-
Die
Erfindung betrifft ein Reflektorenreferenzierungsystem nach dem
Anspruch 1.
-
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 Patientenanatomie
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 Instrumenten
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 untereinander 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 Instrumuntenspitze
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 Opera tion der Patient eine Stellungsänderung erfährt 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
positionsgenau durch andere Landmarken ersetzt werden können.
-
Herkömmliche
Abstrahlersysteme für
chirurgische Instrumente und Behandlungsapparate 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, wie es beispielsweise aus der
DE 296 00 990 U1 bekannt
ist, 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.
-
Aus
der
US-A 5,389,101 sind
ein Verfahren und eine Einrichtung zur photogrammetrischen chirurgischen
Lokalisierung bekannt, wie sie durch den Oberbegriff des Patentanspruchs
1 beschrieben wird. Nachteiligerweise arbeitet das System mit Videokameras,
die sichtbares Licht erfassen, so daß die Unterscheidung der dieses
Licht reflektierenden Referenzmarker von anderen Lichtreflexen im
Operationsge biet nur sehr schwer und mit höchstem Rechenaufwand möglich ist.
-
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 Anfangsstellung 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.
-
Eine
Steuerung für
ein chirurgisches Mikroskop auf optischer Basis ist aus der
DE 41 34 481 bekannt.
-
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 herkömmlichen 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
Neuronavigationssystem in einfacher Weise möglich war.
-
Ein
Ultraschall-Diagnosesystem, bei dem der Ultraschallkopf mittels
der vorher schon als nachteilig beschriebenen aktiv abstrahlenden
LEDs lokalisierbar ist, ist aus der
US-A
5,197,476 bekannt.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mittels eines Reflektorenreferenzierungssystems
oder eines Markersystems die Lokalisation von chirurgischen Instrumenten
und Behandlungsapparaturen sowie die Referenzierung der Patientenanatomie
und die Behandlungstätigkeit
wesentlich zu erleichtern und positionsgenauer zu ermöglichen,
und auch Verwendungen des Reflektorenreferenzierungssystems anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind durch die Unteransprüchen
definiert.
-
Das
beanspruchte Referenzierungssystem arbeitet mit passiven Reflektoren
anstelle von nach dem Stand der Technik bekannten aktiven Signalabstrahlern.
Es wird für
chirurgische oder medizinische Instrumente und Behandlungsapparaturen
eingesetzt. Hierzu kommt eine Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung, mindestens
zwei Kameras und eine mit den Kameras verbundene Rechnereinheit
mit einer Grafik-Bildschirmausgabe zum Einsatz. Das Reflektorenreferenzierungssystem
weist mindestens zwei Reflektoren für diese Infrarotstrahlung auf,
die an Instrumenten bzw. Behandlungsapparaturen angebracht sind,
und zwar in eine nur für
diese Reflektorengruppe charakteristischen Anordnung. Der Vorteil eines
solchen Referenzierungssystems mit passiven Signalgebern, also Reflektoren
liegt insbesondere 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
Kabelverbindung mit der Rechnereinheit sowie kein elektronisches "Innenleben" der Instrumente
mehr erforderlich. Der Chirurg erhält damit eine größere Bewegungsfreiheit;
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 anzubringenden
Reflektoren können
mit einem gewissen Abstand von der Anbringungsfläche 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
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 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.
-
Beim
Referenzierungssystem sind drei Reflektoren an mindestens jeweils
einem Armende eines mit drei Reflektorenarmen und einem Befestigungsfuß ausgebildeten
Adapters befestigt, wobei der Befestigungsfuß 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 Länge 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 Neuro navigationssystem zum Einsatz
gebracht werden können.
-
Der
Referenzadapter 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
positionsgenaue 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 Haltevorrichtung 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.
-
Ferner
weist der Referenzadapter 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 Kalibrierungspunkt am Referenzadapter
verwendet. Der Chirurg bringe die Spitze seines Instruments an den
ortbekannten Kalibrierungspunkt. Dies wird durch die Trichterform
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 neurochirurgisch
zu behandelnden Körperpartien
umfaßt
mindestens drei künstliche
Landmarken-Aufsätze und
ebenso viele Befestigungsvorrichtungen zur Befestigung der Landmarken
am Patienten. Jeder einzelne Landmarken-Aufsatz gibt ein sowohl
bei einer diagnostischen Patientendatenerfassung als auch bei einer
nachfolgenden Behandlungsüberwachung
nur für
sich selbst charakteristisches Bild ab. Für die Behandlungsüberwachung
sind die Landmarken-Aufsätze
als Reflektoren für
die Infrarotstrahlung einer Strahlungssquelle ausgebildet.
-
Gegenüber dem
Stand der Technik, der wie schon vorher erwähnt, mit untereinander gleichen, beispielsweise
mit Pflastern aufgeklebten Landmarken arbeitet, zeigt das offenbarte
Markersysteme folgende Vorteile:
Die Landmarken können während der
Computertomographie einzeln erfasst und nach der Computertomographie
vom Navigationssystem automatisch erkannt werden. Die inviduell
bestimmten und erfaßten Landmarken
werden nur einer Position im Raumkoordinatensystem zugeordnet. Es
besteht nicht die Gefahr, 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 charakteristische 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
Markersystem erlaubt demnach vorteilhafterweise eine sehr viel schnellere
und genauere Positionsbestimmung und Referenzierung von neurochirurgisch
zu behandelnden Körperteilen.
-
Die
vorher beschriebenen Landmarken-Aufsätze bzw. 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 individuell 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 Befestigungsvorrichtungen, an denen sie abnehmbar
befestigt sind, vom Pa tienten. Die Zweiteiligkeit der Landmarken
spielt ebenfalls eine besondere Rolle. Die Befestigungsvorrichtungen,
welche an ihrem Unterteil mit einem Haftmittel beispielsweise an
der Haut des Patienten befestigt werden, können etwas erhaben, beispielsweise
als Sockel ausgebildet werden. Auf diese Sockel kann mittels einer Steckverbindung
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
Markersystem kann dadurch ergänzt werden,
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 diesselbe Landmarke identifizierbar, wie die vollständige Kugel,
die durch sie ersetzt wurde.
-
Der
Chirurg kann nun, bei dem vorher beschriebenen Schritt der Landmarkenerkennung
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 Landmarkenmittelpunktes wird
mit hervorragender Genauigkeit durchgeführt. Auch bei diesem Referenzierungsverfahren
kann wie beim oben erläuterten
Kalibrierungsverfahren mittels des Kalibrierungspunktes des Referenzadapters,
die Spitze des Positionszeigers 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.
-
Bei
einem Kalibrierungsverfahren zur Bestimmung der Winkel- und Abstandsstellung
von Referenzierungskameras, wird ein Kalibrierungswerkzeug mit zwei
an vorbestimmten Positionen mit bekanntem Abstand angebrachten Reflektoren
in den Aufnahmebereich beider Kameras eingebracht, das Kalibrierungswerkzeug
wird im Aufnahmebereich räumlich
bewegt, mehrere Zwischenstellungen des Kalibrierungswerkzeugs von
den Referenzierungskameras werden aufgenommen und mittels einer
Rechnereinheit einzeln in Raumkoordinaten umgesetzt, und die Rechnereinheit
errechnet und speichert aus den Raumpositionen der Reflektoren die
Winkel- und Abstandsstellung der Kameras.
-
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 veränderte Bilder
an das Rechnersystem geliefert werden. Um eine Neukalibrierung vorzunehmen,
die wenig Zeit in Anspruch nimmt, aber auch um eine Anfangskalibrierung
leicht durchführen
zu können,
bietet des vorher beschriebene Verfahren eine vorteilhafte Möglichkeit.
Die Rechnereinheit kennt die Form der Reflektoren und ihren Abstand
auf dem Kalibrierungswerkzeug und kann, in einem gesonderten Kamerastellungs-Kalibrierungsschritt
dieses Kalibrierungswerkzeug 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 Kalibrierungsvorgang für die Kameras
ist es von Vorteil, wenn beide Reflektoren zu jedem Zeitpunkt möglichst
weit voneinander entfernt sind, und zwar bezogen die projizierte
Kameraerfassungsebene. Deshalb kann beim Kalibrierungsverfahren
die räumliche
Bewegung des Kalibrierungswerkzeugs und damit der Reflektoren auf
einer Grafik-Bildschirmausgabe, beispielsweise dem Bildschirm des
Neuronavigationssystems, durchgängig angezeigt
werden. Die Bewegungen 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 Ge nauigkeit der Kalibrierung verbessern.
-
Offenbart
wird ferner die Verwendung des Reflektorenreferenzierungssystems
zur Steuerung eines chirurgischen Mikroskops. Das Mikroskop kann einen
Mikroskopständer
mit einem Fuß und
mehreren motorisch und manuell im Raum bewegbaren aneinander angelenkten
Armen und einer Mikroskophalte- bzw. Steuereinheit umfassen.
-
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
Verwendung des Referenzierungssystems zur Mikroskopsteuerung bietet
nunmehr die Möglichkeit
einer weiteren Rückmeldung
der Positionsdaten des Mikroskops. Durch die besondere Anordnung
der Reflektoren kann ein – Neuronavigationssytem
jederzeit diese Anordnung als Mikroskop-Reflektorenanordnung identifizieren.
Die Mikroskopstellung 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
Referenzadapters durchgeführt,
wobei die Fokkusierungsdaten mittels einer Datenübertragungseinrichtung an die
Rechnereinheit übertragen
werden, während
dieselbe Rechnereinheit 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 Trichtermittelpunkt 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 auch die Möglichkeit, 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
Behandlungspunktes; und
- c) Fokkusierung eines Behandlungspunktes aus verschiedenen Raum-
und Winkelstellungen des Mikroskops.
-
Damit
lassen sich folgende Tätigkeiten 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.
-
Weiterhin
wird die Verwendung des Referenzierungssystems zur Referenzierung
eines Ultraschall-Diagnosesystems mit einem Ultraschallabstrahler-
und empfänger
und einer damit verbundenen Auswertungseinheit- und einer Bildschirmausgabe vorgestellt.
Diese zeichnet sich 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 Ausbildung lassen sich nunmehr die Daten, die mit
einem Ultraschall-Diagnosegerät
erhalten werden, positionell in ein Neuronavigationssystem einordnen.
Auch der Ultraschallabstrahler- und empfänger besitzt eine Reflektorengruppe
mit einer speziellen Anordnung, die vom Rechner nur für ihn identiziert
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
Reflektorenreferenzierungssystem kann in einem Neuronavigationssystem
mit einem Markersystem verwendet werden, wobei auch die Mikroskopsteuerung
benutzt werden kann. 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.
-
Im
folgenden sollen Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 ein
Gestell, in dem eine Rechnereinheit mit Bedienelementen untergebracht
ist, auf dem ein Computermonitor als Grafik-Bildschirmausgabeeinheit
steht und an welches ein Kamerahalter mit zwei Infrarotkameras angebracht
ist;
-
2 einen
neurochirurgischen Punktzeiger mit an ihm angebrachten Reflektoren;
-
3 eine
chirurgische Pinzette, an deren hinterem Ende ein Adapter mit drei
besonders angeordneten Reflektoren befestigt ist;
-
4 einen
Querschnitt durch einen mit zwei Reflektoren versehenen Punktzeiger;
-
5 eine
Aufsicht auf einen Referenzadapter mit drei Reflektoren und ein
Kalibrierungspunkt;
-
6 eine
verkleinerte Darstellung eines Kalibrierungsstabes;
-
7 einen
Landmarken-Aufsatz, wie er bei einer Computertomographieaufnahme
verwendet wird;
-
8 einen
Landmarken-Aufsatz, wie er bei der Referenzierung der Landmarken
am Operationstisch verwendet wird;
-
9 einen
Querschnitt durch einen Befestigungssockel für die Landmarken-Aufsätze aus
den 7 und 8; und
-
10 eine
Aufsicht auf den Befestigungssockel der 9.
-
In
einem Operationsraum, in dem das Neuronavigationssystem zum Einsatz
kommt, steht an einem Ende eines Operationstisches beispielsweise ein
Gestell, wie es in 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 Behandlungsapparaturen 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
Feststellvorrichtung ortsfest befestigt. Die Koordinaten der Patientenanatomie
werden der in 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 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
Positionszeiger 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 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 2 sowie
die Pinzette 30 aus 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 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 4 zeigt
eine Schnittansicht des Punktzeigers 20 aus 2 in
einer anderen Ebene. Deutlich wird hier, daß die Reflektoren 21 und 22 durch
Steckverbindungen 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 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 Länge
und Winkelstellung aufweisen. Am Ende dieser Arme 51, 52 und 53 sind
jeweils Reflektoren 54, 55 und 56 befestigt.
Durch diese Reflektorengruppe und ihre charakteristische Anordnung und/oder
Größe kann
der Referenzadapter 50 jederzeit eindeutig durch das Neuronavigationssystem
bezüglich
seiner Position identifiziert werden. Die Position des Referenzadapters 50 bleibt
normalerweise 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-Referenzsystems jederzeit der Rechnereinheit 11 bekannt
bleibt.
-
Eine
besondere Rolle in Hinsicht auf den Referenzadapter 50 spielt
der Kalibrierungspunkt 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, 2 oder
die Pinzettenspitze 35, 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 6 ein Kalibrierungswerkzeug, hier ein Kalibrierungsstab 60 dargestellt.
Dieser Kalibrierungsstab 60 sollte in realiter eine Länge 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 Kalibrierungsverfahren für die Winkel-
bzw. Abstandsstellung der Kameras 14 durchgeführt werden.
-
Die 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 beispielsweise 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 Befestigungsvorrichtung 90 (9)
eingeschoben und eingerastet werden kann.
-
Ein
Landmarkenaufsatz, durch den der Landmarkenaufsatz 70 aus 7 nach
der Computertomographie ersetzt wird, ist als Aufsatz 80 in 8 bezeichnet.
Die Abmessungen des Landmarkenhauptkörpers 81, d. h. der
Kugeldurchmesser entspricht demjenigen des Landmarkenhauptkörpers 71 aus 7.
Modifiziert ist der Landmarken-Aufsatz 80 dahingehend,
daß ein
oberer Teil der Kugel abgeschnitten ist und in die Kugel ein muldenförmiger Trichter 83 eingearbeitet
wurde, dessen Spitze sich genau in der Kugelmitte befindet, wie
im Ausbruch der 8 gezeigt ist. Der Rastfortsatz 82 entspricht genau
dem Rastfortsatz 72 (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 Neuronavigationssystem 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 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 7 und 8 eingesteckt und verrastet
werden können.
Die 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 Rastfortsätze 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.
-
Nachdem
bisher die wichtigsten Bestandteile des Neuronavigationssystems
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 Computertomographiedaten 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
Reflektoranordnung 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 verwendeten 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 diese Faktoren
konnten insgesamt zu einer Verbesserung des Behandlungsergebnisses führen.