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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
den vergangenen Jahren sind diagnostische Verfahren entwickelt worden,
die es dem praktizierenden Kliniker ermöglichen, High-Fidelity-Bilder von
der anatomischen Struktur des menschlichen Körpers zu erhalten. Bildgebungssysteme,
wie zum Beispiel Computertomographie (CT)-Röntgenbildgeber, Positronen-Emissionstomographie
(PET)-Scanner, Single-Photon-Emission-Computertomographie (SPECT)-Scanner
und Nuklear-Magnetresonanzbildgebungs-(MRI)-Geräte haben
Klinikern die Möglichkeit
gegeben, die Sichtbarmachung der anatomischen Struktur des menschlichen
Körpers
ohne chirurgischen Eingriff oder andere invasive Verfahren zu verbessern.
Anstelle explorativer chirurgischer Eingriffe kann der Patient mit
Hilfe dieser Bildgebungssysteme gescannt werden, und die anatomische Struktur
des Patienten kann in einer Form für die Evaluation durch einen
dafür ausgebildeten
Arzt reproduziert werden. Ein mit diesen Scanningverfahren verbundenes
Problem betrifft die genaue Auswahl und den genauen Vergleich der
Ansichten von identischen Bereichen bei Bildern, die im wesentlichen
zur gleichen Zeit unter Verwendung unterschiedlicher Bildgebungsmodalitäten erhalten
wurden, wie zum Beispiel CT, MRI, SPECT und PET. Dieses Problem hat
zwei Aspekte. Erstens, um die Informationen in einer Abbildung der
Anatomie mit der Anatomie selbst in Beziehung zu setzen, ist es
notwendig, eine Eins-zu-Eins-Kartierung zwischen Punkten im Bild und
Punkten der Anatomie herzustellen. Dies wird bezeichnet als Ausrichtung
von Bildraum auf physischen Raum.
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Der
zweite Aspekt betrifft die Ausrichtung eines Bildraums auf einen
anderen Bildraum. Das Ziel der Ausrichtung von zwei willkürlich ausgerichteten dreidimensionalen
Bildern ist die Ausfluchtung der Koordinatensysteme der zwei Bilder
dergestalt, daß jedem
beliebigen Punkt in der gescannten Anatomie identische Adressen
in beiden Bildern zugewiesen werden. Die Berechnung der starren
Körpertransformation,
die erforderlich ist, um die zwei Koordinatensysteme auszurichten,
erfordert die Kenntnis der Koordinatenvektoren von zumindest drei
Punkten in den zwei Systemen. Diese Punkte werden "Bezugspunkt (fiducial
points)" oder "Bezugspunkte" genannt, und die
genutzten Bezugspunkte sind die geometrischen Mittelpunkte von Markierungen,
die "Markierungen als
Bezugspunkte (fiducial markers)" genannt
werden. Diese Bezugspunkte werden genutzt, um Bildraum mit physischem
Raum in Wechselbeziehung zu bringen, und um einen Bildraum mit einem anderen
Bildraum in Wechselbeziehung zu bringen. Die Markierungen als Bezugspunkte
stellen einen konstanten Bezugsrahmen bereit, der bei einem gegebenen
Bildgebungsmodus sichtbar ist, um eine Ausrichtung zu ermöglichen.
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Das
allgemeine Verfahren für
die Nutzung von Markierungen als Bezugspunkte, um die Ausrichtung
von Bilddaten über
die Zeit hinweg zu erzielen, ist in den
U.S. Patenten Nr. 4,991,579 und Nr.
5,142,930 dargelegt. Kurz
gesagt, lehren diese Patente das Implantieren einer Reihe von drei
Markierungen als Bezugspunkte in einen Patienten, deren Ort im Bildraum
eines Bildgebers bestimmt werden kann.
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Im
breiteren Sinne ausgedrückt,
können Bildmarkierungen
entweder temporär
oder permanent in Bezug auf die Dauer ihrer Plazierung innerhalb
des menschlichen Körpers
sein. Permanente Markierungen werden vollständig unterhalb der Epidermis
der Haut für
längere
Zeiträume
plaziert. Temporäre
Markierungen weisen zwei Teile auf: eine Basis, die in den Knochen
implantiert wird, und einen temporären Bildmarkierungsabschnitt,
der an der Basis für
kurze Zeitintervalle befestigt wird. Bei der temporären Markierung
steht der Bildmarkierungsabschnitt aus der Haut hervor.
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Sowohl
bei der temporären
als auch bei der permanenten Markierung kann der Markierungsabschnitt
die Form eines hohlen Behältnisses
aufweisen, das mit wäßrigen Bildgebungsmitteln
beladen ist, um für
ein Bildgebungsvermögen
in der gewünschten
Bildgebungsmodalität
oder den gewünschten
Bildgebungsmodalitäten
zu sorgen.
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Gleich
welche Art von Markierung auch immer verwendet wird, muß ihr genauer
Ort oder – genauer
gesagt – der
genaue Ort des geometrischen Mittelpunktes des abbildbaren Abschnitts
der Markierung in Bezug auf ein definiertes externes Koordinatensystem
im physischen Raum bestimmt werden. Was permanent implantierte Markierungen
betrifft, so kann Ultraschall genutzt werden, um auf nicht invasive
Weise den Ort der vollständig
implantierten Markierung zu bestimmen. Andere Verfahren können in Bezug
auf temporäre,
nach außen
vorstehende Markierungen zum Einsatz kommen. Ein Verfahren schließt ein,
daß die
Spitze einer externen Sonde, deren Ort im physischen Raum bekannt
ist, in die Nähe
der Markierung selbst gebracht wird. Dies kann jedoch zu signifikanten
Irrtümern
hinsichtlich des Ortes des genauen volumetrischen Schwerpunktes
des Bildgebungsabschnitts der Markierung führen. Es besteht weiterhin
Bedarf an einem Verfahren für
die Lokalisierung des Mittelpunktes einer temporären Markierung als Bezugspunkt,
das einfach durchzuführen ist
und das sehr genau ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts
des oben genannten Bedarfes stellt die vorliegende Erfindung, wie
durch die Ansprüche
1 bis 3 definiert, medizinischem Personal eine Lokalisierungskappe
bereit, die lösbar
am Basisabschnitt einer temporären
Anordnung einer Markierung als Bezugspunkt montierbar ist, die fest
am Knochen befestigt worden ist. Die Lokalisierungskappe ist mit
einer konkaven Vertiefung oder einer Aussparung versehen, die so
gestaltet ist, daß eine
sphärische
Kugel mit ihr nur in einer einzigen Position zusammenpassen kann.
Eine intraoperative Lokalisierungsvorrichtung, die ein Abtaststift
oder eine Sonde ist, die in einer Kugel endet, die so geformt ist,
daß sie
mit der Aussparung zusammenpaßt,
wird bereitgestellt, um bei der Bestimmung des Ortes des volumetrischen
Mittelpunktes des abbildbaren Abschnitts der Markierung relativ
zur Basis (wenn die Markierung an der Basis befestigt ist), wie
folgt zu helfen: Der Ort des Mittelpunktes der Kugel am Ende der Sonde
wird in Bezug auf physischen Raum durch eines aus einer Anzahl von
bekannten Verfahren definiert. Die Sonde kann zum Beispiel mit einem
Gelenkarm verbunden sein, der mit Sensoren ausgestattet ist, welche
die Ausrichtung jedes Segments des Arms in Bezug auf seinen benachbarten
Abschnitt und die Basis messen (dieses Verfahren wird umfassender
erläutert
im
U.S. Patent Nr. 5,142,930 ).
Ein weiteres Herangehen ist die Nutzung einer handgehaltenen Sonde,
die mit einem Netz von lichtemittierenden Dioden bedeckt ist, die
so gestaltet sind, daß sie
einer vorher bestimmten Abfolge aufleuchten. Eine Reihe von mehreren
Detektoren wird im Operationssaal um die Sonde herum so plaziert,
daß die Ausrichtung
und der Ort der Sonde und der sphärischen Sondenspitze in Bezug
auf physischen Raum durch Bezugnahme auf das Muster der von den
Dioden emittierten Blitze berechnet werden können.
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Die
Kugel, die Markierung und die Lokalisierungskappe sind so konfiguriert,
daß der
Mittelpunkt der Kugel, wenn sie fest innerhalb der Aussparung plaziert
ist, einen Punkt im Raum einnehmen wird, welcher dem volumetrischen
Schwerpunkt des Bildgebungsabschnitts der Markierung entspricht,
wenn er an der Basis befestigt ist. Daher erhält man durch die Kennzeichnung
des Ortes der Kugel der intraoperativen Lokalisierungsvorrichtung
im physischen Raum, wenn sie mit der Aussparung zusammenpaßt, ebenfalls
den Ort des genauen Mittelpunktes der Markierung, wenn diese, anstelle
der Lokalisierungskappe, an der Basis befestigt ist.
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Weiterhin
stellt die vorliegende Erfindung ein Kit zur Bestimmung der Mitte
einer Markierung als Bezugspunkt bereit, umfassend: eine Lokalisierungskappe
mit einer Oberseite, einer Unterseite und einem auf der Oberseite
angeordneten Anschlußabschnitt;
eine Basis, an welcher die Lokalisierungskappe lösbar montierbar ist, wobei
die Basis zur Befestigung an der Anatomie konfiguriert ist; ein
an der Lokalisierungskappe angeordnetes Mittel zur demontierbaren
Verbindung der Lokalisierungskappe mit der Basis und eine Lokalisierungssonde
mit einem Ende, das in einem Anschlußabschnitt endet, der so konfiguriert
ist, daß er
mit dem Anschlußabschnitt
der Lokalisierungskappe zusammenpaßt.
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Darüber hinaus
stellt die vorliegende Erfindung ein Kit zur Erleichterung der Schaffung
von zumindest einem Koordinatenpunkt in Bezug auf die Anatomie eines
Subjekts bereit, umfassend: eine Lokalisierungskappe mit einer Oberseite,
einer Unterseite und einem auf der Oberseite angeordneten Anschlußabschnitt;
eine Lokalisierungssonde mit einem Ende, das in einem Anschlußabschnitt
endet, der so konfiguriert ist, daß er mit dem Anschlußabschnitt
der Lokalisierungskappe zusammenpaßt; eine Basis, an der die
Lokalisierungskappe lösbar
montierbar ist, wobei die Basis zur Befestigung an der Anatomie konfiguriert
ist; und eine Markierung als Bezugspunkt, die an der Basis lösbar montierbar
ist, wobei die Markierung als Bezugspunkt einen abbildbaren Abschnitt
aufweist, der eine Mitte aufweist, wobei die Mitte des abbildbaren
Abschnitts der Markierung als Bezugspunkt bei Befestigung an der
Basis mit dem geometrischen Mittelpunkt des Anschlußabschnitts der
Lokalisierungssonde zusammenfällt,
wenn die Lokalisierungskappe an der Basis angebracht ist, und die
Lokalisierungssonde in Wirkeingriff mit der Lokalisierungskappe
gebracht ist.
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Ein
Verfahren für
das Ermitteln des geometrischen Mittelpunktes einer Markierung als
Bezugspunkt, die einen abbildbaren Abschnitt aufweist, der lösbar an
einem Basisabschnitt montierbar ist, kann die folgenden Schritte
umfassen: Anbringen einer Lokalisierungskappe an der Basis mit einer
Buchse, die so geformt ist, daß eine
Kugel mit ihr so zusammenpassen kann, daß sie in einmaliger Weise den
Ort der Mitte der Kugel begrenzt; Ineingriffbringen der Spitze einer
Sonde, die in einem sphärischen
Abschnitt endet, mit der Buchse; und Bestimmen des Ortes der Mitte
der sphärischen
Spitze der Sonde in Bezug auf ein Koordinatensystem.
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Vorzugsweise
wird die Form der Lokalisierungskappe so ausgewählt, daß der Ort der Mitte der sphärischen
Spitze der Sonde, wenn sie mit der Buchse der Lokalisierungskappe
zusammenpaßt, sich
am gleichen Punkt relativ zur Basis befindet wie die Mitte des abbildbaren
Abschnitts der Markierung, wenn sie an der Basis befestigt ist,
so daß,
wenn der räumliche
Ort der Mitte der sphärischen
Spitze der Sonde, wenn sie mit der Buchse der Lokalisierungskappe
zusammenpaßt,
bekannt ist, der Ort der Mitte der Markierung, wenn sie an der Basis
befestigt ist, bestimmt werden kann.
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Ebenfalls
kann ein Verfahren für
die Herstellung einer Beziehung zwischen den Daten eines Bildraumes
und einem physischen Raum die folgenden Schritte umfassen: Befestigen
einer Reihe von zumindest drei Basen am Knochen; Befestigen einer abbildbaren
Markierung an jeder Basis; Scannen der Anatomie, um einen adressierbaren
Raum zu erzeugen; Lokalisieren des Schwerpunktes jeder Markierung
im adressierbaren Raum; Entfernen der abbildbaren Markierungen von
ihren Basen; Befestigen einer Lokalisierungskappe an jeder Basis;
und Herstellen der Beziehung zwischen der Position im Raum, den
die Schwerpunkte der abbildbaren Markierungen einnehmen würden, wenn
sie an den Basen befestigt wären,
und einem extern definierten Koordinatensystem.
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In
vorteilhafter Weise umfaßt
der Schritt der Herstellung der Beziehung zwischen der Position
im Raum, den die Schwerpunkte der abbildbaren Markierungen einnehmen
würden,
wenn sie an den Basen befestigt wären, und einem extern definierten
Koordinatensystem, das Berühren
eines Instruments, das eine physische Adresse aufweist, welche in
Bezug auf das extern definierte Koordinatensystem jeder der Lokalisierungskappen
bekannt ist.
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Vorzugsweise
schließt
das Verfahren weiterhin den Schritt der Erzeugung eines Bildes auf
der Grundlage der Daten ein, die während des Scannens abhängig von
der Position der Spitze eines Instruments erzeugt werden, dessen
Position im extern definierten Koordinatensystem bekannt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein umfassenderes
Verständnis
der vorliegenden Erfindung sollte jetzt auf die Ausführungsformen
Bezug genommen werden, die detaillierter in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht werden und nachstehend beschrieben werden. Es zeigt:
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1A einen
Aufriß einer
Markierung als Bezugspunkt, befestigt an einer implantierbaren Basis;
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1B eine
Querschnittsansicht der Markierung und der Basis, die in 1A gezeigt
werden, betrachtet entlang der Linie A-A.
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2A einen
Aufriß der
Lokalisierungskappe, zum Teil im Schnitt gezeigt;
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2B eine
Ansicht von unten der in 2A gezeigten
Lokalisierungskappe;
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2C eine
Draufsicht der Lokalisierungskappe;
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3A einen
Aufriß der
Anordnung der Markierung als Bezugspunkt, bei der die Lokalisierungskappe,
anstatt einer Markierung, an der Basis befestigt gezeigt wird;
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3B eine
Querschnittsansicht der in 3A gezeigten
Ausführungsform,
betrachtet entlang der Linie A-A;
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4 eine
Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Lokalisierungskappe,
an ihrer Basis befestigt, im Zusammenwirken mit einer intraoperativen
Lokalisierungsvorrichtung;
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5A die
Art und Weise, in welcher die Kugel (gestrichelt gezeigt) mit einer
halbkugeligen Vertiefung in einer Lokalisierungskappe zusammenpaßt;
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5B die
Art und Weise, in welcher die Kugel (gestrichelt gezeigt) mit einer
zylindrischen Vertiefung in einer Lokalisierungskappe zusammenpaßt;
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5C die
Art und Weise, in welcher die Kugel (gestrichelt gezeigt) mit einer
konischen Vertiefung in einer Lokalisierungskappe zusammenpaßt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter
besonderer Bezugnahme auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen durchgehend
gleiche Teile angeben, wird jetzt eine temporäre Anordnung einer Markierung
als Bezugspunkt in 1A und 1B gezeigt.
Diese Figuren veranschaulichen eine Anordnung einer Markierung als
Bezugspunkt, die eine bildgebende Markierung 10 und eine
Basis 30 umfaßt.
(Die auf diesen Figuren und auf den übrigen Figuren angegebenen
Abmaße dienen
nur der Veranschaulichung, und sie widerspiegeln lediglich eine
mögliche
Ausführungsform.
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Die
Basis 30 hat an einem ersten Ende einen Gewindeabschnitt 32.
Das Gewinde ermöglicht
es einem Chirurgen, die Basis zuverlässig im Schädel oder in einem anderen gewünschten
Abschnitt von Knochengewebe zu befestigen. Eine andere Verbindungsstruktur
wird bereitgestellt, um die bildgebende Markierung zuverlässig und
lösbar
mit der Basis zu verbinden. Bei der veranschaulichten Ausführungsform
endet das Ende der Basis gegenüber
dem Gewindeabschnitt in einem Buchsenkopf 38, der eine buchsenähnliche
Vertiefung 36 enthält.
(Es wird davon ausgegangen, daß die
Basis in den Knochen hinein mit Hilfe eines Einführungsinstruments implantiert
wird, welches die Basis in den Knochen oder in eine Öffnung im
Knochen hinein dreht. Die Vertiefung ist nicht kreisrund, um besser
die Drehkraft zu übertragen,
die durch ein solches Einführungsinstrument erzeugt
wird). Direkt unterhalb des Buchsenkopfes 38 befindet sich
eine Rille 34. Wie nachstehend weiter erläutert werden
wird, sorgen die Buchse 38 und die Rille 34 für die zuverlässige und
lösbare
Befestigung sowohl einer bildgebenden Markierung als auch einer
Lokalisierungskappe an der Basis.
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Der
bildgebende Markierungsabschnitt der temporären Anordnung der Markierung
als Bezugspunkt kann aus zwei Hauptabschnitten bestehen, einem Zylinder 12 und
einer Kappe 16. Der Zylinder 12 enthält einen
Hohlraum 14 für
die Aufnahme eines Gemisches von bildgebenden Mitteln, deren Zusammensetzung
durch die zum Einsatz kommenden Bildgebungsmodalitäten bestimmt
wird (für
eine weitere Erörterung
der verwendeten Bildgebungsmittel wird auf die Stammanmeldung verwiesen).
Während
in der veranschaulichten Ausführungsform
das Behältnis,
welches die bildgebenden Mittel enthält, vorzugsweise zylindrisch
ist, könnten
andere Formen (wie zum Beispiel ein Prisma oder eine Kugel) ebenfalls
zum Einsatz kommen. Der Zylinder 12 ist an einem Ende geschlossen
und am anderen Ende offen, um das Einbringen der bildgebenden Mittel
zu ermöglichen.
Bei einer Version der Vorrichtung wird eine Kappe 16 verwendet,
um das offene Ende des Zylinders abzudichten, sobald die bildgebenden
Mittel dem Zylinder hinzugefügt
worden sind. Bei dieser Version kann die Kappe einzementiert oder
angeschweißt
werden.
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Die
bildgebende Markierung weist typischerweise einen vorstehenden Buckel 20 und
eine Vielzahl (hier: drei) von Schnapparmen 18 auf, die
mit nach innen vorstehenden Abschnitten enden. Die Form und die
Abmaße
des Buckels stehen in direkter Übereinstimmung
mit der Form und der Größe der Buchse 36,
die in der Basis 30 bereitgestellt ist, um die bildgebende
Markierung auf der Basis korrekt und zuverlässig zu zentrieren. Die Schnapparme 18 wirken
mit den Rillen 34 der Basis 30 zusammen, um die bildgebende
Markierung lösbar
auf der Basis zu befestigen. Das Zusammenwirken dieser Elemente wird
in 1A und 1B veranschaulicht.
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Die
andere Komponente, die an der Basis anbringbar ist, ist die Lokalisierungskappe 100.
Die Lokalisierungskappe kann aus dem gleichen Polymer, wie die Markierung 12,
hergestellt sein, oder aus einem beliebigen anderen Material, das
zu einer dimensionsgerecht stabilen Form geformt werden kann (zum
Beispiel Metall). Jedes herkömmliche
Verfahren für
die Ausbildung von Präzisionsteilen
kann zur Anwendung kommen, um die Kappe auszubilden. Wenn zum Beispiel
ein Polymer verwendet wird, kann die Kappe mit Hilfe von Spritzguß allein
oder in Kombination mit maschineller Bearbeitung ausgebildet werden.
Die in 2A bis 3B gezeigte
Lokalisierungskappe weist eine Aussparung 134 auf, die in
eine Aussparungsbuchse 132 hinein ausgebildet ist. Die
Aussparung ist größen- und
formmäßig in Bezug
auf die Lokalisierungskappe und die bildgebende Markierung so ausgelegt,
daß, wenn
die Lokalisierungskappe auf der Basis 30 plaziert wird,
ihr Krümmungszentrum
mit dem geometrischen Mittelpunkt des fluidgefüllten Hohlraums der Markierung 12 zusammenfällt, wenn
letztere an der Basis 30 befestigt wird.
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Ähnlich der
Markierung 12 weist die Lokalisierungskappe einen vorstehenden
Buckel 120 und ein Trio von Schnapparmen 118 auf,
die mit nach innen vorstehenden Spitzen 122 enden. Die
Form und die Abmaße
des Buckels stehen wiederum in direkter Übereinstimmung mit der Form
und mit der Größe der in
der Basis 30 bereitgestellten Buchse 36, um die
Lokalisierungskappe an der Basis korrekt und zuverlässig zu
zentrieren. Die Schnapparme 118 wirken mit der Rille 34 der
Basis 30 für
das lösbare
Befestigen der Lokalisierungskappe auf der Basis zusammen.
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4 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
der Lokalisierungskappe, die eine Aussparung 234 aufweist,
die ebenfalls einen Buckel 220 und Schnapparme 218 einsetzt,
um die Verbindung zur Basis 30 zu bewerkstelligen. Diese
Lokalisierungskappe unterscheidet sich von der vorangehenden Ausführungsform
darin, daß sie
keinen Rand 130 aufweist und eine dickere Aussparungsbuchse 230 nutzt.
Obwohl diese Ausführungsformen
Schnapparme nutzen, um die Lokalisierungskappe mit der Basis zu
verbinden, kann eine andere Befestigungsstruktur für das Anbringen
der Lokalisierungskappe an der Basis bereitgestellt werden, wie
zum Beispiel Schraubengewinde, Klammern, Haken usw.
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Bei
den in 2 bis 5A gezeigten Ausführungsformen
der Lokalisierungskappe ist zu ersehen, daß die Aussparung die Form einer
Halbkugel aufweist, die mit einer Kugel zusammenpaßt. Es können jedoch
andere Formen genutzt werden. In 5B hat
die Aussparung zum Beispiel die Form eines Zylinders 334;
in 5C hat die Aussparung die Form eines konischen
Abschnitts 434. Jede Form der Aussparung, die für eine feste Anschlußfläche für die Spitze
der Lokalisierungsvorrichtung sorgt, kann zum Einsatz kommen, und
die veranschaulichten Formen sind lediglich Beispiele mehrerer solcher
möglicher Formen
der Aussparung. Obwohl die Kugel am Ende der Sonde in ähnlicher
Weise durch eine Spitze ersetzt werden könnte, die eine andere Form
aufweist (zum Beispiel ein konischer Vorsprung oder ein Prisma),
wird eine sphärische
Kugel bevorzugt, da sie die größte Variation
bei der Ausrichtung der Sonde gestattet, während sie mit der Aussparung
weiterhin zusammenpaßt.
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Das
Verfahren der Nutzung der Lokalisierungskappe wird jetzt im Detail
im Kontext der Neurochirurgie erläutert werden. Eine Reihe von
zumindest drei (und vorzugsweise vier) Basen wird in eine entsprechende
Anzahl von in den Schädel
gebohrten Öffnungen
eingeführt.
Eine temporäre
Markierung wird an jeder dieser Basen befestigt, und der Patient wird
dann einem oder mehr Scans in der Radiologieabteilung unterzogen.
Die Markierungen sind so ausgelegt, daß sie im Bildraum jedes vorgenommenen Scans
sichtbar sind, so daß ihre
geometrischen Mittelpunkte lokalisiert werden können und genutzt werden können, um
eine Reihe von Punkten zu definieren, die ausreichen, um die Basis
eines adressierbaren inneren Koordinatensystems in Bezug auf den Bildraum
auszubilden.
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Nachdem
die Scans vorgenommen wurden, werden die Markierungen von ihren
jeweiligen Basen gelöst.
An diesem Punkt wird der Patient typischerweise von der Radiologieabteilung
verlegt werden, da der Chirurg die Scans prüfen wird, um einen anschließenden chirurgischen
Eingriff oder eine Behandlung in der Radiologieabteilung zu planen.
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Nachdem
die Entscheidung zu dem am Patienten vorzunehmenden chirurgischen
Eingriff getroffen worden ist, wird der Patient in den Operationssaal gebracht
und in einer Schädelklemme
immobilisiert. Die Schädelklemme
dient dazu, den Kopf des Patienten in ein mehr oder weniger festes
Verhältnis
in Bezug auf seine äußere physische
Umgebung zu zwingen. Die Schädelklemme
als solche macht jedoch nicht das mathematische Verhältnis bekannt,
welches zwischen dem zuvor durch die temporären Markierungen hergestellten inneren
Koordinatensystem und der äußeren Umgebung,
in welcher der Chirurg operiert, existiert. Damit der Chirurg das
Verhältnis zwischen
dem physischen Raum (zum Beispiel dem Operationssaal zum Zeitpunkt
der Operation) und dem Bildraum, in Bezug auf welches die Bilddaten definiert
worden sind, bestimmen kann, werden die Lokalisierungskappen verwendet.
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Der
Chirurg schnappt die Lokalisierungskappen auf den Markierungsbasen
ein. Der Chirurg bringt danach die Kugel 52 der Sonde 50 in
Wirkeingriff mit der Aussparung 234 (4),
die halbkugelig (5A), zylindrisch (5B)
oder konisch (5C) sein kann. An diesem Punkt
fällt die
Mitte der Kugel 52 mit einem Punkt im Raum zusammen, welcher
dem Schwerpunkt des bildgebenden Abschnitts der Markierung 12 entspricht,
wenn letztere an der Basis 30 befestigt ist. Alle Mittel
für das
Definieren des Ortes im physischen Raum der Mitte der Kugel 52 können genutzt
werden, um für
die entsprechende physische Raumadresse des Schwerpunkts der bildgebenden
Markierung zu sorgen, die sich zuvor im Bildraum befand. Mit anderen
Worten, eine Adresse im Bildraum (dem Schwerpunkt einer Markierung)
steht im Verhältnis
zum physischen Raum. Durch die Bereitstellung von drei linear unabhängigen solchen
Adressen – das
heißt
die Adressen der drei Schwerpunkte der drei Markierungen – kann jeder
Adresse im Bildraum eine einzelne Adresse zugeordnet werden, und
jede Adresse im physischen Raum kann zu einer Adresse im Bildraum
zurückverfolgt
werden.
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Ein
Verfahren der derartigen Bestimmung des Ortes eines Punktes im Raum
ist dargelegt im
U.S. Patent
Nr. 5,142,930 . Bei diesem Patent befindet sich die Sonde
am Ende eines Gelenkarmes, dessen Ausrichtung im Raum durch einen
Computer überwacht
wird. Der Computer erfaßt
die Winkelausrichtung jedes Segments des Gelenkarms. Durch die Nutzung
von Armsegmenten mit einer festen Länge können diese Informationen genutzt
werden, um den Ort der Kugel am Ende einer Sonde zu bestimmen, die
am Arm im physischen Raum befestigt ist oder in diesen integriert
ist.
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Ein
Nachteil der Verwendung eines Gelenkarmes ist seine Größe. Der
Arm kann Platz beanspruchen, den der Chirurg lieber in einer anderen Weise
nutzen möchte.
Es kann ebenfalls sein, daß die
Handhabung des Armes auf Grund seiner Größe unbequem ist. Ein anderes
Verfahren für
die Bestimmung des Ortes der Mitte der Kugel
52, welches
diese Mängel
nicht aufweist, nutzt einen frei bewegbaren, handgehaltenen Abtaststift,
der in der Kugel
52 endet. Der Abtaststift weist eine Anzahl
von aufblitzenden lichtemittierenden Dioden auf. Das von den LEDs
emittierte Licht wird durch eine Reihe von mehreren Detektoren erfaßt, welche
Informationen bezüglich
der Position der LED an einen Computer übermitteln. Der Computer nutzt
diese Informationen, um die Position und Ausrichtung im physischen Raum
des Abtaststiftes, einschließlich
der speziellen Adresse der Mitte der Kugel
52 an ihrer
Spitze, zu berechnen. Der Chirurg plaziert die Kugel des Abtaststiftes
fest in die Aussparung der Lokalisierungskappe hinein und drückt dann
einen Knopf auf dem Abtaststift, welcher dem Computer signalisiert,
daß die Kugel
an der Adresse zentriert ist, welche dem entsprechenden Markierungsschwerpunkt
entspricht. (Eine umfassendere Beschreibung eines solchen Systems
wird im
U.S. Patent Nr. 5,197,476 gegeben). Dies
wird für
jede Lokalisierungskappe wiederholt, welche dann das Verhältnis zwischen
Bildraum und dem physischen Raum bestimmt, der durch den Kopf des
Patienten belegt wird, wenn dieser fest in der Schädelklemme
im Operationssaal liegt.
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Gleich,
welches Verfahren zum Einsatz kommt, kann, sobald die intraoperative
Lokalisierungsvorrichtung in Kontakt mit den Lokalisierungskappen
gebracht worden ist, um Bildraum mit physischem Raum ins Verhältnis zu
setzen, die intraoperative Lokalisierungsvorrichtung genutzt werden,
um einen breiten Bereich von gewünschten
Bildern durch ihre Weiterbewegung zu erfassen. Das System kann zum
Beispiel, indem weiterhin die Position der Spitze der intraoperativen
Lokalisierungsvorrichtung überwacht
wird, so programmiert werden, daß es Bilder aus Bildraum des
entsprechenden Bereiches der Anatomie anzeigt, der bei der, angrenzend
an oder vor der Spitze der intraoperativen Lokalisierungsvorrichtung
liegt. In Bezug auf dieses letzte Merkmal definiert man, indem das
System genutzt wird, um die Bahn zu bestimmen, welcher die Spitze
der intraoperativen Lokalisierungsvorrichtung folgt, eine Richtung,
die von Interesse für
den Chirurgen ist. Diese Richtungsinformationen können genutzt
werden, um für
eine sogenannte "Pilotensichtweise" des anatomischen
Bereiches von Interesse zu sorgen, mit welcher der Chirurg eine
Anzeige des Bereichs der Anatomie sieht, in welchen er gleich schneiden
wird.
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Die
oben erörterte
intraoperative Lokalisierungsvorrichtung ist lediglich für die Aufgabe
spezialisiert, eine Adresse im physischen Raum bereitzustellen,
die genutzt werden kann, um Bilder auf der Grundlage bekannter zugehöriger Adressen
im Bildraum zu erfassen. Die intraoperative Lokalisierungsvorrichtung
kann ebenfalls in Form eines Verbund-Instruments bereitgestellt
werden, das in der Lage ist, sowohl als eine intraoperative Lokalisierungsvorrichtung
als auch als ein Messer oder ein anderes herkömmliches Instrument zu fungieren.