DE19909816A1 - Navigationssystem zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen, Markierungseinrichtung oder Fiducial und Zeiger für eine Tracking-Einrichtung eines Navigationssystems - Google Patents
Navigationssystem zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen, Markierungseinrichtung oder Fiducial und Zeiger für eine Tracking-Einrichtung eines NavigationssystemsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Navigationssystem zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen, wobei das System auf eine Bilddatenbank für präoperativ angefertigte Kernspin- und/oder Computertomographie-Daten zurückgreift. Das System besitzt Mittel zum Extrahieren von anatomischen Strukturen aus den vorab gewonnenen Rohdatensätzen der präoperativen Aufnahmen und zum Bereitstellen dieser Strukturen in Form von visualisierenden 3-D-Datensätzen. Weiterhin weist das System Mittel zum Erzeugen eines definierten magnetischen Gleichfelds in der Navigationsumgebung sowie ein Zeigernavigationsinstrument mit einem integralen Magnetfeldsensor auf, wobei der Magnetfeldsensor und der Gleichfeld-Transmitter eine Tracking-Einrichtung bilden. Das System besitzt eine Menü-geführte Steuerung, wobei durch Bewegungen des Zeigernavigationsinstruments außerhalb des Operationsfelds, aber innerhalb der Navigationsumgebung, d. h. in einem Steuerfeld, ein Aktivieren oder Deaktivieren angebotener Menüs oder von Steueraktivitäten möglich wird. Weiterhin umfaßt die Erfindung eine spezielle Markierungseinrichtung oder Fiducial, die bei der Erstellung von Bilddaten abgebildet werden und die der Positionserfassung der Lage eines Probanden und Koordinatenzuordnung bei chirurgischen Eingriffen dienen, sowie einen Zeiger für die Tracking-Einrichtung des Navigationssystems mit speziell in einem Gehäuse angeordneten Sensor, der mit einer Tastspitze verbunden ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Navigationssystem zur Durchführung
und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen, insbesondere
auf dem Gebiet der Neurochirurgie und der Hals-Nasen-Ohren
heilkunde, eine Markierungseinrichtung oder Fiducial zum
Erstellen von Bilddaten für eine Datenbank mittels Kern
spin- und/oder Computertomographie sowie zur Positionserfassung der
Lage eines Probanden und Koordinatenzuordnung bei chirurgischen
Eingriffen mit Unterstützung eines Navigationssystems sowie
einen Zeiger für eine Tracking-Einrichtung eines Navigations
systems.
Neuro-Navigationssysteme dienen der Unterstützung bei der
Durchführung chirurgischer Eingriffe am Schädel. Bekannte
Navigationssysteme ermöglichen es, die Position eines
Operationsinstruments im Operationsfeld anzuzeigen, wobei
kleine und tiefsitzende Läsionen im Gehirn auf atraumatische
Weise zielsicher aufgesucht werden können. Bei operativen
Eingriffen auf dem Gebiet der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde kann
mit Hilfe eines Navigationssystems beispielsweise sicher
zwischen den Grenzen der Nebenhöhlen und dem Gehirn unter
schieden werden.
Navigationssysteme, die mit unterschiedlichen Tracking-
Verfahren arbeiten, sind bekannt. Beispielsweise soll hier auf
das StealthStation-System der Firma Sofamor Danek Inc, USA,
verwiesen werden. Bei den bekannten Systemen wird zunächst
präoperativ eine Bildaufnahme von der Anatomie bzw. dem Gehirn
des Probanden bzw. Patienten angefertigt. Über ein Tracking-
System mit optischem Sensor besteht dann die Möglichkeit, unter
Nutzung der präoperativ gewonnenen Bilddaten auf einem Monitor
Schnitte oder Ansichten des Gehirns darzustellen. Beim präope
rativen Scannen mittels Computer- und/oder Kernspintomographie
werden zur Koordinatenzuordnung sogenannte Fiducial-Marker auf
der Schädenoberfläche des Patienten befestigt. Diese Fiducials
dienen zum Lokalisieren der Aufnahmen unter Beachtung der
jeweiligen räumlichen Orientierung.
Der Einsatz bekannt er Systeme wird durch einen aufwendigen
Geräteaufbau sowie durch eine komplizierte und zeitaufwendige
Bedienerführung, insbesondere bei optischem Tracking einge
schränkt.
Ebenfalls bekannte Tracking-Verfahren, welche auf die Erfassung
der Position eines Zeigers für das bilddarstellende System auf
magnetische Wechselfelder zurückgreifen, sind in einer Umge
bung, die zu magnetischen Störeinflüssen führt, wie dies im
klinischen Bereich regelmäßig der Fall ist, wenig geeignet.
Weitere Nachteile bekannter Systeme bestehen in der kompli
zierten Handhabung, da der Operateur zusätzlich zum Zeiger eine
Computertastatur bedienen muß, um die Bilddarstellung auszu
lösen oder Steuerungs- oder Markierungsoperationen auszuführen.
In dem Fall, wenn optische Sensoren bzw. optisches Tracking zur
Anwendung kommt, sind aufwendige Kalibrierungsmaßnahmen not
wendig, insbesondere dann, wenn der Operationstisch mit dem
Patienten im Raum bewegt wird und sich hierdurch unerwünschte
Lageveränderungen der optischen Sensorik einstellen. Zur Über
windung dieser Problematik wird auf dem Schädel, bzw. an der
Kopfhalterung, welche fest mit dem Schädel verbunden ist, ein
optisches Referenzierungssystem angebracht. Dieses überwindet
zwar das Kalibrierungsproblem, aufgrund der Größe dieser
Referenzierungsmarker und ihrer Anfälligkeit gegen mechanische
Veränderung sind sie beim Operieren jedoch störend.
Bisher bekannte Fiducials, d. h. Markierungseinrichtungen zum
Erstellen von Bilddaten mittels Kernspin- und/oder Computer
tomographie bzw. zur Positionserfassung der Lage eines Pro
banden und Koordinatenzuordnung bei chirurgischen Eingriffen
mit Unterstützung eines Navigationssystems besitzen eine
relativ große räumliche Ausdehnung und führen zu unangenehmen
Behinderungen des Patienten, insbesondere bedingt durch den
zeitlichen Abstand zwischen den Kernspin- und Computertomo
graphie-Aufnahmen einerseits und dem späteren operativen
Eingriff andererseits. Zur Koordinatenzuordnung müssen nämlich
die Fiducials am Kopf des Patienten verbleiben, was augen
scheinlich unangenehm ist.
Die für eine Tracking-Einrichtung eines Navigationssystems
notwendigen Zeiger, auch mit Stylus oder Pen bezeichnet, müssen
den Anforderungen hinsichtlich des klinischen Einsatzes ein
schließlich der Sterilisierbarkeit, insbesondere der Dampf
sterilisation genügen. Gleichzeitig sollen derartige Zeiger
leicht und einfach zu handhaben sein und über entsprechende
Mittel zum Auslösen von Schalt- oder Steuerbefehlen verfügen.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein kom
plexes Navigationssystem zur Durchführung und Unterstützung von
chirurgischen Eingriffen anzugeben, wobei das System auf eine
Tracking-Sensorik zurückgreifen soll, die eine hochgenaue
Positionserfassung ermöglicht, ohne daß das Operationsfeld
eingeschränkt bzw. die Tätigkeit des Operateurs behindert wird.
Weiterhin soll das Navigationssystem nahezu in Echtzeit aus
präoperativen Aufnahmen respektive einer Bilddatenbank eine
3D-Visualisierung entsprechend der gewünschten Blickrichtung, die
mit Hilfe eines Zeigers definiert wird, ermöglichen. Mit dem zu
schaffenden Navigationssystem soll auch eine Einhand-Steuerung
der notwendigen Vorgänge zur Visualisierung, Speicherung und so
weiter realisierbar sein.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Markierungsein
richtung oder Fiducial zum Erstellen von Bilddaten für eine
Datenbank mittels Kernspin- und/oder Computertomographie zu
schaffen, die gleichzeitig zur Positionserfassung der Lage
eines Probanden und Koordinatenzuordnung bei chirurgischen
Eingriffen dient, ohne daß beim geforderten Verbleiben der
Markierungseinrichtung präoperativ bis hin zur Operation
Nachteile für den Patienten entstehen.
Letztendlich gilt es, mit der Erfindung einen Zeiger bzw.
Stylus für eine Tracking-Einrichtung eines Navigationssystems
zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen
auf der Basis eines langgestreckten Handstück-Gehäuses anzu
geben, wobei der Zeiger insgesamt den klinischen Anforderungen
und den mechanisch-thermischen Belastungen bei der Sterili
sation genügen soll.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt hinsichtlich des
Navigationssystems gemäß der Definition nach der Lehre des
Patentanspruchs 1; bezüglich der Markierungseinrichtung bzw.
der Fiducials mit einem Gegenstand nach den Merkmalen des
Patentanspruchs 8 und mit Blick auf den Zeiger für eine
Tracking-Einrichtung eines Navigationssystems mit einer
Merkmalskombination, wie sie im Anspruch 13 offenbart ist.
Die Unteransprüche stellen hierbei mindestens zweckmäßige
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des jeweiligen Erfin
dungsgegenstands bzw. des Systems dar.
Der erfindungsgemäße Grundgedanke bezüglich des Navigations
systems zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen
Eingriffen besteht in der Fortbildung bekannter Lösungen der
gestalt, daß für die Tracking-Einrichtung zum Bestimmen der
momentanen Position eines Instruments und Ableiten oder Real
time-Nachziehen von Darstellungen der Patientenanatomie anhand
der in einer Bilddatenbank abgelegten Aufnahmen auf Mittel zum
Erzeugen eines definierten magnetischen Gleichfelds in der
Navigationsumgebung zurückgegriffen wird, wobei ein Zeiger
navigationsinstrument zur Anwendung kommt, welches einen
integralen Magnetfeldsensor, abgestimmt auf das magnetische
Gleichfeld des Transmitters, aufweist.
Erfindungsgemäß wird weiterhin durch ein Softwaremodul ein
Extrahieren von anatomischen Strukturen aus den Rohdatensätzen
der präoperativen Aufnahmen und Bereitstellen dieser Strukturen
in Form von visualisierbaren 3D-Datensätzen möglich.
Durch das erwähnte Bildbearbeitungsmodul können anatomische
Strukturen eigenschafts- oder umgebungsorientiert aus den
Eingangs-Summendatensätzen, die präoperativ gewonnen wurden,
selektiert werden und auf der Basis einer vorgebbaren Segmen
tierungsstrategie in diskrete Datensätze umgewandelt werden.
Ein weiterer Grundgedanke des erfindungsgemäßen Navigations
systems besteht darin, daß Mittel zur Anwendung kommen, welche
eine Menü-geführte Steuerung des Systems durch Bewegungen des
Zeigernavigationsinstruments außerhalb des Operationsfelds,
aber innerhalb einer Navigationsumgebung gestatten, indem ein
Aktivieren oder Deaktivieren angebotener Menüs oder Steuer
aktivitäten allein durch die vorerwähnte Bewegung des Navi
gationsinstruments vornehmbar ist.
Der spezielle Gleichfeld-Transmitter zum Erzeugen eines
Magnetfelds für die Tracking-Einrichtung ist am Operationstisch
oder einer dort vorgesehenen Kopfauflage, in einer festen Ver
bindung zum Probanden stehend, jedoch außerhalb des Opera
tionsfelds und damit nicht störend angeordnet. Hierdurch ergibt
sich eine feste, reproduzierbare Lagebeziehung zwischen dem
Probanden, welcher am bzw. auf dem Operationstisch, insbeson
dere einer Kopfauflage fixiert ist, und dem Transmitter, unab
hängig von der Lage des Operationstisches im Raum selbst.
Der Magnetfeldsensor stellt Signale zum Ableiten von Position
und/oder Bewegungsrichtung des Zeigernavigationsinstruments
anhand des definierten magnetischen Gleichfelds und dessen
Orientierung bereit, wobei diese Signale sowohl auf einem
Monitor darstellbar sind als auch zur Steuerung der Nachlade- und
Aktualisierungsvorgänge des Bildbearbeitungsmoduls
Anwendung finden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein
weiterer Magnetfeldsensor vorgesehen, wobei dieser Sensor am
Probanden, vorzugsweise cranial, d. h. am Schädel oder einem
anderen zu navigierenden Körperteil befestigbar ist. Hierdurch
können Lage- und Positionsveränderungen des Schädels oder
Körperteils bezogen auf den Gleichfeld-Transmitter erfaßt
werden. Durch diesen zusätzlichen Sensor können Lageabweichun
gen, die ansonsten zu einem neuen Einmessen oder Einjustieren
des Systems führen, systemintern automatisch korreliert bzw.
ausgeglichen werden. Der Operateur kann in diesem Fall, wenn
dies operationstechnisch erforderlich ist, die Position des
Schädels in gewünschter Weise verändern, ohne daß die Naviga
tionsmöglichkeit durch fehlende Justierung oder erforderliches
Neujustieren eingeschränkt ist. Mit anderen Worten ermöglicht
der weitere Magnetfeldsensor das Bereitstellen von Korrektur
daten, die dem Steuerrechner zugeführt werden, um ein quasi
dynamisches oder bezogen auf die Ursprungsänderung veränder
liches Koordinatensystem zu bestimmen.
Mittels des vorstehend kurz beschriebenen Systems wird der
Operateur respektive der Bediener weitgehend entlastet und die
Zahl möglicher Fehlerquellen in der Bedienerführung reduziert.
Dies ist insbesondere durch das virtuelle Steuerpult möglich,
mit Hilfe dessen der Operateur ohne fremde Hilfe alle wesent
lichen Funktionen des Navigationssystems bzw. des dort imple
mentierten Computers bedienen und kontrollieren kann. Im
einzelnen besteht die Möglichkeit, die Darstellungsformen zu
ändern, die Ansichten der anatomischen Strukturen und/oder das
Einschalten spezifischer Funktionen vorzunehmen. Hierfür wird
ein übersichtliches Menü auf dem Monitor oder Display genutzt,
wobei ein Aktivieren oder Deaktivieren durch die erwähnte ein
fache räumliche Bewegung des Navigationsinstruments außerhalb
des Operationsfelds realisiert wird.
Die Anwendung eines Tracking-Systems auf der Grundlage von
Feldstärkemessungen von konstanten, d. h. Gleichmagnetfeldern,
wird eine Signalverfälschung, verursacht durch elektromagne
tisch induzierte Feldüberlagerung, wirksam unterdrückt. Die
Komponenten des Navigationssystems, insbesondere der Gleich
feld-Transmitter, können unterhalb steriler Operationsfeld-
Abdeckungen angeordnet werden, wodurch das Umfeld und Sichtfeld
des Operateurs nicht eingeschränkt ist und eine Störung des
operativen Ablaufs entfällt. Im Vergleich zu optischen Navi
gationssystemen ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Lösung
unempfindlich gegenüber mechanischen Erschütterungen. Zusätz
lich kann der Patient ohne Navigationseinschränkung frei mit
dem Operationstisch im Raum bewegt werden. Die automatisierte
Bildbearbeitung des vorliegenden Systems führt zu einer
wesentlichen Verkürzung der Vorbereitungszeiten, wobei die 3D-
Darstellung des Gehirns auf dem Monitor und der Anblick des
Gehirns nach Craniotomie identisch sind, wodurch der Chirurg
bereits vor dem Eingriff erweiterte Möglichkeiten zur Opera
tionsplanung erhält.
Für die Anwendung des Navigationssystems wird in an sich
bekannter Weise der Kopf des Patienten vor der Operation durch
den Neurochirurgen fixiert, wobei auf entsprechende mechanische
Kopfstützen zurückgegriffen wird. Das Kopfstützsystem kann aus
gängigen Materialien wie Aluminium oder hochlegiertem Stahl
bestehen, ohne daß Störungen der Tracking-Einrichtung zu
befürchten sind. Mit Hilfe des Navigationssystems wird beim
Einmessen die Kopfposition des Patienten im Raum registriert
und es wird zunächst automatisch eine Bildperspektive aus der
Sicht des Operateurs in einer 3D-Grafikdarstellung angeboten.
Die Position des Operationstisches selbst hat keinen Einfluß
auf den Navigationsprozeß, weil eine feste Lagebeziehung
zwischen der Kopfhalterung und dem Transmitter der Tracking-
Einrichtung besteht.
Für bevorzugte neurochirurgische Anwendung wird, wie dargelegt,
zunächst das 3D-Abbild des Gehirns zu Beginn des Eingriffs aus
der Blickperspektive des Operateurs dargestellt. Diese Per
spektive kann jedoch unter Verwendung des Navigationsinstru
ments, d. h. des Zeigers, welcher später beschrieben wird,
jederzeit geändert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ermöglicht das Navi
gationssystem als Zusatzfunktion die Dokumentation elektro
physiologischer Messungen. Hierfür kann auf die Bildschirm
darstellung der Hirnoberfläche das Auftragen von Markierungen
erfolgen, die mit Hilfe des Navigationsinstruments, d. h. des
Zeigers gesetzt werden. Mit dem Zeiger/Stylus sind Papier-
Markierungen, sogenannte Tags, anfahrbar und über Knopfdruck
können diese Positionen gespeichert werden. Der Operateur kann
Ziffern und Farben über ein am Monitor dargestelltes Steuerfeld
auswählen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Dokumenta
tion mit einer Zeitmarkierung zu ergänzen. Die so erstellten
Dokumente sind abspeicherbar und können zu einem späteren
Zeitpunkt über einen angeschlossenen Drucker ausgegeben werden,
was für die nachfolgende Operationsbeschreibung und -abrechnung
von Vorteil ist.
Für die Navigation ist es, wie allgemein bekannt, notwendig,
eine Verbindung zwischen dem virtuellen Bild des Gehirns und
dem realen Gehirn des im Operationssaal auf dem Operationstisch
befindlichen Patienten herzustellen. Hierfür werden eindeutige
Positionen benötigt, die sich sowohl im realen als auch im
virtuellen System wiederfinden. Grundsätzlich kommen anato
mische Landmarken zur Anwendung, wobei durch Verschiebungen der
Haut und die Größe der Landmarken eine punktgenaue Zuordnung
nicht immer erreicht werden kann.
Aus vorstehend genanntem Grund weisen bekannte Navigations
systeme zusätzlich Referenzpunkte bzw. Marker oder Fiducials
auf. Diese Marker bestehen aus Materialien, die sich bei der
Kernspin- und/oder Computertomographie nachweisen lassen.
Unter Beachtung der erforderlichen Präzision, aber auch bei
Berücksichtigung der Hautverschiebung wurden Markersysteme
bekannt, die durch Verschraubung am Schädelknochen fixiert
werden. Alternativen bestehen in dem Einsatz von Gebißschienen,
die der Patient während der Untersuchung bei der Tomographie
und auch im Operationssaal fest im Mund halten muß. Derartige
Methoden sind mit einem hohen finanziellen und zeitlichen
Aufwand verbunden und in ihrer Anwendung für den Patienten
äußerst unangenehm. Das Einschrauben von Markern kann aufgrund
der hiermit verbundenen invasiven Handlung im Regelfall nur von
einem Arzt durchgeführt werden, was die Kosten weiter erhöht.
Gemäß einem ergänzenden Grundgedanken der Erfindung wurde daher
eine spezielle Markierungseinrichtung bzw. Fiducial zum
Erstellen von Bilddaten für eine Datenbank mittels Tomographie
einerseits sowie andererseits zur Positionserfassung der Lage
eines Probanden und Koordinatenzuordnung beim chirurgischen
Eingriff geschaffen.
Erfindungsgemäß ist ein Träger vorhanden, welcher als flächi
ges, mindestens teilflexibles Gebilde mit einem im wesentlichen
zentrischen, auf der der Klebefläche abgewandten Seite hervor
stehenden Rastknopf vorliegt.
Die eigentliche Markierungssubstanz wird von einem im wesent
lichen zylindrischen Gehäuse, welches leicht handhabbar ist,
aufgenommen. Der Gehäuseboden weist bevorzugt eine konkave Form
oder einen Rücksprung auf, wobei am Gehäuseboden eine im
wesentlichen zentrische Rastaufnahme oder bezogen auf den
Rastknopf ein Rastgegenstück angeordnet ist.
Der Rastknopf einerseits und die Rastaufnahme oder das Rast
gegenstück andererseits ermöglichen das Anbringen des zylin
drischen Gehäuses nach dem Befestigen des Trägers am Probanden
respektive das Lösen des Gehäuses zu einem späteren Zeitpunkt
einschließlich Wiederanbringen des letzteren.
Der Patient kann so nach oder zwischen den Tomographie-Auf
nahmen vom relativ großvolumigen zylindrischen Gehäuse mit
Markierungssubstanz befreit werden und sich ungehindert
bewegen. Für weitere Aufnahmen und zur späteren operativen
Behandlung sind die zylindrischen Gehäuse positionsgenau wieder
befestigbar oder es können spezielle Einmeßhilfen im Opera
tionssaal unter Nutzung des Rastknopfs aufgesteckt werden.
Die gewählte Klebebeschichtung in Verbindung mit der konkaven
oder einen Rücksprung aufweisenden Form des Gehäusebodens,
wobei die Krümmung in etwa der Schädelkalotte entspricht,
stellt sicher, daß der folienartige Träger bzw. die Klebeplatte
zum Kunststoffkörper, d. h. zum Gehäuse für die Markierungssub
stanz herangezogen wird. Auf diese Weise gelingt es, auch bei
verschiedenen Krümmungsradien, d. h. unterschiedlichen Schädel
abschnitten einen gleichbleibenden Abstand zwischen Markie
rungssubstanz, die sich beispielsweise in einem Kugelgehäuse
befindet, und der Hautoberfläche zu erreichen. Letztendlich
werden hierdurch auch Fehler beim Einmessen vermieden, da der
Einmeßkörper von den Abmessungen her, insbesondere bezüglich
der konkaven oder Rücksprung-Ausbildung des Bodens dem zylin
drischen Körper mit Markierungssubstanz oder einer Aufnahme
hierfür entspricht.
In einer Ausführungsform weist das zylindrische Gehäuse der
Markierungseinrichtung einen abnehmbaren Gehäusedeckel,
vorzugsweise aus einem durchsichtigen Kunststoff auf, so daß
die Markierungssubstanz kontrolliert werden kann, aber auch
austauschbar ist.
Die Markierungssubstanz für die Kernspintomographie selbst ist
eine Flüssigkeit oder ein Gel, welche bzw. welches sich in
einem Kugel- oder geschlossenen Zylindergefäß befindet, wobei
der Außendurchmesser der Kugel oder des Zylinders im wesent
lichen dem Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses mit
Rastaufnahme oder Rastgegenstück entspricht. Die verwendete
Substanz ist so gewählt, daß sie im Kernspin sowie im T1- als
auch im T2-gewichteten Bild gut sichtbar ist. Die Besonderheit
im Vergleich zu bekannten Markern liegt darin, daß diese
üblicherweise nur im T1- oder im T2-Bild gut sichtbar sind.
Gleichzeitig ist die Markierung über den Kontrastunterschied
zwischen der Kugel und dem Gehäuse auch in der Computertomo
graphie gut zu erkennen. Auf diese Art kann selbst bei der Wahl
der falschen Markierungshilfe noch relativ problemlos jede
beliebige, vom Benutzer ausgewählte Markierung auf den CT- oder
Röntgenbildern erkannt werden. Diese Maßnahme dient dazu, im
Falle einer falsch ausgewählten Markierungshilfe den Patienten
nicht nochmals einmessen zu müssen und insbesondere bei der
CT-Markierung eine zusätzliche Strahlenbelastung zu verhindern.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß selbstverständlich auch
eine kinematische Umkehr von Rastknopf und Rastaufnahme oder
Rastgegenstück denkbar ist, ohne das erfindungsgemäße Prinzip
der Trennung von Träger und zylindrischem Körper zur Aufnahme
der eigentlichen Markierungssubstanz zu verlassen.
Wie bereits kurz dargelegt, ist erfindungsgemäß ein Einmeß
körper vorgesehen, welcher ein geschlossenes, in seinen
Abmessungen und seiner bodenseitigen Ausbildung dem zylin
drischen Gehäuse entsprechende Gestalt besitzt. Der Einmeß
körper weist deckelseitig eine Markierungsausnehmung auf,
welche sich in einer solchen Position befindet, die gleich dem
Mittel- oder Schwerpunkt der Kontrastmarkierungssubstanz bzw.
des Kugel- oder Zylindergefäßes für eine derartige Substanz
ist. Diese Markierungsausnehmung kann mit einem Zeiger oder
Stylus angetastet werden, um den Einmeßvorgang zu erleichtern.
Bevorzugt besteht das zylindrische Gehäuse zur Aufnahme der
Markierungssubstanz und/oder der Einmeßkörper aus Kunststoff
material, wobei der Träger bevorzugt eine einseitige im Bereich
des Rastknopfs verstärkte klebebeschichtete Folie umfaßt.
Speziell zur Anwendung für das beschriebene Navigationssystem
wird ein Zeiger für die erforderliche Tracking-Einrichtung
vorgeschlagen, wobei der Zeiger die Form eines langgestreckten
Handstück-Gehäuses besitzt, weiterhin im Gehäuseinneren ein
vorzugsweise gekapselter Sensor vorhanden ist und mindestens
teilweise aus dem Gehäuse eine Tastspitze oder eine Tast
spitzen- bzw. Einführhilfeaufnahme hervorsteht.
Erfindungsgemäß ist der gekapselte Sensor mit der Tastspitze
oder der Tastspitzenaufnahme mittels eines gegenüberliegende
Öffnungen aufweisenden Körpers starr verbunden.
Der Verbindungskörper mit jeweils in den Öffnungen befindlichem
Sensor und Tastspitze ist dann bezüglich des Handstück-Gehäuses
nachgiebig, d. h. spannungsfrei, quasi kardanisch gelagert.
Der Verbindungskörper wird aus einem verformungsstabilen und
temperaturbeständigen Kunststoff oder Titan hergestellt. Um die
gewünschte Spannungsfreiheit zwischen Verbindungskörper und
damit der Verbundanordnung aus Sensor und Tastspitze bezüglich
des Gehäuses zu erreichen, ist zwischen Verbindungskörper und
der Gehäuseinnenseite ein Ringspalt ausgebildet. Zur Abdichtung
zwischen Verbindungskörper und Gehäuse oder einem Überwurf und
dem Gehäuse sind elastische Dichtmittel, bevorzugt elastische
Dichtringe vorhanden.
Mit Hilfe des Zeigers, d. h. der dort vorhandenen Tastspitze,
berührt der Operateur den Teil des Situs, der zu identifizieren
und mit Hilfe der Navigationseinrichtung darzustellen ist. Der
im Handstück befindliche Sensor übermittelt die Position des
Zeigers und damit auch die Position und Richtung der Spitze und
leitet diese zum Navigationsgerät weiter. Das Navigationsgerät
ermöglicht dann eine Darstellung quasi von der Position der
Spitze und der gegebenen Ausrichtung im Raum ausgehend auf dem
Display bzw. Monitor. Hierfür wird durch eine geeignete Kabel
verbindung oder auf drahtlosem Wege eine Übermittlung der
Positionswerte in ein virtuelles Abbild des realen Situs vor
genommen.
Der Zeiger dient demnach der Bedienung des gesamten Systems,
wobei hier, wie eingangs erwähnt, zwischen einem Operationsfeld
und einem Steuerfeld unterschieden wird. In dem Fall, wenn der
Operateur den Zeiger in das Steuerfeld hinein bewegt, wird die
Auswahl und das Aktivieren von auf dem Monitor angebotenen
Menüs und damit die Steuerung des Systems möglich.
Das Bestätigen oder Auslösen einer angewählten Funktion kann
über einen im Zeiger angeordneten Taster, der über eine
Signalleitung mit dem Navigationssystem bzw. dem Steuerrechner
in Verbindung steht, erfolgen.
Die Tastspitze des Zeigers besteht aus einem biegefesten
Material, vorzugsweise Edelstahl oder Titan. Alternativ besteht
über die erwähnte Aufnahme die Möglichkeit, Punktionshilfen
oder Einführhilfen für Katheder und so weiter zu befestigen. Den
eingesetzten Spitzen ist gemeinsam, daß sie einen zum unter
suchenden Objekt gerichteten Punkt aufweisen, der als Naviga
tionsbezugspunkt dient. Der Bezugspunkt selbst ist frei wähl
bar. Letzteres ist möglich, weil der im Zeiger befindliche
Sensor des Navigationssystems unabhängig vom System selbst auf
das gegebene virtuelle Zentrum mißt. Die Spitze des Zeigers
wird über einen Vektor definiert, der zur gegebenen Position
des Sensors hinzugerechnet wird. Zur Bestimmung dieses Vektors
ist die bereits erwähnte Einmeßprozedur notwendig. Konkret wird
der Zeiger an einer festen Position, z. B. unter Verwendung der
Einmeßhilfe um seine Spitze bewegt. Das Navigationssystem
erfaßt dabei mit Hilfe der Tracking-Einrichtung die Bewegung
und berechnet aufgrund der bekannten Position der Spitze, wie
sich die Spitze des Systems zur Lage des Sensors verhält.
Der erfindungsgemäße Zeiger für die Tracking-Einrichtung des
Navigationssystems ist weitgehend flüssigkeits- und dampfdicht,
so daß eine Sterilisation, wie klinisch üblich, möglich ist.
Durch den Verbindungskörper und die Anordnung des letzteren im
langgestreckten Gehäuse ist gewährleistet, daß auch bei
Spannung und/oder Temperaturwechselbelastungen die Position
zwischen Sensor und Spitze unverändert bleibt, um die
geforderten Genauigkeiten bei der Positionserfassung und
Navigation zu erreichen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 einen prinzipiellen Ablauf eines bildgestützten
Navigationsverfahrens;
Fig. 2 die Anordnung eines Transmitters der Tracking-Ein
richtung am Operationstisch;
Fig. 3 die Anordnung eines weiteren Sensors zur Detektion der
Kopfbewegung des Patienten;
Fig. 4 die Aufteilung von Operationsfeld und virtuellem
Steuerfeld zur Bedienung des Systems mittels Zeiger
bzw. Stylus;
Fig. 5 eine Monitordarstellung mit dem Menü für die Marker
registrierung;
Fig. 6 eine Monitordarstellung mit dem Menü Überprüfung der
Marker bzw. Fiducials;
Fig. 7 eine Monitordarstellung mit virtuellem Keypad;
Fig. 8 eine Darstellung mit dem Feld zum Auslösen und Durch
führen intraoperativer Dokumentationen;
Fig. 9 eine Schnittdarstellung der teilbaren Markierungs
einrichtung;
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung der kompletten
Markierungseinrichtung;
Fig. 11 eine perspektivische Darstellung des Trägers der
Markierungseinrichtung, jedoch mit aufgestecktem
Einmeßkörper; und
Fig. 12 eine Schnittdarstellung des Zeigers oder Stylus für
die Tracking-Einrichtung.
Das Navigationssystem gemäß Ausführungsbeispiel benötigt
möglichst genaue Bilddaten der anatomischen Strukturen des
Patienten. Diese Bilddaten werden, wie in der Fig. 1 gezeigt,
entweder durch Computertomographie und/oder Kernspintomographie
bereitgestellt.
Computertomographische Darstellungen sind dann vorteilhaft,
wenn es sich um Abbildung von knöchernen Strukturen handelt.
Für die Darstellung von Weichteilen, z. B. des Gehirns, wird
bevorzugt die Kernspintomographie angewandt. Zur Aufnahme und
zur nachträglichen Positionserfassung werden sogenannte Marker
am Kopf des Patienten angebracht. Die Marker weisen eine
Flüssigkeit oder ein Gel auf, welches je nach dem angewandten
Tomographieverfahren für eine ausreichende Kontrastdarstellung
und damit Erkennbarkeit der Marker sorgt.
Nach einem Datentransfer über ein lokales Netzwerk oder ent
sprechende Speichermedien werden die gescannten Aufnahmen
automatisiert weiterverarbeitet, wobei das Ziel dieser Aufbe
reitung oder Bildbearbeitung darin besteht, eine 3D-Darstellung
des Gehirns möglichst authentisch zu erreichen, um den
Chirurgen bereits vor dem Eingriff in die Lage zu versetzen,
die Operation zu planen und diese minimalinvasiv zu gestalten.
Über Segmentierungsschritte wird durch Anwendung mathematischer
Verfahren die Möglichkeit geschaffen, bestimmte anatomische
Strukturen aus den Summendatensätzen herauszuarbeiten.
Für die Neuronavigation ist es dann erforderlich, eine Ver
bindung zwischen dem erhaltenen virtuellen Bild des Gehirns,
welches sich aus den gescannten Daten erstellen läßt, und dem
realen Gehirn im Operationssaal herzustellen.
Hierfür werden eindeutige Positionen benötigt, welche sich
sowohl im realen als auch im virtuellen System wiederfinden. Um
derartige Positionen zu bestimmen, werden zusätzliche Marker
verwendet, welche als Referenzpunkte dienen. Die Marker
befinden sich in derselben Umgebung wie diejenigen, welche für
die MR- oder CT-Aufnahmen Verwendung fanden. Bezüglich des
Aufbaus und dem Einsatzes der Marker gemäß Ausführungsbeispiel
sei auf die nachfolgende Beschreibung der Fig. 9 bis 11 ver
wiesen.
Zur Positionserfassung besitzt das Navigationssystem gemäß
Ausführungsbeispiel einen magnetischen Gleichfeld-Transmitter
T, welcher am bzw. mit dem Operationstisch OPT verbunden ist.
Der Kopf des Patienten ist, wie in der Fig. 2 dargestellt, über
eine spezielle Kopfhalterung KH fixierbar. Im Operationsfeld OF
befinden sich keine den Operateur behindernden Einrichtungen
der Sensorik bzw. des Navigationssystems.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, illustriert anhand der
Fig. 3, ist ein weiterer Sensor, ein sogenannter Kopfsensor KS
am Kopf des Patienten befestigt, um bei einer nicht starren
Fixierung des Kopfes Bewegungen dieses automatisch zu erfassen,
ohne daß ein manuelles Kalibrieren je nach Lageveränderung
erforderlich wird. Die vom Kopfsensor erfaßten Korrekturdaten
werden einem nicht gezeigten Steuerrechner zugeführt, um ein
quasi dynamisches oder bezogen auf die Ursprungsänderung
veränderliches Koordinatensystem zu bestimmen, ohne daß die
Eigenschaften des Navigationssystems, d. h. die exakte Zuordnung
von virtuellem und reellem Bild verlorengehen.
Aufgrund der festen Lagebeziehung zwischen dem Transmitter T
und dem Patienten treten keine durch mechanische Erschüt
terungen bedingte oder auf Veränderungen oder Bewegungen des
Operationstisches im Raum zurückzuführende Ungenauigkeiten bei
der Positionszuordnung und der Bilddarstellung anhand der
gespeicherten 3D-Datensätze auf.
Mit Hilfe der Fig. 4 soll verdeutlicht werden, wie ohne weitere
Eingabehilfsmittel allein durch Aufteilung von Operations- OF
und Steuerfeld SF und Hinein- oder Herausbewegen des später
beschriebenen Zeigers oder Stylus bezüglich dieser Felder ein
Aktivieren der in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Menüs und das
Auslösen von Steuerbefehlen erfolgen kann.
Das entsprechende Umschalten erfolgt durch das Erkennen des
Überschreitens eines räumlichen Abstands oder Grenze, in der
sich der im Zeiger befindliche Sensor, der das Magnetfeld
ausgesendet vom Transmitter erfaßt, befindet. Entsprechende
Steuerbefehle können durch ein im Gehäuse des Zeigers befind
liches elektronisches Schaltelement, z. B. Taster, ausgelöst
oder bestätigt werden.
Fig. 5 zeigt eine Hardkopie des Navigationsscreens, d. h. ein
Monitorbild, wobei sich der Arbeitsablauf gerade im Stadium des
Prozesses der Registrierung der Marker befindet. Wie dem Moni
torbild entnommen werden kann, sind z. B. bis zu sechs Marker
verwendbar, so daß sich insgesamt eine hohe Reproduzierbarkeit
auch dann ergibt, wenn im Laufe der Operationsvorbereitung sich
ein Marker löst oder entfernt werden muß. An sich sind beliebig
viele Marker verwendbar, wobei eine optimale Zahl bei 4 bis 5
liegt.
Die Fig. 6 bis 8 zeigen weitere Aufnahmen des Navigations
screens, und zwar das sogenannte Fiducial-Management, das
virtuelle Keypad zum Steuern des Navigationssystems und die
Möglichkeit der intraoperativen Dokumentation zur nachfolgenden
Bewertung oder Auswertung der Behandlung. Hinsichtlich des
Einmeßvorgangs mit Hilfe der Einmeßkörper nach Fig. 11 sei
angemerkt, daß dieser Schritt zur Herstellung einer vorge
gebenen räumlichen, d. h. koordinatenseitig definierten
Beziehung des Kopfes des Patienten zu seinem auf dem Monitor
darstellbaren virtuellen Bild erfolgt. Hierfür werden die
Einmeßhilfen respektive die Einmeßkörper auf die speziellen
Träger aufgesteckt, die sich bereits auf der Haut des Patienten
befinden. Die Einmeßkörper weisen, wie später erläutert, Ver
tiefungen auf, die mit der Tastspitze des Zeigers bzw. des
Stylus in beliebiger Reihenfolge berührt werden. Das Erreichen
dieser Position wird durch Betätigung des erwähnten Tasters,
der sich am Zeiger befindet, bestätigt. Die Position selbst
wird durch automatische Lageerfassung des im Zeiger vorhandenen
Sensors vom Navigationscomputer registriert und durch das
Aufleuchten einer Schaltfläche am Display angezeigt. Nach der
Registrierung aller Positionen ist das Navigationssystem
einsatzbereit, wobei für neurochirurgische Anwendungen eine
Voreinstellung dergestalt gegeben ist, daß das 3D-Abbild des
Gehirns zunächst aus der Blickperspektive des Operateurs dar
gestellt wird. Selbstverständlich kann mit Hilfe des Zeigers
und der Funktion "View" des virtuellen Menüs diese Blickrich
tung jederzeit geändert werden.
Die erwähnten Marker können vor dem Eingriff vom Kopf des
Patienten entfernt werden, so daß Behinderungen ausgeschlossen
sind.
Die Markierungseinrichtungen oder Fiducials für das vorge
schlagene Navigationssystem sollen nachstehend unter Bezugnahme
auf die Fig. 9 bis 11 näher erläutert werden.
Die einzusetzenden Markierungseinheiten werden am entsprechen
den Objekt, beispielsweise am menschlichen Schädel befestigt
und gemeinsam mit den jeweiligen bildgebenden Verfahren auf
grund der vorhandenen Kontrastsubstanzen abgebildet. Davon
unabhängig ist die Position dieser Markierungseinheiten zu
einem späteren Zeitpunkt, nämlich im Operationssaal definier
bar. Mittels einer Zusammenführung von Positionsdaten über die
Lage der Markierungseinheiten auf dem bildgebenden Verfahren,
d. h. in den Bilddatensätzen und in der Realität besteht dann
die Möglichkeit eines Koordinatenangleichs. Dies wiederum ist
die Grundlage der Zuordnung beliebiger Punkte im gegebenen
Koordinatensystem, so daß eine entsprechende Navigation möglich
wird.
Fig. 9 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch die spezielle,
teilbare Markierungseinrichtung. Ein am Probanden befestigbarer
Träger 600 besteht bevorzugt aus einer mit einer einseitigen
Klebebeschichtung versehenen Kunststoffolie. Demnach ist also
der Träger 600 als flächiges Gebilde ausgeführt und besitzt
vorzugsweise eine Kreisform. Der Träger ist verschieden aus
führbar, z. B. mit einer großen Kleberfläche für Erwachsene und
einer kleinen für Kinder, die mit jeweils unterschiedlichen
Klebebeschichtungen an die verschieden empfindlichen Hauttypen
angepaßt worden sind. Im Ausführungsbeispiel ist der Rastknopf
aus Carbon, was den Vorteil hat, daß bei hoher Festigkeit weder
eine Artefaktbildung in der Kernspintomographie noch in der
Computertomographie hervorgerufen wird.
Auf der der Klebefläche abgewandten Seite des Trägers 600 ist
ein hervorstehender Rastknopf 500 vorhanden. Dieser Rastknopf
500 dient der Befestigung eines zylindrischen Gehäuses 200,
welches bodenseitig eine Rastaufnahme oder ein Rastgegenstück
400 besitzt. Die Bodenfläche 700 des zylindrischen Gehäuses 200
ist konkav geformt oder besitzt einen entsprechenden Rück
sprung.
Durch Rastknopf 500 und Rastaufnahme 400 kann das zylindrische
Gehäuse mit dem Träger 600, der bereits am Patienten fixiert
ist, verbunden werden. Nach erfolgter Aufnahme, d. h. dem
Tomographie-Scanning, kann der gut handhabbare, hervorstehende
zylindrische Körper bzw. das zylindrische Gehäuse 200 vom
Patienten entfernt und es kann dann im Operationssaal zum
Einmessen der in der Fig. 11 gezeigten Einmeßkörper 900 auf
gesteckt werden.
Das zylindrische Gehäuse 200 besitzt, wie in der Fig. 9
erkennbar, eine Öffnung, welche wiederum der Aufnahme einer
Kugel 300 dient, welche im Inneren eine Kontrastflüssigkeit
oder ein Kontrastgel für die Kernspin- bzw. Computertomographie
aufnimmt.
Das zylindrische Gehäuse 200 ist mit einem durch ein Werkzeug
abnehmbaren Deckel 100 verschlossen, wobei der Deckel 100
bevorzugt aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial besteht.
Durch letztere Materialeigenschaft besteht die Möglichkeit, den
Zustand der Kugel 300 respektive der dort befindlichen Markie
rungsflüssigkeit zu erfassen. Gleichzeitig kann die Kugel 300
mit der Markierungssubstanz gegen eine andere geeignete ausge
tauscht werden. Grundsätzlich sind die Fiducials fertige
Gebilde, die für die jeweiligen Aufnahmetechniken optimierte
Kugeln enthalten.
Die Form der Bodenfläche 700 ermöglicht es, Krümmungen des
Objekts, beispielsweise des menschlichen Schädels, auszu
gleichen, ohne daß sich der Sitz der Markierungseinrichtung
ändert oder instabil wird. Darüber hinaus ist in dieser Boden
fläche 700 die erwähnte Ausnehmung als Rastaufnahme 400
respektive Gegenstück zum Rastknopf 500 befindlich.
Das Material des Trägers 600 mit der Klebefläche besitzt eine
an die Haut angepaßte Beweglichkeit und kann der Körperober
fläche folgen, ist jedoch in sich verzerrungsstabil, so daß die
zur exakten Markierung erforderliche Position des Rastknopfs
500 bevorzugt in der Mitte des Trägers 600 erhalten bleibt. Die
Öffnung im zylindrischen Gehäuse 200 der Markierungseinrichtung
ist so beschaffen, daß die Kugel mit der Markierungssubstanz
sicher und quasi unbeweglich, d. h. in ihrer Lage stabil
gehalten wird.
Fig. 2 zeigt die komplette Markierungseinrichtung, d. h. den
Träger 600 mit aufgestecktem zylindrischen Gehäuse 200
inklusive Deckel 100.
Nach Durchführung der Tomographieaufnahmen wird das zylin
drische Gehäuse 200 mit der die Kontrast-Markierungssubstanz
aufnehmenden Kugel 300 vom Träger 600 über die lösbare Ver
bindung entfernt und es kann sich der Patient ungehindert
bewegen. Durch die am Patienten verbleibende Trägerfolie bzw.
den anhaftenden Träger 600 mit Rastknopf 500 besteht des
weiteren die Möglichkeit, unter exakter Positionszuordnung
präoperativ den gewünschten Einmeßvorgang durchzuführen. Für
das Einmessen wird die in der Fig. 3 gezeigte Einmeßhilfe in
Form eines Einmeßkörpers 900 aufgesteckt. Der Einmeßkörper
stellt bevorzugt einen Vollkörper aus Kunststoff dar, dessen
wesentliches Merkmal eine Vertiefung 800 im Zentrum ist, wobei
diese Vertiefung 800 exakt dem Mittelpunkt bzw. dem Schwerpunkt
der Kugel 300 mit der Markierungssubstanz entspricht. Auf diese
Weise ist sichergestellt, daß beim Einmessen mit dem Zeiger
oder Stylus der virtuelle und der reale Kugelmittelpunkt der
Markierungseinrichtung zur Übereinstimmung kommen. Es ist also
nach Einmessen eine exakte Überlagerung der virtuellen Bilder
aus dem Navigationssystem und des realen Schädels möglich.
Nach erfolgtem Einmessen kann der Einmeßkörper, aber auch der
gesamte Marker, d. h. der Träger, vom Kopf entfernt werden.
Bezüglich der Ausführung des Zeigers oder Stylus für eine
Tracking-Einrichtung des vorgestellten Navigationssystems sei
auf Fig. 12, welche eine Schnittdarstellung zeigt, verwiesen.
Der Zeiger weist eine Tastspitze 1 oder aber auch eine Tast
spitzenaufnahme, z. B. für Einführhilfen auf. Gegenüberliegend
befindet sich ein spezieller elektromagnetischer Sensor 5. Der
Sensor 5 und die Tastspitze 1 sind über einen Körper 3 fest
miteinander verbunden. Der Körper 3 wiederum ist bezüglich des
eigentlichen langgestreckten Handstück-Gehäuses 8 nachgiebig
und spannungsfrei, quasi kardanisch, gelagert.
Der Verbindungskörper 3 besteht bevorzugt aus einem verfor
mungs- und temperaturstabilen Kunststoff oder Titan.
Im langgestreckten Gehäuse 8 befindet sich eine Öffnung zur
Aufnahme eines Tasters 6. Der elektrische Ausgang des Sensors 5
ist ebenso wie der Anschluß des Tasters 6 über eine Signal
leitung 7 verbunden und nach außen geführt.
Der Taster 6 ist im Handstück-Gehäuse 8 dampf- und flüssig
keitsdicht befestigt.
An dem der Tastspitze 1 gegenüberliegenden bzw. dem distalen
Ende des Zeigers gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 8 ist ein
dampf- und flüssigkeitsdichter Kabelauslaß 9 befindlich, wobei
der Verbindungskörper 3 und der Kabelauslaß 9 durch Überwürfe
2, 10 mechanisch lösbar mit dem Gehäuse 8 verbunden sind. Zum
Gewährleisten der erforderlichen Dichtheit sind elastische
Dichtelemente bevorzugt in Form von Dichtringen 4 und 11 im
Bereich der Überwürfe 2 und 10 vorhanden.
Der Verbindungskörper 3 befindet sich mindestens mit seiner
Sensoraufnahmeöffnung, d. h. mit dem Sensor 5 innerhalb des
Gehäuses 8, wobei zwischen dem Verbindungskörper 3 und der
Gehäuseinnenseite ein Ringspalt 12 ausgebildet ist.
Mit Hilfe der Tastspitze 1 wird das zu navigierende Objekt
berührt, wobei die entsprechende Lage durch die Zuordnung von
Sensor 5 und Tastspitze 1 und dem sich hieraus ergebenden
Vektor ermittelt wird. Diese Lageposition dient dem Steuer
rechner des Navigationssystems zum Selektieren derjenigen
virtuellen Bilder, welche sich in quasi Blickrichtung der
Tastspitze befinden.
Der Verbindungskörper 3 besteht bevorzugt aus einem verfor
mungs- und temperaturstabilen Kunststoff oder Titan. Der
Einsatz eines solchen Materials sichert die gewünschte feste
Verbindung zwischen Tastspitze 1 und Sensor 3, wobei gleich
zeitig über den Ringspalt 12 der mechanische Kontakt zum
Gehäuse 8 auf ein Minimum reduziert ist. Verformungskräfte, die
beispielsweise bei einer Dampfsterilisation auf den Zeiger,
insbesondere das Gehäuse wirken, werden von der Verbundanord
nung aus Spitze 1, Körper 3 und Sensor 5 ferngehalten.
Die gezeigte Ausführungsform des Stylus geht von einem draht
gebundenen Signalaustausch zum Navigationsgerät aus. Alternativ
kann jedoch auf eine drahtlose Verbindung über eine an sich
bekannte Telemetrieeinrichtung zurückgegriffen werden.
Als Sensor 5 wird bevorzugt ein bekannter Magnetfeldsensor
verwendet. Ein derartiger Sensor dient der räumlichen Erfassung
der Sensorposition in sechs Freiheitsgraden, wobei der Sensor
bewegungsbereich nicht eingeschränkt ist. Der Magnetfeldsensor
erfaßt seine oder die ihm zugeordnete Position der Tastspitze 1
aufgrund eines in der Navigationsumgebung vorhandenen
DC-Magnetfelds durch entsprechende Feldstärkemessung in Echtzeit.
Der spezielle Sensor ist in Verbindung mit einer zugehörigen
Bewertungseinrichtung und den erwähnten Transmittern in der
Lage, bis zu 144 Messungen pro Sekunde bei einer Winkelauf
lösung von ca. 0,1° durchzuführen. Die Ausgangsdaten stehen in
einem kartesischen Koordinatensystem mit Orientierungswinkeln,
aber auch in Form einer Rotationsmatrix zur Verfügung.
Alles in allem gelingt es mit vorstehender Erfindung, ein
Navigationssystem anzugeben, welches durch die Kombination
einer speziellen Tracking-Sensorik und einer 3D-Bilddaten
aufbereitung von CT- und MR-Daten hochgenau dem realen Abbild
entsprechende virtuelle Darstellungen, z. B. des Gehirns eines
Patienten, zu erzeugen, so daß prä- und intraoperativ die
jeweilige Behandlungsoperationsstrategie optimierbar ist. Durch
den Verzicht auf zusätzliche Bedieneinheiten oder eine aufwen
dige Steuerung ist sowohl der personelle als auch materielle
Einsatz bei dem Anwendung eines derartigen Navigationssystems
minimal.
OF Operationsfeld
SF Steuerfeld
KH Kopfhalterung
T Transmitter
OPT Operationstisch
KS Kopfsensor
SF Steuerfeld
KH Kopfhalterung
T Transmitter
OPT Operationstisch
KS Kopfsensor
1
Tastspitze
2
,
10
Überwurf
3
Verbindungskörper
4
,
11
Dichtringe
5
Sensor
6
Taster
7
Signalleitung
8
Gehäuse
9
Kabelauslaß
12
Ringspalt
100
Deckel
200
zylindrisches Gehäuse
300
Kugel mit Markierungssubstanz
400
Rastaufnahme
500
Rastknopf
600
Träger
700
Bodenfläche
800
Markierungsausnehmung
900
Einmeßkörper
Claims (18)
1. Navigationssystem zur Durchführung und Unterstützung von
chirurgischen Eingriffen, insbesondere auf dem Gebiet der
Neurochirurgie und der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde,
- - wobei das System eine Bilddatenbank für präoperativ ange fertigte Kernspin- oder Computertomographie(CT oder MR)-Auf nahmen,
- - einen Personalcomputer oder Steuerrechner mit Monitor zur Bilddatenverarbeitung und -darstellung sowie
- - eine Tracking-Einrichtung zum Bestimmen der momentanen Position eines Instruments und Ableiten oder Real-time- Nachziehen von Darstellungen der Patientenanatomie anhand der in der Bilddatenbank abgelegten Aufnahmen aufweist, gekennzeichnet durch
- - Mittel zum Extrahieren von anatomischen Strukturen aus den Rohdatensätzen der präoperativen Aufnahmen und Bereitstellen dieser Strukturen in Form von visualisierbaren 3D-Daten sätzen;
- - Mittel zum Erzeugen eines definierten magnetischen Gleich felds in der Navigationsumgebung sowie ein Zeigernaviga tionsinstrument mit einem integralen Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor und der Gleichfeld-Transmitter die Tracking-Einrichtung bilden, und
- - Mittel zur Menu-geführten Steuerung des Systems, wobei durch Bewegungen des Zeigernavigationsinstruments außerhalb des Operationsfelds, aber innerhalb der Navigationsumgebung ein Aktivieren oder Deaktivieren angebotener Menus oder Steuer maßnahmen erfolgt.
2. Navigationssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
über ein Bildverarbeitungsmodul des Personalcomputers eine
dreidimensionale Aufbereitung der Computertomographie und
Kernspintomographie-Daten des Probanden mit der Folge durch
geführt wird, daß die derart erhaltenen Daten ein bezogen auf
die Craniotomie-Erkenntnisse identisches Abbild zur Operations- und
Behandlungsplanung ergeben.
3. Navigationssystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
mittels des Bildverarbeitungsmoduls anatomische Strukturen
eigenschafts- oder umfeldorientiert aus den Summendatensätzen
selektierbar sind und auf der Basis einer vorgebbaren Segmen
tierungsstrategie diskrete Datensätze erstellt werden.
4. Navigationssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Gleichfeld-Transmitter zum Erzeugen des Magnetfelds der
Tracking-Einrichtung am Operationstisch oder einer dort vor
gesehenen Kopfauflage, jedoch außerhalb des Operationsfelds
angeordnet ist, wodurch sich eine feste, reproduzierbare
Lagebeziehung zwischen dem zu navigierenden Organ des Patienten
und Transmitter unabhängig von der Lage des Operationstisches
im Raum ergibt.
5. Navigationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Magnetfeldsensor Signale zum Ableiten von Position und/oder
Bewegungsrichtung des Zeigernavigationsinstruments anhand des
definierten magnetischen Gleichfelds und dessen Feldorientie
rung bereitstellt, wobei diese Signale sowohl auf dem Monitor
darstellbar sind als auch zur Steuerung der Nachlade- und
Aktualisierungsvorgänge des Bildbearbeitungsmoduls dienen.
6. Navigationssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein weiterer Magnetfeldsensor vorgesehen ist, wobei dieser
Sensor am Probanden, bevorzugt am Kopf, befestigbar ist, um
Lage- und Positionsveränderungen, bezogen auf den Gleichfeld-
Transmitter zu erfassen.
7. Navigationssystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangssignale des zweiten Magnetfeldsensors als Korrek
turdaten dem Steuerrechner zugeführt werden, um ein quasi
dynamisches oder bezogen auf die Ursprungsänderung veränder
liches Koordinatensystem zu bestimmen.
8. Markierungseinrichtung oder Fiducial zum Erstellen von
Bilddaten für eine Datenbank mittels Kernspin- und/oder
Computertomographie sowie zur Positionserfassung der Lage eines
Probanden und Koordinatenzuordnung bei chirurgischen Eingriffen
mit Unterstützung eines Navigationssystems, umfassend
einen am Probanden mittels Klebefläche befestigbaren Träger
sowie eine in einem Behältnis befindliche Kontrast-Markie
rungssubstanz,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Träger als flächiges, mindestens teilflexibles Gebilde mit einem im wesentlichen zentrischen, auf der der Klebe fläche abgewandten Seite hervorstehenden Rastknopf ausge bildet ist,
- - die Kontrast-Markierungssubstanz von einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse aufgenommen ist, wobei der Gehäuse boden eine konkave Form oder einen Rücksprung aufweist und am Gehäuseboden eine im wesentlichen zentrische Rastaufnahme oder ein Rastgegenstück angeordnet ist, wobei durch Rast knopf und Rastaufnahme oder Rastgegenstück das zylindrische Gehäuse nach Anbringen des Trägers mit diesem wiederholt verbind- oder lösbar ist.
9. Markierungseinrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
das zylindrische Gehäuse einen abnehmbaren Gehäusedeckel,
vorzugsweise aus einem durchsichtigen Kunststoff aufweist, so
daß die Markierungssubstanz kontrollier- und austauschbar ist.
10. Markierungseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Markierungssubstanz für die Kernspintomographie eine
Flüssigkeit oder ein Gel ist, welche bzw. welches sich in einem
Kugel- oder geschlossenen Zylindergefäß befindet, wobei der
Außendurchmesser der Kugel oder des Zylinders im wesentlichen
dem Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses mit Rastauf
nahme entspricht.
11. Markierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein geschlossener, in seinen Abmessungen und seiner boden
seitigen Ausbildung dem zylindrischen Gehäuse entsprechender
Einmeßkörper vorgesehen ist, wobei der Einmeßkörper deckel
seitig eine Markierungsausnehmung hat, welche sich in einer
Position befindet, die gleich dem Mittel- oder Schwerpunkt der
Kontrast-Markierungssubstanz bzw. des Kugel- oder Zylinder
gefäßes ist.
12. Markierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
das zylindrische Gehäuse und der Einmeßkörper aus Kunststoff
material bestehen, wobei der Träger bevorzugt eine einseitige
klebebeschichtete Folie umfaßt.
13. Zeiger für eine Tracking-Einrichtung eines Navigations
systems zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen
Eingriffen mit einem in einem langgestreckten Handstück-Gehäuse
angeordneten gekapselten Sensor sowie einer aus dem Gehäuse
teilweise hervorstehenden Tastspitze,
dadurch gekennzeichnet, daß
der gekapselte Sensor mit der Tastspitze oder einer Tast
spitzen- bzw. Einführhilfenaufnahme mittels eines im wesent
lichen gegenüberliegende Öffnungen aufweisendes Körpers starr
verbunden ist, wobei der Körper mit jeweils in den Öffnungen
befindlichem Sensor und Tastspitze bezüglich des Handstück-
Gehäuses nachgiebig, spannungsfrei, quasi kardanisch gelagert
ist.
14. Zeiger nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Verbindungskörper aus einem verformungs- und temperatur
stabilen Kunststoff oder Titan besteht.
15. Zeiger nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
in der Wandung des Handstück-Gehäuses ein Signaltaster dampf- und
flüssigkeitsdicht angeordnet ist.
16. Zeiger nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
am der Tastspitze gegenüberliegenden bzw. dem distalen Ende des
Gehäuses gegenüberliegend ein dampf- und flüssigkeitsdichter
Kabelauslaß befindlich ist, wobei der Verbindungskörper und der
Kabelauslaß durch Überwürfe mit dem Gehäuse verbunden sind.
17. Zeiger nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Verbindungskörper mindestens mit seiner Sensoraufnahme
öffnung sich innerhalb des Gehäuses befindet, wobei zwischen
dem Verbindungskörper und der Gehäuseinnenseite ein Ringspalt
ausgebildet und zur Abdichtung zwischen Verbindungskörper und
Gehäuse oder Überwurf und Gehäuse mindestens ein elastischer
Dichtring vorgesehen ist.
18. Navigationssystem,
gekennzeichnet durch
eine Kombination von Gegenständen nach den Merkmalen der
Ansprüche 1, 8 und 13.
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
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AT99955964T ATE291383T1 (de) | 1998-11-17 | 1999-11-10 | Chirurgisches navigationssystem mit einer markierungseinrichtung und einem zeiger für eine tracking einrichtung |
EP99955964A EP1152706B1 (de) | 1998-11-17 | 1999-11-10 | Chirurgisches navigationssystem mit einer markierungseinrichtung und einem zeiger für eine tracking einrichtung |
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Applications Claiming Priority (3)
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DE19853010 | 1998-11-17 | ||
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ID=7888099
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