DE69818828T2

DE69818828T2 - System zum verrichten von chirurgie,biopsie oder ablation eines tumors oder einer anderen physischen anomalie

Info

Publication number: DE69818828T2
Application number: DE69818828T
Authority: DE
Inventors: Ivan Vesely
Original assignee: Sonometrics Corp
Current assignee: Sonometrics Corp
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: WO1998040026A1; ES2256598T3; EP0998238A1; DE69818828D1; ATE309757T1; EP1306060B1; US5868673A; EP0998238B1; JP3415164B2; DE69832425T2; AU7072898A; DE69832425D1; JP2000512189A; EP1306060A1; ATE251424T1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein System für das Durchführen eines chirurgischen Verfahrens an einer organischen Struktur (zum Beispiel Brust, Leber, Bauchspeicheldrüse, Niere, Uterus oder einem anderen festen Organ) und insbesondere ein System für die Verfolgung eines Instruments innerhalb einer organischen Struktur, für die Markierung des Ortes eines Tumors und das Durchführen einer Biopsie oder das Zerstören des Tumors.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Brustbiopsien werden gegenwärtig unter Verwendung einer Einrichtung durchgeführt, die als Kernbiopsiesystem (Core Biopsy System) bekannt ist. Das Kernbiopsiesystem nimmt zuerst ein Stereomammogramm von der Brust eines Patienten auf, während die Brust dadurch immobilisiert wird, daß sie zwischen zwei Platten gedrückt wird, und verwendet diese beiden Bilder um die 3D-Koordinaten des verdächtigen Tumors zu berechnen. Eine Nadel wird dann in die Brust geschossen und es wird eine Biopsie des verdächtigen Tumors durchgeführt. Wenn die Biopsie positiv ist, dann wird der Patient für eine chirurgische Tumorentfernung eingeplant. Es sollte erwähnt werden, daß bevor mit dem Biopsieverfahren begonnen wird, der Tumor von den Radiologen manuell identifiziert werden muß.
Das chirurgische Verfahren wird im allgemeinen in der folgenden Art und Weise durchgeführt. Ein Patient wird einer Mehrfachebenen-Mammographie ausgesetzt, ein Radiologe untersucht den Film und führt dann einen Draht in die Brust ein, so daß er den Tumor punktiert. Dieses Verfahren wird visualisiert unter Verwendung von wiederholter Röntgenstrahlabbildung. Kürzlich wurde das stereotaktische Brustabbildungssystem verwendet, um den Tumor genauer zu lokalisieren und die Einführung des Drahtes zu unterstützen. Der Patient wird dann in den Operationssaal geschickt und die Brust wird für den chirurgischen Eingriff vorbereitet durch die Zugabe eines lokalen Sterilisierungsmittels. Der Chirurg schneidet dann die Brust auf und folgt dem Draht, bis die krankhafte Veränderung gefunden und entfernt ist.
Einer der unerwünschten Faktoren der vorhergehenden Prozedur ist die Präsens eines langen Drahtes durch die Brust für viele Stunden während der Zeit, in der auf die chirurgische Operation gewartet wird. Dies ist für den Patienten in hohem Grad traumatisch und unerwünscht. Als zweites muß der Chirurg während des chirurgischen Eingriffs dem Draht in die Brust folgen. Da dies nicht die optimale Schnittführung sein muß, würde der Chirurg Idealerweise wünschen, den Eintrittspfad unabhängig von dem Draht zu planen oder den Draht völlig zu entfernen. Dies kann nur dann durchgeführt werden, wenn der Ort der Läsion innerhalb der Brust identifiziert werden kann unter Verwendung eines Systems, das die inhärente Deformierbarkeit des Brustgewebes in Betracht zieht.
Es sollte verstanden werden, daß das Problem, das mit der Deformierbarkeit des Brustgewebes verknüpft ist, in gleicher Weise auf andere leicht deformierbare organische Strukturen, wie zum Beispiel die Leber, zutrifft.
Ein anderer Ansatz der stereotaktischen Chirurgie wird in der europäischen Patentanmeldung EP 0 728 446 A1 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Stereotaxie-System und ein Verfahren mit besonderer Anwendung für die Brustchirurgie. Der Patient wird mit Magnetresonanz oder einer anderen Abbildungseinrichtung untersucht, um eine 3D-Bilddarstellung für die Anzeige auf einem Monitor zu erzeugen. Unter Verwendung von bei Magnetresonanz sichtbaren Markern, die an das Exoskeleton Material neben dem weichen Gewebe befestigt werden, einem Stab mit einem Sender und Empfänger und einem Koordinatensystembeziehungsprozessor wird die Beziehung zwischen einem Koordinatensystem des Patienten und einem Koordinatensystem des auf einem Monitor angezeigten Bildes bestimmt. Eine Trajektorie für eine Biopsie, Resektion oder dergleichen wird unter Verwendung einer Stereotaxieführung geplant, die an einer Patiententragestruktur fixiert ist. Sender auf der Führung werden aktiviert, um eine entsprechende, von Menschen lesbare Trajektorienanzeige durch das auf dem Monitor angezeigte Bild zu erzeugen. Eine geeignete Trajektorie und Tiefe wird aus der von Menschen lesbaren Trajektorienanzeige ausgewählt und ein medizinisches Instrument wird entlang der Führung eingesetzt, um die medizinische Prozedur (Eingriff) durchzuführen.
Das gegenwärtige Problem, das die Verwendung von stereotaktischer Brustchirurgie begrenzt, ist der große Unterschied zwischen der Position und der Form der Brust während der Mammographie und dem chirurgischen Eingriff. In dieser Hinsicht sind Bilder, die während der Mammographie erhalten wurden, nicht verwendbar für die stereotaktische Positionierung während des chirurgischen Verfahrens. Obwohl die stereotaktische Chirurgie mit den komprimierten Brüsten durchgeführt werden kann, während der Patient auf dem stereotaktischen Tisch liegt, ist dies nicht wünschenswert. Der ideale Weg, um diesen chirurgischen Eingriff durchzuführen, ist es, wenn die Patientin auf ihrem Rücken liegt, wie routinemäßig durchgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung überwindet diese und andere Nachteile der Systeme des Standes der Technik und stellt ein System mit einer signifikant verbesserten Genauigkeit zur Verfügung und stellt einen größeren Komfort für den Patienten zur Verfügung.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System für das Durchführen eines stereotaktischen chirurgischen Eingriffs mit verbesserter Genauigkeit und verbessertem Komfort zur Verfügung gestellt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für das Durchführen eines chirurgischen Eingriffs an einer organischen Struktur in einer minimal invasiven Art und Weise zur Verfügung zu stellen.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für das Bereitstellen eines chirurgischen Verfahrens an einer organischen Struktur zur Verfügung zu stellen, die inhärent deformierbarist.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für das Durchführen eines chirurgischen Eingriffs bereitzustellen, bei dem es eine erhöhte Genauigkeit bei der Lokalisierung eines Tumors gibt, was einen präziseren chirurgischen Eingriff ermöglicht.
Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für das Durchführen eines chirurgischen Eingriffs bereitzustellen, bei dem ein konstantes 3D-Referenzeinzelbild errichtet wird.
Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für das Durchführen eines chirurgischen Eingriffs bereitzustellen, bei dem die Deformierung des Subjekts aus organischer Struktur ein 3D-Einzelbild der Referenz nicht verändert.
Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für das Durchführen einer Brustoperation bereitzustellen, bei der es eine stark reduzierte Gefahr für die Verunstaltung oder die Veränderung der Form der Brust gibt.
Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für das Durchführen einer Leberoperation oder einer Operation an einem anderen inneren Organ bereitzustellen, bei dem es eine genauere Lokalisierung eines Tumors gibt.
Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für das Durchführen einer Leberoperation oder einer Operation eines anderen Organs bereitzustellen, in der die Notwendigkeit für eine genauere Lokalisierung eines chirurgischen Instruments besteht.
Folglich ist die vorliegende Erfindung auf ein System für das Ausführen einer Operation an einem Tumor in einer organischen Struktur für die Zwecke einer Biopsie oder Ablation gerichtet, das eine Mehrzahl von Referenztransducereinrichtungen aufweist, die an festen Positionen an der organischen Struktur lokalisiert sind, um ein Referenzeinzelbild zur Verfügung zu stellen, eine Einrichtung für das Erhalten eines Vorlagenbildes einer organischen Struktur, eine Registriereinrichtung für das Erfassen des Referenzeinzelbildes mit dem Vorlagenbild, um eine dreidimensionale Szene zu erhalten, eine Anzeigeeinrichtung für das Anzeigen der dreidimensionalen Szene der organischen Struktur, eine Ortungstransducereinrichtung für das Anordnen am Ort eines Tumors, eine erste Instrumentierungseinrichtung für das Fixieren des Orts einer Ortungstransducereinrichtung an dem Ort eines Tumors, um den Ort des Tumors zu identifizieren, und eine zweite Instrumentierungseinrichtung für das Durchführen einer Operationsprozedur an dem Tumor, wobei die zweite Instrumentierungseinrichtung eine Transducereinrichtung für das Anzeigen der Position der zweiten Instrumentierungseinrichtung relativ zu dem Referenzeinzelbild und dem Ort in der Ortungstransducereinrichtung hat.
Noch andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann deutlich mit Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung, der begleitenden Zeichnungen und der angefügten Ansprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann ihre physische Form in bestimmten Teilen und Anordnungen von Teilen einnehmen, von denen eine bevorzugte Ausführungsform und ein Verfahren in dieser Beschreibung im Detail beschrieben wird und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt wird, die einen Teil hiervor bilden, und in denen:
1 ein dreidimensionales Verfolgungs- und Abbildungssystem nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 zeigt eine Brust mit einem Referenztransducer, der in dieser angeordnet ist, während die Brust unter Druck steht,
3 zeigt eine Transduceranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4A und 4B zeigen das Fortschreiten einer Sonde durch eine Brust, die gegenüber den ursprünglichen Stereo-Mammogrammen gezeigt ist,
5A zeigt Referenztransducer und einen „Heimortungs"-Transducer, der an einer Brust lokalisiert ist,
5B zeigt die Szene von 5A, wie sie in 3D auf einer Anzeigeeinheit gezeigt wird,
6A zeigt eine Sonde mit einem Transducer, der mit der in 4A gezeigten Brust in Kontakt steht,
6B zeigt die Szene von 6A, wie sie in 3D auf einer Anzeigeeinheit gezeigt wird,
7 zeigt eine Leber mit einer Mehrzahl von Referenztransducern, die in Übereinstimmung mit einem Vergleichsbeispiel an dieser angelegt sind,
8 zeigt ein Verfahren für das Erzeugen einer 3D-Szene einschließlich eines 2D-Ultraschallbildes der in 7 gezeigten Leber.
9 zeigt das Einsetzen eines lokalisierbaren Rohres in die in 7 gezeigte Leber und
10 zeigt das Einfügen einer Kryosonde in das in 9 gezeigte lokalisierbare Rohr.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugen Ausführungsform
Es ist bekannt, daß es bei Verwendung des Flugzeitprinzips der Hochfrequenzschallwellen möglich ist, Abstände innerhalb eines flüssigen Mediums, wie zum Beispiel innerhalb eines Körpers eines lebenden Individuums während eines operativen Eingriffs, zu messen. Hochfrequenzschall oder Ultraschall wird als die Schwingungsenergie definiert, die in der Frequenz von 100 KHz bis 10 MHz reicht. Die verwendeten Einrichtungen, um dreidimensionale Messungen unter Verwendung von Schallwellen zu erhalten, sind als Sonomikrometer bekannt. Typischerweise besteht ein Sonomikrometer aus einem Paar von piezoelektrischen Transducern (d. h. ein Transducer fungiert als ein Transmitter, während der andere Transducer als ein Receiver fungiert). Die Transducer werden in ein Medium implantiert und mit einem elektronischen Schaltkreis verbunden. Um den Abstand zwischen den Transducern zu messen, wird der Transmitter elektrisch angeregt, um Ultraschall zu er zeugen. Die resultierende Schallwelle breitet sich dann durch das Medium aus, bis sie von dem Receiver erfaßt wird.
Der Transmitter nimmt typischerweise die Form eines piezoelektrischen Kristalls an, de durch eine Hochspannungsspitze oder eine Impulsfunktion erregt wird, die weniger als eine Mikrosekunde andauert. Dies führt dazu, daß der piezoelektrische Kristall bei seiner eigenen charakteristischen Resonanzfrequenz oszilliert. Die Einhüllende des Transmittersignals fällt mit der Zeit schnell ab, was üblicherweise einen Zug von sechs oder mehr Zyklen erzeugt, die sich von dem Transmitter durch das flüssige Medium ausbreiten. Die Schallenergie wird ebenso mit jeder Grenzfläche, auf die sie trifft, abgeschwächt.
Der Receiver nimmt ebenso typischerweise die Form eines piezoelektrischen Kristalls an (mit ähnlichen Merkmalen wie der piezoelektrische Transmitter-Kristall), der die Schallenergie erfaßt, die von dem Transmitter erzeugt wurde und beginnt in Antwort hierauf zu vibrieren. Diese Vibration bzw. Schwingung erzeugt ein elektronisches Signal in der Größenordnung von Millivolt, das durch einen geeigneten Empfängerschaltkreis verstärkt werden kann.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall in flüssigem Medium ist gut dokumentiert. Die Distanz, die von einem Ultraschallpuls durchlaufen wird, kann daher einfach durch Aufzeichnen der Zeitverzögerung zwischen dem Moment, bei dem der Schall transmittiert wird und dem, wenn er empfangen wird, gemessen werden. Dreidimensionale Koordinaten können aus der Abstandsmessung bestimmt werden.
Wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei das Gezeigte für die Zwecke der Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nur gedacht ist und nicht für die Zwecke der Beschränkung der Erfindung, zeigt 1 ein dreidimensionales (3D) Verfolgungs- und Abbildungssystem 1000 für die Verwendung in Verbindung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung. Das 3D-Verfolgungs- und Abbildungssystem 1000 besteht im allgemeinen aus einem Computersystem 1010, mobilen Transducern 1032, Referenztransducern 1034, einem Instrument 1030 und einem optionalen Robotersubsystem 1040.
Das Computersystem 1010 besteht im allgemeinen aus einem 3D-Verfolgungssystem 1012, einem Abbildungsmodalitätssystem 1014, einem Bildregistrierungssystem 1016, einem Verzerr- und Geometrietransformationssystem 1018 („warp system"), einer Benutzerschnittstelle 1020 und einer Anzeige 1022. Es sollte erkannt werden, daß das 3D-Verfolgungssystem 1012 die Form eine schallbasierten Systems oder eines elektromagnetisch basierten Systems einnehmen kann. Es können sowohl die Flugzeit als auch die Phasenbeziehungen verwendet werden, um den Abstand zu bestimmen. Vorzugsweise nimmt das 3D-Verfolgungssystem 1012 die Form eines 3D-Ultraschall-Verfolgungssystems ein, das im US-Patent Nr. 5,515,853 und der PCT-Anmeldung Nr. WO 96/91753 beschrieben wird, die beide hierdurch Bezugnahme aufgenommen werden.
Das Instrument 1030 kann die Form eines Katheters, einer Sonde (zum Beispiel einer Kryosonde), eines Sensors, einer Nadel, eines Skalpells, einer Zange oder einer anderen Einrichtung oder Instruments einnehmen, das in einem chirurgischen oder diagnostischen Verfahren verwendet wird. Die mobilen Transducer 1032 und die Referenztransducer 1034 können die Form eines Ultra schall-Transducers oder eines elektronischen Transducers annehmen. Aus Zwecken der Illustration einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden jedoch die Transducer 1032 und 1034 die Form von Ultraschall-Transducern (d. h. piezoelektrischen Kristallen) annehmen.
Eine Mehrzahl von mobilen Transducern 1032 werden an dem Instrument 1030 befestigt. Ein oder mehrere Referenztransducer 1034 stellen eine Referenzposition relativ zu den mobilen Transducern 1032 zur Verfügung. In dieser Hinsicht können die Referenztransducer 1034 lokalisiert sein, um ein internes Referenzeinzelbild innerhalb eines Körpers eines Patienten oder auf der Oberfläche eines Patientenkörpers bereitzustellen, um ein äußeres Referenzeinzelbild bereitzustellen.
Wie oben angezeigt wurde, können die Referenztransducer 1034 Transmitter, Transceiver oder Receiver sein, die Ultraschall oder elektromagnetische Strahlung erzeugen können, die von den mobilen Transducern 1032 erfaßt werden kann.
Das 3D-Verfolgungssystem 1012 transformiert die mehreren Distanzmessungen zwischen all den Transducern 1032, 1034 in X-Y-Z-Koordinaten in Bezug auf eine Referenzachse, wie oben im Detail beschrieben. Es sollte verstanden werden, daß das Referenzeinzelbild, das von den Referenztransducern 1034 bereitgestellt sind, selbstbestimmend sein muß, d. h. wenn das Referenzeinzelbild verzerrt wird, darf diese Verzerrung nicht durch die Referenztransducer 1034 erfaßt werden. Die Erfassung wird typischerweise durch Verwendung von Transceivern durchgeführt, die den Abstand zwischen irgendeiner Kombination von zwei Transducern bestimmen können und somit ihre relativen Ortskoordinaten im 3D-Raum. In dieser Hinsicht wird die Position der Transducer in 3D aus den aufgenommenen Bildern der organischen Struktur (zum Beispiel Gewebe oder Organ) erhalten, die „Punkte" zeigen, wo die Transducer lokalisiert sind, und ebenso von den Transducern selbst, wenn sie in der organischen Struktur sind. Falls es eine Diskrepanz zwischen den Abständen zwischen allen Kombinationen von Transducern gibt, dann muß die organische Struktur verzerrt (d. h. „warped") worden sein, nachdem die Bilder aufgenommen wurden. Eine mathematische Koordinatentransformation kann verwendet werden, um exakt zu bestimmen, wie die Bildeinstellung zu korrigieren ist und wie der Verzerrung Rechnung zu tragen ist. Der Abstand zwischen irgendeiner Kombination von zwei Transducern wird dadurch bestimmt, daß jeder Transducer ein Signal zu allen anderen Transducern sendet. Auf diesem Weg sind alle Abstände zwischen den Transducern bekannt. Von diesen Abständen können X-Y-Z-Koordinaten in Bezug auf einen Transducer als Ursprung bestimmt werden.
Das Abbildungsmodalitätssystem 1014 nimmt 2D-, 3D- oder 4D-Bilddatensätze von einer Bildquelle, wie zum Beispiel einem Fluoroskop, einem MRI (Magnetresonanzabbildung), CT (Computertomographie) oder 2D oder 3D-Ultraschalleinrichtungen, auf, um ein „template" bzw. eine Vorlage bereitzustellen, durch die oder gegen die die Form, die Position und die Bewegung des Instruments 1030, das verfolgt wird, angezeigt werden kann. Die Vorlage nimmt typischerweise die Form eines Bildes der Umgebung ein, die das Instrument umgibt (zum Beispiel eine organische Struktur). Es sollte erwähnt werden, daß wenn mehrere (3D) Volumen zu unterschiedlichen Zeitintervallen aufgenommen werden, ein 4D-Bild erhalten wird (d. h. eine 3D-Abbildung, die sich während der Zeit ändert).
Das Bildregistrierungssystem 1016 registriert die Position des Instruments 1030 innerhalb der Ortskoordinaten des Bilddatensatzes, der von dem Abbildungsmodalitätssystem 1014 bereitgestellt wird. Die Position des Instruments 1030 wird von dem 3D-Verfolgungssystem 1012 bereitgestellt. Das Bildregistrierungssystem 1016 wird eine Anzeige des Instruments 1030 an seinem genauem 3D-Ort innerhalb der organischen Struktur und seiner Orientierung in Bezug auf die organische Struktur selbst bereitstellen. Es sollte klar werden, daß das Registrierungssystem 1060 benutzerunterstützt oder automatisiert sein kann, wenn Bildverarbeitungsalgorithmen implementiert sind, um die örtlichen Positionen der Transducer (typischerweise der Referenztransducer) in dem Bilddatensatz zu erfassen.
Das Verzerrung- bzw. Warpsystem 1018 ist ein softwarebasiertes System, das die Bilddatensätze mit den geeigneten Werten transformiert oder „warped", um einer Deformation zu entsprechen, die in dem Referenzeinzelbild zwischen der Zeit, bei der der Bilddatensatz aufgenommen wurde, und der Zeit, in der die Prozedur während des chirurgischen Eingriffs implementiert wird, entspricht. Folglich weist das Warpsystem 1019 typischerweise eine Matrixtransformationsroutine auf, die die deformierte Geometrie auf dem ursprünglichen Bilddatensatz abbildet und ihn geeignet verzerrt.
Die Benutzerschnittstelle 1020 erlaubt es einem Benutzer, mit dem Computersystem 1010 in Wechselwirkung zu treten, einschließlich dem Programmierungscomputersystem 1010, um eine gewünschte Funktion durchzuführen. Beispielsweise kann eine bestimmte Ansicht für die Anzeige ausgewählt werden. Die Instrumente 1030 (zum Beispiel Sonden oder Katheter) können unter Verwendung der Benutzerschnittstelle 1020 aktiviert werden. Die Anzeige 1022 zeigt dem Benutzer registrierte Bilder an, die von dem Bildregistrierungssystem 1016 bereitgestellt werden.
Das optionale Robotersystem 1040 weist im allgemeinen ein Robotersteuersystem 1042 und ein Robotermanipulationssystem 1044 auf. Das Robotersteuersystem 1042 steuert das Robotermanipulationssystem 1044, so daß es einem programmierten Pfad folgt, der geeignet verändert werden kann, basierend auf der Verschiebung, der Verzerrung oder der Veränderung in der Form einer organischen Struktur zur Zeit des chirurgischen Eingriffs. Das Robotermanipulationssystem 1044 bewegt das Instrument 1033 physikalisch, wie von dem Robotersteuersystem 1042 befohlen.
Das oben beschriebene 3D-Verfolgungs- und Abbildungssystem 1000 kann verwendet werden, um sowohl die stereotaktische Lokalisierung während der Biopsie und des chirurgischen Eingriffs, die interaktiver ist als bei existierenden Stereotaxietischsystemen als auch das Verfolgen eines Tumors, so daß er im folgenden während des konventionellen chirurgischen Eingriffs lokalisiert werden kann, bereitzustellen. Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung, die unter Bezug auf die Biopsie und Ablation eines Tumors beschrieben wurde, ebenso für die Verwendung in Verbindung mit anderen physischen Anomalien geeignet ist.
Die Verfolgung bzw. das Anheften eines Tumors, der in einer Brust lokalisiert ist, wird nun in Bezug auf 2 beschrieben. Eine Mehrzahl von äußeren Referenztransducern 20 werden auf der Oberfläche der Brust 10 befestigt. Die Referenztransducer 20 stellen ein stereotaktisches äußeres Referenzeinzelbild für die interaktive 3D-Anzeige der Bewegung der Probe 40 während des Einset zens des internen Transducers 30 bereit, wie unten beschrieben wird. Dem Tumor 12 wird gefolgt durch Einfügen eines internen Ultraschalltransducers 30 in den Tumor 12 während der konventionellen Mammographie, bei der die Brust 10 durch die Verwendung von Druckplatten 8 unter Druck gehalten wird. Der Transducer 30 nimmt den Platz der Lokalisierungsnadel ein, die gegenwärtig in den Tumor entsprechend den Verfahren des Standes der Technik eingesetzt wird.
Referenztransducer 20 können die Form von einzelnen Stick-on-Elementen oder Teil eines Klebestreifens annehmen. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Anordnung für die Befestigung eines Referenztransducers 20 unter Verwendung eine Klebemittels. Der Referenztransducer 20 wird von einer Klebestelle 24 gehalten. Ein Anpassungsgel 26 wird an der Klebestelle 24 angebracht und der Referenztransducer 20 hierin angeordnet. Das Gel 26 stellt eine akustische Kopplung bereit. Elektrische Leitungen 22 der Referenztransducer 20 treten aus einer Öffnung in der Klebestelle 24 aus.
Es versteht sich, daß Referenztransducer 20 auf den beiden Mammogrammen, die für zwei leicht unterschiedliche Winkel erhalten werden, erscheinen und verwendet werden können, um Bezugsmarkierungen für die stereographische Bestimmung von 3D-Koordinaten des Tumors 12 relativ zu diesen Markierungen zu erzeugen. Darüber hinaus kann ebenso die Bewegung der Sonde 40 gegenüber diesen biplanaren Mammogrammen unter Verwendung des Transducers 30 in Bezug gesetzt werden. Folglich kann ein Benutzer die Bewegung der Sonde 40 sowohl in einer 3D-Ansichtsumgebung als auch gegenüber den ursprünglichen Radiogrammen während der Anordnung der Transducer 30 verfolgen, die während einer nachfolgenden Biopsie oder eines chirurgischen Eingriffs als „Heimortung" für den Tumor fungieren. Das Fortschreiten eines Instruments durch eine Brust ist gegenüber den Mammogrammen in 4A und 4B gezeigt.
Sobald der Transducer 30 in dem Tumor 12 angeordnet wurde und die Sonde 40 von der Brust 10 entfernt wurde, kann der Patient bequem umherlaufen, da elektrische Leitungen 32, die mit dem Transducer 30 verbunden sind, sehr flexibel sind und an der Haut des Patienten festgeklebt werden können. Es versteht sich, daß Transducer 30 den Ort des Tumors 12 während des nachfolgenden chirurgischen Eingriffs zuverlässig bezeichnen kann, da er in dem Tumor 12 mittels kleiner Widerhaken, die sich während des Einfügens eingesetzt werden, stecken bleibt.
Der vorhergehende Ansatz ist eine signifikante Verbesserung gegenüber der konventionellen Stereotaxie. Da eine enorme Veränderung in der Form der Brust zwischen der Mammographie und dem chirurgischen Eingriff auftritt, kann der Tumor an einem vollständig anderen Ort sein als vorher während der Mammographie aufgenommen wurde. Im Ergebnis wird jede stereotaktische Registrierung der äußeren Brustform mit den inneren Brustbildern verloren. Da der Tumor jedoch mit dem Transducer 30 verfolgt wird, kann sein Ort während den nachfolgenden Verfahren immer bestimmt werden.
Nach dem vorhergehenden Verfahren geht der Patient in den Operationsraum, die Brust wird für den chirurgischen Eingriff vorbereitet und neue Klebmittel mit darin eingebetteten Ultraschalltransducern werden an der Haut befestigt. Die Transducer 20 und 30 sind mit dem 3D-Verfolgungs- und Abbildungssystem, das oben beschrieben wurde, verbunden. Es versteht sich, daß die Transducer 20 und 30 die Verfolgung von zusätzlichen Transducern ermöglichen, die während dem nachfolgenden chirurgischen Eingriff in die Brust eingesetzt werden können.
Die 5A zeigt die Brust 10 mit einem Tumor 12, an dem der interne Transducer 30 hängt. Die Befestigung des externen Referenztransducers 20 und die Anwesenheit des inneren Transducers 30 im Tumor 12 ermöglicht die Erzeugung einer 3D-Ansichtsumgebung innerhalb derer der Tumor 12 relativ zu der Brust 10 lokalisiert werden kann (5B). Dieses Mittel der Visualisierung der örtlichen Lokalisierung des Tumors 12 relativ zu der Außenseite der Brust 10 ist wichtig bei der Planung der Tumorentfernungsoperation. Die konventionelle Technik ist die einfache Verfolgung eines vorher eingefügten Drahtes in die Brust. Dies ist nicht wünschenswert, da es nicht der kosmetisch wünschenswerteste Pfad sein muß, der einzuschlagen ist. Durch Analysieren einer 3D-Anzeige, wie sie in 5B gezeigt ist, kann ein Chirurg entscheiden, von welcher Richtung er die Einschnitte beginnen möchte.
Wenn die Einschnitte gemacht sind, kann eine zweite Sonde 50 in die Wunde gebracht werden, um zu bestimmen, ob die Trajektorie modifiziert werden sollte. 6A zeigt die Sonde 50, die die Brust 10 berührt. Es versteht sich, daß die Sonde 50 einen Transducer 52 hat, der an deren Spitze montiert ist. Folglich kann eine 3D-Anzeige, wie in 6B gezeigt ist, erzeugt werden. Sobald der Transducer 52, der an der Sonde 50 montiert ist, mit dem Gewebe in Kontakt kommt, wird er auf der 3D-Anzeige erscheinen und kann relativ zu dem Transducer 30 (d. h. der „Heimortung") lokalisiert werden. Folglich erlaubt es die 3D-Anzeige, den chirurgischen Weg zu visualisieren und zu korrigieren, wie es notwendig ist. Da das externe Referenzeinzelbild, das von den Referenztransducern 20 gebildet wird, an der äußeren Oberfläche der Brust 10 befestigt ist, macht es nichts, wenn sich das Brustgewebe nach der Mammographieabbildung verändert. In dieser Hinsicht werden die Transducer 30 immer relativ zu der neuen Konfiguration der Transducer 20, die an der äußeren Oberfläche der Brust 10 befestigt sind, gezeigt. Darüber hinaus werden sie, da die externen Referenztransducer 20 miteinander kommunizieren, ein neues veränderte Koordinateneinzelbild einstellen, ungeachtet dessen, zu welchem Ausmaß das Brustgewebe manipuliert wird. In jedem Fall wird die relative Position des Transducers 30 innerhalb dieses Koordinatensystems angezeigt.
Der vorhergehende Ansatz liefert zahllose Vorteile und überwindet die gegenwärtigen Begrenzungen der stereotaktischen Chirurgie, die auf einem festen Koordinatensystem basiert. Hinsichtlich klinischer Vorteile kann die Brustchirurgie weniger invasiv durchgeführt werden. Wenn sie weiterentwickelt wird, kann es möglich sein, Tumore in einer viel weniger invasiven Art und Weise zu entfernen durch Einsetzen kleiner Katheter, die den Tumor ablatieren, absaugen oder in irgendeiner anderen Weise zerstreuen, ohne daß die Brust für die visuelle Inspektion geöffnet werden muß. Dies wird die Gefahr der Verunstaltung oder der Veränderung der Form Brust stark reduzieren. Ein anderer klinischer Vorteil ist die erhöhte Präzision der Lokalisierung des Tumors, was präzisere chirurgische Eingriffe erlaubt. Die theoretische Genauigkeit des 3D-Verfolgungssystems, das oben beschrieben wurde, beträgt 20 μm. In der Praxis ist die 3D-Ortspräzision geringer als 1 mm und aufgrund von geometrischen Transformationsfehlern kann dies auf 2 mm ansteigen. Dies ist offensicht lich immer noch besser als die gegenwärtig verfügbare Präzision bei der Verwendung der Drahteinfügungstechnik unter konventionellen stereotaktischen Tischen. Solch eine erhöhte Präzision wird die Erfolgsrate der Tumorentfernung verbessern, ohne die Notwendigkeit nach größeren radikalen Lumpektomien. Noch ein anderer klinischer Vorteil ist der, daß die vorhergehende Prozedur bei den Biopsien, bei offener oder vollständig geschlossener Chirurgie und bei minimal invasiven chirurgischen Eingriffen angewendet werden kann. Sie stellt eine benutzerunterstützte Echtzeit-Einrichtung für die Annäherung an Tumore innerhalb der Brust zur Verfügung und ist viel kostengünstiger als konventionelles stereotaktisches Gerät.
Teile des Systems der vorliegenden Erfindung können ebenso verwendet werden, um ein Instrument an einem Tumorort zu lokalisieren. Dies wird nun für die Zwecke des Vergleichs beschrieben, bildet jedoch nicht Teil der vorliegenden Erfindung. 7 zeigt eine Leber 60 mit einem Tumor 14. Ein dreidimensionales Referenzeinzelbild der Leber 60 wird errichtet durch Befestigen einer Mehrzahl von Referenztransducern 90 an der äußeren Oberfläche der Leber 60. In dieser Hinsicht können die Transducer 90 unter laparoskopischer Führung befestigt werden. Als nächstes wird der Ort des Tumors 14 unter Verwendung von zweidimensional geführtem Ultraschall 110 bestimmt, der eine zweidimensionale Ultraschallabbildungsebene 112 erzeugt. Eine zweidimensionale Ultraschallabbildungsebene wird innerhalb des 3D-Referenzeinzelbildes dargestellt, um eine 3D-Szene zu bilden. Wenn der Tumor 14 von der Ultraschallabbildungsebene 112 durchschnitten wird, plaziert der Benutzer eine Cursormarkierung in der 3D-Szene, um das Zentrum des Tumors 14 zu identifizieren. Das 3D-Verfolgungs- und Abbildungssystem bestimmt die 3D-Koordinaten des Tumors 14 innerhalb der 3D-Szene relativ zu dem 3D-Referenzeinzelbild, das durch die Transducer 90 errichtet wird. Es versteht sich, daß die Transducer 90 an der Leber 60 befestigt, daß der Ort des Tumors 14 relativ zu dem 3D-Referenzeinzelbild fixiert bleibt, selbst wenn die Leber 60 selbst manipuliert wird, was eine Deformation der Leber 60 verursacht.
In den 9 und 10 wird eine Kryosonde 100 (oder ein anderes Instrument) am Tumor 14 lokalisiert. Zu diesem Zweck wird eine per Ultraschall lokalisierbare Mantelbefestigung 70 in die Leber 60 eingesetzt und derart positioniert, daß deren Ende dem Ort des Tumors 14 entspricht. Die Mantelbefestigung 70 nimmt vorzugsweise die Form einer hohlen festen Hülse oder Röhre ein mit daran montierten Transducern 80. Eine bevorzugte Mantelbefestigung 70 wird im Detail in der US-A-5,868,673 beschrieben, die hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Die Transducer 80 erlauben es, daß die Position der Mantelbefestigung 70 unter Verwendung des oben beschriebenen 3D-Verfolgungs- und Abbildungssystems verfolgt werden.
Sobald die Mantelbefestigung 70 an dem Ort des Tumors 14 lokalisiert wurde, wird die Kryosonde 100 in die Mantelbefestigung 70 eingesetzt, so daß sie an dem Mund des Mantels stoppt. Folglich erfordert die Kryosonde 100 keine physikalischen Modifikationen, um sie an dem Ort des Tumors 14 zu lokalisieren. Als nächstes wird die Mantelbefestigung 70 entlang des Schaftes der Kryosonde 100 zurückgezogen. Danach wird die Kryosonde 100 aktiviert, um den Tumor 14 in einer gut bekannten Art und Weise zu ablatieren.
Alternativ dazu kann die vorhergehende Prozedur durch Einfügen eines verfolgbaren stumpfen Führungsinstruments mit daran befestigten Ultraschalltransducern und durch Lokalisieren des Führungsinstruments an dem Ort des Tumors durchgeführt werden. Als nächstes wird ein Rohr oder eine Hülse an dem Ort des Tumors durch Plazieren des Rohres über dem Führungsinstrument plaziert. Dann wird das Führungsinstrument entfernt, was nur die Hülse zurückläßt. Eine Kryosonde (oder ein anderes Instrument) wird dann durch die Hülse eingesetzt, was somit die Kryryosonde an dem Tumorort lokalisiert.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Natürlichwerden Modifikationen und Veränderungen offensichtlich, mit Lesen und Verstehen dieser Beschreibung

Claims

System für das Durchführen einer Operation an einem Tumor in einer Körperstruktur für die Zwecke einer Biopsie oder Ablation, das aufweist: eine Mehrzahl von Referenztransducereinrichtungen (20), die an festen Positionen an der Körperstruktur lokalisiert sind, um ein Referenzeinzelbild (1012) zur Verfügung zu stellen, eine Einrichtung für das Erhalten eines Vorlagenbildes einer Körperstruktur (1014), eine Registrierungseinrichtung (1016) für das Erfassen des Referenzeinzelbildes mit dem Vorlagenbild, um eine dreidimensionale Szene zu erhalten, eine Anzeigeeinrichtung (1022) für das Anzeigen der dreidimensionalen Szene der Körperstruktur, eine Ortungstransducereinrichtung (30) für das Anordnen am Ort eines Tumors, eine erste Instrumentierungseinrichtung (40) für das Fixieren des Ortes einer Ortungstransducereinrichtung (30) an dem Ort eines Tumors, um den Ort des Tumors zu identifizieren, und eine zweite Instrumentierungseinrichtung (1030) für das Durchführen einer Operationsprozedur des Tumors, wobei die zweite Instrumentierungseinrichtung eine Transducereinrichtung (1032) für das Anzeigen der Position der zweiten Instrumentierungseinrichtung relativ zu dem Referenzeinzelbild und dem Ort in der Ortungstransducereinrichtung hat.
System nach Anspruch 1, wobei die festen Positionen auf der Oberfläche einer Brust sind.
System nach Anspruch 1, wobei die festen Positionen auf der äußeren Oberfläche eines festen Organs sind.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Vorlagenbild eine Mammographie ist.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Vorlagenbild ein radiologisches Bild ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Instrumentierungseinrichtung eine Einrichtung für das Trennen der Ortungstransducereinrichtung von der ersten Instrumentierungseinrichtung aufweist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jede der Mehrzahl von Referenztransducereinrichtungen (20) aufweist: ein Transducergerät und eine Halteeinrichtung (24) für das Halten des Transducergerätes, wobei die Halteeinrichtung ein Klebemittel für das Befestigen der Referenztransducereinrichtung an der festen Position auf der Körperstruktur und ein Gel (26) für die akustische Kopplung aufweist.
System nach Anspruch 7, wobei das Transducergerät ein piezoelektrisches Material aufweist.