DE60318996T2

DE60318996T2 - Apparat zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE60318996T2
Application number: DE60318996T
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Momoi; Sugiura Madoka; Takahiro Ochi; Kazuo Yonenobu; Nobuhiko Sugano; Yoshinobu Sato; Yoshikazu Nakajima; Toshihiko Sasama; Takeyoshi Dohi; Ichiro Sakuma
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: DE60318996D1; JP4329431B2; JP2005030911A; US20050015099A1; EP1498081A1; CA2449351A1; EP1498081B1; CA2449351C; US8092471B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Assistenzvorrichtung für eine chirurgische Operation, und insbesondere betrifft sie eine Positionsmessvorrichtung für diese.
Bei einer chirurgischen Operation, einschließlich beispielsweise einer orthopädischen Operation, usw., ist es sehr wichtig, die Positionierung chirurgischer Werkzeuge oder Geräte, die von einem Chirurgen bei der chirurgischen Operation betätigt wird, korrekt auszuführen. Da es jedoch schwierig ist, die Positionierung solcher chirurgischer Werkzeuge oder Geräte nur in Abhängigkeit von der visuellen Information auszuführen, die von dem Chirurgen von dem Bereich aus, wo die Operation vorgenommen wird, erhalten werden kann, ist dann eine Untersuchung und/oder eine Studie über die Verwendung eines Navigationssystems als Hilfe bei der Positionierung der chirurgischen Werkzeuge durchgeführt worden. Somit wird in der nachstehend angegebenen INTERNET-Information ein Laserpointer- bzw. Laserzeigersystem vorgeschlagen, das ein Navigationssystem einsetzt, das darin befindliche Laserstrahlen anwendet, wobei der Chirurg die Positionierung des chirurgischen Werkzeugs auf der Grundlage der Bahn der darauf vorliegend angezeigten Laserstrahlen korrekt ausführen kann, aber ohne einen Navigationsanzeigeschirm des Navigationssystems zu sehen, wodurch er die chirurgische Operation durchführt.

Orthopädie, Universität Osaka, „Development of a Laser Guidance System", [online], [recherchiert am 18. Februar 2003], INTERNET <URL: http://www.med.osaka-u.ac.jp/pub/ort/www/hip/laserpointing.html>

Jedoch ist, wenn die chirurgische Operation ausgeführt wird, während die Position durch den Laserstrahl innerhalb eines chirurgischen Bereichs angezeigt wird, der Laserstrahl durch einen Körperbereich eines Patienten oder die chirurgischen Werkzeuge usw. manchmal versperrt oder abgeschnitten, und in einem solchen Fall ist es notwendig, die Position des Auslasses des Laserstrahls zu bewegen, so dass der Laserstrahl während der chirurgischen Operation nicht versperrt oder abgeschnitten ist. In diesem Moment wird eine Positionsbeziehung zwischen einer Positionsanzeigeeinrichtung des Emittierens des Laserstrahls und einer Positionsmesseinrichtung zum Messen der Position des chirurgischen Felds verschoben; d. h., die Koordinaten der beiden werden verschoben, daher ist es notwendig, für jene Koordinaten von beiden einen Kalibrierungsvorgang auszuführen, so dass sie miteinander zusammenfallen. Auch ist es, wenn die Auslässe der Laserstrahlen versehentlich oder nachlässigerweise bewegt werden, in ähnlicher Weise notwendig, den Kalibrierungsvorgang auszuführen. Jedoch kann ein solcher Rekalibrierungsvorgang während der chirurgischen Operation zu einem Zeitaufwand führen.
US 6 187 018 beschreibt eine Selbstpositionierungsvorrichtung für medizinische Diagnoseabbildungs- und chirurgische Techniken. Es wird eine Erfassungseinheit für ein bildgeführtes Chirurgiesystem bereitgestellt. Sie beinhaltet einen verstellbaren Ständer mit mehreren Empfängern, die so daran angebracht sind, dass eine Erfassungseinheit ein definiertes endliches Sichtfeld hat, in der sie Strahlungsenergie erfasst. Weiterhin beinhaltet sie zumindest eine Strahlungsenergiequelle, die an dem verstellbaren Ständer in fester Beziehung zu den Empfängern angebracht ist. Die Quelle projiziert Strahlungsenergie in einem Muster, um eine Stelle des definierten Sichtfelds zu markieren.
US 6 447 503 offenbart einen Hautablationslaser. Es wird ein gepulster Laser zur Hautablation eingesetzt.
US 5 954 648 offenbart ein bildgeführtes Chirurgiesystem. Es umfasst ein Positionsdetektionssystem, das mit einem Indikatorsystem versehen ist, das ein Gebiet zeigt, für das das Positionserfassungssystem empfindlich ist. Vorzugsweise beinhaltet eine Kameraeinheit des Positionsdetektionssystems einen Halbleiterlaser, der in der Mitte des Operationsgebiets einen Lichtfleck erzeugt.
US 2001/0034530 offenbart ein Chirurgiesystem mit zumindest einem intelligenten Instrument, einem Computersystem und einem Sensorsystem. Das Sensorsystem ist angepasst, um die Position des zumindest einen intelligenten Instruments drahtlos zu messen und Positionsinformation an das Computersystem zu übertragen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die erreicht wird, indem die derartigen Nachteile der vorstehend angegebenen konventionellen Technik berücksichtigt werden, ist eine Aufgabe die Bereitstellung einer Positionsmessvorrichtung, die es ermöglicht, auf einen solchen Kalibrierungsvorgang nach der Bewegung der Positionsanzeigeeinrichtung, insbesondere im Navigationssystem, zu verzichten, die eine Position und eine Richtung des Werkzeugs anzeigen kann.
Zur Lösung der Aufgabe, wie vorstehend angegeben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Positionsmessvorrichtung bereitgestellt, mit: einer Positionsanzeigeeinrichtung zum Anzeigen einer Position und einer Richtung eines chirurgischen Werkzeugs; und einer Einrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Position zur Messung einer Position und einer Richtung eines chirurgischen Bereichs und ebenso der Position und der Richtung des Werkzeugs, wobei die Positionsanzeigeeinrichtung und die Einrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Position fest sind, sodass die relative Positionsbeziehung zwischen ihnen konstant ist, wobei die Positionsanzeigeeinrichtung zwei Laserstrahlemissionseinrichtungen aufweist zum Emittieren sich kreuzender Laserstrahlen jeweils in ebenenartiger Weise auf einen chirurgischen Bereich zu in der Weise, dass die Richtung für das chirurgische Werkzeug in Form einer Schnittlinie gegeben ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich, in denen:
1 eine Ansicht zur Darstellung eines Navigationssystems in Form eines Diagramms, einschließlich einer Positionsmessvorrichtung darin, im Zustand der Verwendung ist;
2 eine Aufbauansicht des Navigationssystems ist;
3 ein Blockdiagramm einer CPU-Einheit ist, die bei dem in der oben genannten 2 gezeigten System zu verwenden ist;
4 eine Diagrammansicht einer Laserstrahlemissionseinrichtung ist, die bei dem in der oben genannten 2 gezeigten System zu verwenden ist;
5 eine Ansicht zur Erläuterung eines Kalibrierungsvorgangs der Laserstrahlemissionseinrichtung ist;
6 ein Flussdiagramm zur Darstellung der Schritte der Verwendung des Navigationssystems ist;
7 eine Ansicht eines Beispiels eines Anzeigeschirms nach Abschluss eines Registrierungsvorgangs im Navigatorsystem ist;
8 eine Ansicht eines Beispiels des Anzeigeschirms ist, wo eine Spitze und eine Richtung eines chirurgischen Werkzeugs auf dem Navigationssystem angezeigt werden; und
9(a) und 9(b) Ansichten zum Erläutern von Schritten zur Positionierung des chirurgischen Werkzeugs sind und in denen insbesondere; 9(a) den Zustand zeigt, in dem der Laserstrahl emittiert wird, um eine Position anzuzeigen, an der das chirurgische Instrument ansetzen sollte, und 9(b) den Zustand zeigt, in dem das chirurgische Werkzeug angesetzt wird, während es an die Anzeige des Laserstrahls angepasst wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend wird eine Positionsmessvorrichtung als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständig erläutert. 1 ist eine Ansicht zur Darstellung des Gesamtaufbaus eines Navigationssystems in Form eines Diagramms, der in diesem die Positionsmessvorrichtung anwendet, wobei er darin eine Positionsanzeigefunktion beinhaltet. Dieses Navigationssystem ist hauptsächlich mit einer Positionsmessvorrichtung 1 und einer Steuereinheit 2 aufgebaut.
Die vorliegende Ausführungsform zeigt einen Fall, in dem die Positionsmessvorrichtung 1 einen Infrarotmarkierer 4 misst, der an ei nem bei der chirurgischen Operation zu verwendenden Operationswerkzeug 3 angebracht ist, und führt das chirurgische (oder Operations-)Werkzeug 3 durch die Emission eines Laserstrahls in einem chirurgischen Bereich (oder einem Operationsbereich) 5, wodurch die chirurgische Operation daran ausgeführt wird. Jedoch wird in der vorliegenden Ausführungsform die Positionsmessvorrichtung bei einer Operation zur Korrektur der Wirbelsäulenausrichtung, d. h. einer chirurgischen Operation zur Korrektur oder Heilung der Ausrichtung des Rückgrats bzw. der Wirbelknochen, eingesetzt, indem sie in vertikaler Richtung zum Beispiel mittels einer Platte, einer Stange, einer Schraube oder eines Drahts usw. aus Metall zur Heilung der Wirbelknochen, die gebogen oder gekrümmt, in ihrem Zustand instabil oder gebrochen sind, befestigt wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Navigationssystems mit der Positionsmessvorrichtung 1 und der Steuereinheit 2 darin. Die Positionsmessvorrichtung 1 umfasst eine Einrichtung 7 zum Messen einer dreidimensionalen (3D-)Position, zwei (2) Stück Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b und eine Basis 9, auf der die Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position und die Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b befestigt sind. Diese Positionsmessvorrichtung 1 wird mittels eines flexiblen Arms 10 gehalten, der frei in irgendeiner Position und mit irgendeiner Richtung befestigt werden kann, und weiterhin wird dieser flexible Arm 10 mittels eines Ständers 11 gehalten, der mithilfe von Rädern bzw. Rollen frei beweglich ist.
Unter Verwendung der auf diese Weise aufgebauten Positionsmessvorrichtung ist es möglich, die Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position und die Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b auf der Basis 9 zu befestigen und sie dadurch zu bewegen und in einer gewünschten Position unter der Bedingung zu setzen, dass die relati ven Positionen zwischen ihnen nicht verändert werden. Weiterhin ist die Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position ein Gerät oder eine Vorrichtung, welches bzw. welche den Infrarotmarkierer 4 mittels mehrerer Kameras misst, der Infrarot abstrahlt oder reflektiert (siehe 1), wodurch er bzw. sie die 3D-Position des Infrarotmarkierers 4 misst. Diese Einrichtung zur Messung der 3D-Position kann eine Positionsmesseinrichtung sein, die einen PDS (positionsempfindlichen Detektor) usw. verwendet.
Die Steuereinheit 2 steuert das Navigationssystem. Die Steuereinheit 2 leitet eine Operation des Navigationssystems und sie umfasst einen Monitor 12, auf dem eine Navigationsinformation angezeigt wird, und eine Positionsmesseinrichtungs-Steuereinheit 13 zum Steuern der Lichtabstrahlungszeiten des Infrarotmarkierers 4, so dass die Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Information dessen Position messen kann, und ebenso der Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position. Die Steuereinheit 2 umfasst weiterhin eine Eingabesteuereinrichtung 14, mit der ein Fußschalter 18 verbunden ist, der von einem Chirurgen zum Bedienen des Navigationssystems während der chirurgischen Operation zu verwenden ist, eine CPU-Einheit 15 zum Ausführen verschiedener Berechnungen als Kern des Navigationssystems, eine Tastatur und eine Maus, die mit der CPU-Einheit 15 verbunden und beim Eingeben von Daten und/oder bei der Betätigung des Navigationssystems zu verwenden sind, eine Laserstrahlemissionseinrichtungs-Steuereinheit 16 zum Steuern der Richtung der aus den Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b emittierten Laserstrahlen und eine Elektroleistungseinheit 17 zum Zuführen elektrischer Leistung zu jeder der Einheiten innerhalb der Steuereinheit 2.
Der Aufbau der CPU-Einheit 15 als Kern der Steuereinheit 2 ist in einem Blockdiagramm der 3 gezeigt. Die CPU-Einheit 15 umfasst eine Eingabeeinheit 19 und eine Ausgabeeinheit 20, eine DB(Daten bank)-Einheit 21 und auch eine Recheneinheit 22. Die Eingabeeinheit 19 empfängt ein von der Eingabesteuereinheit 14 und der Positionsmesseinrichtungs-Steuereinheit 13 eingegebenes Signal und führt dadurch die Rolle der Funktion des Übertragens desselben an die Recheneinheit 22 aus.
Die Ausgabeeinheit 20 führt die Funktionen aus; wie etwa des Anzeigens der von der Recheneinheit 22 auf den Monitor 12 übertragenen Information und auch des Übertragens derselben an die Laserstrahlemissionseinrichtungs-Steuereinheit 16 als eine Schnittstelle dazwischen. Die DB-Einheit 21 ist eine Speichereinrichtung, die vorgesehen ist, um Programme zum Erreichen der Funktionen der CPU-Einheit 15, Information bezüglich eines Plans der Operation, der vor jener Operation eingegeben wurde, und Log-Information zu enthalten, die alle von der Information sind, welche durch den Eingabebereich während der chirurgischen Operation eingegeben wurde.
Der Rechenbereich 22 rechnet Emissionswinkel der Laserstrahlen auf der Basis der von der Positionsmesseinrichtungs-Steuereinheit 13 eingegebenen Information und der Information bezüglich des Plans der Operation, der vor jener Operation eingegeben wurde, aus, um dadurch die auf einem Schirm angezeigte Navigationsinformation zu erzeugen, und er führt auch eine Berechnung zur Erstellung von Parametern aus, die an die Laserstrahlemissionseinrichtungs-Steuereinheit 16 zu übertragen sind.
Vor dem Einsatz des Navigationssystems wird eine Kalibrierung an dem Navigationssystem vorgenommen. Deren Details werden nachstehend erläutert. In einem Kalibrierungsvorgang wird eine Korrespondenz in den Emissionspositionen und Richtungen der aus den Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b emittierten Laserstrahlen zwischen den in dem Navigationssystem definierten Koordinaten aufgebaut. 4 zeigt den Innenaufbau der Laserstrahlemissionseinrichtung 8a oder 8b in Form eines Diagramms. Die Laserstrahlemissionseinrichtung 8a oder 8b beinhaltet einen Laserpointer bzw. -zeiger 23 zum Emittieren des Laserstrahls und einen Galvano-Scanner 24 zum Drehen des aus dem Laserpointer 23 emittierten Laserstrahls in die Horizontale und einen weiteren Galvano-Scanner 25 zum Drehen desselben in die Vertikale.
Es wird angenommen, dass bei jedem der Galvano-Scanner 24 und 25 ein Schwingzentrum oder Oszillationswinkel null (0) Grad im Winkel beträgt. Es wird ebenfalls angenommen, dass ein Spiegelwinkel zu der Zeit, wenn dieser Referenzwinkel beschrieben wird, wie etwa (0, 0), unter Verwendung von Spiegelwinkeln der zwei (2) Stück Galvano-Scanner 24 und 25. Ein Hindernis wird innerhalb eines Laserstrahls positioniert, der emittiert wird, wenn der Spiegelwinkel (0, 0) beträgt, und es wird angenommen, dass die Position dieses Hindernisses „P₁" ist. Dann wird das Hindernis eher auf eine Seite der Laserstrahlquelle als zur Position „P₁" des Hindernisses bewegt. Es wird angenommen, dass die Position des bewegten Hindernisses „P₂" ist. Die Punkte „P₁" und „P₂" werden jeweils mittels der Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position gemessen. Damit ist es möglich, einen Einheitsvektor „e_x" der Emissionsrichtung des Laserstrahls zu erhalten, wenn die (2) Stücke der Galvano-Scanner 24 und 25 in ihren Spiegelwinkeln auf null (0) Grad sinken.
Als Nächstes wird nur der Spiegel eines Galvano-Scanners 24 um einen Winkel „α" aus dem Referenzwinkel gedreht. Dieser Zustand ist (α, 0) im Spiegelwinkel. Unter dieser Bedingung wird das Hindernis innerhalb eines emittierten Laserstrahls positioniert. Vorliegend wird angenommen, dass die Position des Hindernisses „P₃" ist. Der Punkt „P₃", an dem der emittierte Laserstrahl abgeschnitten wird, wird mittels der Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position gemessen. Damit ist es möglich, einen Einheitsvektor „e_x" in der Richtung der Änderung des emittierten Laserstrahls zu erhalten.
In gleicher Weise wird nur ein Spiegel des anderen Galvano-Scanners 25 um einen Winkel „β" gedreht, während der Spiegel des einen Galvano-Scanners 25 gehalten wird. Dieser Zustand ist (0, β) im Spiegelwinkel. Dann wird das Hindernis in den gedrehten Laserstrahl bewegt. Es wird angenommen, dass die Position des gedrehten Hindernisses „P₃" ist. Der Punkt „P₄", an dem der emittierte Laserstrahl abgeschnitten wird, wird mittels der Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position gemessen. Damit ist es möglich, einen Einheitsvektor „e_y" in der Richtung des emittierten Laserstrahls zu erhalten, der durch Ändern des Spiegelwinkels des anderen Galvano-Scanners 25 erhalten wird.
Unter Verwendung dieser Einheitsvektoren „e_x", e_y" und „e_z” und der Koordinaten der Positionen „P₁", „P₂", „P₃" und „P₄" kann die Position des Ursprungs „0" erhalten werden, d. h. die Spiegelposition des Galvano-Scanners 25 ist äquivalent der Setzpositionen der Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b. Jedoch ist in 5 eine Auswurfposition durch „0₁" angezeigt, die dem Laserstrahl äquivalent ist, wenn der Galvano-Scanner 25 in seinem Spiegelwinkel null (0) Grad ist. Ebenfalls ist eine Auswurfposition durch „0₄” angezeigt, die äquivalent dem Laserstrahl ist, wenn der Galvano-Scanner „β" in seinem Spiegelwinkel ist.
Der Kalibrierungsvorgang wird jeweils an den zwei (2) Stück Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b ausgeführt. Unter Verwendung jener Parameter, die bezüglich der jeweiligen Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b erhalten wurden, rechnet die Laserstrahlemissionseinrichtungs-Steuereinheit 16 die Emissionsrichtung und die Position des Laserstrahls aus und überträgt die Steuerinfor mation an die zwei (2) Stück Laseremissionseinrichtungen 8a und 8b. Die Laserstrahlen werden in die Umgebung des chirurgischen Bereichs emittiert und dadurch werden die Position und die Richtung des chirurgischen Werkzeugs in Form einer Schnittlinie der Laserstrahlen angezeigt.
In der vorliegenden Ausführungsform ändert sich die relative Position zwischen den Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b und der Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position nicht, selbst wenn die auf dem Ständer 11 gehaltene Positionsmessvorrichtung 1 bewegt wird. Aus diesem Grund ist zwischen jenen Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b und der Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position kein Kalibrierungsvorgang notwendig. Das Koordinatensystem der Positionsmessvorrichtung 1 weicht jedoch von dem chirurgischen Bereich ab, da die Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position stets die Position und die Richtung des an dem chirurgischen Bereich angebrachten Infrarotmarkierers zu einer vorgegebenen Zeitdauer misst und daher wird ein Anpassungsvorgang zwischen den Koordinaten des chirurgischen Bereichs und der Positionsmesseinrichtung 1 ausgeführt. Das heißt, die CPU-Einheit 15 in der Steuereinheit 2 rechnet die Position des chirurgischen Bereichs aus der Position und der Richtung des Infrarotmarkierers aus. Dementsprechend kann der Chirurg die Positionsmessvorrichtung 1 frei und unbewusst bzw. ohne darüber nachzudenken in eine gewünschte Position bewegen.
Da die relative Position zwischen den Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b und der Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position sich nicht ändert, selbst wenn die Positionsmessvorrichtung 1 während der Operation, wie etwa der chirurgischen Operation usw., bewegt wird, ist es daher ausreichend, den oben angegebenen Kalibrierungsvorgang auszuführen, aber nur, wenn die Positionsmessvor richtung zugeführt und/oder wenn zum Beispiel eine regelmäßige Inspektion ausgeführt wird. Somit sollte die Kalibrierung nicht jedes Mal, wenn eine chirurgische Operation ausgeführt oder die Positionsmessvorrichtung 1 bewegt wird, ausgeführt werden, daher kann die Positionsmessvorrichtung leicht bedient werden.
Nach Abschluss des Kalibrierungsvorgangs beginnt der Chirurg mit den Abläufen der chirurgischen Operation. Die Abläufe des Verwendens des Navigationssystems für den Einsatz bei der chirurgischen Operation sind in 6 gezeigt. Der Chirurg hat bereits die 3D-Daten der Wirbelknochen eines Patienten, an dem die Operation durchgeführt wird, im Voraus genommen, bevor er eine orthodontische Operation für die Wirbelknochenausrichtung, beispielsweise mittels einer MRI(Magnetresonanzabbildung) und/oder eines CT(Computertomographie)-Scanners usw., durchführt. Dann wird ein Plan der chirurgischen Operation auf der Basis der genommenen 3D-Daten der Wirbelknochen gemacht und es wird beschlossen, an welcher Position das chirurgische Werkzeug am Patienten angesetzt werden soll. Jene Daten werden im Voraus in die Steuereinheit 2 eingegeben.
Der Chirurg verlegt den Patienten, an dem die chirurgische Operation vorgenommen wird, auf ein chirurgisches Bett bzw. eine Operationsliege, wodurch er ihn darauf fixiert, und nimmt vor der chirurgischen Operation ein Setzen an dem Patienten vor (S100). Der Chirurg bewegt die Positionsmessvorrichtung 1 in eine geeignete Position, wodurch er das Setzen der Messvorrichtung 1 ausführt (S101). Der Infrarotmarkierer wird an den Wirbelknochen des Patienten angebracht, an dem die chirurgische Operation vorgenommen wird, und dadurch wird es ermöglicht, die Position der Wirbelknochen des Patienten unter Verwendung der Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position zu identifizieren oder zu überprüfen (S102).
Dann wird ein Registrierungsvorgang ausgeführt (S103), und zwar zum Zweck des Koordinierens oder Einstellens zwischen der durch Erfassen des an den Wirbelknochen angebrachten Infrarotmarkierers ermittelten Positionsinformation und einem auf den 3D-Daten der Wirbelknochen basierendem Modell (nachstehend als „Wirbelknochenmodell" bezeichnet) als einem chirurgischen Bereich, die im Voraus mittels des CT-Scanners und/oder der MRI usw. genommen wurden. Auf der Basis der durch jenen Registrierungsvorgang erhaltenen Information passt die CPU-Einheit 15 das Wirbelknochenmodell an die Position der Wirbelknochen des Patienten an, die tatsächlich gemessen wird. Dann erzeugt die CPU-Einheit den Navigationsschirm, der ihre Positionsbeziehungen anzeigt, und zeigt ihn auf dem Monitor 12 an (S104). Die CPU-Einheit 15 zeigt einen Chirurgiebereich in dem auf dem Monitor dargestellten Navigationsschirm auf der Basis der Information des chirurgischen Operationsplans an, die bereits im Voraus eingegeben wurde (S105). 7 zeigt ein Beispiel des Navigationsschirms des chirurgischen Bereichs, der auf dem Monitor 12 dargestellt ist.
Der Navigationsschirm 30 zeigt drei (3) Ansichten an; d. h. eine Vorderansicht, eine Draufsicht und eine Seitenansicht des Wirbelknochenmodells als der chirurgische Bereich. Ein Operationsbereich 36 für die Betätigung des Navigationsschirms ist auf der rechten Seite des Bildschirms angezeigt. In 7 sind Positionsmesspunkte 33a–33c, 34a–34c und 35a–35c auf den Wirbelknochen angezeigt, wie sie einander überlappen, die bei dem oben angegebenen Registrierungsvorgang verwendet werden. Diejenigen mit den gleichen Bezugsziffern, die aber mit verschiedenen Suffixen versehen sind, zeigen die Ansichten derselben Positionsmesspunkte an, die aus verschiedenen Winkeln gesehen werden, bzw. diejenigen mit unterschiedlichen Bezugsziffern zeigen die verschiedenen Positionsmesspunkte an. Ein Punkt 32a ist die Position, an dem das chirurgische Werkzeug nach Maßgabe des Plans angesetzt werden sollte. Eine gestrichelte Linie 31a ist eine Hilfslinie zur Angabe der Richtung des Ansetzens des chirurgischen Werkzeugs nach Maßgabe des Plans.
Der Chirurg bewegt das chirurgische Werkzeug bis in die Nähe des chirurgischen Bereichs des Patienten. In diesem Fall wird auf dem Navigationsschirm auf dem Monitor 12 die Spitze des chirurgischen Werkzeugs mit seiner Position und Richtung angezeigt, die durch den an dem chirurgischen Werkzeug angebrachten Infrarotmarkierer mittels der Einrichtung 7 zum Messen einer 3D-Position erfasst werden (siehe 7). 8 ist ein weiterer Navigationsschirm 30' und in dieser 8 sind weitere ausgezogene Linie 38a und 37a überlappend auf den drei (3) Ansichten des Wirbelknochenmodells auf dem Navigationsschirm 30 angezeigt, der in der oben angegebenen 7 gezeigt ist, welche die Position 38a der Spitze des chirurgischen Werkzeugs und die Richtung des chirurgischen Werkzeugs anzeigen. Aus diesem in 8 gezeigten Schirm kann der Chirurg die Position des chirurgischen Werkzeugs leicht überprüfen, indem er sie nur auf dem Monitor überprüft.
Die CPU-Einheit 15 überträgt Emissionsparameter der Laserstrahlen an die Laserstrahlemissionseinrichtungs-Steuereinheit 16. Dann werden die Laserstrahlen in der ebenenartigen Weise von den an zwei (2) Stellen befindlichen Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b emittiert (S106). Eine Schnittlinie wird mit den in der ebenenartigen Weise aus den an zwei (2) Stellen befindlichen Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b emittierten Laserstrahlen gebildet, und diese Schnittlinie fällt mit der gestrichelten Linie 31a zusammen, die auf dem Navigationsschirm 30 als die Richtung des Ansetzens des chirurgischen Werkzeugs nach Maßgabe des Plans angezeigt ist. Ein Schnittpunkt, der mit zwei (2) Linien gebildet wird, die von zwei (2) Laserstrahlen auf dem chirurgischen Bereich gezogen werden, fällt mit der Position 32a zusammen, an der das chirurgische Werkzeug nach Maßgabe des Plans angesetzt werden soll.
Der Chirurg führt tatsächlich die Positionierung des chirurgischen Werkzeugs aus (S107). Ein Verfahren zum Positionieren des chirurgischen Werkzeugs wird unter Bezugnahme auf eine in den 9(a) und 9(b) gezeigte Diagrammansicht erläutert. Darin ist ein Beispiel gezeigt, bei dem ein Handbohrer als das chirurgische Werkzeug eingesetzt wird. An einem Innenabschnitt der Zähne des Handbohrers 3 ist eine weißfarbene Buchse 40 zur Verwendung ihrer Positionierung zu dem Zweck angebracht, den Laserstrahl leicht zu unterscheiden/auszumachen. Auf der Buchse 40 sind Linien 41 zu mehreren parallel zur Drehachse des Handbohrers 3 gezogen.
9(a) zeigt eine Stufe kurz vor dem Einsatz des Handbohrers 3. Das heißt, es ist der Zustand, in dem die Laserstrahlen emittiert werden, wodurch sie die Position anzeigen, wo der Handbohrer 3 angesetzt werden sollte. In dieser Stufe wird auf dem chirurgischen Feld 5 des Patienten ein Schnitt 42 gezeigt, der durch Kreuzen der in der ebenenartigen Weise aus den Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b emittierten Laserstrahlen gebildet wird. Jener Schnittpunkt 42 ist die Position, an der der Bohrer 3 tatsächlich angesetzt werden sollte. Der Chirurg bringt den anzusetzenden Handbohrer 3 an dessen Spitze auf den Schnittpunkt, während er einen Griff des Handbohrers 3 und eine Greifstange 43 hält, die provisorisch an der Buchse 40 angebracht ist.
9(b) zeigt den Zustand, in dem der Handbohrer 3 auf einen von den Laserstrahlen angezeigten Punkt angesetzt wird. Wenn die Spitze des Handbohrers 3 und der Schnittpunkt 42 an dessen Position angepasst wird, wird ein Ort oder eine Bahn 44 der zwei (2) Stück Laserstrahlen auf die Buchse 40 des Handbohrers 3 mittels der in der ebenenartigen Weise aus den Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b emittierten Laserstrahlen projiziert. Der Chirurg bestimmt die Richtung des Handbohrers 3, so dass die Bahn 44 der zwei (2) Stück Laserstrahlen parallel zu den Linien 41 wird, die auf der Buchse parallel zu der Drehachse des Handbohrers 3 gezogen sind. Mit solchen Schritten, wie sie vorstehend angegeben sind, ist es möglich, den Handbohrer 3 als das chirurgische Werkzeug auf die Position und die Richtung des Ziels anzupassen. Es ist ebenfalls möglich, dass der Chirurg die chirurgische Operation durchführt, während er das auf den chirurgischen Bereich angesetzte chirurgische Werkzeug und auch den eigentlichen chirurgischen Bereich visuell mit den Augen, aber ohne sie auf dem Monitor 12 zu sehen, überprüft.
Der Chirurg geht mit der chirurgischen Operation nach Maßgabe des chirurgischen Operationsplans vor, der im Voraus eingegeben wurde. In diesem Fall ändert er den Navigationsschirm, indem er den Fußschalter 18 mit dem Fuß niederdrückt. Alle Monitordaten, wie etwa die während einer Reihe chirurgischer Operationen gemessene Positionsinformation usw., sind in dem DB-Bereich der CP-Einheit 15 gespeichert (S108). Jedoch wird die Positionsmessvorrichtung 1 in einem Fall, wenn die aus den Laserstrahlemissionseinrichtungen 8a und 8b emittierten Laserstrahlen durch den chirurgischen Bereich des Patienten und/oder die chirurgischen Werkzeuge usw. versperrt oder abgeschnitten werden, und auch, wenn sie den Chirurgen stört, in eine gewünschte Position bewegt und dort gesetzt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist, wenn die Positionsmessvorrichtung zufällig in die Position bewegt wird, kein Kalibrierungsvorgang notwendig; daher kann die chirurgische Operation ohne Unterbrechung durchgeführt werden. Auch kann sich, da die Zielposition und die Bewegungsrichtung des chirurgischen Werkzeugs unter Verwendung der Laserstrahlemissionseinrichtungen angezeigt werden, der Chirurg daher auf die vor ihm liegende chirurgische Operation konzentrieren, ohne den Navigationsschirm zu beobachten, wodurch es ermöglicht wird, zu verhindern, dass sich das chirurgische Werkzeug in seiner Position verschiebt. Dementsprechend ist es möglich, die Belastung des Chirurgen während der chirurgischen Operation zu verringern.
In der oben angegebenen Ausführungsform ist es, obwohl die Positionsmessvorrichtung mit dem Ständer vom beweglichen Typ und dem beweglichen Typ der Steuereinheit usw. aufgebaut ist, jedoch auch möglich, die Positionsmessvorrichtung mittels eines flexiblen Arms oder dergleichen, der an einer Decke befestigt ist, zu halten, oder die Positionsmessvorrichtung zusammen mit den Laserstrahlemissionseinrichtungen und der Einrichtung zum Messen einer 3D-Position in dasselbe Gehäuse einzubauen. Auch kann, obwohl die Positionsmessvorrichtung bei der chirurgischen Operation in der oben angegebenen vorliegenden Ausführungsform eingesetzt wird, sie jedoch auf verschiedenen anderen Gebieten als der chirurgischen Operation, wie etwa im Bauwesen, bei Herstellungsprozessen industrieller Produkte usw., eingesetzt werden.
Gemäß der vorstehend angegebenen vorliegenden Ausführungsform ist, da die relative Positionsbeziehung zwischen der Positionsanzeigevorrichtung und der Positionsmesseinrichtung konstant oder unverändert ist, selbst wenn die Positionsmessvorrichtung während der chirurgischen Operation bewegt wird, daher kein Kalibrierungsvorgang notwendig, und die Positionsmessvorrichtung kann frei in eine gewünschte Position bewegt werden. Dementsprechend ist es möglich, die chirurgische Operation insbesondere in einem Fall zu unterstützen, wenn die Positionsmessvorrichtung bei der chirurgischen Operation angewendet wird.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt sein, ohne von dem wesentlichen Merkmal oder dessen Eigenschaften abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen) ist/sind daher in jeglicher Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten, wobei der Umfang der Erfindung eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung angegeben wird, und der Gleichwertigkeitsbereich der Ansprüche soll daher darin umfasst sein.

Claims

Positionsmessvorrichtung (1) für die Chirurgie, mit: – einer Positionsanzeigeeinrichtung (8a, 8b) zum Anzeigen einer Position und einer Richtung eines chirurgischen Werkzeugs; und – einer Einrichtung (7) zum Messen einer dreidimensionalen Position zur Messung einer Position und einer Richtung eines chirurgischen Bereichs und ebenso der Position und der Richtung des Werkzeugs, wobei die Positionsanzeigeeinrichtung und die Einrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Position fest sind, sodass die relative Positionsbeziehung zwischen ihnen konstant ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsanzeigeeinrichtung (8a, 8b) zwei Laserstrahlemissionseinrichtungen aufweist zum Emittieren sich kreuzender Laserstrahlen jeweils in ebenenartiger Weise auf den chirurgischen Bereich zu in der Weise, dass die Richtung für das chirurgische Werkzeug in Form einer Schnittlinie gegeben ist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Laserstrahlemissionseinrichtung jeweils einen Emissionswinkel eines Laserstrahls steuern kann.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 2, die von einem Ständer (11) gehalten wird, der in seiner Position und Richtung änderbar ist, indem er beweglich ist, wobei die relative Positionsbeziehung zwischen der Positionsanzeigeeinrichtung (8a, 8b) und der Einrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Position beibehalten wird.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 2, die von einem Arm gehalten wird, der sich von einer Decke weg erstreckt und der in seiner Position und Richtung änderbar ist, indem er beweglich ist, wobei die relative Positionsbeziehung zwischen der Positionsanzeigeeinrichtung und der Einrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Position beibehalten wird.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, die zum Anzeigen einer Position und einer Richtung eines chirurgischen Werkzeugs während einer chirurgischen Operation verwendet werden kann.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 2, mit einer Einrichtung zum Berechnen einer Setzposition und einer Richtung der Laserstrahlemissionseinrichtung aus dem Emissionswinkel des Laserstrahls und einer Laserstrahlemissionsposition, die durch die Einrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Position gemessen wird.