DE4412073A1 - Operationsmikroskop-Einheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Operationsmikroskop-Einheit, bestehend aus einem Operationsmikroskop für mikrochirur­ gische Eingriffe und einem Trägersystem.

Zahlreiche chirurgische Eingriffe, besonders in der Ophthalmologie, Neurochirurgie und Hals-Nasen-Ohren­ heilkunde, erfordern der Feinheit der Strukturen wegen Geräte zur optischen Vergrößerung des Sichtfeldes. Dabei ist es erforderlich zur Bewertung des zu operierenden Ge­ webes, daß die Vergrößerung vorgewählt werden kann, die Schärfenebene einstellbar ist, und der Blickwinkel auch unter sterilen Bedingungen frei gewählt werden kann. Besonders in der Neurochirurgie, aber auch in der Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgie oder anderen chirurgischen Bereichen ist es zudem von Bedeutung, den Betrachtungsort mit anderen bildgebenden oder ortenden Verfahren, speziell Computertomographie (CT) oder Kernspintomographie (NMR), zu korrelieren.

Bekannt ist der Einsatz von speziellen Operationsmikros­ kopen, die mit ihren Trägersystemen, das sind Bodenstative, Wandhalterungen oder Deckenaufhängungen, eine funktionelle Einheit bilden. Die Korrelation des gesehenen Bildes mit CT- oder NNR-Einrichtungen ist aber bislang noch unbefriedigend gelöst. Ebenso besteht die Gefahr, daß bei einem Ausfall einer Operationsmikroskop-Einheit während einer Operation schwerer Schaden für den Patienten entsteht.

Operationsmikroskope weisen in der Regel über Fuß- und/oder Handschalter bedienbare motorische Funktionen, wie Zoom, Fokus, X- und Y-Bewegung und Verkantung und Neigung auf. Darüber hinaus können weitere mechanische oder elektrische Verstelleinrichtungen und Auslöse- oder Entriegelungs-Me­ chanismen zur erweiterten Positionierung oder manuellen Verstellung enthalten sein. Diese Verstelleinrichtungen, wie Motore, Magnete u. dgl. und gegebenenfalls Sensoren werden zur Rückmeldung direkt über die Trägereinheit, wie Fußbodenstativ oder Deckeneinheit, angesteuert.

Die DE 37 17 871 beschreibt ein Verfahren zur Ortung von Strukturen aus CT-Aufnahmen, wobei ein Instrument an einem mit Winkelgebern versehenen Arm geführt wird, dessen Stel­ lung eine Lokalisierung der Instrumentenspitze ermöglicht. Das Verfahren ist jedoch nicht übertragbar auf Operations­ mikroskope, da bei variabler Brennweite und Vergrößerung die Korrelation mit dem CT verlorengeht.

Die DE 41 34 481 beschreibt ein Operationsmikroskop zur rechnergestützten, stereotaktischen Mikrochirurgie und ein Verfahren zu dessen Betrieb, wobei eine Zusatzeinrichtung für das Operationsmikroskop vorgesehen ist, die nach dem Tri­ angulationsverfahren durch das Frontobjektiv die Fokussier­ ebene und die Vergrößerung aktiv ermittelt und an CAS-Systeme weitergibt. Hiernach ist ein optisches Positionierungs­ system für Operationsmikroskope mit einer Anzeige der Parameter durch das Okular bekannt. Die Erkennung der Brennebene ist jedoch aufwendig über eine Zusatzeinrich­ tung ausgeführt und weitere Parameter für die Ortserkennung werden nicht oder auf andere Weise beigesteuert. Damit ist das System nicht universell mit einem CT-System zu verbinden. Allgemeine Funktionsparameter, z. B. zur Systemüberwachung, können nicht ausgelesen werden.

Auch das in der US 4,722,056 beschriebene Verfahren und Geräte bindet ein Operationssystem in einen Datenverbund mit einem CT-Scanner und weiteren Systemen. Da es sich, wie auch schon oben ausgeführt, um spezialisierte Gesamtein­ richtungen handelt, können zukünftige Verbesserungen der Arbeitsmethode nicht berücksichtigt werden. Außerdem ist das System aufwendig und nicht universell einsetzbar. Eine präventive Fehlererkennung ist ebenfalls nicht be­ rücksichtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln eine Operationsmikroskop-Einheit der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die mit unterschiedlichen CT- und NMR-Systemen zusammenwirken kann und darüberhinaus eine präventive Diagnose des Gerätes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Hiernach ist die Operationseinheit mit mindestens einer Datenschnittstelle versehen, über die elektrische Daten ausgegeben oder empfangen werden.

Danach ist eine Operationseinheit mit einem Mikroskop mit integrierter, Mikroprozessor-gestützten Verarbeitungselek­ tronik geschaffen, die über eine bidirektionale Daten-Schnitt­ stelle mit dem Trägersystem bzw. Trägereinheit über Befehle und Datenrückmeldungen kommuniziert und intern eine Reihe von Zusatzaufgaben, wie Regelungen, Überwachun­ gen und Automatiken, wie Fokuskompensation, "Automatic Speed Control" und "Homing"-Funktionen bewerkstelligt. Es ist somit ein Zugriff auf diese mikroskop-spezifischen, optischen und mechanischen Daten und die Steuerung des Mikroskops über eine externe Datenschnittstelle, sowie Hinweise auf spezifische Einsatzmöglichkeiten möglich.

In modernen Operationsmikroskopen erfolgt die Ansteuerung der Stellmotoren für die Brennweiteneinstellung, die Ver­ größerungseinstellung und die XY-Bewegung durch elektrische Signale. Bei der Anwendung von digitalen Steuersignalen über RS232-Datenleitungen in Verbindung mit Schrittmo­ toren oder DC-Motoren mit angekoppelten Sensoren als Stellglieder ergab sich nun, daß die Position der optischen Glieder durch die Ansteuerung bereits definiert festgelegt werden und über dieselbe Datenleitung ausgelesen werden kann. Durch einfache Umrechnung kann dann die Position er­ halten werden. Damit werden zusätzliche Positionierglieder überflüssig.

Es sind Stereotaxiegeräte bekannt, die über optische Trian­ gulation, magnetische Felder oder entsprechende Ultraschall­ verfahren die Position einer Instrumentenspitze und deren Richtung im Raum relativ zu Referenzpunkten am Körper eines Patienten messen und mit Tomogrammschnitten korrelieren können. Damit können z. B. durch Tasten mit dem Instrument die Entfernung von einem Tumor und die Schnittbilder senk­ recht und parallel zur Instrumentenachse aus einem CT-Scan gesehen werden. Während zur Raumpositions- und -richtungsbe­ stimmung eines Operationsmikroskops die gleiche, z. B. op­ tische Triangulation durch Anbringung der Lichtgeber am Mikroskop anstatt am Instrument erfolgen kann, ist die Lage der Brennebene und der Vergrößerungsfaktor noch zu berücksichtigen, um eine Übereinstimmung des CT-Bildes mit dem durch das Mikroskop gesehenen Bild zu erreichen. Die erfindungsgemäß vorgesehene Datenschnittstelle kann dies besonders kostengünstig ermöglichen.

Der besondere Vorteil der Datenschnittstelle liegt in der Möglichkeit, verschiedene auf dem Markt befindliche Stereo­ taxiesysteme an das Operationsmikroskop anzuschließen. Durch einfache Anpassungen der Software können insbesondere bei einer RS232-Schnittstelle vorhandene Systeme leicht adaptiert werden. Wegen des schnellen Fortschritts in der Computertechnologie ist dabei die Anpassung eines Opera­ tionsmikroskops auf zukünftige CT-Systeme von besonderer Wichtigkeit für den Anwender.

Von großer Bedeutung ist die Möglichkeit, das Operations­ mikroskop über die Datenschnittstelle zu steuern. Durch Anwahl auf dem Bildschirm eines Stereotaxiesystems können dann die Brennebene, die Vergrößerung und ggf. die Position des Operationsmikroskops automatisch angefahren werden.

Eine bidirektional wirkende Schnittstelle ist daher von besonderem Vorteil.

Die Operationsmikroskop-Einheit umfaßt somit eine Verar­ beitungseinheit und Verstellelemente (Zoom, Fokus, X oder Verkantung und Y oder Neigung) sowie gegebenenfalls Zusatz­ einrichtungen wie Brems-Motoren oder -Magneten oder Ent­ koppelglieder, wie beispielsweise Getriebeentriegelungen. Weiterhin kann eine Eingabemöglichkeit, wie ein Handschal­ ter, angeschlossen sein. Über Sensoren, die direkt oder über mechanische Koppelelemente mit den Verstellelementen gekoppelt sind, kann die zugehörige Position und die Ver­ stellgeschwindigkeit der jeweiligen Funktion für interne Steueraufgaben oder für übergeordnete Zwecke ermittelt und genutzt werden. Über eine bidirektionale, vorzugsweise serielle Datenverbindung ist die Verarbeitungseinheit mit dem Trägersystem verbunden und kann von dieser mit Befehlen und Statusmeldungen kontrolliert werden. Dazu wird in der Regel ebenfalls eine Mikroprozessor-gestützte Verarbeitungs­ einheit eingesetzt, die neben der Mikroskop-Steuerung und -Überwachung ebenfalls für Zusatzfunktionen, wie beispiels­ weise die Lichtsteuerung und Fußschalterbearbeitung, einge­ gesetzt wird. Die Stromversorgung des Mikroskops und die Operationsbeleuchtung über ein Lichtleitkabel wird über­ licherweise ebenfalls von der Trägereinheit vorgenommen.

Die Datenschnittstelle bietet die Möglichkeit, alle Funktionen des Mikroskops und/oder des Trägersystems zu kontrollieren und/oder zu überwachen bzw. Informationen des Systems für übergeordnete Aufgaben abzufragen und weiterzuverarbeiten. Diese Vorteile können insbesondere für Servicezwecke mit einem Computer oder für CAS-Anwen­ dungen ("Computer Assisted Surgeory") in einem Verbund­ system zur rechnergestützten, stereotaktischen Mikro­ chirurgie genutzt werden. In einer weiteren Variante kann das Mikroskop auch ohne Trägereinheit direkt an einen externen Computer angeschlossen und kontrolliert werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schnittstelle sich gut zur Frühdiagnose eignet. Ein Servicetechniker kann mit Hilfe eines programmierten tragbaren Computers alle über die Schnittstelle zu erreichenden Baugruppen wäh­ rend eines Serviceeinsatzes testen und so mit geringem Zeit­ aufwand und leicht protokollierbar die weitere Einsatzfähig­ keit der Operationsmikroskop-Einheit feststellen. Eine bidirektional wirkende Schnittstelle ist dabei von beson­ derem Vorteil, da dadurch die zu testenden Eigenschaften durch das Programm im tragbaren Computer gezielt abgefragt werden können.

Die erfindungsgemäße Operationsmikroskop-Einheit mit der Möglichkeit eines Rückgriffs auf Mikroskop-eigene Daten bietet folgende Einsatzmöglichkeiten und ist derart aus­ gebildet,

• - daß eine Datenschnittstelle an das Operationsmikroskop und/oder an das angeschlossene Trägersystem angebracht ist, über die Funktionen des Operationsmikroskops und/ oder des Trägersystems bidirektional oder unidirektional kontrolliert und/oder Informationen abgefragt werden können. Diese Datenschnittstelle ist vorzugsweise als serielle Standard-Datenschnittstelle entsprechend den üblichen Normen, wie z. B. RS232, RS422, RS485 zur leich­ teren Anpassung an handelsübliche Computer ausgebildet. Im Sinne der medizinischen Sicherheitsvorschriften ist eine potentialfreie Trennung der Signale vorteilhaft,
• - daß für stereotaktische Mikrochirurgie-Anwendungen die eingestellte Fokusebene bzw. der Arbeitsabstand über die Computerschnittstelle abgefragt werden kann, welche im Falle einer optischen Fokussiereinrichtung mit variabler Brennweite nicht mit einem Raum-Positionserkennungssystem ermittelt werden kann. Diese Fokusebene wird in rechner­ gestützten, stereotaktischen Systemen zur eindeutigen Lokalisierung des Mikroskopbildes und dessen Korrelation mit den auf einem Monitor dargestellten Tomographie-Auf­ nahmen (Computer-Tomographie (CT), Kernspinresonanz (MR) usw.) benötigt,
• - daß für stereotaktische Mikrochirurgie-Anwendungen die eingestellte Vergrößerung (ZOOM) über die Computerschnitt­ stelle abgefragt werden kann, die in rechnergestützten stereotaktischen Systemen für eine über lagerte Darstel­ lung des Mikroskopbildes mit den auf einem Monitor darge­ stellten Tomographie-Aufnahmen (Computer Tomographie (CT), Kerspinresonanz (MR), PET oder Ultraschall-Aufnahmen) verwendet werden kann,
• - daß weitere Mikroskop-spezifische Daten wie Positions- und Geschwindigkeits-Informationen (X, Y, Verkantung, Neigung usw.) und Statusinformationen und Fehlermel­ dungen über die Computerschnittstelle abgefragt werden können,
• - daß das Operationsmikroskop über die Computerschnittstelle in allen Funktionen (Fokus, ZOOM, X, Y, Verkantung, Nei­ gung usw.) definiert angesteuert und somit nach externen Vorgaben beliebig positioniert werden kann. Hierdurch wird ermöglicht, daß insbesondere für stereotaktische Mikro­ chirurgie nach einer präoperativ festgelegten Vorgehens­ weise das Mikroskop über den CAS-Computer ferngesteuert und automatisch eine oder mehrere Positionen nacheinander im Operationsgebiet angefahren werden können. Hierdurch wird praktisch eine visuelle Navigation nach Tomographie-Bildern ermöglicht, die während des Operationsablaufes und zur Identifizierung oder Verifizierung von Tumoren sehr hilf­ reich ist,
• - daß das Operationsmikroskop und/oder das Trägersystem über die Computerschnittstelle für Servicezwecke überprüft und gewartet werden kann. Mit Hilfe der oben beschriebe­ nen Ansteuerung und Rückmeldung einer Funktion besteht die Möglichkeit einer umfassenden, ferngesteuerten Diag­ nose mit entsprechender Protokollierung. Der Zugriff auf einen nichtflüchtigen, beschreibbaren Speicher (z. B. EEPROM) im Operationsmikroskop und/oder in dem Träger­ system gestattet überdies noch die Erkennung von Fehlern, die zu einem früheren Zeitpunkt aufgetreten und von der internen Verarbeitungseinheit abgespeichert wurden. Wei­ terhin können zusätzliche Betriebsdaten und Zusatzinfor­ mationen (z. B. Daten der letzten Überprüfung, Betriebs­ dauer, Serviceintervalle, Gerätekonfiguration usw.) bidirektional abgespeichert oder abgefragt werden. Mit der Computerschnittstelle läßt sich somit ein vollautomati­ scher Test- und Prüfablauf über einen Service-Computer realisieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Darstellung einer Operationsmikroskop-Einheit mit einem stereotaktischen System und

Fig. 2 einen Serviceeinsatz über die Schnittstelle.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist das Ope­ rationsmikroskop 1 an einem Bodenstativ 4 mit mehreren Schwenkarmen oder Schwenkeinrichtungen 4a, 4b, 4c, 4d ange­ ordnet, mit dem es die Operationsmikroskop-Einheit 100 bildet. Die Lage der Brennebene 6 sowie die Vergrößerung werden durch optische Glieder im Operationsmikroskop 1 bestimmt, die durch Stellmotoren bewegt werden. Die An­ steuerung der Stellmotoren erfolgt in dem hier gezeigten Beispiel durch eine Prozessor-Leiterplatte 2, die in Daten­ verbindung mit einer Steuerleiterplatte 3 im Stativ steht. Der Datenbus zwischen der Prozessor-Leiterplatte 2 und der Steuerleiterplatte 3 setzt sich fort bis zu der Datenschnitt­ stelle 5.

Am Operationsmikroskop 1 angebrachte Leuchtdioden 7 können von einer oder mehreren Kameras 8 detektiert werden, worauf­ hin in einer Einheit 9 durch Triangulation die Orts- und Richtungskoordinaten des Operationsmikroskopes festgestellt werden. Diese Werte werden in das Stereotaxiesystem 10 ge­ leitet. Die Einheit 9 ist meist in dem Stereotaxiesystem 10, das ja ein Computer ist, als Hardware- oder Software­ modul integriert.

Zur echten Positionsbestimmung des Brennpunktes in der Brennebene 6 sowie zum Abgleich der Größenverhältnisse auf dem Bildschirm des Stereotaxiesystems werden die ent­ sprechenden Werte über die Datenschnittstelle 5 in das Stereotaxiesystem 10 geleitet. Dabei ist die gezeigte Anordnung besonders vorteilhaft, da die zur Steuerung der Stellmotoren verwendeten Signale, die von der Steuer­ leiterplatte 3 zu der Prozessor-Leiterplatte 2 übermittelt werden, gleichzeitig das Meßsignal darstellen. Weitere Sensoren erübrigen sich daher.

Nach einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird die gesamte Steuerung aller elektrischen Funktionselemente digi­ tal vorgenommen. Mittels eines tragbaren Computers 11 ist es daher einem Servicetechniker möglich, über die Daten­ schnittstelle 5 alle elektrischen Funktionselemente programm­ gesteuert zu prüfen. Außer dem Vorteil minimalen Zeitein­ satzes wird die Prüfsicherheit erhöht durch Ausschluß von Vergessen oder Fehlinterpretation sowie durch klare Pro­ tokollierbarkeit.

Claims (6)

1. Operationsmikroskop-Einheit, bestehend aus einem Operationsmikroskop (1) und einer Trägereinheit (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsmi­ kroskopeinheit (100) mindestens eine Datenschnitt­ stelle (5) zur Ausgabe oder zum Empfang von elek­ trischen Daten aufweist.

2. Operationsmikroskop-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenschnittstelle (5) als Übertragungseinheit für Digitalsignale ausgeführt ist.

3. Operationsmikroskop-Einheit nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenschnitt­ stelle (5) als serielle Schnittstelle nach den Standards RS232, RS422 oder RS485 ausgeführt ist.

4. Operationsmikroskop-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenschnitt­ stelle als Datenstecker ausgeführt ist.

5. Operationsmikroskop-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Operations­ mikroskop (1) an einem Bodenstativ (4) angeordnet ist, daß die Lage der Brennebene (6) sowie die Vergrößerung mittels optischer Glieder in dem Operationsmikroskop (1) verstellbar ist, wobei die optischen Glieder mittels Stellmotoren bewegt werden, daß zur Ansteuerung der Stellmotoren eine Prozessor-Leiterplatte (2) am Bodenstativ (4) oder an einem seiner Schwenkarme (4a, 4b, 4c, 4d) oder am Gehäuse des Operationsmikrosko­ pes (1) vorgesehen ist, wobei die Prozessor-Leiterplatte (2) mit einer Steuerleiterplatte (3) im Bodenstativ (4) in Datenverbindung steht, und daß sich der Daten­ bus zwischen der Prozessor-Leiterplatte (2) zu der Steuerleiterplatte (3) fortsetzt.

6. Operationsmikroskop-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Operations­ mikroskop (1) von mindestens einer Kamera (8) detek­ tierte Leuchtdioden (7) angeordnet sind, und daß zur Feststellung der Operationsmikroskoports- und -richtungs­ koordinaten eine Steuereinheit (9) vorgesehen ist, die mit einem Stereotaxiesystem (10) zusammenwirkt.