DE29503001U1

DE29503001U1 - Vorrichtung zur Ortsbestimmung eines Körperteils

Info

Publication number: DE29503001U1
Application number: DE29503001U
Authority: DE
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2005-02-24

Description

A 52 357 u AESCULAP AG

u - 223 Am Aesculap-Platz

21. Februar 1995 78532 Tuttlingen

VORRICHTUNG ZUR ORTSBESTIMMUNG EINES KÖRPERTEILS

Die Erfindung betrifft ein Ortsbestimmungssystem für ein Körperteil mit mehreren Strahlungssendern bzw. Strahlungsempfängern und mit mehreren ortsfesten Empfängern bzw. Sendern sowie mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, die aus der Richtung und/oder der Laufzeit der übertragenen Strahlung und/oder der Stärke oder Frequenz des Strahlungsfeldes die Positionen der Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger bestimmt.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Knochenschraube.

Bei medizinischen Operationen, insbesondere bei Kopfoperationen, ist es üblich, vor der Operation beispielsweise durch ein Computertomogramm genaue Daten über die internen Körperstrukturen zusammenzutragen und diese dann bei der Operation zur Verfügung zu stellen, beispielsweise durch Gehirn-Schnittbilder auf einem Monitor. Um hier eine genaue räumliche Zuordnung zu ermöglichen, werden bei den

AESCULAP AG

21. Februar 1995

A 52357 u u-223

präoperativen Untersuchungen Markierungselemente unverschieblich an einem Körperteil festgelegt, sogenannte fiducials. Es handelt sich dabei beispielsweise um Knochenschrauben, die in den Schädel eingedreht sind und die geringfügig über die Kopfhaut vorstehen. Bei der Aufnahme der Schichtbilder beispielsweise durch Computertomogramme oder Kernspintomogramme sind diese Markierungselemente sichtbar, so daß durch diese Markierungselemente beispielsweise die relative Lage einer aufgenommenen Schnittebene zu dem untersuchten Kopf überprüfbar ist.

Bei der Operation selber verbleiben diese Markierelemente im Körper. Nachdem der Körperteil zu Beginn der Operation in eine gewünschte Lage gebracht wurde, können anhand dieser Markierelemente die aufgenommenen Schichtbilder mit dem betreffenden Körperteil in Übereinstimmung (korreliert) gebracht werden.

Während der Operation sind allerdings Bewegungen des Körperteils nicht auszuschließen, und dann stimmt die Zuordnung der Momentanposition des Körperteils zu dem betreffenden Schichtbild nicht mehr, also beispielsweise zu einer Behandlungseinrichtung.

Man versucht daher den Körperteil in Halterahmen festzulegen und zu fixieren. Dies ist jedoch nicht immer möglich, da bei der Operation häufig eine Bewegung des Körperteils vorgenommen werden muß.

Es sind Systeme bekannt, die eine solche Bewegung des Körperteils messen und die Momentanposition des Körperteils bestimmen. Diese arbeiten mit Strahlungssendern oder Strah-

AESCULAP AG .:..'..' *.." .!.. ..*...' _&Agr; 52357 U

21. Februar 1995 u-223

lungsempfängern, die bei bekannten Systemen an· Halterahmen befestigt werden, die ihrerseits an dem Körperteil festgelegt werden. Derartige Halterahmen, beispielsweise sogenannte Mayfield-Klemmen, sind normalerweise sperrige Geräte, die auch zur Halterung von Instrumenten verwendet werden können. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß die Festlegung von Strahlungsempfängern oder Strahlungssendern an derartigen Klemmen oder Rahmen zwar eine Ortsbestimmung des Rahmens oder der Klemme ermöglicht und damit eine Ortsbestimmung des im Rahmen gehaltenen Körperteils, daß aber die Genauigkeit einer solchen Bestimmung zu wünschen übrig läßt. Die Strahlungssender und Strahlungsempfänger befinden sich bei derartigen Anordnung in einer relativ großen Entfernung von dem Körperteil, außerdem sind geringfügige Verschiebungen zwischen dem Körperteil und Rahmen nicht mit der erforderlichen Sicherheit auszuschließen, so daß sich die Positionierung der Sender und Empfänger am Körperteil im Laufe einer Operation geringfügig ändern kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Ortsbestimmungssystem so auszugestalten, daß eine erhöhte Zuverlässigkeit der momentanen Lagebestimmungen des überwachten Körperteils möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Ortsbestimmungssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strahlungssender oder Strahlungsempfänger an Knochenschrauben angeordnet sind.

Wesentlich ist also für die Erfindung, daß die Strahlungsempfänger oder Strahlungssender nicht mehr in relativ großer Entfernung von dem zu überwachenden Körperteil an

AESCULAP AG

21. Februar 1995

A 52357 u u-223

einen Rahmen oder eine Klemme festgelegt werden, sondern direkt an den Knochenschrauben, die in den Körperteil eingeschraubt sind und die somit relativ zu dem Körperteil mit der erforderlichen Sicherheit unbeweglich sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger relativ zu dem überwachten Körperteil während der gesamten Operation zuverlässig ihre Relativposition einhalten. Insgesamt ergibt sich dabei eine wesentlich erhöhte Genauigkeit der Positionsüberwachung, außerdem läßt sich dieses Verfahren auch dann verwenden, wenn bei bestimmten Operationen auf die Verwendung eines an den Körperteil angelegten Rahmens oder eine Klemme verzichtet wird. Es können zur Festlegung der Strahlungsempfänger bzw. Strahlungssender die ohnehin in den Körperteil eingedrehten Knochenschrauben verwendet werden, die als Markierelemente für die Korrelation von Körperteil und Schichtbildern dienen. Günstig ist es dabei, wenn man als Strahlungssender eine Leuchtdiode verwendet. Diese sendet Strahlung aus, die von ortsfesten Strahlungsempfängern empfangen werden kann. Selbstverständlich könnte an den Knochenschrauben auch ein Strahlungsempfänger für eine sichtbare Strahlung angeordnet sein, jedoch ist es vorteilhaft, den Strahlungssender an der Knochenschraube festzulegen, da üblicherweise die Strahlungssender kleiner sind als die Strahlungsempfänger.

Auch andere physikalische Sender/Empfänger-Kombinationen sind denkbar, beispielsweise Ultraschallsender und Ultraschallempfänger oder Strahlungssender und Strahlungsempfänger im nicht sichtbaren Bereich, Licht reflektierende Punkte und Strahlungsempfänger oder Spulen, die elektromagnetische Strahlung empfangen und senden.

AESCULAP AG ···· ' A 52357 u

21. Februar 1995 u-223

Günstig ist es, wenn man Knochenschrauben verwendet, die nur wenige Millimeter über die Oberfläche des Körperteils vorstehen. Dadurch ergeben sich keine großen Hebelarme zwischen Körperteil und Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger, d. h. die Relativpositionen des Strahlungssenders bzw. des Strahlungsempfängers relativ zum Körperteil ist in diesem Falle praktisch unverändert.

Üblicherweise wird man eine größere Anzahl von Knochenschrauben mit Strahlungssender bzw. mit Strahlungsempfänger verwenden, um auf diese Weise verschiedene Freiheitsgrade der Körperteilbewegung bestimmen zu können. Günstig ist es dabei, wenn man die Relativpositionierung dieser Knochenschrauben untereinander überwacht und wenn man die Positionsdaten eines Strahlungssenders bzw. Strahlungsempfängers bei der Positionsbestimmung des Körperteils unberücksichtigt läßt, dessen Position sich gegenüber der Position der übrigen Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger geändert hat. Wenn bei einer größeren Anzahl von am Körperteil festgelegten Strahlungssendern oder Strahlungsempfängern einer dieser Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger gegenüber allen anderen eine geänderte Position zeigt, so ist dies ein Indiz dafür daß sich dieser Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger ungewollt verschoben hat, sei es dadurch, daß er sich von der Knochenschraube gelöst hat, sei es dadurch, daß bei der Operation der die Knochenschraube tragende Knochen selbst beschädigt worden ist. Sobald dies auftritt, kann das Datenverarbeitungssystem selbständig die Daten dieses geänderten Strahlungssenders bzw. Strahlungsempfängers ausscheiden und die Positionierung des Körperteils nur aufgrund der Positionsdaten der übrigen Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger

AESCULAP AG

21. Februar 1995

A 52357 u u-223

6 -

bestimmen, so daß diese unbeabsichtigte Abweichung nicht in das Positionsbestimmungsergebnis eingeht. Außerdem kann bei Bedarf ein Warnsignal gegeben werden, das auf die Verschiebung eines Strahlungssenders bzw. Strahlungsempfängers hinweist.

Günstig ist es, wenn die Strahlungssender oder Strahlungsempfänger in die Knochenschraube eingesteckt sind, beispielsweise in eine Einschrauböffnung der Knochenschraube, die bei abgenommenem Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger ein Eindrehwerkzeug aufnehmen kann.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Knochenschraube, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen Strahlungssender oder Strahlungsempfänger trägt.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Ansicht eines Lagebestimmungssystems und

Figur 2: eine Teilschnittansicht einer Knochenschraube mit eingesetzter Leuchtdiode als Strahlungssender.

In Figur 2 ist eine übliche Knochenschraube 1 mit einem Ge winde 2, einem Kopf 3 und einer im Kopf angeordneten, sechseckigen Einstecköffnung 4 für ein Eindrehwerkzeug dar gestellt. An die Einstecköffnung 4 schließt sich an deren Boden konzentrisch zur Einstecköffnung 4 eine zylindrische Sacklochbohrung 5 an.

AESCULAP AG

21. Februar 1995

A 52357 u u-223

- 7

In diese Knochenschraube 1 ist eine Leuchtdiode 6 eingesetzt, die einen Diodenkopf 7 sowie einen Einsteckfuß 8 umfaßt. Dieser greift mit einem Einsteckstift 9 in die Sacklochbohrung 5 ein und wird dort im Klemmsitz gehalten. Eine Erweiterung 10 des Einsteckfußes 8 ist dabei in der Einstecköffnung 4 der Knochenschraube 1 aufgenommen.

Der Diodenkopf 7 stützt sich mit seiner Unterseite 11 an der oberen Kante des Kopfes 3 ab und nimmt somit im eingesetzten Zustand gegenüber der Knochenschraube 1 eine genau definierte Lage ein. In aus Figur 2 nicht ersichtlicher Weise wird die Leuchtdiode 6 über ein Kabel mit einer Energiequelle verbunden, so daß die Leuchtdiode 6 nach Bedarf zum Leuchten gebracht werden kann. Ein solches Kabel 12 ist in der Darstellung der Figur 1 ersichtlich.

Dort ist weiterhin gezeigt, wie mehrere Knochenschrauben in einem beliebigen Muster an einem Körperteil festgelegt werden können, im dargestellten Beispiel am Kopf 13 eines Patienten. Bei einer präoperativen Untersuchung werden die Knochenschrauben 1 in diesem gewünschten. Muster in den Schädelknochen des Patienten eingedreht und bilden dort in der Umgebung der geplanten Eingriffsstelle ein Muster von Markierelementen oder fiducials, die bei der Aufnahme von Computertomogrammen mit erfaßt werden, so daß bei der Erstellung von Schnittbildaufnahmen deren relative Lage zum Kopf 13 des Patienten bestimmbar ist.

Bei einer nachfolgenden Operation werden in jede Knochenschraube 1 Leuchtdioden 6 eingesetzt, die dann über Kabel 12 mit einer gemeinsamen Energie- und Steuerquelle verbun-

AESCULAP AG ···· ' A 52357 u

21. Februar 1995 u-223

den werden. Die von den Leuchtdioden 6 ausgesandte Strahlung trifft auf mehrere ortsfeste Strahlungsempfänger 14, und zwar durch deren unterschiedliche Anordnung mit unterschiedlichem Auftreffwinkel und gegebenenfalls auch nach einer unterschiedlichen Laufzeit. Diese Daten werden von den Strahlungsempfängern 14 einer Datenverarbeitungsanlage 15 zugeführt, die aufgrund dieser unterschiedlichen Daten die relative Lage jeder Leuchtdiode 6 relativ zu den Strahlungsempfängern 14 bestimmt. Durch die Lagebestimmung sämtlicher Leuchtdioden 6 ergibt sich eine vollständige Lage- und Orientierungsbestimmung des Kopfes 13. Diese Lage- und Orientierungsbestimmung kann während der gesamten Operation laufend wiederholt werden, so daß auch bei einer Bewegung des Kopfes 13 relativ zu den Strahlungsempfängern 14 die relative Lage jederzeit zu bestimmen ist.

Sollte sich die Position einer Leuchtdiode 6 relativ zur Position der anderen Leuchtdioden ändern, so wird dies ebenfalls von der Datenverarbeitungsanlage festgestellt, und dies ist dann ein Zeichen dafür, daß unvorhergesehen entweder die entsprechende Leuchtdiode 6 nicht mehr richtig in der zugeordneten Knochenschraube 1 gehalten ist oder sogar diese Knochenschraube selbst nicht mehr in der vorgesehenen Weise am Kopf 13 fixiert ist. Die Positionsdaten dieser Knochenschraube 1 und dieser Leuchtdiode 6 werden von der Datenverarbeitungsanlage 15 in einem solchen Falle ignoriert und nicht zur Bestimmung der Lage und Orientierung des Kopfes verwendet, so daß keine Fehlbestimmungen eintreten können. Außerdem kann gegebenenfalls ein Warnungssignal erzeugt werden, das den Operateur auf eine Kontrolle dieser fehlpositionierten Leuchtdiode hinweist.

AESCULAP AG ·&iacgr; · "' A 52357 U

21. Februar 1995 u-223

— 9 —

Die Leuchtdioden 6 können von den Knochenschrauben 1 einfach durch Herausziehen entfernt werden, so daß der Patient nach der Operation mit verbleibenden Knochenschrauben 1 versorgt werden kann, beispielsweise können diese Knochenschrauben 1 bei einer nachfolgenden Untersuchung von Bedeutung sein, etwa bei der Aufnahme neuer Schichtbildaufnahmen.

Claims

A 52 357 u AESCULAP AG u - 223 Am Aesculap-Platz 21. Februar 1995 78532 Tuttlingen SCHUTZANSPRUCHE

1. Ortsbestimmungssystem für ein Körperteil mit mehreren Strahlungssendern bzw. Strahlungsempfängern und mit mehreren ortsfesten Empfängern bzw. Sendern sowie mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, die aus der Richtung und/oder der Laufzeit der übertragenen Strahlung und/oder der Stärke oder Frequenz des Strahlungsfeldes die Positionen der Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungssender (6) oder Strahlungsempfänger an Knochenschrauben (1) angeordnet sind.

2. Ortsbestimmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssender (6) eine Leuchtdiode ist.

3. Ortsbestimmungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssender (6) oder Strahlungsempfänger in die Knochenschraube (1) eingesteckt ist.

AESCULAP AG ···· * "' A 52357 u

21. Februar 1995 u-223

- 11 -

4. Knochenschraube, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Strahlungssender (6) oder einen Strahlungsempfänger trägt.

5. Knochenschraube nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssender (6) eine Leuchtdiode ist.

6. Knochenschraube nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssender (6) oder Strahlungsempfänger in die Knochenschraube (1) eingesteckt ist.