. Während die Anästhesie des Patienten vorbereitet wird, wird die Stellung der Kameras 14 am Ständer kalibriert. Hierzu nimmt der Chirurg einen Kalibrierungsstab 60 mit zwei Reflektoren 61 und 62 und bewegt ihn in der Erfassungszone der Kameras 14. Durch die Erfassung von etwa zehn momentanen Stellungen der Reflektoren 61 und 62 am Kalibrierungsstab 60 in kurzen Abständen, kann das System die Kamerastellung erfassen und abspeichern.

Der Kopf des Patienten wird nun mit einer Feststellvorrichtung am Operationstisch räumlich unbeweglich gemacht. Hierauf werden die kugelförmigen Landmarken- Aufsätze 70 durch die mit Positionierungstrichtern 83 versehenen teilkugelförmigen Landmarken-Aufsätze 80 ersetzt.

Nach der Sterilisation wird der Patient steril abgedeckt, wobei auch die Landmarken 80 mit abgedeckt werden können. Die Abdeckung kann mittels herkömmlicher Tücher oder mittels einer durchsichtigen Folie durchgeführt werden.

Im darauffolgenden Schritt wird ein Referenzadapter 50 an der Feststellvorrichtung für den Kopf des Patienten befestigt. Er wird durch seine besondere Reflektor anordnung identifiziert, seine Position sowie die Position seines Kalibrierungspunktes 57 werden durch das Neuronavigationssystem festgestellt.

Der Chirurg kann nun mit einem ebenfalls identifizierten, dem System bekannten Punktzeiger 20 die fünf Landmarken-Aufsätze 80 anfahren, und zwar so, daß die Spitze 23 des Punktzeigers 20 jeweils genau in die Trichterspitze, also den Mittelpunkt der Kugel 81 einfährt. Aus den bekannten Daten der jeweiligen Landmarken, die individuell unterscheidbar sind, kann das System innerhalb von Sekunden die jeweiligen Landmarken identifizieren und somit auch die Patienten- Anatomiedaten aus der Computertomographie in sein Erfassungssystem übernehmen. Die Stellung der Spitzen von neurochirurgischen Instrumenten kann nunmehr relativ zu den Anatomiedaten am Schirm 12 dargestellt werden. Dies gilt nach einer Kalibrierung am Kalibrierungspunkt 57 des Referenzadapters 50 auch für jedwede chirurgischen Instrumente, auf die ein Reflektorenadapter 31 aufgesetzt wurde.

Um den genauen Ort zu bestimmen, an dem ein Eingriff vorgenommen werden muß, kann die Spitze eines Punktzeigers, der auf die Kopfhaut zeigt, virtuell verlängert werden. Der Chirurg sieht die zu behandelnde Läsion virtuell mit Hilfe der Bildschirmausgabe und kann durch die ebenfalls virtuelle Verlängerung seines Instruments den optimalen Eingriffsweg vorausbestimmen.

Nach der Öffnung des Schädels an der so aufgefundenen Stelle kann wie oben beschreiben, eine Pinzette 30 mit einem daran angebrachten Drei-Reflektoren- Adapter 31 am Kalibrierungspunkt 57 des Referenzadapters 50 kalibriert werden, d. h. der genaue Ort der Pinzettenspitze 35 wird festgestellt. Mit dieser Pinzette 30 kann nunmehr die Resektion der Läsion vorgenommen werden, wobei der Chirurg die Spitze 35 der Pinzette 30 zu jeder Zeit am Bildschirm 12 verfolgen kann.

Mit dieser Methode kann also die Resektion der Läsion unter weitgehender Vermeidung der Zerstörung von gesundem Gewebe durchgeführt werden. Ferner konnte die Operation in einer sehr kurzen Zeit durchgeführt werden. Alle verwende ten Instrumente konnten aufgrund des Einsatzes von passiven Reflektoren kabellos bewegt werden, was den Chirurgen Behinderungen während der Operation ersparte. Er konnte durch den Einsatz von Drei-Reflektoren-Adaptern seine eigenen gewohnten Instrumente verwenden. Alle diesen Faktoren konnten insgesamt zu einer Ver besserung des Behandlungsergebnisses führen.

Claims

1. Reflektorenreferenzierungssystem für neurochirurgische Instrumente (20, 30) und Behandlungsapparaturen mit
einer Strahlungsquelle für vorzugsweise Infrarotstrahlung (14), mindestens zwei Erfassungs- bzw. Referenzierungskameras,
einer mit den Kameras (14) verbundenen Rechnereinheit (11) mit einer Grafik-Bildschirmausgabe (12), und mehreren Reflektoren (21, 22, 32, 33, 34), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Reflektoren (21, 22) wiederabnehmbar über Adapter (24, 31) an Instrumenten (20, 30) bzw. Behandlungsapparaturen in einer nur für diese Reflek torengruppe charakteristischen Anordnung angebracht werden können.

2. Reflektorenreferenzierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (21, 22, 32, 33, 34) kugelförmig und mit einem reflektierenden Überzug ausgebildet sind.

3. Reflektorenreferenzierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei Reflektoren (21, 22) über an einem Instrument, insbesondere einem Punktzeiger (20) oder einem Kalibrierungsstab (60), angebrachte Steck verbindungen (24) an diesem befestigt werden.

4. Reflektorenreferenzierungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Reflektoren (32, 33, 34) an mindestens jeweils einem Armende eines mit Reflektorenarmen und einem Befestigungsfuß ausgebildeten Adapters (31) befestigt sind, wobei der Befestigungsfuß an einem chirurgischen Instrument (30) oder einer Behandlungsapparatur befestigbar ist.

5. Reflektorenreferenzierungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Reflektoren an einem Adapter zur Anbringung an ein chirurgischen Mikroskop befestigt sind.

6. Reflektorenreferenzierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner einen dreiarmigen Referenzadapter (50) mit einem Befestigungsfuß umfaßt, der ebenfalls drei in besonderer charakteristischer Anordnung befestigbare Reflektoren (54, 55, 56) an jedem Armende aufweist, wobei der Fuß an seinem Ende mit einer sich an die jeweilige Befestigungsstelle flexibel anpassenden Klammer versehen ist.

7. Reflektorenreferenzierungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzadapter vorzugsweise am Ausgangspunkt der drei Arme (51, 52, 53) eine konisch zusammenlaufende Trichtermulde mit einem zentrischen Kalibrierungs punkt (57) für die Spitzen der chirurgischen Instrumente (20, 30) aufweist.

8. Markersystem zur Referenzierung und Positionsbestimmung von neurochirurgisch zu behandelnden Körperpartien, mit mindestens drei künstlichen Landmarken-Aufsätzen (70), ebenso vielen Befestigungsvorrichtungen (90) zur Befestigung der Landmarken- Aufsätze (70) am Patienten, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Landmarken-Aufsatz (70) ein sowohl bei einer diagnostischen Patientendatenerfassung als auch bei einer nachfolgenden Behandlungsüberwachung nur für sie selbst charakteristisches Bild abgibt.

9. Markersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Landmarken- Aufsätze (70) aus Metallkörpern bestehen, die aufgrund spezifischer Materialdichte, Größe, Form und Anordnung bei der Datenerfassung in einem Computertomogra phen sowie bei der Positionserkennung mit Infrarotkameras individuell unterscheid bar sind.

10. Markersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Landmarken- Aufsätze (70) aus von den Befestigungsvorrichtungen (90) abnehmbaren Aluminium körpern von erfaßbar spezifischer Form und/oder Größe bestehen.

11. Markersystem nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zusätzlichen Satz trichterförmiger Landmarken-Aufsätze (80) umfaßt, deren Trichtermittelpunkt dem Mittelpunkt der Landmarken-Aufsätze (70) entspricht, für die sie vor einer Referenzierung am Operationstisch ausgetauscht werden können.

12. Kalibrierungsverfahren zur Bestimmung der Winkel- und Abstandsstellung von Referenzierungskameras (14), dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierungswerkzeug (60, 20) mit zwei an vorbestimmten Positionen mit bekanntem Abstand angebrachten Reflektoren (61, 62, 21, 22) in den Aufnahme bereich beider Kameras (14) eingebracht wird, das Kalibrierungswerkzeug (60, 20) im Aufnahmebereich räumlich bewegt wird, mehrere Zwischenstellungen des Kalibrierungswerkzeugs (60, 20) von den Referen zierungskameras (14) aufgenommen und mittels einer Rechnereinheit (11) einzeln in Raumkoordinaten umgesetzt werden, und daß die Rechnereinheit (11) aus den Raumpositionen der Reflektoren (61, 62, 21, 22) die Winkel und Abstandsstellung der Kameras (14) errechnet und speichert.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grafik-Bildschirmausgabe (12) während der räumlichen Bewegung des Kalibrierungswerk zeugs (60, 20) die projizierte Relativstellung der Reflektoren (61, 62, 21, 22) anzeigt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Kalibrierungswerkzeug ein mit abnehmbaren Reflektoren (21, 22) versehener Punkt zeiger (20) verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Kalibrierungswerkzeug ein mit abnehmbaren Reflektoren (61, 62) versehener Kali brierungsstab (60) verwendet wird.

16. Steuerung für ein chirurgisches Mikroskop mit
einem Mikroskopständer mit einem Fuß und mehreren motorisch oder manuell im Raum bewegbaren aneinander angelenkten Armen und einer Mikroskophalte- bzw. Steuereinheit,
einer Strahlungsquelle für vorzugsweise Infrarotstrahlung,
mindestens zwei Erfassungs- bzw. Referenzierungskameras,
einer mit den Kameras verbundenen Rechnereinheit mit einer Grafik-Bildschirm ausgabe,
dadurch gekennzeichnet, daß am Mikroskop mindestens drei Reflektoren wiederabnehmbar über einen Adapter in einer nur für diese Reflektorengruppe charakteristischen Anordnung angebracht sind.

17. Steuerung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumstellung des Mikroskops bei einer ersten Kalibrierung mittels einer Fokussierung der Mikroskop optik auf einen Punkt mit bekannten Raumkoordinaten, vorzugsweise den Kalibrie rungspunkt eines Referenzadapters, durchgeführt wird, wobei die Fokussierungsdaten mittels einer Datenübertragungseinrichtung an die Rechnereinheit übertragen werden, während dieselbe Recheneinheit mittels der Reflektoren und der Kameras die Raumposition des Mikroskops feststellt.

18. Steuerung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Kalibrierung jeweils durch die Ansteuerung der Bewegungsmotoren des Mikroskops durch die Rechnereinheit bzw. durch die Rückmeldung der Mikroskopbewegungen und -positionsdaten an die Rechnereinheit folgende Steuerungsabläufe durchgeführt werden:

a) Automatische Verfolgung und Fokussierung einer Instrumentenspitze deren Position der Recheneinheit über Reflektoren bekannt ist;
b) Automatische Fokussierung eines gespeicherten oder vorgegebenen Behandlungs punktes; und
c) Fokussierung eines Behandlungspunktes aus verschiedenen Raum- und Winkelstel lungen des Mikroskops.

19. Ultraschall-Diagnosesystem mit
einem Ultraschallabstrahler- und empfänger,
einer damit verbundenen Auswertungseinheit und Bildschirmausgabe,
dadurch gekennzeichnet, daß am Ultraschallabstrahler- und empfänger ein Reflektorenadapter mit mindestens drei Reflektoren befestigt ist, der in einem Reflektorenreferenzierungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 7 integriert ist.

20. Neuronavigationssystem mit einem Reflektorenreferenzierungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 7 und einem Markersystem nach den Ansprüchen 8 bis 11.

21. Neuronavigationssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine Mikroskopsteuerung nach den Ansprüchen 16 bis 18 für ein chirurgisches Mikroskop umfaßt.

22. Neuronavigationssystem nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß vor seinem Einsatz ein Kalibrierungsverfahren nach den Ansprüchen 12 bis 15 durchgeführt wird.