DE69733624T2 - Bildgesteuertes chirurgisches System - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Biopsieführung, in der chirurgische Vorrichtungen in Bezug zu einem Bild genau positioniert werden können.
  • Eine Reihe von Vorrichtungen sind früher während einer Operation verwendet worden, um einen Patienten in einem Operationssaal zu positionieren, und so, dass die Lage einer bestimmten Stelle auf einem Patienten genau lokalisiert werden kann.
  • Das U.S. Patent Nr. 4,617,925 an Laitinen offenbart einen Adapter zur Festlegung der Position von Gehirnstrukturen. Dieser wird unter Verwendung von Raumkoordinaten bei der Computertomographie und der NMR-Untersuchung sowie beim Übertragen der Koordinaten auf eine stereotaktische Vorrichtung verwendet. Der Adapter schließt Halterungen zum Festhalten des Kopfs eines Patienten ein.
  • Das U.S. Patent Nr. 4,386,602 an Sheldon et al. betrifft eine intracraniale chirurgische Operationsvorrichtung. Die Vorrichtung in diesem Patent wird zur Operation am Gehirn mit minimalen Beeinträchtigungen verwendet.
  • Das U.S. Patent Nr. 4,465,069 an Barbier et al. betrifft das Einführen einer chirurgischen Nadel in den Schädel unter Verwendung von rechnergestützter Tomographie.
  • Das U.S. Patent Nr. 5,257,998 an Ota et al. betrifft eine medizinische dreidimensionale Lokalisiervorrichtung, die imstande ist, die dreidimensionalen Positionsdaten eines durch eine bildgebende Diagnose in einem betroffenen Teil eines Patientenkörpers erhaltenen Fokus für eine eigentliche chirurgische Operation zu reproduzieren. Dieses Patent erörtert zudem die Auswahl eines optimalen Näherungswinkels einer Richtung zur Annäherung des Fokus entlang einer Bezugslinie durch einen einfachen Vorgang.
  • Das U.S. Patent 4,592,352 an Patil offenbart ein rechnergestütztes stereotaktisches Tomographiesystem. Das im Patil-Patent offenbarte System offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung von chirurgischen Verfahren durch den Schädel eines Patienten hindurch zu einem Ziel innerhalb des Schädels unter Verwendung einer rechnergestützten Tomographie-Abtastvorrichtung.
  • Das U.S. Patent Nr. 4,602,622 an Bär et al. offenbart eine Computertomographievorrichtung, die quer verlaufende Schichtbilder erzeugt. Eine Patientenzielvorgabevorrichtung wird verwendet, um eine Biopsienadel entlang eines durch die Zielvorgabevorrichtung bestimmten Pfades in einen Patienten einzuführen.
  • Das U.S. Patent Nr. 4,638,789 an Shelden et al. offenbart ein stereotaktisches Verfahren und eine stereotaktische Vorrichtung zur Lokalisierung und Behandlung oder Entfernung von Läsionen. Die Vorrichtung legt Punkte in einem Bereich unter Verwendung eines dreidimensionalen Koordinatensystems mit Bezug auf einen am Patienten befestigten Ring fest, um einen Bezugspunkt für das dreidimensionale Koordinatensystem in der Mitte des Rings einzurichten.
  • Die WO 95/22297 offenbart eine chirurgische Führungsvorrichtung für die genaue Positionierung eines chirurgischen Objekts, umfassend eine Basis mit drei Füßen, die eine erste Ebene festlegen, einen Schwenkkopf am Ende eines Radiusarms und eine Führung zum Führen des chirurgischen Objekts, wobei die Führung auf dem Schwenkkopf montiert ist. Der Radiusarm ist in seiner Längsrichtung verschiebbar und um eine Schwenkachse schwenkbar verlagerbar, die senkrecht zu der Ebene ist. Dies ermöglicht es, den Schwenkkopf in eine beliebige Position in einer zu der Ebene parallelen Ebene zu bewegen. Das Festziehen einer Flügelmutter arretiert den Schwenkkopf in seiner Lage. Zwischen der Führung und dem Schwenkkopf befindet sich eine Kugelgelenkverbindung, wodurch die Führung in Bezug zum Schwenkkopf in einer beliebigen Richtung um einen Schwenkpunkt verschwenkt werden kann und mittels Klemmschrauben in ihrer Lage arretiert werden kann.
  • Das U.S. Patent Nr. 5,387,220 an Pisharodi offenbart einen stereotaktischen Rahmen und ein Lokalisierungsverfahren, die Lokalisierungsrahmen einschließen, welche ohne die Verwendung von Kopfbolzen oder -schrauben funktionieren. Zu Beginn werden mehrere natürliche Schädelbezugspunkte eingerichtet. Sobald die natürlichen Bezugspunkte eingerichtet worden sind, wird die Lokalisierung unter Verwendung eines sphärischen Koordinatensystems durchgeführt, das Linien, Ebenen und Winkel einschließt, auf die auf und innerhalb des Kopfs Bezug genommen wird.
  • Das U.S. Patent Nr. 5,280,427 an Magnusson et al. offenbart eine Punktionsführung für die Computertomographie. Eine Nadel einer Gewebeprobennahmevorrichtung wird zu einer Zielposition innerhalb des Körpers eines Patienten geführt. Die Biopsienadel wird einen gewünschten Pfad entlang gelenkt, und die Eindringtiefe der Nadel wird gesteuert, um ein versehentliches überweites Eindringen der Nadel zu verhindern. Die Führungsvorrichtung ist nicht auf die Ebene senkrecht zu einer Längsachse des Patienten begrenzt, sondern ist auch imstande, die Nadel in einer Ebene zu führen, die weder senkrecht noch parallel zur Längsachse ist.
  • Bekannte Führungsvorrichtungen erschweren es, ein bildgeführtes chirurgisches System bereit zu stellen, das während einer Operation ohne komplizierte Koordinatensystemberechnungen verwendet werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine chirurgische Führungsanordnung, in der ein chirurgisches Instrument in Bezug zu einem Zielpunkt und einem Eintrittspunkt des Patienten sowie entlang einer Bahnlinie durch den Eintrittspunkt und den Zielpunkt des Patienten genau positioniert werden kann.
  • Zuerst wird eine chirurgische Plattform entlang eines Führungsarmbogens in die Nähe eines Punktes entlang der Bahn bewegt, die sich durch den Eintrittspunkt und den Zielpunkt des Patienten erstreckt. Diese Position auf der Bahnlinie ist ein beliebiger Punkt außerhalb des Kopfs des Patienten. Vor dem Verschieben der chirurgischen Plattform entlang des Führungsarms wird der Kopf des Patienten starr an einer Kopfklammer fixiert, die an einem Operationstisch befestigt wird. Der Führungsarmbogen wird zum Beispiel um zwei Gelenke an einem Ende des Führungsarms verschwenkt. Sobald der Führungsarmbogen in eine Position bewegt worden ist, so dass sich ein Teil des Führungsarmbogens in der Nähe des Eintrittspunkts und/oder der Bahnlinie befindet, wird der Führungsarmbogen in seiner Lage arretiert. Dann wird die chirurgische Plattform am Führungsarmbogen entlang bewegt, bis sich die chirurgische Plattform in der Nähe der Bahnlinie befindet. Die chirurgische Plattform wird dann am Führungsarmbogen arretiert. Eine Metallplatte innerhalb der chirurgischen Plattform wird dann in zwei Dimensionen bewegt, bis sich ein Kugelgelenkschwenkpunkt in der Mitte der Metallplatte an einem Punkt entlang der Bahnlinie befindet. Die Metallplatte wird dann an Ort und Stelle arretiert. Das Kugelgelenk wird dann so gedreht, dass sich die chirurgische Hülse genau entlang der Bahnlinie erstreckt. Auf diese Weise ist die zweidimensionale Verschiebung der chirurgischen Plattform vollständig von der zweidimensionalen Drehung des Kugelgelenks getrennt. Die chirurgische Hülse wird entlang der zwischen dem Eintrittspunkt und dem Zielpunkt auf dem Kopf des Patienten verlaufenden Bahnlinie in Position bewegt, ohne dass irgendwelche komplizierten Berechnungen erforderlich sind.
  • Die Navigationssoftware gestattet es dem Chirurgen, den Schwenkpunkt genau bis zu einem Punkt entlang der Bahnlinie zu bewegen, während er auf ein Bild blickt, wobei er die Position des Schwenkpunkts mit einer Position auf der Bahnlinie vergleicht. Die Navigationssoftware erlaubt es dann dem Chirurgen, auf dem Bild den Unterschied zwischen dem Winkel der chirurgischen Hülse in Bezug zur Bahnlinie zu sehen, bis die chirurgische Hülse genau entlang der Bahnlinie ausgerichtet ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die 2 und 3 zeigen Anordnungen innerhalb einer chirurgischen Plattform gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt getrennte Verschiebe- und Drehbewegungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die 7, 8, 9, 10 und 11 zeigen relative Anordnungen zwischen einem Befestigungsarm und einem Führungsarm gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • 12 zeigt eine Anordnung zwischen einer chirurgischen Plattform und einer Nadelführung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die 13 und 14 zeigen Teile einer chirurgischen Plattform gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die 15, 16, 17 und 18 zeigen Nadelführungsanordnungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In einem System für eine chirurgische Vorrichtung (oder einem System für Biopsievorrichtung) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt ein Neurochirurg in einem präoperativen Bildvolumen (z.B. CT oder MR) einen "Eintritts"-Punkt und einen "Ziel"-Punkt aus. Der Zielpunkt ist der Punkt, den der Neurochirurg erreichen möchte, z.B. um eine Gewebeprobe zu erhalten oder eine Elektrode zu implantieren. Der Eintrittspunkt ist der Punkt auf dem Schädel, durch den der Neurochirurg hindurchgehen möchte, um den Zielpunkt zu erreichen. Der Eintrittspunkt und der Zielpunkt definieren zusammen eine "Bahn", (d.h. die durch diese beiden Punkte verlaufende Linie). Der allgemeine Zweck der chirurgischen Vorrichtung (Biopsievorrichtung) ist es, eine chirurgische Nadel (wie eine Biopsienadel oder Elektrode oder was auch immer) so zu lenken, dass sie durch den Eintrittspunkt hindurchtritt und am Ziel anhält. Biopsievorrichtungen sind ein integraler Teil der meisten stereotaktischen Rahmensysteme. Die Biopsievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann für beliebige rahmenlose bildgeführte chirurgische Navigationssysteme verwendet werden.
  • Der erste Schritt bei dem chirurgischen Führungssystem (Biopsieführungssystem) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine chirurgische Plattform (Biopsiewagen oder Biopsieplattform) in die Nähe der Bahn zu bekommen. Eine Ausführungsform verwendet einen Führungsarmbogen und einen Biopsiewagen, der sich entlang des Führungsarmbogens verschiebt. Der Kopf des Patienten wird in einer Kopfklammer, wie einer Mayfield®-Kopfklammer, unbeweglich fixiert. Die Kopfklammer wird an einem Operationstisch befestigt. Der Bogen wird starr an der Kopfklammer befestigt. Alternativ könnte der Bogen statt dessen am Operationstisch oder an irgend etwas anderem befestigt werden, das starr am Tisch befestigt wird. Bei einer Ausführungsform ist der Bogen um seine zwei Gelenke an einem Ende schwenkbar. Alternativ könnte der Bogen um seine beiden Enden schwenkbar sein. Die Biopsieplattform ist mit dem Biopsiewagen verbunden, der sich entlang des Bogens verschiebt. Mit diesen verschiedenen Freiheitsgraden kann die Biopsieplattform über einem weiten Bereich des Kopfs platziert werden.
  • Es wird angemerkt, dass rahmenbasierende chirurgische Vorrichtungen (Biopsievorrichtungen) typischerweise mit einer spezifischen geometrischen Konstruktion (z.B. einem Kreisbogen mit einem spezifischen Radius) arbeiten. Die Bildkoordinaten des Eintritts- und Zielpunkts werden in physikalische Raumkoordinaten umgewandelt, und diese werden in eine Gruppe von Biopsievorrrichtungsparametern (z.B. Bogenwinkel und Position entlang des Bogens) umgewandelt. Somit machen es rahmenbasierte Biopsievorrichtungen erforderlich, dass der Bogen sorgfältig konstruiert und kalibriert wird. Bei der vorliegenden Erfindung dient der Bogen als Vorrichtung, um die Biopsieplattform in die Nähe der Bahn zu bekommen, und braucht somit nicht so sorgfältig konstruiert werden. Die hauptsächliche Anforderung an den Bogen besteht darin, dass er mechanisch robust ist. In der Tat könnte die vorliegende Erfindung ohne einen Bogen realisiert werden, obwohl es der leichteste Weg sein kann, um eine mechanisch stabile Halterung herzustellen. Ein anderer Ansatz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Biopsieplattform mit einem mit mehreren Gelenken versehenen Arm zu verbinden, der wiederum starr an der Kopfklammer oder am Operationstisch befestigt wird.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Biopsieplattform aus einer beweglichen Metallplatte, die ins Innere einer ringförmigen Metallhalterung eingefügt ist. Die Metallplatte kann zum Beispiel mit einer Einstellschraube an ihrem Platz arretiert werden. In der Mitte der Metallplatte ist ein Kugelgelenk angeordnet. Eine Biopsiehülse tritt durch die Mitte des Kugelgelenks hindurch und kann sowohl eine intraoperative Lokalisierungsvorrichtung (ILD) und eine Biopsieführung beherbergen. Das Kugelgelenk kann mit einer Einstellschraube an seinem Platz arretiert werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Biopsieplattform mit einer Schraube mit dem Biopsiewagen verbunden. Die Biopsieplattform kann bewegt werden, indem man die Schraube löst.
  • Nachdem man die Biopsieplattform in die Nähe der Bahn bekommen hat, wird die Position eines Schwenkpunkts und die Ausrichtung der Biopsiehülse wie folgt eingestellt. Der Schwenkpunkt wird in der Mitte des Kugelgelenks angeordnet. Erstens haben die jetzigen Erfinder erkannt, dass es nicht notwendig ist, dass er sich am Eintrittspunkt (z.B. des Körpers) befindet, sondern dass er statt dessen nur auf der Bahn liegen braucht. Zweitens hat man erkannt, dass Position und Ausrichtung entkoppelt werden können. Weil es notwendig ist, dass man sich auf der Bahn statt an einem spezifischen Punkt auf der Linie befindet, kann die Biopsiehülse mit einer zweidimensionalen (2D)-Verschiebung der Biopsieplattform positioniert werden. Die Biopsieplattform braucht nicht senkrecht zur Bahn sein. Die ILD wird in die Biopsiehülse eingebracht. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die ILD eine Sonde, die mit einem Griff mit Infrarot-emittierenden Dioden (IREDs) verbunden ist, welche von einem optischen Positionssensor (OPS) verfolgt werden, die jedoch auch für andere anderen Arten von Vorrichtungen rahmenloser Systeme, z.B. einen mechanischen Gelenkarm, eine elektromagnetische Vorrichtung oder eine Ultraschallvorrichtung dienen könnte. Die Biopsieplattform (oder Metallplatte) wird bewegt, bis sich die ILD-Position, die so kalibriert ist, dass sie dem Mittelpunkt des Kugelgelenks (oder Schwenkpunkt) entspricht, auf der Bahn befindet. Wenn sie sich auf der Bahn befindet, wird die Metallplatte an ihrem Platz arretiert.
  • Die richtige zweidimensionale Übergangsbewegung kann wie folgt vollzogen werden. Ein Bildvolumen bestehend aus Scheiben, die senkrecht zur Bahn sind, wird erzeugt. Das Navigationssystem wandelt die physikalische Raumposition der ILD in das Bildkoordinatensystem um. Die Position der ILD in Bezug zum Bild wird auf dem Schirm angezeigt, zusammen mit der Position der Bahn in der passenden Bildscheibe. Die Platte wird bewegt, bis die Position der ILD mit der Position der Bahn zusammenfällt. Zusätzliche Informationen können bereit gestellt werden, um die Aufgabe leichter zu machen, z.B. ein gezoomtes Bild und/oder der Abstand der ILD von der Bahn.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nur eine grobe manuelle Einstellung der chirurgischen Plattform notwendig. Eine feinere Steuerung der Bewegung könnte unter Verwendung von Schrauben erreicht werden. In der Tat können Schrauben sowohl für eine grobe und feine Positionseinstellung verwendet werden.
  • Nachdem die ILD-Position (z.B. die Position des Schwenkpunkts) so verschoben worden ist, dass sie sich auf der Bahn befindet (und sich somit der Mittelpunkt des Kugelgelenks auf der Bahn befindet), wird das Kugelgelenk gedreht, bis die Ausrichtung der ILD (und somit die Ausrichtung der Achse der Biopsiehülse) mit der Ausrichtung der Bahn übereinstimmt. Wenn man die richtige Ausrichtung gefunden hat, wird das Kugelgelenk an seinem Platz arretiert. Die richtige Ausrichtung kann wie folgt erreicht werden. Ein Bildvolumen bestehend aus Scheiben, die senkrecht zur Bahn sind, wird erzeugt. Das Navigationssystem wandelt die Position und Ausrichtung der ILD im physikalischen Raum in die Position und Ausrichtung im Bildkoordinatensystem um. Diese Informationen werden benutzt, um den Schnittpunkt der Bahn der ILD (und somit der Bahn der Achse der Biopsiehülse) mit der Bildscheibe, die durch das Ziel hindurchtritt und senkrecht zu der gewünschten Eintritts-/Zielpunkt-Bahn ist, zu berechnen. Die Position von sowohl diesem Schnittpunkt und dem Ziel wird in dieser Scheibe angezeigt. Das Kugelgelenk wird gedreht, bis dieser Schnittpunkt mit dem Ziel übereinstimmt. Wieder können zusätzliche Informationen bereit gestellt werden, um die Aufgabe leichter zu machen, z.B. ein gezoomtes Bild und/oder der Abstand des Schnittpunkts vom Ziel. Zudem wird bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die durch das Ziel hindurchtretende Scheibe angezeigt. Jedoch könnte gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Bildscheibe angezeigt werden.
  • Nachdem die richtige Verschiebung der Biopsieplattform (Metallplatte) und Drehung des Kugelgelenks erzielt worden ist, wird von der Navigationssystem-Software der Abstand zwischen der ILD-Position (d.h. der Position des Mittelpunkts des Kugelgelenks oder Schwenkpunkts) und dem Ziel berechnet. Obwohl es nicht wichtig ist, dass man sich an einem speziellen Punkt auf der Bahn befindet, ist es wichtig, die Position des Schwenkpunkts (d.h. des Mittelpunkts des Kugelgelenks) auf der Bahn zu kennen. An diesem Punkt kann eine Reihe von Aufgaben ausgeführt werden. Eine Biopsie kann vorgenommen werden, indem man eine Biopsieführung in die Hülse einbringt und dann traditionelle Biopsietechniken verwendet. Die Verwendung des Abstands zwischen dem Schwenkpunkt und dem Ziel, um einen Kragen oder Anschlag auf einer Biopsienadel einzustellen, ist einfach. Es ist auch möglich, eine bildgeführte Biopsie durchzuführen. IREDs könnten auf der Biopsienadel angebracht und mittels des optischen Positionssensors (OPS) verfolgt werden. Diese Ausführung ist auch auf andere rahmenlose Systeme erweiterbar. Zum Beispiel könnte ein Ultraschall-Navigationssystem verwendet werden, um eine bildgeführte Biopsie vorzunehmen, indem man auf der Biopsienadel Funkenstrecken anbringt.
  • Viele neurochirurgische Verfahren machen eine präzise Positionierung einer stabilen Plattform erforderlich, welche die bei diesen Verfahren verwendeten Instrumente hält. Frühere Verfahren zur Realisierung der stabilen Plattform zum Halten der bei derartigen chirurgischen Verfahren verwendeten Instrumente schlossen Rahmen ein, die körperlich am Kopf des Patienten befestigt sind. Die Fähigkeit, die chirurgische Plattform und/oder chirurgische Führung zu befestigen, abzunehmen und erneut zu befestigen, während ein steriles Feld um den Patienten herum aufrechterhalten wird, ist sehr wichtig geworden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine chirurgische Führung bereit, die eine chirurgische Plattform einschließt, welche unter normalen chirurgischen Bedingungen stabil bleiben wird, sowie einen Führungsarm, der es dem Chirurgen gestattet, die Plattform unter Verwendung von rechnergeführter Rückkopplung präzise zu positionieren. Das System ist nicht direkt mit dem Patienten verbunden und ist zum Befestigen und Abnehmen ohne Auswirkungen auf die Integrität des sterilen Feldes geeignet.
  • Eine chirurgische Führung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt eine Befestigungsstange, einen Führungsarm (oder -bogen) und eine chirurgische Plattform ein. Bei Biopsieverfahren wird eine Biopsienadelführung verwendet, um für Stabilität zu sorgen, während die Biopsienadel verfolgt wird.
  • Eine Befestigungsstange ist mit einem Sterngelenk an einer Basis einer Schädelklammer vom Mayfield®-Typ (oder einer anderen Art von Schädelklammer) verbunden. Der Führungsarm (oder -bogen) ist mit einer Seite der Befestigungsstange verbunden. Der Führungsarm liefert eine Halterung für die chirurgische Plattform. Der Führungsarm erlaubt es, die chirurgische Plattform (oder den Biopsiewagen) auf einer theoretischen Kugelschale um den Kopf des Patienten herum zu positionieren, und kann auf mindestens zweierlei Weisen verstellt werden. Der Führungsarm kann näher an den Kopf heran oder weiter vom Kopf weg bewegt werden, indem man ihn entlang von einer Schaft- oder Wellenverlängerung auf dem Befestigungsarm verschiebt. Der Führungsarm kann auch um einen theoretischen Mittelpunkt des Kopfs herum gedreht werden, in einer Art und Weise, die der Drehung des Visiers eines Helms ähnlich ist. Der Führungsarm wird mittels eines Knopfs für die Verschiebung und eines Hebels für die Drehung unabhängig arretiert.
  • Die Verschiebe- und Drehbewegung des Führungsarms kann benutzt werden, um die richtige Position der chirurgischen Plattform in Bezug zu einem vorbestimmten Eintrittspunkt und Zielpunkt eines Patienten festzulegen. Die chirurgische Plattform (oder der Biopsiewagen) kann sich entlang der gesamten Länge des Führungsarmbogens verschieben und arretiert werden, um für eine zusätzliche Grobeinstellung zu sorgen. Die Verschiebe- und Drehverstellung des Führungsarms und die Verschiebe- und Arretierverstellung der Plattform entlang des Führungsarmbogens liefern drei grobe (ungenaue) Einstellungen, um sich Zugang zu den meisten Bereichen von chirurgischer Bedeutung in der Nähe eines Patienten (zum Beispiel Bereichen von Bedeutung auf den Kopf eines Patienten) zu verschaffen.
  • Eine chirurgische Plattform (oder ein Biopsiewagen) ist eine chirurgische Plattform, wo die für das chirurgische Verfahren benötigten Instrumente angeordnet sind. Zum Beispiel kann an der chirurgischen Plattform eine Biopsienadel vorgesehen sein. Ein Chirurg verwendet den Führungsarmbogen als Spurführung und indem zum Beispiel Rollen verwendet werden, die sich entlang des Führungsarmbogens verschieben, lässt sie sich in einer allgemeinen Position arretieren, um eine Position für ein Schwenkpunktkugelgelenk in der Nähe der Eintrittsstelle des Patienten bereitzustellen. Die chirurgischen Instrumente werden im Schwenkkugelgelenk gehalten, das für eine bestimmte gewünschte Winkelannäherung an den Zielort ebenfalls justiert werden kann. Die chirurgische Plattform schließt zwei Feinverstellungs- oder Festlegungsparameter ein. Als erste Feinverstellung für den Führungsarm gestatten es zwei Gleitflächen mit einem Arretierhebel, den Mittelpunkt des Schwenkkugelgelenks genau auf dem zuvor bestimmten Näherungsvektor (oder Bahn) zu positionieren. Eine zweite Verstellung, die in der Schwenkkugelgelenkanordnung enthalten ist, gestattet es, die chirurgischen Instrumente genau auf den richtigen Näherungswinkel auszurichten. Eine Feinverstellung der chirurgischen Annäherung ist hinsichtlich Phi, Theta und dem Winkel in Bezug zur Tangente der theoretischen Kugelschale in der Schwenkkugelgelenkanordnung enthalten.
  • Für eine Biopsieanwendung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Nadelführung erforderlich, um die geplante Bahn für die gesamte Länge der Biopsienadel aufrechtzuerhalten. Die Nadelführung gestattet es dem Chirurgen, den Punkt der Biopsienadel festzulegen, der mit Anwendungssoftware (zum Beispiel der chirurgischen Navigationssystemsoftware AcustarTM) verfolgt werden soll. Die vordere Spitze der Biopsienadel kann als Arbeitspunkt gewählt werden, oder der "Arbeits"-Teil der Nadel kann verfolgt werden. Es ist wichtig, irgend eine Stelle entlang der Biopsienadelführung zu verfolgen, um deren Lage zu bestimmen. Eine besonders vorteilhafte Stelle der Biopsienadelführung zum Verfolgen ist der Punkt, an dem das chirurgische Instrument durch das Schwenkkugelgelenk ragt. Die Fähigkeit, den zu verfolgenden Punkt festzulegen, minimiert Fehler, die auftreten können.
  • Ein Chirurg kann dann die Bahn der chirurgische Annäherung in einer visuellen Art und Weise überprüfen, indem er ein Lokalisierungsführungssystem und rechnerverarbeitete Bildsoftware verwendet. Die Lokalisierungsvorrichtung ist in einer wohldefinierten Weise am chirurgischen Instrument befestigt. Die bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete Lokalisierungsvorrichtung kann ein Array von Infrarot-emittierenden Dioden sein, das von einem kalibrierten Sensor gelesen wird.
  • Die vorliegende Erfindung sorgt eine sterile Unversehrtheit des Operationsfeldes, die leicht bewahrt werden kann, wenn der Führungsarm und die chirurgische Plattform während einer Operation für verschiedene Verfahren befestigt, abgenommen und wieder befestigt werden. Zudem gestattet die vorliegende Erfindung eine einfache Einstellung eines Führungssystems zur Anpassung an unterschiedliche Kopfgrößen. Weiter gestattet die vorliegende Erfindung eine stabile und genaue Positionierung der chirurgischen Plattform durch Verwendung eines Lokalisierungsführungssystems, das die Notwendigkeit beseitigt, die Plattform am Schädel des Patienten zu befestigen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Plattformposition in r-, Theta- und Phi-Richtung verstellbar. Das Schwenkkugelgelenk kann in x- y-Richtung verstellt werden, und die Nadel (das chirurgische Instrument) kann über einen 90-Grad-Konus verdreht werden. Dies erlaubt für die meisten chirurgischen Verfahren eine volle Abdeckung des Schädels. Die vorliegende Erfindung gestattet zudem eine Festlegung der zu verfolgenden Position der Biopsienadel (oder eines anderen Instruments) durch den Chirurgen. In Verbindung mit einem bildgeführten chirurgischen System (zum Beispiel der Navigationssoftware AcustarTM) kann die festgelegte Position der Nadel (oder eines anderen chirurgischen Instruments) in Echtzeit verfolgt werden. Das System macht es zudem nicht erforderlich, im Operationssaal Berechnungen auszuführen, wenn es in Verbindung mit einem bildgeführten chirurgischen System verwendet wird.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Biopsiewagen 10 (oder eine chirurgische Plattform) verschiebt sich entlang eines Führungsarms (oder -bogens) 12 vor und zurück. Zudem kann sich der Bogen 12 zumindest an seinem einen Ende drehen, um große Teile des Kopfs 14 des Patienten abzudecken. Der Führungsarmbogen ist an einer Befestigungsstange (in 1 nicht dargestellt) befestigt, die an einer Kopfklammer befestigt werden kann, wie einer Kopfklammer vom Mayfield®-Typ, die am Kopf 14 des Patienten befestigt wird. Der Führungsarmbogen 12 ist an einem oder beiden Enden desselben drehbar (schwenkbar), so dass sich der Führungsarmbogen 12 allgemein über einen bestimmten interessierenden Bereich des Kopfs des Patienten 14 bewegt. Die chirurgische Plattform 10 wird entlang des Führungsarmbogens 12 zu einem speziellen interessierenden Bereich des Kopfs 14 des Patienten verschoben. Die chirurgische Plattform 10 wird dann auf dem Bogen 12 arretiert.
  • Die 2 und 3 zeigen Teile der chirurgischen Plattform 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt Teile der chirurgischen Plattform aus einer Draufsicht, und 3 zeigt Schnitte der chirurgischen Plattform aus einer Seitenansicht. Das Bezugszeichen A stellt eine ringförmige Metallhalterung dar, das Bezugszeichen B stellt eine bewegliche Metallplatte dar, das Bezugszeichen C stellt ein Kugelgelenk (oder einen Schwenkpunkt) dar, und die Bezugszeichen D und E stellen Einstellschrauben dar. Sobald die chirurgische Plattform (oder der Biopsiewagen) 10 auf dem Führungsarmbogen 12 arretiert ist, wird die bewegliche Platte B innerhalb der ringförmigen Metallhalterung A in Bezug zu einem Zielpunkt auf dem Kopf 14 des Patienten justiert, bis sich die Mitte des Kugelgelenks C auf einem Punkt einer zuvor definierten Bahnlinie befindet. Die Einstellschraube D wird dann benutzt, um die bewegliche Metallplatte B in Bezug zur ringförmigen Metallhalterung A zu arretieren. Das Kugelgelenk C kann dann gedreht werden, um eine Hülse für eine chirurgische Vorrichtung entlang einer bestimmten Bahnlinie einzustellen und auf sie zuzugreifen. Sobald das Kugelgelenk (der Schwenkpunkt C) auf diese Weise justiert worden ist, wird die Einstellschraube E benutzt, um das Kugelgelenk C in seiner Lage zu arretieren.
  • 4 zeigt ein Verfahren, um die Biopsieplattform 22 und eine Biopsiehülse 24, die sich durch ein Kugelgelenk 26 in der Biopsieplattform 22 erstreckt, in Bezug zu einer Bahn 28 zu justieren. Die Bahn 28 ist zum Beispiel eine Bahnlinie in einem präoperativen Bild, die sich durch einen Eintrittspunkt und einen Zielpunkt des Kopfs des Patienten erstreckt. Die Biopsieplattform 22 wird zusammen mit der Biopsiehülse 24 und dem Kugelgelenk 26 in einer zweidimensionalen Weise verschoben, so dass sich das Kugelgelenk 26 durch einen beliebigen Punkt entlang der Bahnlinie 28 erstreckt. Der Punkt entlang der Bahn ist ein Punkt, der sich außerhalb des Kopfs des Patienten befindet, sich jedoch irgendwo entlang der Bahnlinie 28 befindet. Sobald der Mittelpunkt des Kugelgelenks 26 zur Bahnlinie 28 bewegt worden ist, wird die Biopsieplattform (zum Beispiel die Metallplatte B aus den 2 und 3) in ihrer Lage arretiert. Sobald die anfängliche zweidimensionale Verschiebung der Biopsieplattform ausgeführt worden ist, um den Mittelpunkt des Kugelgelenks 26 zu einem Punkt auf einer Bahnlinie 28 zu verlagern, wird eine zusätzliche Drehung des Kugelgelenks 26 vorgenommen, um einen Zugang der Biopsiehülse 24 zu verlagern, um der Bahnlinie 28 zu folgen.
  • Wie in 4 dargestellt, gestattet die vorliegende Erfindung eine Entkopplung von verschiedenen Einstellungen, um die chirurgische Hülse mit einer Bahnlinie entlang eines Ziel- und Eintrittspunkts eines Patienten auszurichten. Die vorliegende Erfindung erkennt, dass ein Chirurg nicht den Schwenkpunkt an einem Eintrittspunkt auf dem Patienten ausrichten braucht. Der Chirurg braucht nur die Bahnlinie finden und dann die chirurgische Hülse drehen, bis die Hülse mit einer Bahnlinie auf einem Bild im Operationssaal ausgerichtet ist. Um für eine Rückkopplung mit den Bilddaten zu sorgen, so dass der Chirurg sehen kann, ob die chirurgische Hülse mit der Bahnlinie innerhalb des Bildes ausgerichtet ist, kann die chirurgische Hülse mit lichtemittierenden Dioden (LEDs) versehen sein, um zum Beispiel unter Verwendung der Navigationssoftware AcustarTM die Lage im Operationssaal zu verfolgen. Das in der Metallplatte vorgesehene Universal-Kugelgelenk wird als Bezugspunkt verwendet. Sobald die Biopsiehülse in der Position der Bahnlinie ausgerichtet worden ist, kann die Biopsiehülse arretiert werden, und ein Befestigen und Lösen von chirurgischen Instrumenten kann durch das Kugelgelenk vorgesehen werden, während der Kugelgelenk-Schwenkpunkt in einer eingestellten Position verbleibt. Da die Navigationssoftware des Systems die Position des Ziel- und des Eintrittspunkts auf dem Kopf des Patienten und die Bezugspunktposition des Kugelgelenks kennt, kann der Abstand vom Kugelgelenk (oder der Metallplatte) zum Ziel berechnet werden. Wenn somit eine Biopsiesonde oder ein anderes chirurgisches Instrument durch das Kugelgelenk ausgefahren wird, kann das chirurgische Instrument so kalibriert werden, dass der Chirurg das chirurgische Instrument durch das Kugelgelenk direkt zum Ziel ausfahren kann, so dass sich die Spitze des chirurgischen Instruments direkt im Ziel befindet, ohne sich über das Ziel hinaus zu bewegen.
  • Die vorliegende Erfindung gestattet es einem Chirurgen, sich zum Beispiel mit präoperativen Bildern hinzusetzen und einen Zielpunkt, einen Eintrittspunkt und eine Bahn vorauszuplanen, die bei der Operation realisiert werden sollen. Die vorliegende Erfindung gestattet es dem Chirurgen dann, bei der Operation den Ziel- und Eintrittspunkt und die Bahn entlang des Zielpunkts und des Eintrittspunkts zu finden, ohne jegliche Messungen aus den Bildern oder irgendeine andere Art von Berechnungen durchzuführen.
  • Die vorliegende Erfindung gestattet es zudem, dass während einer Operation parallele Bahnen verwendet werden. Dies kann realisiert werden, indem man eine bestimmte Bahn findet, wie oben definiert. Dann kann die chirurgische Plattform (oder der Biopsiewagen) entriegelt und verschoben und auf einem neuen Punkt arretiert werden, um ohne jegliche Messung oder andere Art von Berechnung für eine vollkommen parallele Bahnlinie zu sorgen.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine Biopsie beschrieben worden ist, kann die vorliegende Erfindung zudem unter Verwendung einer beliebigen Art von anderem chirurgischem Instrument realisiert werden, einschließlich des Hindurchführens von Kathetern oder von anderer funktionaler Neurochirurgie (zum Beispiel eines Führungsendoskops).
  • 5 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Kopfklammer 32, einen Befestigungsarm 34, einen Führungsarmbogen 36 und eine chirurgische Plattform 38 einschließt, die sämtlich um den Kopf 40 des Patienten herum angeordnet sind. Wie in 5 dargestellt, wird die Kopfklammer 32 benutzt, um den Kopf 4 des Patienten in Bezug zur chirurgischen Operation zu positionieren. Zum Beispiel kann die Kopfklammer 32 an einem Operationstisch befestigt werden. Der Führungsarm 36 kann in Bezug zur Befestigung 34 in einer auf und ab gerichteten oder gekrümmten Weise verstellt werden, wie durch die Pfeile in 5 dargestellt. Zusätzlich verschiebt sich die chirurgische Plattform 38 entlang des Führungsarmbogens 36 und hält ein chirurgisches Instrument oder eine chirurgische Hülse 44. 6 zeigt eine Anordnung ähnlich wie 5 und zeigt zusätzlich ein anderes Befestigungsverfahren zwischen dem Befestigungsarm 34 und dem Führungsarmbogen 36, sowie eine zusätzliche mögliche Bewegung der chirurgischen Plattform 38.
  • 7 zeigt eine Verbindung eines Befestigungsarms 34 mit einem geführten Arm 36 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Weitere Einzelheiten des Teils der 7 innerhalb der punktierten Kreislinie aus 7 sind in 8 dargestellt.
  • 9 zeigt eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von einer Verbindung zwischen der Befestigungsstange 34 und dem Führungsarm 36 unter einem anderen Winkel. 10 zeigt eine weitere Kombination zwischen der Befestigungsstange 34 und dem Führungsarmbogen 36 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 zeigt eine weitere mögliche Bewegung zwischen dem Befestigungsarm 34 und dem Führungsarm 35 für eine anfängliche ungenaue (grobe) Bewegung des Führungsarms 36 in Bezug zum Kopf des Patienten.
  • 11 zeigt weitere Einzelheiten einer Verbindung zwischen dem Befestigungsarm 34 und dem Führungsarm 36 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 12 zeigt eine Anordnung einer chirurgischen Plattform 10 in Bezug zu einer chirurgischen Nadelführungs- und Sondenanordnung 54 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 13 zeigt einen Teil der chirurgischen Plattform 10, der sich gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang des Führungsarms 12 verschiebt.
  • 14 zeigt einen Teil der Unterseite der chirurgischen Plattform, der sich über Rollen 64 entlang des Führungsarms verschiebt.
  • 15 zeigt eine Biopsienadelführungsanordnung, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann. Weitere Einzelheiten der chirurgischen Nadelführungsanordnung aus 15 innerhalb der punktierten Linie derselben sind in 16 dargestellt.
  • In ähnlicher Weise zeigt 17 eine Nadelführung, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann. Weitere Einzelheiten der Nadelführung aus 17 innerhalb der punktierten Linie derselben sind in 18 dargestellt.
  • Die ILD (intraoperative Lokalisierungsvorrichtung), welche die Position des Schwenkpunkts und die Ausrichtung der hindurchragenden chirurgischen Hülse verfolgt, wird benutzt, um basierend auf der Position des Schwenkpunkts und der Position des gewünschten Ziel-, Eintrittspunkts und der gewünschten Bahnlinie ein Bild anzuzeigen. Die Lokalisierungssoftware wird diese Punkte und Linien auf verschiedene Bildscheiben projizieren. Wenn der Chirurg die verschiedenen chirurgischen Plattformen, die Metallplatte, das Kugelgelenk und die chirurgische Hülse bewegt, werden die Ausrichtung der Bahnlinie in Bezug zur Position des Kugelgelenks und die Ausrichtung der chirurgischen Hülse auf einem Bildschirm angezeigt. Als erstes zeigt die Lokalisierungssoftware den Schwenkpunkt in Bezug zur Bahnlinie und liefert einen Hinweis, der dem Chirurgen den Abstand zwischen den nächstliegenden Punkt auf der Bahnlinie, zum Beispiel in Bezug zum Schwenkpunkt angibt. Sobald der Schwenkpunkt auf einer Position entlang der Bahnlinie arretiert ist, projiziert die Navigationssoftware dann die Relativposition der Achse der chirurgischen Hülse in Bezug zur Bahnlinie.

Claims (12)

  1. Bildgeführtes chirurgisches System, umfassend: einen Führungsarm (12, 36); eine chirurgische Plattform (10, 22), die entlang des Führungsarms (12, 36) verschiebbar ist, eine bewegliche Metallplatte (B), die mit der chirurgischen Plattform (10, 22) verbunden ist, ein Kugelgelenk (26), das in der Mitte der Metallplatte (B) angeordnet ist; eine chirurgische Hülse (24), die durch einen Mittelpunkt des Kugelgelenks (26) hindurch verläuft; eine Lokalisierungsvorrichtung, wobei die Lokalisierungsvorrichtung auf der chirurgischen Hülse (24) enthalten ist; einen Rechner, wobei der Rechner Navigationssoftware aufweist, und einen Bildschirm, der mit dem Rechner verbunden ist, wobei der Bildschirm die körperliche Raumposition der Lokalisierungsvorrichtung im bildbasierten Koordinatensystem anzeigt.
  2. Bildgeführtes chirurgisches System nach Anspruch 1, bei dem die chirurgische Hülse (24) eine Biopsiehülse ist.
  3. Bildgeführtes chirurgisches System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Führungsarm (12) bogenförmig ist.
  4. Bildgeführtes chirurgisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Führungsarm (12) zur Befestigung an einem Operationstisch angepasst ist, wenn er mit einem Patienten verwendet wird.
  5. Bildgeführtes chirurgisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem es weiter eine mit dem Führungsarm (36) verbundene Kopfklammer (32) umfasst, wobei die Kopfklammer (32) mit dem Führungsarm (36) durch ein Verbindungsgelenk verbunden ist, wobei es das Verbindungsgelenk gestattet, den Führungsarm auf mindestens zwei Weisen zu verstellen, wodurch für eine Dreh- und Translationsbewegung des Führungsarms (36) in Bezug zum Kopf (40) eines Patienten gesorgt wird, wobei die Verstellung durch Bereitstellung eines Schaftes erreicht wird, auf dem der Führungsarm beweglich ist, sowie von Arretiereinrichtungen, um selektiv eine Radialdrehstellung und eine Axialverschiebestellung des Führungsarms auf diesem Schaft einzustellen.
  6. Bildgeführtes chirurgisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem es weiter eine mit dem Führungsarm (36) verbundene Kopfklammer (32) umfasst, wobei die Kopfklammer (32) mit dem Führungsarm (36) durch ein Verbindungsgelenk verbunden ist, wobei es das Verbindungsgelenk gestattet, den Führungsarm auf mindestens zwei Weisen zu verstellen, wodurch für eine Dreh- und Translationsbewegung des Führungsarms (36) in Bezug zum Kopf (40) eines Patienten gesorgt wird, wobei die Verstellung durch Bereitstellung eines schwenkbaren Führungselements erreicht wird, auf dem der Führungsarm verstellbar beweglich ist, um selektiv eine Radialdrehstellung und eine Axialverschiebestellung des Führungsarms auf diesem schwenkbaren Führungselement einzustellen.
  7. Bildgeführtes chirurgisches System nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem die Lokalisierungsvorrichtung Infrarotlicht emittierende Dioden einschließt.
  8. Bildgeführtes chirurgisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Lokalisierungsvorrichtung eine elektromagnetische Emittiervorrichtung einschließt.
  9. Bildgeführtes chirurgisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Lokalisierungsvorrichtung eine Ultraschall-Emittiervorrichtung einschließt.
  10. Bildgeführtes chirurgisches System nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem das bildbasierte Koordinatensystem aus einem präoperativen Bildvolumen eines Patienten abgeleitet ist.
  11. Bildgeführtes chirurgisches System nach Anspruch 10, bei dem das präoperative Bildvolumen des Patienten ein Magnetresonanzbild ist.
  12. Bildgeführtes chirurgisches System nach Anspruch 10, bei dem das präoperative Bildvolumen des Patienten eine Computertomographie-Abtastung ist.
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