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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine rahmenlose stereotaktische
chirurgische Vorrichtung, speziell für die interaktive, bildgeführte Chirurgie.
Es findet insbesondere Anwendung in Verbindung mit der in tomographischen,
beispielsweise CT-Bildgebungssystemen
vorgenommenen minimal invasiven stereotaktischen Chirurgie, bei
der eine rahmenlose mechanische Armvorrichtung zur Führung chirurgischer
Instrumente wie Biopsiesonden oder dergleichen eingesetzt wird,
und wird unter besonderer Bezugnahme hierauf beschrieben. Es ist
jedoch zu beachten, dass sich die Erfindung auch für eine große Auswahl
von Bildgebungsvorrichtungen und minimal invasiven stereotaktischen
Chirurgieverfahren eignet, einschließlich beispielsweise Ultraschall-
und Magnetresonanz-Bildgebungsvorrichtungen
sowie mittels dieser Vorrichtungen durchgeführte Operationen.
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Vordem
wurden verschiedene Systeme vorgeschlagen, die Mechanismen mit einem
mechanischem Arm zusammen mit Vorrichtungen zur Abbildung der menschlichen
Anatomie kombinieren, um bestimmte chirurgische Eingriffe durchzuführen, wie
beispielsweise das Platzieren von Kathetern, Drainageschläuchen, Biopsiesonden
oder dergleichen im Körper
eines Patienten. In den US-amerikanischen Patentschriften US-A-5.078.140 und 5.142.930
wird eine mechanische Armvorrichtung in Verbindung mit einem Bildgebungssystem
beschrieben, das ein oder mehrere Bilder von der Anatomie eines
Patienten erzeugt und diese Bilder auf einem Bildschirm darstellt.
Mit Hilfe eines Computers wird die Lage eines mit dem mechanischen
Arm verbundenen chirurgischen Instruments verfolgt, wenn der Arm
durch den physikalischen Raum bewegt wird. Der Computer transformiert
den physikalischen Raums mittels einer Drehung in den Abbildungsraum,
sodass die Anzeigevorrichtung die Lage des chirurgischen Instruments
innerhalb des Abbildungsraums des Patienten zeigt. An jedem Gelenk
des mechanischen Arms sind Positionsmeldevorrichtungen angeordnet,
die Drehungen und Winkelbewegungen der Armsegmente detektieren und
die Spitze eines Instruments am Arm relativ zur Position von Markierungsimplantaten
(Fiducial-Implantaten) zu verfolgen, die am oder im Körper des
Patienten angeordnet sind.
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Ein
Nachteil des oben genannten Systems besteht jedoch darin, dass ein
sperriger stereotaktischer Lokalisierungsrahmen erforderlich ist.
Obwohl das oben vorgeschlagene System die Position des am Arm befindlichen
Instruments relativ zum Basiselement des Arms verfolgt, bleibt die
Verwendung von Fiducial-Implantaten erforderlich, um eine Zuordnungstransformation
zwischen dem internen Koordinatensystem des chirurgischen Bildes
und dem externen Koordinatensystem des mechanischen Arms einzuleiten.
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Ein
rahmenloser stereotaktischer Tomographie-Scanner für bildgeführte Eingriffe,
der sich nicht auf den sperrigen Lokalisierungsrahmen oder die im
Patienten platzierten Fiducial-Implantate stützt, würde den präoperativen Zeitaufwand für das Einrichten
reduzieren und darüber
hinaus eine präzisere
und wiederholbare Positionierung der chirurgischen Instrumente oder
Sonden im Körper
des Patienten erlauben.
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In
der US-amerikanischen Patentschrift 5.622.170 wird ein chirurgisches
Gerät beschrieben,
um die Lage und Ausrichtung eines invasiven Teils einer chirurgischen
Sonde im Körper
eines Patienten zu ermitteln. Ein mit dem System verbundener Computer
bestimmt Lage und Ausrichtung des invasiven Teils des chirurgischen
Instruments, indem er die Position des Instruments relativ zu einem
vorgegebenen Koordinatensystem mit der Position eines Modells des
Patientenkörpers
in Beziehung setzt, das in Bezug auf das vorgegebene Koordinatensystem
definiert ist. Die Modellbildung erfolgt, indem mindestens drei
nicht kollineare Referenzpunkte am Patienten platziert werden. Die
Referenzpunkte können
Tintenpunkte, Tätowierungen,
strahlenundurchlässige
Kügelchen
oder Fiducial-Implantate
am Patienten sein. Nachdem der Patient mit den positionierten Fiducial-Marken
abgebildet wurde, muss der Operateur die Spitze der chirurgischen
Sonde an jeden der Referenzpunkte am Patienten anlegen, um die Beziehung
zwischen den Referenzpunkten im Modellraum und ihre tatsächlichen
physikalischen Positionen in dem vorgegebenen Koordinatensystem
des Patientenraums herzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine rahmenlose stereotaktische chirurgische Vorrichtung
geschaffen. Die chirurgische Vorrichtung beinhaltet eine Bildgebungsvorrichtung,
die ein Koordinatensystem im Scannerraum II definiert. Die Bildgebungsvorrichtung
ist dafür
eingerichtet, den Körper
eines Patienten aufzunehmen und im Bildraum erste Körperbildinformationen
in Bezug auf den im Scannerraum II befindlichen Körper des
Patienten zu erzeugen. Eine Lokalisierungsvorrichtung ist vorgesehen,
deren Basisteil in einem festen Zusammenhang mit der Bildgebungsvorrichtung
steht, und deren freies Ende sich selektiv in verschiedene Positionen
neben dem Körper
des Patienten im genannten Scannerraum II bewegen lasst. Ein mit
der Lokalisierungsvorrichtung verbundener Positionswandler erzeugt
in einem Lokalisierungsraum R erste Lageinformationen über die
Spitze des freien Endes der Lokalisierungsvorrichtung relativ zum
Basisteil der Lokalisierungsvorrichtung. Ein Transformationsprozessor
ist vorgesehen, um die ersten Lageinformationen über die Spitze im Lokalisierungsraum
R in erste konvertierte Spitzenlageinformationen des freien Endes
der Lokalisierungsvorrichtung in zumindest entweder dem Scannerraum
II oder dem Bildraum II umzuwandeln.
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Die
Erfindung erlaubt die Durchführung
von bildgeführten,
minimal invasiven, stereotaktischen chirurgischen Eingriffen, ohne
dass Fiducial-Marken im Patienten implantiert werden müssen. Darüber hinaus
ermöglicht
die Erfindung eine automatische Transformation zwischen einem chirurgischen
Instrument in einem Lokalisierungsraum und der Liege, auf der ein
Patient im Scanner ruht, so dass die Position des chirurgischen Instruments
zusammen mit dem Bild des Patienten in einem Bildraum als zusammengesetzte
Ansicht auf einem Monitor oder dergleichen angezeigt werden kann.
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Die
rahmenlose stereotaktische Armvorrichtung kann von oben direkt mit
der Bildgebungsvorrichtung verbunden sein, anstatt mit dem Kopf
des Patienten oder einem stereotaktischen Kopfrahmen.
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Möglichkeiten
zur Ausführung
der Erfindung werden nun anhand von Beispielen sowie unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrie ben. Es zeigen:
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1 die schematische Darstellung
eines rahmenlosen stereotaktischen Scannersystems, einschließlich einer
Armvorrichtung zur Bildführung
chirurgischer Instrumente gemäß vorliegender
Erfindung;
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2 die perspektivische Ansicht
der rahmenlosen mechanischen Armvorrichtung mit einer Führungsvorrichtung
gemäß vorliegender
Erfindung;
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3 die schematische Darstellung
der mit der Vorrichtung aus 1 durchgeführten Planungsbildverarbeitung;
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4 die perspektivische Ansicht
einer Lokalisierungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung mit einem
Kalibrierungsphantom;
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5 einen Teil des in 4 gezeigten Kalibrierungsphantoms
im Querschnitt;
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6 den Ablaufplan eines bevorzugten
Verfahrens zur Kalibrierung des mechanischen Arms des in 1 gezeigten rahmenlosen
stereotaktischen Tomographie-Scannersystems;
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7 die schematische Darstellung
des in 6 gezeigten Verfahrens;
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8 die perspektivische Ansicht
der erfindungsgemäßen rahmenlosen
mechanischen Armvorrichtung und der von oben gehaltenen Operateur-Bedienkonsole
in einer Parkposition am CT-Scanner; und
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9 die Querschnittsansicht
der rahmenlosen mechanischen Armvorrichtung sowie eines gemäß vorliegender
Erfindung gestalteten Sperrmechanismus.
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Nun
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, hierbei zunächst auf 1, hat ein Patiententisch oder -träger 10 eine
Patientenauflagefläche 12,
die so angebracht ist, dass sie eine Längsbewegung relativ zu einem
Basisteil 14 zulässt.
Der Basisteil 14 hat einen Motor, um die Patientenauflagefläche 12 anzuheben
und abzusenken und die Patientenauflagefläche in Längsrichtung zu bewegen. Außerdem sind
Positionscodierer vorgesehen, um elektrische Signale zu erzeugen,
die die Höhe
und Längsposition
des Patiententrägers
anzeigen. Der Patiententräger
hat einen Kalibrierungs- und Prüfbereich 16,
der sich an einer bekannten, festgelegten Position befindet. Der
Kalibrierungs- und Prüfbereich
ist für
die Aufnahme eines Kalibrierungsphantoms eingerichtet, um das System
gemäß vorliegender
Erfindung sowie in nachfolgend beschriebener Weise zu kalibrieren.
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Eine
Planungsvorrichtung, vorzugsweise eine Bildgebungsvorrichtung für die volumetrische
Diagnostik 18, ist axial so auf den Patiententisch ausgerichtet,
dass ein Patient oder Objekt auf der Patientenauflagefläche 12 in
eine Bohrung 20 des volumetrischen Bildgebers hinein und
durch sie hindurch bewegt werden kann. In der dargestellten Ausführungsform
ist der volumetrische Bildgeber ein CT-Scanner mit einer Röntgenröhre, die
innerhalb einer vorgewählten
Ebene wiederholt eine Kreisbewegung ausführt. Die Röntgenröhre projiziert ein fächerförmiges Strahlenbündel durch
einen Ring 22 aus strahlendurchlässigem Material, durch die
Patientenauflage 12, durch eine interessierende Region
des Objekts und zu einem Ring oder Bogen aus Strahlendetektoren,
die gegenüber
der Röntgenröhre angeordnet
sind. Wenn die Röntgenröhre innerhalb
der Ebene rotiert, wird eine Reihe von Datenzeilen erzeugt, die
von einem Rekonstruktionsprozessor in einer Steuerkonsole 24 zu
mindestens einem Schichtbild rekonstruiert werden. Die Steuerkonsole
befindet sich üblicherweise
in einem abgeschirmten Raum neben dem Abtastraum. Genauer gesagt
bewegt sich in der bevorzugten Ausführungsform die Patientenauflage 12 in
der Längsachse,
während
sich die Röntgenröhre um das
Objekt herum dreht, so dass ein gewähltes Volumen des Patienten
entlang eines spiralförmigen
Pfades oder einer Reihe von Schichten abgetastet wird. Die Position
der Röntgenröhre wird
von einem Drehpositionscodierer überwacht,
und die längsgerichtete
Position der Patientenauflage wird von einem Längspositionscodierer im Tisch 10 überwacht.
Der Rekonstruktionsprozessor rekonstruiert anhand der erzeugten
Datenzeilen eine volumetrische Bilddarstellung. Die Steuerkonsole 24 hat üblicherweise
einen oder mehrere Monitore 26 sowie verschiedene standardmäßige Bedienereingabegeräte wie Tastatur,
Trackball, Maus oder dergleichen. Eine Operateur-Steuerkonsole 28 ist an einem
Schienensystem oberhalb des CT-Scanners befestigt.
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Eine
mechanische, rahmenlose stereotaktische Armvorrichtung 30 wird
von oben von einem Träger 32 gehalten,
der sich auf einem ovalen Schienensystem 34 bewegen lässt, das
wie allgemein gezeigt oben auf der Bildgebungsvorrichtung für die volumetrische
Diagnostik 18 befestigt ist. Vorzugsweise lässt sich
der Träger
an einer oder mehreren festgelegten Stellen auf dem Schienenoval
arretieren, so dass ein Operateur bei der Vorbereitung und Durchführung eines
chirurgischen Eingriffs ein Instrument für die minimal invasive Chirurgie 36,
das von einer erfindungsgemäß gestalteten,
auswechselbaren Führungsvorrichtung
für chirurgische Instrumente 100 gehalten
wird, in überwachte
Positionen und Ausrichtungen bringen kann. Das in der FIGUR dargestellte
chirurgische Instrument hat eine lasergeführte Biopsienadel 38,
die von einer kombinierten Laser- und Kanülenführungsvorrichtung 102 gehalten
wird. Insgesamt werden jedoch die Position und Ausrichtung der Führungsvorrichtung
und des davon gehaltenen chirurgischen Instruments von der Position
der mechanischen Armvorrichtung 30 und der Lage des Trägers 32 auf
dem ovalen Schienensystem 34 bestimmt.
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Die
rahmenlose stereotaktische Armvorrichtung 30 ist in 2 allgemein dargestellt
und beinhaltet mehrere durch Drehelemente miteinander verbundene
Armsegmente, die Gelenke zwischen den Armsegmenten bilden. Auf diese
Weise kann ein freies Ende 40 des Arms erforderlichenfalls
selektiv in mehrere Richtungen bewegt werden, um das chirurgische
Instrument 36 in verschiedene gewünschte Positionen über der
Patientenauflage 12 zu bringen. Ein Basiselement 42 ist
mittels geeigneter Befestigungen, Epoxidharze oder dergleichen,
starr mit dem Träger 32 verbunden.
Ein Basisgelenk 44 ermöglicht
es, ein primäres
Stützelement 46 in
die mit A gekennzeichnete Richtung zu drehen. Auf ähnliche
Weise ermöglichen
ein Schultergelenk 48 am unbeweglichen Basisende des Arms,
ein Oberarmelement 50 in die mit B bezeichnete Richtung
zu drehen, ein Ellbogengelenk 52, ein Unterarmelement 54 in
die mit C bezeichnete Richtung zu drehen, ein Unterarmgelenk 56,
ein Knöchelelement 58 in
die mit D bezeichnete Richtung zu drehen, und schließlich ein
Handgelenk 60, ein Handgelenkelement 62 in die
mit E bezeichnete Richtung zu drehen.
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Gemäß vorliegender
Erfindung befindet sich an jedem Gelenk der mechanischen Armvorrichtung 30 mindestens
ein Drehmelder, vorzugsweise ein optischer Inkrementalcodierer,
um schrittweise Gelenk- und Drehbewegungen der Armelemente relativ
zueinander aus Gründen
zu überwachen,
die im Folgenden offensichtlich werden. Die optischen Inkrementalcodierer
erzeugen Rückkopplungsimpulse,
die auf wohl bekannte Weise die relative Winkel- und Drehposition
der verschiedenen Armelemente in Beziehung zueinander angeben. Die
Rückkopplungsimpulse
werden über
geeignete Drähte
oder flexible abgeschirmte Kabel, die durch die zahlreichen Elemente
der Armvorrichtung verlaufen, an eine Steuerschaltung der Bildgebungsvorrichtung zurückgeführt. Auf
diese Weise lassen sich Position und Ausrichtung des Handgelenkelements 62 in
Beziehung zum Referenzrahmen der Bildgebungsvorrichtung und der
von der Bildgebungsvorrichtung erhaltenen volumetrischen Bilddarstellung
bestimmen.
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Die
Position und Ausrichtung des von der Armvorrichtung gehaltenen chirurgischen
Instruments relativ zum Referenzrahmen der Bildgebungsvorrichtung
und der von der Bildgebungsvorrichtung erhaltenen volumetrischen
Bilddarstellung werden aufgelöst,
indem auswechselbare Führungsvorrichtungen
für chirurgische Instrumente 100 mit
einem eindeutigen Identifikationssignal geschaffen werden. Das Identifikationssignal
wird von der Steuerschaltung der Bildgebungsvorrichtung verwendet,
um eine Verweistabelle für
das Abrufen verschiedener physikalischer dimensionsbezogener und
anderer funktionaler Parameter, die einer oder mehreren mit dem
Handgelenkelement 62 verbundenen Führungsvorrichtungen entsprechen,
zu indizieren. Auf diese Weise geben die von den Drehmeldern und
Codierern gemessenen physikalischen dimensionsbezogenen und anderen
funktionalen Parameter zusammen mit der mechanischen Verbindung
einen genauen Hinweis auf die Position und Ausrichtung der Führungsvorrichtung 100 relativ
zum CT-Scanner und
damit relativ zu dem vom CT-Scanner erfassten Bild.
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Nun
Bezug nehmend auf 3 bestimmt
eine Instrumentenkoordinatenschaltung 72 die Position und Bahn
des chirurgischen Instruments 36 im Instrumentenraum, insbesondere
ein Koordinatensystem des Instruments. Die Instrumentenkoordinatenschal tung
hat eine Identifizierungsschaltung für die Führungsvorrichtung 74 sowie
eine Positionierungsschaltung für
den mechanischen Arm 76. Die Identifizierungsschaltung
für die
Führungsvorrichtung 74 empfängt das
Geräteidentifizierungssignal
einer oder mehreren mit dem mechanischen Arm verbundenen Führungsvorrichtungen
und indiziert eine Verweistabelle 78, um dimensionsbezogene
und funktionale Informationen abzurufen. Die Positionierungsschaltung
für den
mechanischen Arm 76 ist mit den Inkrementaldrehmeldern
an der mechanischen Armvorrichtung 30 verbunden, um Signale
zu empfangen, die Änderungen
der Position und Ausrichtung des mechanischen Arms im Instrumentenraum
anzeigen. Ein Instrument-Planungsscanner-Korrelationsprozessor 80 bestimmt
die Korrelation oder Transformation zwischen den Koordinatensystemen
des chirurgischen Instruments 36 und des Volumenscanners 18.
Die Korrelation oder Transformation wird im Allgemeinen als Versatz,
insbesondere Versatz entlang der Achse der Patientenauflage, Winkelversatz
oder -drehung und Skalierung beschrieben.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
hat ein Kalibrierungsinstrument, wie beispielsweise eine Präzisionslokalisierungsvorrichtung 103 Kontakt
zu einer Reihe voneinander abgesetzter Marken, vorzugsweise acht, die
in einer bekannten Beziehung zum Koordinatensystem des Volumenscanners
angebracht sind. Die Marken haben vorzugsweise die Form eines Kalibrierungsphantoms 120,
das sich im Kalibrierungsmarkenbereich 16 befindet. Indem
man beim Berühren
jeder Marke die Koordinaten des Kalibrierungsinstruments im Instrumentenkoordinatensystem
misst, werden acht oder mehr gemeinsame Punkte in den beiden Koordinatensystemen bestimmt.
Indem man ein Barrycenter oder andere Merkmale der gemeinsamen Punkte
bestimmt, vorzugsweise jedoch eine Differenz zwischen den Schwerpunkten
der gemeinsamen Punkte, wird der Versatz zwischen den beiden Koordinatensystemen
bestimmt. Indem man die Winkeldifferenz zwischen den Strahlen aus
dem Barrycenter zu jedem Punkt in jedem Koordinatensystem ermittelt,
wird der Winkelversatz bestimmt. Indem man eine Differenz im physikalischen
Versatz zwischen dem Barrycenter und den entsprechenden Punkten
in jedem Koordinatensystem ermittelt, wird der Skalierungsfaktor
bestimmt.
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Gemäß vorliegender
Erfindung sind die Lokalisierungsvorrichtung und der Volumenscanner
mechanisch miteinander verbunden. Daher braucht die Transformation
oder Beziehung zwischen dem Volumenscanner und dem Instrumentenkoordinatensystem
nur einmal kalibriert zu werden und wird anschließend von
der mechanischen Verbindung zwischen den Komponententeilen vorgegeben.
Das Kontaktieren der Marken muss nur einmal durchgeführt werden
und dient im Folgenden lediglich als Bestätigung dafür, dass sich zwischen Eingriffsvorgängen keine
Abgleichfehler hinsichtlich der Instrumenten- und CT-Scannerkoordinaten
ergeben haben.
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Mit
Hilfe analoger Mathematik oder bekannter mechanischer Beziehungen
wie oben bestimmt ein Instrument-Patiententisch-Korrelationsprozessor 82 die
Korrelation oder Transformation zwischen dem Patiententisch und
dem chirurgischen Instrument. Vorzugsweise ist das oben beschriebene
Kalibrierungsphantom mit der Vielzahl von Marken in einer bekannten,
wiederholbaren Position auf dem Tisch positioniert, um eine große Anzahl übereinstimmender
Punkte in beiden Koordinatensystemen für den Korrelationsvorgang zu schaffen.
Bilder des Kalibrierungsphantoms 120 werden benutzt, um
Transformationen zwischen Patiententischraum und Planungs- oder
Echtzeitbildkoordinatensystemen abzuleiten.
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Im
Patiententisch platzierte Tischdrehmelder 84 tragen einen
vertikalen und longitudinalen Versatz zu der Korrelation zwischen
dem chirurgischen Instrument und dem Patiententisch bei, wenn der
Tisch angehoben oder abgesenkt und wenn die Patientenauflage 12 axial
bewegt wird. Ein Instrument-Patient-Korrelationsprozessor 86 bestimmt
eine Korrelation zwischen dem Chirurgieinstrumentensystem und einem
Patientenkoordinatensystem. Dies kann als Rückversicherung für einen
Operateur geschehen, indem das chirurgische Instrument an drei oder
mehr bekannten Referenzpunkten am Patienten platziert wird. Derartige
Punkte können leicht
identifizierbare anatomische Strukturen sein, zum Beispiel die Nasenspitze,
charakteristische Knochenpunkte oder Fiducial-Marken, die während des
volumetrischen Bildgebungsvorgangs oder dergleichen ausgerichtet
werden.
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Zusätzlich zum
oben Genannten können
Fiducial-Punkte am Scanner (z. B. Patientenauflage) verwendet werden,
um die Genauigkeit der Punktbahn-Lokalisierer innerhalb des Scannerkoordinatensystems
zu verifizieren. In der vorliegenden Erfindung ist der Patient in
Verbindung mit der Patientenauflage (d. h. Liege) beweglich, während die
Registrierung zwischen Lokalisierer, Anzeige und Patientenvolumen-Datensatz
aufrechterhalten bleibt, indem die Position der Liege aufgelöst und einem
Anzeigeteilsystem gemeldet wird. Aufgelöst werden die Bewegungen der
Liege in den und aus dem Träger
(z-Achse) sowie
die Höhe
der Patientenauflage (y-Achse). Die Position der Patientenauflage
wird digitalisiert und zum Anzeigesystem zurückgemeldet, wo Justierungen
vorgenommen werden, um die Registrierung aufrechtzuerhalten.
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Die
Gleichungen für
die Bewegungen der Patientenauflage lauten wie folgt: Der Abstand
des ersten Bildes (d. h. Referenzbild, maximaler z-Wert entlang
der Patientenauflage) von der Apertur (z-0 in Scannerkoordinaten)
entlang der z-Achse soll dargestellt werden durch: Dmax. z-Bild von Apertur = (P[Z]max.
z-Bild P-Auflage = P[z]derzeitige P-Auflage)
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Dann
lautet die Gleichung für
die Transformationen der Patientenauflagebewegungen wie folgt: Lokalisiererspitze [z] = LokalisiererspitzeScannerkoord.[z] = Dmax.
z-Bild von Apertur wobei P[z] die Position der Patientenauflage
in der z-Achse ist. Eine ähnliche
Gleichung kann für
die Bewegungen der Patientenauflage in der y-Achse geschrieben werden.
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Wenn
das Referenzbild in der Apertur ist, dann gilt Dmax. z-Bild von Apertur = 0und Lokalisiererspitze [z] = LokalisiererspitzeScannerkoord.[z]
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Wenn
der Lokalisierer daher in den Scannerkoordinaten einen z-Wert hat,
der mit dem Referenzbild identisch ist, dann gilt Dmax. z-Bild von Apertur = Lokalisiererspitze Scannerkoord.[z]und Lokalisiererspitze
[z] = 0was der Ursprung der z-Achse des Bildraums ist.
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Zur
Vermeidung starker Bewegungen des Patienten relativ zur Patientenauflage
können
Patientenhaltemechanismen (nicht gezeigt) verwendet werden.
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Ein
Instrument-Volumenbildkoordinatensystem-Transformationsprozessor 88 empfängt die
Korrelation oder Transformation vom Chirurgieinstrument-Planungsbild-Prozessor 80.
Der Instrument-Volumenbild-Prozessor arbeitet mit Eingabepositions-
und Ausrichtungskoordinaten im Bildraum, um sie in einen Volumenbilddatenraum
zu transformieren, und umgekehrt. Indem man die Position des chirurgischen
Instruments im Volumen- oder Planungsdatenraum kennt, können die
Instrumentenposition und -ausrichtung den volumetrischen Planungsbilddaten überlagert
werden.
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Während des
medizinischen Vorgangs befindet sich der Patient im volumetrischen
Planungsscanner und es wird ein Volumenbild erzeugt. Das Volumenbild
wird in einem Volumen- oder Planungsdatenspeicher 90 gespeichert.
Die Position des Patiententischs während der Erzeugung der Planungsdaten,
insbesondere beim Bewegen des Tischs zur Erzeugung von Spiral- oder
Schichtdaten, wird in Verbindung mit den volumetrischen Planungsdaten
gespeichert, so dass die Daten mit dem Patiententischkoordinatensystem
korreliert werden. Der Planungsbilddatenspeicher oder ein Bildprozessor 92 wird
von einer Bedienersteuerkonsole 24 so gesteuert, dass ausgewählte Schichten,
Projektionsbilder, Oberflächen-Wiedergaben
oder andere konventionelle Datenanzeigen für die Anzeige auf einem Planungsbild-Anzeigegerät 94 erzeugt
werden. Vorzugsweise beinhaltet das Planungsbild-Anzeigegerät entsprechende
sagittale, koronare, axiale und oblique Schichten, die durch einen
gemeinsamen Schnittpunkt verlaufen.
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Da
die Erzeugung der Planungsbildanzeige vor der chirurgischen Prozedur
erfolgt, wird die Planungsbewegung des chirurgischen Instruments
vorzugsweise im Planungsbildkoordinatensystem auf der Operateur-Steuerkonsole 28 angezeigt.
Die Koordinaten und die Bahn des chirurgischen Instruments werden
vom Instrument-Planungsbild-Transformationsprozessor 88 zur
Umwandlung in das Planungsbildkoordinatensystem weitergeleitet.
Die Lage und die Bahn des Instruments im Planungsbildkoordinatensystem
werden dem Videoprozessor 92 mitgeteilt, der die Position
und die Bahn des chirurgischen Instruments der CT-Datenanzeige überlagert.
Die mechanische Armvorrichtung erzeugt Informationen, die in Cursorpositionssignale
und virtuelle Nadelanzeigen konvertiert werden, die wiederum in
das in das Planungsbildkoordinatensystem transformiert und dem Videoprozessor 92 mitgeteilt
werden, um einen beweglichen Cursorpunkt und eine virtuelle Nadeldarstellung
auf dem Planungsbild-Anzeigegerät 94 zu
erzeugen. Vorzugsweise befin det sich der Cursor am Schnittpunkt
gleichzeitig angezeigter transversaler, koronarer und sagittaler
Ansichten auf der Volumenbildanzeige 94. Wenn der Bediener
die Cursorsteuerung an der Operateur-Steuerkonsole 28 durch
den Volumenbilddatenraum bewegt, oder das chirurgische Instrument 36 an
der mechanischen Armvorrichtung 30 über Zielbereiche des Patienten
bewegt wird, ändern
sich die transversalen, koronaren und sagittalen Ansichten an der
Operateur-Steuerkonsole 28 entsprechend.
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In 4 ist die bevorzugte Ausführungsform
des Verifizierungs- und Kalibrierungsphantoms 120 der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Nun Bezug nehmend auf diese FIGUR umfasst
das Phantom 120 eine Vielzahl röntgensensitiver Marken 122,
die sich in einer dreidimensionalen, räumlich abgesetzten Beziehung
zueinander auf einem röntgenundurchlässigen Phantomkörper 124 befinden.
Vorzugsweise umfassen die Marken 122 acht präzisionsgeschliffene
Kugellager aus Edelstahl oder normalem für medizinische Zwecke geeigneten
Hartstahl. Der Phantomkörper 124 besteht
vorzugsweise aus einem transparenten, generell wie gezeigt geformten
Acrylkunststoff mit einer ebenen Bodenfläche 126, die vorgesehen
ist, um den Scannertisch 12 wie oben beschrieben an einer
wiederholbaren, festgelegten Position im Kalibrierungs- und Verifizierungsbereich 16 einzurasten.
Außerdem
hat der Phantomkörper
eine Vorderseite und einer Rückseite 128, 130,
eine linke und eine rechte Seite 132, 134, und
schließlich
eine Oberseite 136. Jede der Marken 122 wird im
Wesentlichen so wie gezeigt am Kalibrierungsphantom 130 angeordnet,
um in allen drei orthogonalen Achsen der Bildgebungsvorrichtung
(x, y, z) eine geeignete Trennung zwischen den Marken zu schaffen
und dadurch eine präzise
und vollständige
dreidimensionale Kalibrierung sicherzustellen. In dieser Hinsicht
sind alle Marken innerhalb des Phantomkörpers um etwa 15 cm (6 Zoll)
voneinander abgesetzt.
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Eine
spezielle manuell positionierbare Lokalisierungsvorrichtung 103 ist
am freien Ende der mechanischen Armvorrichtung 30 angebracht
dargestellt. Die Lokalisierungsvorrichtung hat eine gehärtete Tastspitze 104,
die, wie dargestellt, einen im Wesentlichen kreisförmig zylindrischen
Querschnitt hat und an ihrem äußeren Ende
eine präzisionsgeschliffene
ebene Kontaktfläche 106 aufweist
(5).
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Bezug
nehmend auf 4 wird die
Lokalisierungsvorrichtung 103 eingerastet mit einer ersten
Kalibrierungsmarke 140 gezeigt, die an einer linken oberen
Ecke des Kalibrierungsphantoms angeordnet ist. Um sicherzustellen,
dass die Lokalisierungsvorrichtung im Hinblick auf die orthogonalen
Achsen der Bildgebungsvorrichtung korrekt ausgerichtet ist, wird
der Zugriff auf die zahlreichen Marken innerhalb des Kalibrierungs phantoms
durch eine Reihe entsprechender Tastspitzenführungsflächen 142 beschränkt. In
dieser Hinsicht veranschaulicht 5 eine
repräsentative,
gemäß vorliegender
Erfindung gestaltete Tastspitzenführungsfläche.
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Eingehend
nun auf diese FIGUR wird die linke Marke 140 von einer
Tasche 144 aufgenommen, die an der Vorderseite 128 des
Kalibrierungsphantoms 120 ausgebildet ist. Angrenzend an
den Taschenbereich 144 wird auf eine im Wesentlichen wie
gezeigte Art ein Ausrichtungsbereich 146 geschaffen. Der
Ausrichtungsbereich 146 hat einen im Wesentlichen kreisförmig zylindrischen
Innendurchmesser und ist darüber
hinaus hinsichtlich Größe und Form
so angepasst, dass er im Wesentlichen dem kreisförmig zylindrischen Außendurchmesser
der Tastspitze 104 an der Lokalisierungsvorrichtung 103 entspricht.
Der Innendurchmesser befindet sich in einem präzise parallelen Verhältnis zu
einer der Hauptachsen der Bildgebungsvorrichtung und in einem präzise vertikalen
Verhältnis
zu den verbleibenden anderen Hauptachsen der Bildgebungsvorrichtung.
Auf diese Weise dient der Ausrichtungsbereich 146 dazu,
die Lokalisierungsvorrichtung so auszurichten, dass sie mit den
orthogonalen Hauptachsen der Bildgebungsvorrichtung 18 fluchtet.
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Zwischen
dem Ausrichtungsbereich 146 und der Vorderseite 128 des
Kalibrierungsphantoms befindet sich eine kleine, sich verjüngende Einführungsfläche 148.
Die Einführungsfläche kann
ein beliebige, vorzugsweise jedoch eine leicht verjüngende Form
haben, so dass sich die Kontaktfläche 106 der Tastspitze 104 problemlos
in die obere linke Marke 140 einführen und befestigen lässt. Obwohl
in der Beschreibung oben nur eine einzelne Marke beschrieben wurde,
ist diese Beschreibung auch auf andere im Phantomkörper 128 angebrachte
Marken 122 anwendbar, und obwohl in der Beschreibung oben
nur der Ausrichtungsbereich 146 und die Einführungsfläche 148 einer
einzelnen Tastspitzenführungsfläche 142 beschrieben
wurde, ist diese Beschreibung auch auf andere Tastspitzenführungsflächen anwendbar,
die an der vorderen, hinteren, linken, rechten und oberen Seite
des Kalibrierungsphantoms angebracht sind.
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Nun
eingehend auf die 6 und 7 wird das bevorzugte Verfahren
zur Kalibrierung des stereotaktischen Arms 30 in der Bildgebungsvorrichtung 18 beschrieben.
Das Verfahren beinhaltet in einem ersten Schritt 150 das
Abbilden des Kalibrierungsphantoms 120. Das Bild des Phantoms
wird im Planungsdatenspeicher 90 als Bildvolumendatensatz
(3) gespeichert. Als
nächstes
wird jede Marke von der Vielzahl von Marken 122 mit Hilfe
der Lokalisierungsvorrichtung 102 abgetastet, um einen
Satz von Koordinateninformationen über die Position der Lokalisierungsspitze
im Lokalisierungsraum R sowie einen entsprechenden Satz von Markenbildlageinformationen
im Scannerraum II abzuleiten.
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Nach
dem Abbilden des Phantoms in Schritt 150, wird in Schritt 152 die
erste Marke abgetastet. Um die erste Marke abzutasten, muss ein
Servicetechniker zunächst
jede der Marken im Phantomkörper 124 auffinden
und dann auf eine im Wesentlichen wie in 4 gezeigte Weise mit der Kontaktfläche 106 der
Lokalisierungsvorrichtung 103 die im Phantomkörper angeordneten
Marken 122 einzeln berühren.
Während
die Kontaktfläche
jeweils eine der Marken berührt,
wird eine Taste, ein Schalter oder eine andere geeignete Rückmeldevorrichtung
an der Bedienerkonsole 28 betätigt, um in Schritt 154 die
Position der Lokalisierungsvorrichtung im Lokalisierungsraum R abzulesen.
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Die
Position der Lokalisierungsvorrichtung im Lokalisierungsraum R wird
im Wesentlichen auf eine in 7 gezeigte
Weise abgeleitet. In dieser Hinsicht wird nach dem Betätigen des
geeigneten Schaltmechanismus am Bedienpult die Winkelposition jedes
der Gelenke an der mechanischen Armvorrichtung abgefragt, um den
jeweiligen Positionswert zu erhalten. Genauer gesagt wird in Schritt 154 auf
die optischen Positionscodierer von Handgelenk, Unterarm, Ellbogen,
Schulter und Basis zugegriffen, um ihre jeweiligen Codiererzählwerte 170–178 abzurufen.
Die Zählwerte
lassen sich mit Hilfe bekannter Verfahren auf einfache Weise in
Winkelwerte übersetzen.
Mittels Implementierung einer Denavit-Hartenberg-Transformation 180 werden
die verschiedenen Winkel der Anordnung von mechanischen Armelementen
in einen einzelnen Koordinatenpunktwert im Lokalisierungsraum R1 konvertiert. In ähnlicher Form wird die Position
der mit der Marke 140 in Kontakt befindlichen Kontaktfläche 106 im
Scannerraum II 156 abgeleitet. Die Position der Lokalisierungsvorrichtung
im Lokalisierungsraum R und die Position der Marke im Scannerraum
II werden in Schritt 158 in einem temporären Speicher
gespeichert.
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Die
oben beschriebenen Schritte werden für jede der Vielzahl von Marken 122 wiederholt,
die im Körper 124 des
Kalibrierungsphantoms 120 angeordnet sind. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der augenblicklichen Erfindung werden die Schritte achtmal wiederholt,
einmal für
jede Marke.
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Nachdem
jedes der Paare von Lokalisierungsspitzenpositionen im Lokalisierungsraum
R und Markenpositionen im Scannerraum II erfasst wurde, wird an
dem Satz der Lokalisierungsspitzeninformationen im Lokalisierungsraum
R ein Einzelwertzerlegungsvorgang 160 durchgeführt. Auf ähnliche
Weise wird in Schritt 162 eine Einzelwertzerlegung an dem
Satz der Markenpositionen im Scannerraum II vorgenommen. Die Einzel wertzerlegung
des Satzes von Lokalisierungsvorrichtungspositionen im Lokalisierungsraum
führt zu
einem Schwerpunkt 182 im Lokalisierungsraum R. Auf ähnliche
Weise führt
die Einzelwertzerlegung des Satzes von Markenkoordinaten im Scannerraum
zu einem Schwerpunkt 184 im Scannerraum II. In Schritt 164 wird
die Differenz zwischen dem Schwerpunkt im Lokalisierungsraum 182 und
dem Schwerpunkt im Scannerraum 184 berechnet. Die resultierende
Differenz ist ein Lokalisierungsraum-Scannerraum-Vektor 166.
Der Vektor wird an einem geeigneten Speicherort innerhalb der Bildgebungsvorrichtung
gespeichert, um für
die Anzeige von Patientenbilddaten und Bilddaten des mechanischen
Arms auf der Bediener- und Anzeigekonsole 28 Lokalisierungsraumkoordinaten
in Scannerraumkoordinaten zu übersetzen,
wenn der Arm neben dem Patienten auf eine im Wesentlichen wie oben
beschriebene Weise bewegt wird.
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Nun
eingehend auf die 8 und 9 sowie auch Bezug nehmend
auf 1 hat die Bildgebungsvorrichtung 18 eine
oben liegende Trägerführungsschiene 200,
die vorgesehen ist, um die stereotaktische Armvorrichtung 30 und
die Operateur-Steuerkonsole
von oben in einem geeigneten Abstand vom Boden des Scannerraums
zu halten. Entlang eines im Wesentlichen ovalen Schienensystems 204,
das in der bevorzugten Konstruktion starr an der Oberseite des Bildgebungsvorrichtung
wie dargestellt angebracht ist, verfügt die Trägerführungsschiene über eine
Reihe von Rastpositionen 202 für die mechanische Armvorrichtung.
Die Rastpositionen umfassen linke 206, mittlere 208 und
rechte Rastpositionen 210, an denen ein Arretiermechanismus 212 in
die Schiene 204 einrastet, um die mechanische Armvorrichtung
in festgelegten wiederholbaren Positionen entlang der Stirnseite
der Bildgebungsvorrichtung fest zu positionieren. 1 zeigt die mechanische Armvorrichtung
in der Mittelposition 208. 2 zeigt
die mechanische Armvorrichtung 30 und die Operateur-Anzeige-
und -steuerkonsole 28 jeweils in der Parkposition. Gemäß vorliegender
Erfindung hat die Bildgebungsvorrichtung eine Sperrschaltung (nicht
gezeigt), um die Röntgenabbildung
von Proben nur dann zu ermöglichen,
wenn sich die Überkopfvorrichtung
wie in 8 gezeigt in
der Parkposition befindet.
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Näher eingehend
auf 9 beinhaltet der
Arretiermechanismus 212 eine Elektromagnetvorrichtung 214,
die auf Befehle der Bildgebungsvorrichtung reagiert, um einen Raststift 216 gegen
die Kraft eines Federelements 218 aus einer Aufnahmebohrung 220 zu
bewegen, die sich an linken, mittleren und rechten Rastpositionen
entlang der Schiene 204 befinden. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Trägerelement 32 der
mechanischen Armvorrichtung für
die Aufnahme eines Raststifts 216 vorgesehen. Auf diese
Weise wird eine präzise
und wiederholbare Positionierung der mechanischen Armvorrichtung
erzielt. Darüber
hinaus verfügt
die Schiene 204 an jeder, der rechten, der mittleren und
der linken Position über
eine Nockenstößelschiene 222 und
eine hintere Verstärkungsschiene 224.
Die Nockenstößelschiene 222 bietet dem
Träger 32 zusätzlich Unterstützung gegen
das vom Gewicht der mechanischen Armvorrichtung erzeugte Drehmoment.
Die hintere Verstärkungsschiene 224 stellt
sicher, dass der Träger
korrekt auf die drei orthogonalen Achsen der Bildgebungsvorrichtung 18 ausgerichtet
ist. In Verbindung mit dem in 9 dargestellten Arretiermechanismus
ist schließlich
an jeder, der rechten, der mittleren und der linken Position ein
Reedschalter 226 vorgesehen, um ein Signal zu erzeugen,
das von der oben beschriebenen der Sperrsteuerungsschaltung der
Bildgebungsvorrichtung benutzt wird, um die Position des Trägers in
einer der Raststellungen anzuzeigen.
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Um
die mechanische Armvorrichtung von der in
8 dargestellten Parkposition in die in
1 dargestellte Mittelposition
208 zu
bewegen, kann ein Operateur im Betrieb eine geeignete Taste oder
einen Schalter an der Operateur-Steuerkonsole
28 betätigen, woraufhin
die Magnetvorrichtung
214 betätigt wird, um den Raststift
216 aus
der Aufnahmebohrung
220 herauszuziehen. Geeignete Räder, Gleitstücke oder
andere reibungsarme Übergangsflächen zwischen
der Schiene
204 und dem Träger
32 ermöglichen
es, letzteren manuell entlang der Schiene zu bewegen. Gemäß vorliegender
Erfindung ist der Träger
32 jedoch
mittels einer Vielzahl sich gegenüberliegender Präzisionsradelemente
230,
die durch geeignete Präzisionskugellager
oder dergleichen gestützt
werden, verschiebbar mit der Schiene
204 verbunden. Die
Radelemente sind so eingerichtet, dass sie in entsprechende, sich
gegenüberliegende
Präzisionsflächen
232 greifen,
die in der Schiene ausgebildet sind. Text
in der Zeichnung
Figur 3
| Guide
device i. d. circuit | Identifizierungsschaltung
für die
Führungsvorrichtung |
| Look
up table | Verweistabelle |
| Instrument/planning
image correlate | Instrument-Planungsbild-Korrelation |
| Instrument/planning
transform proc. | Instrument-Planung-Transformationsprozessor |
| Planning/real
time transform proc. | Planung-Echtzeit-Transformationsprozessor |
| Video
processor | Videoprozessor |
| Arm
assembly position circuit | Schaltung
für Armvorrichtungsposition |
| Instrument/table
correlate | Instrument-Patiententisch-Korrelation |
| Planning
image transform | Planungsbildtransformation |
| Instrument/patient
correlate | Instrument-Patient-Korrelation |
| Cursor
control | Cursorsteuerung |
| Table
resolvers | Tischdrehmelder |
| Planning
image data memory | Planungsbilddatenspeicher |
| Resolvers | Drehmelder |
| Position
analyser | Positionsanalysierer |
| Real
Time Image Coordinates | Echtzeitbildkoordinaten |
Figur
6
| Image
Phantom | Bildphantom |
| Probe
Marker | Sondenmarke |
| Read
Localizer Device Position | Positionsbestimmung
der Lokalisierungsvorrichtung |
| Retrieve
Marker Image Position | Abrufen
von Marke #N Bildposition |
| Store
Pair | Datenpaar
speichern |
| Localizer
Space To Scanner Space | Vector
Lokalisierungsraum-zu-Scannerraum-Vektor |
Figur
7
| 8 Localizer
Touch Points | 8
Lokalisiererkontaktstellen |
| Wrist | Handgelenk |
| Forearm | Unterarm |
| Elbow | Ellbogen |
| Shoulder | Schulter |
| Base | Basis |
| D-H-Transform | D-H-Transformation |
| Single
Value Decomposition | Einzelwertzerlegung |
| Centroid | Schwerpunkt |
| Localizer
Space To Scanner Space Vector | Lokalisierungsraum-zu-Scannerraum-Vektor |
| 8 Image
Volume Touch Points | 8
Bildvolumenkontaktstellen |