DE19915171A1

DE19915171A1 - Stimulationswerkzeug für die elektrische Hirnrindenstimulation zur Verwendung während der computerassistierten Neurochirurgie

Info

Publication number: DE19915171A1
Application number: DE19915171A
Authority: DE
Inventors: Olaf Suess
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-11-02

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durch die Neuronavigation in seiner Position kontrollierbares (navigierbares) Werkzeug für die elektrische Hirnrindenstimulation zur Durchführung intraoperativer neurophysiologischer Untersuchungen zu entwickeln. DOLLAR A Die Erfindung besteht aus einer mit gummielastischem Material (2) gefüllten Gehäusehülse (3), welche über eine geometrisch definierte Einkerbung (1) als lösbare Aufsatzhalterung für die Spitze eines handelsüblichen Ortungsinstruments zur Neuronavigation ("Navigations-Pointer", "Stylus") dient, sowie aus einer auf dem Gehäuseboden (4) angebrachten Elektrode (8) zur direkten elektrischen Hirnrindenstimulation. Da sich die Position der Stimulationselektrode (8) zur Position der Spitze (9) des Ortungsinstrumentes in einem definierten Abstand befindet, ist ein wiederholtes Auffinden und Stimulieren eines bereits zuvor definierten Punktes auf der Hirnoberfläche möglich. DOLLAR A Das Stimulationswerkzeug bietet somit den Vorteil, bei Anwendung während der computerassistierten Neurochirurgie (Neuronavigation), auf die dauerhafte Platzierung eines konventionellen Elektrodenstreifens zur elektrischen Stimulation der Hirnoberfläche, im Rahmen einer intraoperativen neurophysiologischen Untersuchung verzichten zu können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stimulationswerkzeug für die elektrische Hirnrindenstimulation zur Verwendung während der computerassistierten Neurochirurgie (synonym auch als "Neuronavigation" bezeichnet). Mit Hilfe der Neuronavigation ist eine Übertragung von Bilddaten aus einer präoperativen Computer- oder Kernspintomographie auf das Operationsfeld zur Definition von Tumorgrenzen oder von funktionell wichtigen Hirnarealen und zur intraoperativen Orientierung der Chirurgen möglich. Bei Navigationsverfahren, die auf einem optischen System mit einer CCD-Zeilenkamera oder auf einem elektromagnetischen Prinzip beruhen, erfolgt die Lokalisation eines Punktes im Raum mit Hilfe eines Instrumentes (handelsüblich als "Navigations-Pointer" oder "Stylus" benannt), mit dessen Spitze anatomische Strukturen berührt oder umfahren werden können (Anwendungsbeschreibungen finden sich z. B. in: "Gumprecht H, Widenka DC, Lumenta CB: BrainLab VectorVision Neuronavigation System: Technology and Clinical Experience in 131 Cases. Neurosurgery 44: 97-105, 1999" oder in: "Dorward NL, Alberti O, Velani B et al.: Postimaging brain distorsion: magnitude, correlates, and impact on neuronavigation. J Neurosurg 88: 656-662, 1998"). Die Digitalisierung der Raumkoordinaten der Instrumentenspitze ermöglicht dann eine Darstellung des korrespondierenden Punktes auf Bilddaten aus den präoperativen radiologischen Untersuchungen. Eine Beschreibung des momentanen Standes der Technik findet sich z. B. in: "Wirtz CR, Kunze S. Neuronavigation: Computerassistierte Neurochirurgie. Deutsches Ärzteblatt 95, Heft 39, B-1865-B-1871, 1998". Intraoperative Veränderungen der anatomischen Verhältnisse, z. B. durch operationstechnisch bedingten Hirnwasserverlust oder "Brain-shift", mechanische Veränderungen durch Hirnspateltraktion sowie Hirnödem können jedoch nicht mit den präoperativ erstellten Bilddaten dargestellt werden, so daß es zu einer mangelhaften Übereinstimmung zwischen dem zu lokalisierenden Operationsgebiet und dem Bilddatensatz kommen kann. Diese Ungenauigkeit kann besonders in motorisch funktionellen Hirnarealen zur Verunsicherung oder sogar zur Fehlleitung des Operateurs führen, aufgrund dessen die kombinierte Anwendung von Verfahren zur Neuronavigation mit intraoperativen neurophysiologischen (elektrischen) Lokalisations- und Überwachungs methoden zur Lagekontrolle der motorischen Hirnrinde sinnvoll erscheint. Zur intraoperativen Lokalisation motorisch funktioneller Areale sowie zur kontinuierlichen Funktionsprüfung der motorischen Bahnen, ist u. a. die elektrische, direkte anodale monopolare Kortexstimulation beschrieben (z. B. in: "Cedzich C, Taniguchi M, Schäfer S. Schramm J: Somatory evoked potential phase reversal and direct motor cortex stimulation during surgery in and around the central region. Neurosurgery 38: 962-970, 1996" oder in: "Taniguchi M, Cedzich C, Schramm J: Modification of cortical Stimulation for motor evoked potentials under general anesthesia: technical description. Neurosurgery 32: 219-226, 1993"). Neben der Tatsache, daß die hierfür verwandten handelsüblichen Streifen- oder Gitterelektroden aufgrund ihrer Größe im Operationfeld zumeist störend wirken, setzt deren Verwendung jedoch zunächst eine entsprechend große Schädeleröffnung voraus, was dem Streben nach einem möglichst minimal invasiven Vorgehen entgegensteht. Ein weiteres Problem der angesprochenen Streifen- und Gitterelektroden besteht in der Möglichkeit einer intraoperativen Dislokation der für das Monitoring in einer definierten Position fixierten Elektroden, was oftmals zum vollständigen elektrophysiologischen Informationsverlust führt und die Beendigung der intraoperativen neurophysiologischen Kontrollmessungen zur Funktionsprüfung bedingt. Auch sogenannte "Einzelelektroden" (d. h. eine einzelne Elektrode in Kunststoff eingebettet), welche durch ihre kleinen Abmessungen den oben geforderten Ansprüchen genügen würden, werden mittlerweile industriell angeboten. Gerade durch die sehr kleine Auflagefläche kommt es bei diesen jedoch sehr häufig zu intraoperativen Verschiebungen verschiedenen Ausmaßes, weshalb hier nicht von einer "fixierten Position" oder einer "definierten Lage" der Elektrode zu sprechen ist. Eine technische Lösung zur Kombination und örtlichen Korrelation dieser Elektroden mit Techniken zur Neuronavigation ist hierbei jedoch nicht vorgesehen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein durch die Neuronavigation in seiner Position kontrollierbares, möglichst kleines Werkzeug für die elektrische Stimulation der Hirnrinde zu entwickeln, welches nicht einer dauerhaften Platzierung im Operationssitus bedarf und welches eine kombinierte elektrische Stimulation der Hirnrinde und eine gleichzeitige Navigation für das computerassistierte Operieren erlaubt.

Die vorgestellte Erfindung (im folgenden "Stimulationswerkzeug" genannt) besteht aus einem Gehäuse aus nicht stromleitenden Material, welches als Aufsatzhalterung für ein Ortungsinstrument zur Neuronavigation dient, und aus einer auf dessen Unterseite angebrachten Metallelektrode.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Fig. 1 bis 13 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Seitansicht, plastisch, ca. 15 Grad zum Betrachter gekippt, so daß eine teilweise Aufsicht auf die Oberseite ermöglicht wird;

Fig. 2 eine gekippte Seitansicht entsprechend Fig. 1 mit in die Einkerbung (1) der gummielastischen Halterung (2) eingesetztem Ortungs instrument (7) für die Neuronavigation;

Fig. 3 eine entsprechend der Fig. 1 um 90 Grad entlang seiner Längsachse (A) im Uhrzeigersinn gedrehte Seitansicht mit Darstellung der Schnittebene entlang der Linie II, aus welcher sich Fig. 4 ergibt;

Fig. 4 ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Stimulationswerkzeugs entlang der Linie II;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht entsprechend Fig. 4 mit Darstellung der Linien IIl bis VIII, aus welchen sich die Schnittebenen und daraus resultierend die Ansichten der weiteren Fig. 6 bis 11 ergeben, sowie mit Darstellung eines quadratisch markierten Areals M1, aus welchem sich die Ausschnittsver größerungen in der Fig. 12 und Fig. 13 ergeben;

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie III;

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie IV;

Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie V;

Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Linie VI;

Fig. 10 eine Schnittansicht entlang der Linie VII;

Fig. 11 eine Schnittansicht entlang der Linie VIII;

Fig. 12 eine Seitaufsicht sowie eine Ausschnittsvergrößerung entsprechend der Fig. 5 mit Darstellung der Modifikation M (lösbarer Ver bindungsmechanismus zwischen Elektrode und Gehäuse) in verbundenem Zustand;

Fig. 13 eine Seitaufsicht sowie eine Ausschnittsvergrößerung entsprechend der Fig. 5 mit Darstellung der Modifikation M (lösbarer Ver bindungsmechanismus zwischen Elektrode und Gehäuse) in gelöstem Zustand.

In Fig. 1 ist eine plastische Seitansicht des Stimulationswerkzeugs gezeigt. Das Gehäuse besteht aus zwei nicht stromleitenden Komponenten (vorzugsweise aus Kunststoff), einer Hülse (3) und einer runden Bodenplatte (4), welche an der Unterseite der Hülse (3) zentriert und mit dieser fest durch Verklebung oder Verschweißung verbunden ist, bzw. wahlweise auch aus einem Stück, z. B. durch Fräsung oder Ätzung, hergestellt werden kann. Hierdurch entsteht ein Hohlraum in der nach oben offenen Hülse (3), welcher mit einem gummielastischen Material (2) (vorzugsweise Silicon) gefüllt ist. Über eine zylindrische Einkerbung (1), vom Zentrum der Oberseite ausgehend und bis zum geometrischen Zentrum des Bodens (9) der Hülse reichend, erfolgt der Aufsatz des Stimulationswerkzeugs auf die Spitze eines handelsüblichen Ortungs instruments (7) zur computerassistierten Neurochirurgie/Neuronavigation (zumeist als "Navigations-Pointer" oder "Stylus" benannt). Dieser Vorgang ist in Fig. 2 nochmals schematisch dargestellt. In Fig. 4 wird ein mittiger Querschnitt entlang der in Fig. 3 dargestellten Linie II gezeigt. Dieser zeigt den mit gummielastischem Material gefüllten Hohlraum der Hülse (3) mit einer konisch sich verengenden Einkerbung (1), welche im Durchmesser kleiner ist als der kleinste Durchmesser der bekannten handelsüblichen Ortungsinstrumente, jedoch durch seine Elastizität eine Einführung eines solchen Ortungs instrumentes erlaubt und durch den elastischen Widerstand einen sicheren Halt während der Benutzung gewährleistet. Ein wiederholtes Auf- und Absetzen des Stimulationswerkzeugs auf das Ortungsinstrument ist durch diesen Haltemechanismus problemlos möglich. Dies erlaubt u. a. eine zwischenzeitliche Lagerung des Stimulationswerkzeugs ausserhalb des Operationsgebietes und ein jederzeit erneutes Wiederaufsetzen des Stimulationswerkzeugs auf die Hirnoberfläche. Nach Aufsetzen des Stimulationswerkzeugs auf das Ortungsinstrument kann dieses nun auf der Hirnoberfläche so plaziert werden, daß die Elektrode am Boden des Plastikgehäuses direkten Kontakt zum Hirngewebe erhält. Die Elektrode (8), bestehend aus einem stromleitenden Metall, ist ortsfest und geometrisch zentriert in ein hirngewebsverträgliches Material (6) (vorzugsweise Silicon oder Kunststoff) eingebettet, so daß die Oberseite der Elektrode (8b) mit dem Material überdeckt ist, die Unterseite der Elektrode (8a) jedoch frei so zu liegen kommt, daß bei Auflage dieser Unterseite auf die Hirnoberfläche ein direkter Hirngewebs-Metall-Kontakt zustande kommt, wodurch die direkte Stromabgabe auf die Hirnoberfläche ermöglicht wird. Eine weitere Erläuterung der Elektrode ist hier nicht erforderlich, da derartige Stimulationselektroden in verschiedenen Ausführungen bekannt sind und bereits kommerziell vertrieben werden. In der zuvor beschriebenen und in den Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 11 dargestellten Grundversion ist die eingefaßte Elektrode (6, 8) fest, z. B. durch Verklebung oder Verschweißung, an der Kontaktfläche (11) mit der Unterseite der Bodenplatte (4) des Gehäuses verbunden. Als Modifikation M wird in den Fig. 12 und Fig. 13 ein lösbarer Halte- und Verbindungsmechanismus aufgezeigt, über den ein repetitives Aufsetzen und Abnehmen der eingefaßten Elektrode (6, 8) vom Gehäuse (3, 4) möglich wird. Die in Kunststoff oder Silikon (6) eingefaßte Elektrode (8) wird hierbei durch einen "druckknopfartigen" Mechanismus bewegungsfest am Boden des Gehäuses (4) gehalten, ist jedoch bei Bedarf jederzeit abnehmbar. Eine solche Notwendigkeit ergibt sich z. B. beim Wunsch, die Elektrode zur Stimulation unter den Rand der Kraniotomie zu plazieren, was mit aufgesetztem Gehäuse nicht möglich ist. Dieser Mechanismus wird als Ausschnittsdarstellung in der Fig. 12 (in verbundenem Zustand) und in Fig. 13 (in gelöstem Zustand) graphisch dargestellt. Er besteht aus einer mittig an der elekrodenzugewandten Seite der Bodenplatte (4) des Gehäuses angebrachten Einkerbung (10a), welche als Halterung für eine "druckknopfartige" Steckverbindung (10b) dient und welche ebenfalls mittig auf der gehäusezugewandten Seite der Elektrodeneinfassung (6) angebracht ist. Das Stimulationswerkzeug ist mit einem trennbaren elektrischen Kontakt (5) versehen, über den die Metallelektrode an einen externen elektrischen Impulsgeber angeschlossen werden kann. Die Stimulation der Hirnrinde kann nun z. B. mit einem anodalen monopolaren Rechteckimpuls (Impulsdauer: 0.2-0.4 ms; Impulssequenz: 3-7, Impulsintensität: 10-25 mA, Frequenz: 400-500 Hz) nach der von Cedzich und Taniguchi beschriebenen Methode der "monopolaren Kortexstimulation" erfolgen (Quellen: siehe oben). Da sich die Position der Stimulationselektrode ~ und die Position der zur Navigation verwandten Spitze des Ortungsinstrumentes lediglich um die definierte Materialdicke, bestehend aus dem Boden des Plastikgehäuses (4) und der die Elektrode umgebende Isolierungsschicht (6), im geometrischen Raum unterscheidet, ist eine repetitive Lokalisation der gewählten Stimulationspunkte jederzeit, auch nach bzw. gerade bei Entfernung des gesamten Systems von der Hirnoberfläche, möglich.

Die hier vorgestellte Erfindung bietet somit den Vorteil, auf die dauerhafte Platzierung eines konventionellen Elektrodenstreifens zur elektrischen Stimulation der Hirnoberfläche im Rahmen einer intraoperativen neurophysiologischen Untersuchung verzichten zu können, da durch den vorgestellten Aufsatz- und Haltemechanismus auf ein Ortungsinstrument für die computerassistierte Operation/Neuronavigation ein wiederholtes Aufbringen und Abnehmen des Stimulationswerkzeugs von der Hirnoberfläche möglich wird. Da die für die Navigation verwandten Koordinaten in einem durch die Materialdicke der Elektrodeneinfassung und des Gehäusebodens definierten Raumpunkt und damit definierten Abstand über dem geometrischen Zentrum der Elektrode zu liegen kommen, besteht die Option der exakten Lokalisation eines bereits zuvor stimulierten Punktes auf der Hirnoberfläche und dessen erneute Ansteuerung zur repetitiven Stimulation, was dem Verfahren nach der bekannten kontinuierlichen intraoperativen Funktionsprüfung unter Verwendung einer ortsfesten (das Problem der "tatsächlichen Ortsfestigkeit" wurde zuvor schon diskutiert) Streifenelektrode entspricht. Auch eine Kartographie motorischer Hirnareale, d. h. der Vergleich mehrerer Stimulationspunkte in Bezug auf ihre räumliche Lage auf dem motorischen Kortex, wird hierdurch möglich. Die zur Anwendung dieser Untersuchungsmethode notwendige Schädeleröffnung kann, was die Erfordernisse des intraoperativen neurophysiologischen Monitorings betrifft, deutlich kleiner als unter Verwendung einer Streifen- oder Gitterelektrode gehalten werden und entspricht damit den Anforderungen eines minimal invasiven Eingriffs. Bei Verwendung des modifizierten Stimulationswerkzeugs mit lösbarer Halteverbindung zwischen Elektrode und Gehäuse wird eine Positionierung der Elektrode auch unter den Kraniotomierand möglich. Durch Analyse der Daten aus den neurophysiologischen Messungen können funktionell wichtige Areale identifiziert und intraoperativ die Traumatisierung in diesen Bereichen minimiert werden. Der kombinierte Einsatz der Neuronavigation und des intraoperativen neurophysiologischen Monitorings hilft, die Operationssicherheit und die Operationsqualität bei Eingriffen in eloquenten Hirnarealen zu verbessern.

Claims

1. Stimulationswerkzeug für die elektrische Hirnrindenstimulation zur Verwendung während der computerassistierten Neurochirurgie, gekennzeichnet dadurch, daß eine Metallelektrode (8) am Boden eines nicht stromleitenden Gehäuses (3, 4) angebracht ist, welches in seinem Inneren mit einem gummielastischen Material (2) gefüllt ist und welches über eine Einkerbung (1) als Halterung für chirurgische Instrumente, wie z. B. die Spitze eines Instrumentes für die computerassistierte Neurochirurgie (handelsüblich als "Navigations-Pointer" oder "Stylus" bekannt und im folgenden "Ortungsinstrument" (7) genannt) dient.

2. Stimulationswerkzeug nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die beschriebene Einkerbung (1) als Einführhilfe in der gummielastischen Halterung (2) an der elektrodenabgewandten Seite des Gehäuses so angebracht ist, daß auch bei wiederholtem Aufsetzen und Abnehmen des Stimulationswerkzeuges vom Ortungsinstrument (7) die geometrische Mitte der Stimulationelektrode und die Spitze (9) des Ortungsinstrumentes im Raum geometrisch definiert übereinander zu liegen kommen.

3. Stimulationswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der hirnabgewandten Seite (8a) der Elektrode (8) und der Spitze (9) der Einkerbung (1) als Halterung für ein Ortungsinstrument zur Navigation eine elektrische Isolierung besteht, was technisch die gleichzeitige Durchführung einer Stromabgabe über die Elektrode (8) und eine computerassistierte Navigation ermöglicht.

4. Stimulationswerkzeug nach Patentanspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß im modifizierten Aufbau (M) zwischen dem Boden des Gehäuses (4) und dem der Elektrodeneinfassung ein lösbarer Verbindungsmechanismus (10) besteht, welcher ein wiederholtes Aufsetzen und Abnehmen des Gehäuses von der eingefaßten Elektrode erlaubt.