WO1999002100A1 - Koordinatenführungs- und referenzpositioniersystem - Google Patents

Koordinatenführungs- und referenzpositioniersystem Download PDF

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WO1999002100A1
WO1999002100A1 PCT/EP1998/004195 EP9804195W WO9902100A1 WO 1999002100 A1 WO1999002100 A1 WO 1999002100A1 EP 9804195 W EP9804195 W EP 9804195W WO 9902100 A1 WO9902100 A1 WO 9902100A1
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organism
instruments
examination
coordinate
treatment
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PCT/EP1998/004195
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Wolfram Müller
Reinhard Graf
Kurt Lercher
Johann Leban
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Mueller Wolfram
Reinhard Graf
Kurt Lercher
Johann Leban
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/04—Positioning of patients; Tiltable beds or the like
    • A61B6/0407—Supports, e.g. tables or beds, for the body or parts of the body
    • A61B6/0421—Supports, e.g. tables or beds, for the body or parts of the body with immobilising means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/04—Positioning of patients; Tiltable beds or the like
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/10—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges for stereotaxic surgery, e.g. frame-based stereotaxis

Definitions

  • the invention is a device for improving and simplifying examination and treatment methods, which are carried out according to a standardized scheme, the organism being positioned with the aid of a mechanical holder. This positioning can also be restricted to parts of the organism.
  • the term organism means both the entire organism or even parts of it. It makes no difference whether the organism is alive or not.
  • the organisms can be humans, animals or plants. Any device that allows it can serve as a mechanical holder to fix the organism in such a way that a coordinate reference system is determined on the basis of the defined position of the organism or parts of it.
  • Parts of the organism can also be understood as inner areas of the organism, which have been exposed during an operation, for example directions can be rigid connections to the organism or parts of it (e.g. to bones) or
  • Positioning shells that are adapted to external shapes or positioning cushions that have padded or air-filled chambers or combinations of rigid connections and / or positioning shells and / or positioning cushions.
  • external physical fields e.g. electrical or magnetic fields, current fields, etc.
  • the totality of these mounting devices, which define a reference coordinate system through these forced positioning of the organism, is shown in hereinafter referred to as the reference positioning system.
  • the reference coordinate system can refer to the levels and directions that are common in medicine and biology (see e.g.
  • Examination instruments are all devices used in medicine, veterinary medicine, biology, botany and agriculture to record anatomical, motor, physiological, psychological, physical, chemical and biochemical properties of the organism
  • veterinary medicine, biology, botany and agriculture used devices with the help of surgical, orthopedic, physiological, psychological, physical, chemi chemical or biochemical effects on the organism can be achieved
  • a coordinate guide device is used for the precise and defined guidance of examination and / or treatment instruments relative to the reference coordinate system, the position and / or orientation assignment to the organism being ensured by a mechanical connection with the reference positioning system. Individual or multiple degrees of freedom of the guide guard can be blocked, so that only the trajectories and / or direction settings specified thereby can be run through if an examination or treatment procedure requires this.
  • the number of degrees of freedom can also be greater than 6 if this makes the handling of the examination and / or treatment instruments easier, for example be expedient to use 3 Cartesian coordinates and 3 directions of orientation to define a starting point for an examination or treatment procedure and by further degrees of freedom, for example with With the help of flat polar coordinates, the examination and treatment instruments can be guided along these additional degrees of freedom.
  • the guidance system with Cartesian coordinates and the orientation directions can be blocked after reaching the starting position and starting orientation All systems come as coordinate systems for the guidance guideline, that is, in addition to Cartesian and non-orthogonal and curvilinear coordinate systems, in question All conceivable trajectories and directions for the guidance of the treatment and examination instruments relative to the anatomical shape of the organism can be realized.
  • the given freedom of movement allows manual guidance of the instruments only in the permitted paths relative to the reference coordinate system or also permits them electronically Controlled guidance of the instruments with the help of electro-mechanical or hydraulic or pneumatic elements.
  • position and orientation ngssensoren of various types also enables the controlled movement control and the registration and logging of the movement sequences and the positions.
  • the reference coordinate system is already defined in advance by the shape of the reference positioning system adapted to the organism and no issuing procedure or other technical devices are required for the assignment from the position and orientation coordinates of the instruments to the reference system and thus to the anatomical shape of the organism.
  • This is a decisive advantage over other coordinate guidance systems that have already been made known to the public, which require greater technical effort for coordinate assignment and thus lead to more costly examination and / or treatment procedures
  • the reference positioning system described here and the coordinate guidance system coupled to it are easy to use and require no technical requirements cal maintenance or calibration work In various examination and / or treatment procedures, only the mechanical holder for the respective organism is used and the freedom of movement of the coordinate guidance system is determined according to the task.
  • the dimensions of the reference positioning system used and the 75 coordinate guidance systems are selected according to the size of the organisms to be examined or treated and can vary from the micrometer range for cells and cell organelles to the meter range for very large organisms. Ease of use is particularly important in series and screening examinations
  • the device can be used advantageously not only in medicine but also in many other areas in which organisms are examined or treated in a defined position
  • Sonographic examination methods have several advantages over other imaging methods: Wide availability of the devices, since sonography devices are relatively inexpensive to obtain in comparison with computer tomographs and no burden on the organisms
  • FIGS. 1 and 2 demonstrates the angular distortion due to sound propagation time differences in tissue G2 with a speed of sound c *, that of the speed c 0 in tissue G1 (with which the sonography device
  • FIGS. 1 and 2 in a simplified schematic correspond to the problems in sonography of the infant hip (R. Graf, C. Tschauner: Sonography of the Infant Hip. Radiologie (1994) 34: 30-38). There are also wrong ones
  • Avoiding or minimizing artifacts is essential for visual assessment essential and essential for the acquisition of diagnostically important measurement values. Such examination and measurement artifacts, which can lead to serious incorrect treatment, are known from medical practice.These artifacts can be eliminated or minimized through a defined guidance of the sound transducers
  • sound transducers can only be activated for those axes and radiation directions that are permitted by a standardized examination procedure.
  • a prerequisite for a successful screening program is the defined positioning of the body with a reference positioning system, which in the case of infant ultrasound is designed as a positioning cushion, with the surfaces made out suitable plastics (see chapter Construction solution)
  • FIG. 3 is a plan view of an exemplary embodiment of a reference positioning and coordinate guidance system with a schematic representation of a positioning cushion for one organism to be examined
  • Treatment conditions correspond to and thus define a reference coordinate system Fig. 4
  • Variant of a reference positioning and coordinate guidance system (dimensions in mm)
  • This exemplary embodiment can be used for the child's hip ultrasound according to Graf if an ultrasound head is used as an instrument.
  • the degrees of freedom in the xy plane are included Help
  • the positioning cushion according to Fig. 5 is mounted on the base plate - Verlag, Stuttgart, 1995), embeds In this example, an air-filled cushion with several chambers is used.
  • the same device can also be used for biopsies in infants if a biopsy instrument is used instead of the ultrasound head.
  • the second examiner can (Assistant) to be replaced by the device.
  • the same device can be used for a variety of treatments and / or exams on child 185. For use in adult patients, the dimensions must be adjusted according to the size and shape.
  • the area of application presented here for an example from human medicine can easily be transferred to the examination or treatment of various organisms.
  • biopsies which are more precise and easier to perform due to the defined storage and fixation with the aid of the device.
  • Cutting directions is recorded i. a. does not appear congruent in the sonographic recordings, the data records recorded with the aid of the device under defined irradiation directions can be used as the starting point for arithmetic reconstruction of the sonographically relevant tissue properties and the true geometry. To avoid ambiguity
  • the innovation enables 215 descriptions of the shape and mechanical properties of the human as well as the animal body and of plants.
  • the usual models in biomechanics (Hanavan, EP, 1964: A Mathematical Model of the Human Body. AMRL Technical Report, TR-64-102; Wright-Patterson Air Force Base, OH) are only roughly adapted to the real conditions and could be significantly refined by the system described here 220 will be
  • the same device - in conjunction with a dynamometer - can also be used to investigate the elastic properties of biomaterials.
  • the degrees of freedom of movement and amplitudes of individual joints can also be determined with this. This also allows the follow-up of rehabilitation measures to restore mobility
  • the device can also be used to study muscular force-time courses in space relative to the reference coordinate system
  • the device can also be constructed in a particularly stable form and can be used as a precisely positionable mounting platform for fastening surgical tools in a defined starting position relative to the body, that is to say relative to the reference coordinate system
  • the coordinate guidance system can be used to carry out examinations or treatments in a defined position relative to the organism
  • treatment methods such as local heat treatment inside the body with the help of therapeutic ultrasound - both the location of the beam entry into the body and the direction of the beam relative to the organism are crucial for successful implementation.
  • Such therapy forms can be optimized, standardized and thus using the device can also be automated or partially automated The same applies to a large number of physiotherapists
  • the reference positioning system is designed in such a way that it meets the required hygienic requirements, it must be easy to wash off and resistant to disinfectants and cleaning agents. Suitable materials are to be found under the item "constructive solution"
  • FIG. 5 shows such an inflatable positioning cushion which was developed for sonographic examination of the hip of children between the ages of zero and 12 months
  • the device presented in this document can also be used advantageously in all releasing procedures which require the body to be immobilized during the exposure time for the image information.
  • the device is excellently suited to help the child's hip
  • An inoculation machine is to be understood as a device that is electronically controlled using mechanical execution elements (electromechanical or magnetic or pneumatic or hydraulic) the required amount of vaccine for the respective organism with a given body mass ( automatic dosing) and injected into the desired body region of the animal
  • the 270 positioning shell can consist of two half-shells, which allow the animal to be fixed quickly
  • Another area of application from agriculture is the taking of samples or the injection of substances into predetermined areas of a fruit or a plant.
  • the fruit or plant can be spatially relative to the shape of the
  • Fruit or plant can be brought to a defined position in order to then be examined or treated at predetermined locations to be enclosed
  • the connection to an assembly line then allows the throughput of large numbers of fruits or plants per time
  • the reference positioning system is implemented constructively in accordance with the respective shape and size and the axes of the organism.
  • the constructive solution of the reference positioning system must be such that the organism or parts of it are in a defined position as the respective one
  • the forces and / or torques required for the positioning of the organism can be transferred to the organism by mechanical elements, by bearing cups and pillows, as well as by field forces of various types, to a predetermined one Forcing the position
  • the field forces can be, for example, electrical, magnetic or caused by current fields
  • Patented storage tray (Pat No. 381 017), but which does not meet the hygienic requirements in medical practice satisfactorily and whose shape is also not optimally adapted to the body shape of the infant.To be able to examine different sized organisms of one type, storage trays are the current dimensions
  • 300 can be adapted, advantageous. This can be achieved, for example, by inflatable plastic sleeves that are shaped according to the surface of the organism to be examined or treated and that give way elastically or can be adapted by varying the internal pressure and thereby retain their form-fitting properties. For the construction of such positioning cushions Different foils and multilayer structures of such foils are used
  • FIG. 5 shows a positioning cushion designed for the sonographic examination of the suckling hoof, in which the principles described above are implemented.
  • the positioning cushion is attached to the base plate in an axis-appropriate manner (see FIGS. 3 and 4)
  • a base plate instead of a base plate, other mechanical support structures (e.g. molded pipes, sheets, etc.) can also be used
  • the examination and / or treatment instruments are guided with the aid of a coordinate guidance system.
  • Cartesian, non-orthogonal ones can be used as the coordinate system
  • curvilinear systems can be implemented constructively in order to optimally meet the respective management requirements.
  • the number of degrees of freedom is implemented constructively according to the question, whereby blocking individual degrees of freedom or blocking parts of an elongation area can be essential for the examination and / or treatment
  • a number of more than 6 degrees of freedom can also be advantageous for practical work
  • the position and orientation of the examination and / or treatment instruments can be registered in every phase of the examination and / or treatment. In the simplest case, this can be done by engraved scales and read by the eye, or by different sensors for paths and angles, which - eg contain electromechanical, magnetic or optical components.
  • the position information from the sensors can be used as analog signals or in
  • 325 digitized form are available and are further processed in order to, for example, distance-time or angle-time
  • acceleration or speed sensors can also be used and the paths can be determined from them by integration
  • the movements along the coordinates can be done manually or by
  • X2CrN ⁇ Mo18 12 3 or X5CrN ⁇ Mo18 12 3 can be used as examples of suitable steels Aluminum alloys
  • Plastics that have the required mechanical and thermal properties and very good chemical resistance can also be used. These plastics pay
  • Polyvinylchloride PVC
  • polypropylene PP
  • polystyrene PS
  • polyesters polycarbonates
  • polyamides Other engineering plastics:
  • POM polybutylene terephthalates
  • PET polyethylene terephthalates
  • polyester ether elastomers TPE-E
  • LCP liquid crystalline polymers
  • COC cycloolefin copolymers
  • PE-UHMW ultra high molecular weight polyethylene
  • multi-layer material compositions can also be used. This also applies to the construction of the plastic skins that are used to implement the positioning cushions. For this, among other things different polyolefins
  • thermoplastic elastomers or natural rubber or synthetic rubber to achieve flexibility.
  • the weight of the movable parts of the guide system is kept small or by counterweights and / or
  • balancer balances the device.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment for guided movements along the x, y and z axes and for rotations which correspond to the angles of rotation ⁇ x , ⁇ y and ⁇ z .
  • the instrument holder is here
  • FIGS. 3 and 4 An exemplary embodiment of an inflatable positioning cushion for the ultrasound of the baby's hip, which meets the medical, measuring and hygienic requirements, is shown in FIG. 5.
  • the positioning cushion is aligned with the axis via the bracket
  • This embodiment of a positioning cushion is characterized in that it consists of an inflatable synthetic skin, the dimensional stability of which is achieved by means of several air chambers and corresponding cuts of the synthetic skin, the positive fit, that is to say the
  • a second y-rail (on the side H,) can improve the accuracy due to the increased stability to eg 10 "4 m or 10 1 deg, despite possibly significantly higher forces associated with surgical work
  • the guidance in the xy plane can also take place through two legs connected by ball-bearing hinge joints, as shown in

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Abstract

Die Innovation dient der Verbesserung und Vereinfachung von Untersuchungs- und/oder Behandlungsverfahren an und in Organismen, die nach einem standardisierten Schema durchgeführt werden. Das Referenzpositioniersystem ist eine Halterung für den Organismus, die derart gestaltet ist, daß eine definierte Positionierung desselben erreicht wird. Durch das dadurch vorgegebene Referenzkoordinatensystem können Untersuchungen und/oder Behandlungen an definierten Orten und/oder Richtungen am und im Organismus durchgeführt werden. Zur präzisen Führung der Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente wird eine Koordinatenführungsvorrichtung verwendet, wobei die Positionszuordnung zum Organismus durch eine mechanische Verbindung mit dem Referenzpositioniersystem gewährleistet ist. Einzelne Freiheitsgrade der Führungsvorrichtung können blockiert werden, so daß nur die dadurch vorgegebenen Trajektorien und Richtungseinstellungen durchlaufen werden können. Als Koordinatensysteme kommen neben kartesischen auch nicht-orthogonale und krummlinige in Frage. Die Dimensionen des jeweils konstruktiv realisierten Referenzpositioniersystems und des damit verbundenen Koordinatenführungssystems werden den Größen der Organismen entsprechend gewählt und können vom Mikrometerbereich bei Zellen und Zellorganellen bis in den Meterbereich bei sehr großen Organismen variieren. Die Innovation erlaubt auch automatisierte oder teilautomatisierte Serien-Untersuchungen und Behandlungen. Die Innovation kann in allen Gebieten, in denen Organismen jeglicher Art behandelt oder untersucht werden, Verwendung finden.

Description

KOORDINATENFÜHRUNGS- UND REFERENZPOSITIONIER SYSTEM
Beschreibung:
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Gerat zur Verbesserung und Vereinfachung von Untersuchungs- und Behandlungsverfahren, die nach einem standardisierten Schema durchgeführt werden, wobei der Organismus mit Hilfe einer mechanischen Halterung definiert positioniert wird Diese Positionierung kann sich auch auf Teile des Organismus beschranken In der weiteren Folge ist unter Organismus sowohl der gesamte Organismus zu verstehen oder auch nur Teile desselben Es macht auch keinen Unterschied, ob der Organismus lebt oder nicht mehr lebt Die Organismen können Menschen, Tiere oder Pflanzen sein Als mechanische Halterung kann jede Vorrichtung dienen, die es gestattet, den Organismus derart zu fixieren, daß ein Koordinatenreferenzsystem aufgrund der definierten Lage des Organismus bzw von Teilen desseioen festgelegt wird Als Teile des Organismus können auch innere Bereiche des Organismus, die z B im Zuge einer Operation freigelegt wurden, verstanden werden Die mechanischen Halterungsvorrichtungen können starre Verbindungen zum Organismus bzw zu Teilen desselben sein (z B zu Knochen) oder
Lagerungsschalen, die an äußere Formen angepaßt sind oder Lagerungskissen, die gepolsterte oder mit Luft gefüllte Kammern haben oder Kombinationen von starren Verbindungen und/oder Lagerungsschalen und/oder Lagerungskissen Es macht für die hier beschriebene Innovation keinen Unterschied, welchen physikalischen Ursprunges die Kräfte sind, die zur Positionierung des Organismus verwendet werden So können auch äußere physikalische Felder, z B elektrische oder magnetische Felder, Stromungsfelder etc , die eine definierte Positionierung des Organismus gestatten, Verwendung finden Die Gesamtheit dieser Halterungsvorπchtungen, die durch diese Zwangspositionierungen des Organismus ein Referenzkoordinatensystem festlegen, wird in der weiteren Folge Referenzpositioniersystem genannt Das Referenzkoordinatensystem kann auf die in der Medizin und Biologie üblichen Ebenen und Richtungsangaben bezogen sein (siehe z B
Pschyrembel, Klinisches Wörterbuch Ebenen des Korpers und Richtungsbezeichnungen) oder auch auf andere anatomisch gegebene Formen und Orientierungen Die definierte Lagerung des Organismus mit Hilfe eines Referenzpositioniersystems erleichtert bzw ermöglicht standardisierte Untersuchungen und/oder Therapien, da dadurch eine definierte Orts- und/oder Orientierungszuordnung von Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumenten möglich wird Als Untersuchungsinstrumente sind sämtliche in der Medizin, Veterinärmedizin, Biologie, Botanik und Landwirtschaft verwendeten Vorrichtungen zur Erfassung anatomischer, motorischer, physiologischer, psychologischer, physikalischer, chemischer und biochemischer Eigenschaften des Organismus zu verstehen Als Behandlungsinstrumente sind sämtliche in der Medizin, Veterinärmedizin, Biologie, Botanik und Landwirtschaft verwendeten Vorrichtungen zu verstehen, mit deren Hilfe chirurgische, orthopädische, physiologische, psychologische, physikalische, chemische oder biochemische Wirkungen auf den Organismus erzielt werden können Zur präzisen und definierten Fuhrung von Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumenten relativ zum Referenzkoordinatensystem wird eine Koordinatenfuhrungsvorπchtung verwendet, wobei die Positions- und/oder Orientierungszuordnung zum Organismus durch eine mechanische Verbindung mit dem Referenzpositioniersystem gewahrleistet ist Einzelne oder mehrere Freiheitsgrade der Fuhrungsvornchtung können blockiert werden, sodaß nur die dadurch vorgegebenen Trajektorien und/oder Richtungseinstellungen durchlaufen werden können, wenn ein Untersuchungs- oder Behandlungsverfahren dies erfordert Die Zahl der Freiheitsgrade kann auch großer als 6 sein, wenn dadurch die Handhabung der Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente erleichtert wird So kann es zum Beispiel zweckmäßig sein, mit Hilfe von 3 kartesischen Koordinaten und von 3 Orientierungsrichtungen eine Ausgangslage für ein Untersuchungs- oder Behandlungsverfahren zu definieren und durch weitere Freiheitsgrade, beispielsweise mit Hilfe von ebenen Polarkoordinaten, die Untersuchungs- bzw Behandlungsinstrumente entlang dieser zusätzlichen Freiheitsgrade zu fuhren Das Fuhrungssystem mit kartesischen Koordinaten und den Orientierungsrichtungen kann nach Erreichen der Ausgangsposition und Ausgangsorientierung blockiert werden Als Koordinatensysteme für die Fuhrungsvornchtung kommen sämtliche Systeme, das heißt neben kartesischen auch nicht-orthogonale und krummlinige Koordinatensysteme, in Frage Damit sind sämtliche denkbaren Trajektorien und Richtungen für die Fuhrung der Behandlungs- und Untersuchungsinstrumente relativ zur anatomischen Form des Organismus realisierbar Die vorgegebenen Bewegungsfreiheiten erlauben eine manuelle Fuhrung der Instrumente nur in den erlaubten Bahnen relativ zum Referenzkoordinatensystem bzw gestatten auch eine elektronisch gesteuerte Fuhrung der Instrumente mit Hilfe elektro-mechanischer oder hydraulischer oder pneumatischer Elemente Die Verwendung von Positions- und Orientierungssensoren verschiedenster Bauarten ermöglicht auch die geregelt durchgeführte Bewegungsfuhrung und die Registrierung und Protokol erung der Bewegungsabläufe und der Positionen Auch hierbei ist das Referenzkoordinatensystem durch die an den Organismus angepaßte Form des Referenzpositioniersystems bereits vorweg definiert und es bedarf keines begebenden Verfahrens oder sonstiger technischer Einrichtungen für die Zuordnung von Lage- und Orientierungskoordinaten der Instrumente zum Referenzsystem und damit zur anatomischen Form des Organismus Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber anderen, der Öffentlichkeit bereits zuvor bekanntgemachten Koordinatenfuhrungssystemen, die größeren technischen Aufwand für die Koordinatenzuordnung erfordern und damit zu kostenintensiveren Untersuchungs- und/oder Behandlungsverfahren fuhren Das hier beschriebene Referenzpositioniersystem und das daran gekoppelte Koordinatenfuhrungssystem ist einfach zu bedienen und erfordert keinerlei technische Wartung oder Kalibnerungsarbeiten Bei verschiedenen Untersuchungs- und/oder Behandlungsverfahren wird lediglich die mechanische Halterung für den jeweiligen Organismus eingesetzt und die Bewegungsfreiheit des Koordinatenfuhrungssystems der Aufgabe entsprechend festgelegt Die Dimensionen des jeweils verwendeten Referenzpositioniersystems und des 75 Koordinatenfuhrungssystems werden den Großen der zu untersuchenden oder zu behandelnden Organismen entsprechend gewählt und können vom Mikrometerbereich bei Zellen und Zellorganellen bis in den Meterbereich für sehr große Organismen variieren Die einfache Bedienbarkeit ist insbesondere bei Serien- und Screeninguntersuchungen entscheidend
so Stand der Technik:
In mehreren der Öffentlichkeit vor dem Pπoπtatstag der Anmeldung zugänglich gemachten Materialien (WO 91/04711 A1 , WO 88/09151 A1 , EP 427 358 A1 , WO 94/13205 A1 , WO 96/25881 A1 , EP 326 768 A2, DE 39 08 648 A) werden Systeme beschrieben, mit deren Hilfe medizinische Untersuchungsund/oder Behandlungsinstrumente gefuhrt werden und/oder die Position dieser Instrumente wahrend es Behandlungen registriert werden kann Diese Vorrichtungen sind für den Einsatz im humanmedizinischen Bereich konzipiert Im Gegensatz zu der hier beschriebenen Innovation erfordern diese zuvor beschriebenen Gerate technisch aufwendige Vorkehrungen für die Zuordnung der Orts- und Oπentierungslage der jeweiligen Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente zu gegebenen Strukturen im oder am Korper eines Patienten Es werden verschiedene bildgebende und so computerunterstutzte Verfahren für die Koordinatenzuordnung eingesetzt
In den Patentschriften WO 96/25881 A1 und DE 3908648A wιrd als bildgebendes Verfahren die Sonografie eingesetzt, wobei nicht berücksichtigt wird, daß durch die bekannten Bild- und Verzerrungsartefakte bei diesem Verfahren gravierende Kalibnerungsfehler auftreten können Die hier vorgestellte Innovation kann dagegen, wie nachfolgend näher erläutert wird, dazu verwendet werden,
95 um sonografische Verzerrungsartefakte zu vermeiden oder zu minimieren In der hier vorgestellten Innovation wird von einer vorweg durch das Referenzpositioniersystem definierten Organismuslage ausgegangen, wodurch eine Koordinaten- und Orientierungszuordnung der Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente ohne bildgebende Verfahren möglich ist
Die Verwendung von begebenden Verfahren mit Hilfe ionisierender Strahlen für Zwecke der
100 Koordinatenzuordnung haben neben dem hohen technischen Aufwand und den damit verbundenen Kosten den Nachteil der Strahlenbelastung des Patienten und scheiden daher für viele Aufgabenstellungen, insbesondere für Serienuntersuchungen (Screening Programme) aus Überhaupt ist es im Sinne der strahlenschutzgesetz chen Bestimmungen aller Lander und der Empfehlungen der ICRP (Int Commission for Radiation Protection) die ionisierende Strahlung durch andere Verfahren zu
105 ersetzen, wo immer dies möglich ist
Aufgrund der technisch einfachen Realisierungsmog chkeiten der hier beschriebenen Innovation, ist die Vorrichtung nicht nur in der Medizin sondern auch in vielen anderen Bereichen, in denen Organismen in definierter Position untersucht oder behandelt werden, vorteilhaft einsetzbar Beschreibung eines Anwendungsbeispieles:
110 Standardisiertes Screening der Säuglingshüfte.
Sonografische Untersuchungsverfahren haben mehrere Vorteile gegenüber anderen bildgebenden Verfahren: Breite Verfügbarkeit der Geräte, da Sonografiegeräte im Vergleich mit Computertomographen relativ preisgünstig zu erhalten sind und keine Belastung der Organismen mit
115 ionisierender Strahlung erfolgt. Weiters ist die Bildfolge hoch genug, um Bewegungen in Echtzeit studieren zu können. Besondere Beachtung muß bei sonografischen Diagnoseverfahren aber den Bildartefakten geschenkt werden, wenn Fehldiagnosen vermieden werden sollen. Die hier näher beschriebene Vorrichtung für das Hüftscreening der Säuglinge dient der Vermeidung bzw. Minimierung von sonografischen Verzerrungen, die durch Brechungs- und Laufzeitartefakte bedingt
120 sind. Solche Verzerrungen können auftreten, wenn entweder die Schnittebene oder die Orientierung des Ultraschallwandlers innerhalb der vorgeschriebenen Ebene in ungeeigneter Weise gewählt wird (Verkippung des Schallwandlers). Das ist in Fig. 1 und 2 schematisch gezeigt. Fig. 1 demonstriert die Winkelverzeichnung aufgrund von Schallaufzeitunterschieden im Gewebe G2 mit einer Schallgeschwindigkeit c*, die von der Geschwindigkeit c0 im Gewebe G1 (mit der das Sonografiegerät
125 rechnet) abweicht. Im Beispiel wurde c* = 2c0 gewählt. S1 und S2 sind zwei verschiedene Positionen des Schallkopfes. Dieses Beispiel zeigt eine ausgeprägte Verdrehung der Geraden g im Sonogramm , das der Schallkopfposition S2 entspricht. Dieser Winkelfehler tritt bei günstiger Wahl des Schallkopfes ( S1) nicht auf, in diesem Fall ist die sonografisch dargestellte Gerade g1 identisch mit der darzustellenden Geraden g.
130 Bei nicht orthogonalem Durchtritt des Schallstrahles durch die Grenzfläche zweier aneinander grenzender Gewebe ( G1 und G2 in Fig.2) mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten (c0 und c* in Fig. 2) tritt zusätzlich noch Brechung nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz auf. Dies ist in Fig. 2 schematisch gezeigt. Sowohl bei Fig.1 wie auch bei 2 kann durch günstige Wahl der Position des Schallgebers (Schallkopf
135 S1) die Verzeichnung vermieden werden (g., ≡ g und h-, ≡ h) wogegen bei ungünstiger Plazierung (Schallkopf S2) eine ausgeprägte Verdrehung der Lage der Geraden im Sonografiebild entstehen kann (g2 ≠ g und h2 ≠ h). Die in Fig. 1 und Fig. 2 in vereinfachter Schematik dargestellten Verhältnisse entsprechen den Problemstellungen bei der Sonografie der Säuglingshüfte (R. Graf, C. Tschauner: Sonografie der Säuglingshüfte. Radiologie (1994) 34: 30-38). Auch dort kommt es zu falschen
140 Darstellungen von diagnostisch wichtigen Winkeln, wenn die Position des Schallkopfes ungünstig gewählt wird. Solche ungünstigen Positionen des Schallkopfes können durch geeignete Positionierung des Kindes und Limitierung der Freiheitsgrade für das Schallkopfführungssystem vermieden bzw. minimiert werden. Situationen, die diesen Modellfällen entsprechen, treten bei allen sonografischen Untersuchungen auf, bei denen Gewebe mit unterschiedlichen Schalleitungsgeschwindigkeiten
145 durchstrahlt werden. Artefakte zu vermeiden oder zu minimieren ist für die visuelle Befundung wesentlich und für die Gewinnung diagnostisch wichtiger Meßwerte unerläßlich Solche Untersuchungs- und Meßartefakte, die zu gravierenden Fehlbehandlungen fuhren können, sind aus der medizinischen Praxis bekannt Durch eine definierte Fuhrung der Schallwandler können diese Artefakte eliminiert bzw minimiert werden Für diese Anwendung ist die Bewegungsfreiheit für den
150 Schallwandler nur für jene Achsen und Einstrahlrichtungen freizuschalten, die durch ein standardisiertes Untersuchungsverfahren zulassig sind Voraussetzung für ein erfolgreiches Screening-Programm ist die definierte Positionierung des Korpers mit einem Referenzpositioniersystem, das im Falle der Huftsonografie des Säuglings als Positionierkissen ausgeführt ist, wobei die Oberflachen aus geeigneten Kunststoffen ( siehe Kapitel Konstruktive Losung) gefertigt sind
155 Literatur zur Huftsonografie des Säuglings
R Graf, R Soldner Zum Problem der Winkelmeßfehler bei der Huftsonografie durch Linear- und Sektorscanner Ultraschall Klin Prax (1989) 4 177-182
R Graf Probleme und Fehlerquellen bei der Huftsonografie Gynakol Praxis 20, 223-231 (1996) R Graf Hip Sonography - How Re able Clinical Orthopaedics 281 , (1992)
160 Im Falle der Sauglingshuftsonografie sind bei korrekter Positionierung des Säuglings, nur
Bewegungen entlang der 3 Raumachsen sowie die Drehung um die z-Achse erlaubt (vergl mit oben zitierter Literatur von R Graf) Die nicht erlaubten Verkippungen des Schallgebers werden in diesem Fall durch Blockierung der weiteren Drehachsen verhindert bzw wird für dieses Anwendungsbeispiel ein Koordinatenfuhrungssystem, das für nur 3 Linear- und einen Rotationsfreiheitsgrad konzipiert
165 wurde, verwendet Zwei Konstruktionsbeispiele sind in Fig 3 und 4 dargestellt, die in Verbindung mit dem Positionierkissen in Fig 5 eine wesentliche Erleichterung und Verbesserung der Untersuchung der Sauglingshufte ermöglichen Fig 3 Schragriß eines Ausfuhrungsbeispiels eines Referenzpositionier- und Koordinatenfuhrungssystems mit schematischer Darstellung eines Lagerungskissens für einen zu untersuchenden Organismus Die Halterungsvorrichtung für den
170 Organismus erzwingt eine definierte Positionierung, die den Untersuchungs- und oder
Behandlungsgegebenheiten entspricht und legt damit ein Referenzkoordinatensystem fest Fig 4 Variante eines Referenzpositionier- und Koordinatenfuhrungssystems (Maße in mm) Dieses Ausfuhrungsbeispiel ist für die Huftsonografie des Kindes nach Graf einsetzbar, wenn als Instrument ein Ultraschallkopf eingesetzt ist Hier sind die Bewegungsfreiheitsgrade in der x-y-Ebene mit Hilfe
175 eines mit zwei kugelgelagerten Scharniergelenken befestigten Armes realisiert Für die
Referenzpositionierung im Falle der Sauglingshuftuntersuchung wird das Lagerungskissen nach Fig 5 auf der Grundplatte montiert Die Fig 5 zeigt den Grund- und Aufriß einer Positionierhalterung für das Kleinkind, die das Kind entsprechend der standardisierten Positionsvorgabe nach Graf (R Graf Kursus der Huftsonografie beim Säugling, G Fischer- Verlag, Stuttgart, 1995), einbettet In diesem ιβo Ausfuhrungsbeispiel wird ein luftgefulltes Kissen mit mehreren Kammern verwendet Dieselbe Vorrichtung kann auch für Biopsien bei Säuglingen verwendet werden, wenn anstelle des Ultraschallkopfes ein Biopsieinstrument eingesetzt wird In diesem Falle kann der zweite Untersucher ( Assistent) durch die Vorrichtung ersetzt werden. Durch Ersatz dieser Instrumente durch andere ist dieselbe Vorrichtung für eine Vielzahl von Behandlungen und/oder Untersuchungen am Kind 185 verwendbar. Für den Einsatz bei Erwachsenen Patienten sind die Dimensionen entsprechend der Größe und Form anzupassen. Der hier für ein Beispiel aus der Humanmedizin vorgeführte Einsatzbereich ist leicht auf die Untersuchung oder Behandlung verschiedenster Organismen übertragbar.
190 Weitere Anwendungsbeispiele:
Für andere Fragestellungen werden andere relevante Freiheitsgrade oder Auslenkungsbereiche blockiert oder bereits beim Aufbau der Vorrichtung als entsprechende Zwangsführung konzipiert. Solche Anwendungen können z. B. auch bei der ultraschallgeführten Punktion wesentlich sein, um durch geeignete Positionierung des Transducers die durch Brechung
195 bedingten Mißweisungen der Ultraschallbilddarstellung zu reduzieren. Ein anderes Anwendungsgebiet sind Biopsien, die durch die definierte Lagerung und Fixierung mit Hilfe der Vorrichtung exakter und leichter ausführbar sind. Auch bei der Datenerfassung für 3-dimensionale Ultraschallbilder ist die Kenntnis der Raumlage des Ultraschallwandlers in jedem Moment erforderlich, um die Pixel der Schnittbildebene auf die Voxel des Datenquaders zu übertragen. Da die Geometrie der untersuchten
200 Objekte im Organismus bei inhomogener Gewebebeschichtung, wenn aus verschiedenen
Schnittrichtungen aufgenommen wird i. a. nicht deckungsgleich in den sonografischen Aufnahmen erscheint, können die mit Hilfe der Vorrichtung unter definierten Einstrahlrichtungen aufgenommenen Datensätze als Ausgangspunkt für rechnerische Rekonstruktion der sonografisch relevanten Gewebeeigenschaften und der wahren Geometrie verwendet werden. Zur Vermeidung mehrdeutiger
205 Abbildungen können jene Einstrahlrichtungen, die zu nicht zu akzeptierenden Verzerrungen führen, von vorne herein vermieden werden.
Bei anderen Untersuchungsverfahren wie zum Beispiel bei Vielkanal-EKG-Studien (Body Surface Potential Mapping) oder bei elektromyografischen Untersuchungen ist die örtliche Vermessung der Elektroden an der Körperoberfläche Voraussetzung für die anschließende
210 computerunterstützte Berechnung der elektrischen Vorgänge im Herzen bzw. in der
Skelettmuskulatur. Die Innovation, verbunden mit der Möglichkeit einer Erfassung (z. B. elektro- mechanisch, elektronisch, oder optoelektronisch) und Speicherung der Lagekoordinaten bei definierter Position des Körpers stellt ein adäquates Mittel für die Lösung dieser Aufgabe dar.
Auch anthropometrische Untersuchungen und damit in weiterer Folge physikalische
215 Beschreibungen der Form und der mechanischen Eigenschaften des menschlichen aber auch des tierischen Körpers sowie von Pflanzen erlaubt die Innovation. Die üblichen Modelle in der Biomechanik (Hanavan, E. P., 1964: A Mathematical Model of the Human Body. AMRL Technical Report, TR-64-102; Wright-Patterson Air Force Base, OH) sind nur in grober Näherung an die realen Verhältnisse angepaßt und könnten durch das hier beschriebene System wesentlich verfeinert 220 werden
Dieselbe Vorrichtung kann - in Verbindung mit einem Dynamometer - auch verwendet werden, um elastische Eigenschaften von Biomateria en zu untersuchen Auch die Bewegungsfreiheitsgrade und Amplituden einzelner Gelenke können damit bestimmt werden Das gestattet auch die Verlaufskontrolle von Rehabi tationsmaßnahmen zur Wiederherstellung der Beweglichkeit nach
225 Verletzungen in operationalisierbarer Weise Die Vorrichtung kann auch dazu dienen, um muskuläre Kraft-Zeitverlaufe im Raum relativ zum Referenzkoordinatensystem zu studieren
Die Vorrichtung kann auch in besonders stabiler Form aufgebaut werden und als präzise positionierbare Montageplattform für die Befestigung von chirurgischen Werkzeugen bei definierter Ausgangslage relativ zum Korper , d h relativ zum Referenzkoordinatensystem, verwendet werden
230 Bei vielen chirurgischen Eingriffen sind mechanische Tätigkeiten zu verrichten (Bohren, Fräsen, Sagen, Schneiden, etc ), die zum Teil beträchtlichen Kraftaufwand bei gleichzeitig hoher Genauigkeit erfordern Aufgrund der Fixierung des Korpers mit Hilfe des Referenzpositioniersystems können Kräfte und Momente über das Koordinatenfuhrungssystem auf den Korper übertragen werden Dies bringt wesentliche Erleichterungen bei gleichzeitiger Verbesserung der Genauigkeit mit sich Auch
235 für die Fuhrung von Laserstrahlen kann das Koordinatenfuhrungssystem verwendet werden, um Untersuchungen oder Behandlungen, bei definierter Lage relativ zum Organismus durchzufuhren
Bei vielen Behandlungsformen (Medizin, Veterinärmedizin), z B bei Phototherapien mit Hilfe von karzinomsuchenden und phototoxischen Substanzen wie Porphyrin, ist die Behandlung in gezielter Weise auf bestimmte Areale der Korperoberflache zu begrenzen Bei anderen
240 Behandlungsverfahren - etwa der lokalen Wärmebehandlung im Korperinneren mit Hilfe von therapeutischem Ultraschall - sind sowohl der Ort des Strahleintrittes in den Korper als auch die Richtung des Strahles relativ zum Organismus entscheidend für die erfolgreiche Durchfuhrung Solche Therapieformen können mit Hilfe der Vorrichtung optimiert, standardisiert und damit auch automatisiert oder teilautomatisiert werden Dasselbe gilt für eine große Zahl physiotherapeutischer
245 Behandlungsformen
Für Einsätze im medizinischen und veterinärmedizinischen Bereich wird das Referenzpositioniersystem so ausgeführt, daß es den erforderlichen hygienischen Ansprüchen genügt, es muß leicht abwaschbar sein und resistent gegenüber Desinfektionssubstanzen und Reinigungsmitteln Unter dem Punkt „Konstruktive Losung" sind geeignete Materialien zur Erfüllung
250 dieser Vorgaben angeführt Die Fig 5 zeigt ein solches, aufblasbares Positionierkissen, das für die sonografische Huftuntersuchung von Kindern zwischen Null und 12 Monaten entwickelt wurde
Die in dieser Schrift vorgestellte Vorrichtung ist auch bei allen begebenden Verfahren, die eine Ruhigstellung des Korpers wahrend der Aufnahmezeit für die Bildinformation erfordern, vorteilhaft einsetzbar So zum Beispiel ist die Vorrichtung hervorragend geeignet, um die kindliche Hüfte mit Hilfe
255 des MR (magnetic resonance imaging) - Verfahrens zu untersuchen Hier kann die Narkotisierung des Säuglings entfallen Dies ist ein wesentlicher Fortschritt bei dieser Untersuchung Für die Veterinärmedizin und Aufgabenstellungen aus dem landwirtschaftlichen Bereich ergeben sich Anwendungen, für die das Referenzpositionier- und Koordinatenfuhrungssystem den jeweiligen Organismen und Fragestellungen angepaßt wird Ein Beispiel dafür ist ein Referenzpositioniersystem,
260 das die Durchfuhrung von Serienimpfungen an großen Zahlen von Tieren wesentlich erleichtert, weil die Tiere durch die dafür ausgelegte Positionierhalterung maschinell an den vorgesehenen Korperstellen und mit einer definierten Richtung des Stiches der Nadel geimpft werden können Für diese Anwendung kann eine aus geeigneten Metallen oder Kunststoffen (siehe konstruktive Losung) gefertigte Lagerungsschale verwendet werden, die das Tier relativ zur Richtung der Nadelfuhrung
265 definiert fixiert und z B mittels Fließband an einem Impfautomaten vorbeifuhrt Unter Impfautomat ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, die elektronisch gesteuert unter Verwendung von mechanischen Ausfuhrungselementen (elektromechanisch oder magnetisch oder pneumatisch oder hydraulisch) die erforderliche Menge Impfstoff für den jeweiligen Organismus bei gegebener Korpermasse (automatische Dosierung) ansaugt und in die gewünschte Körperregion des Tieres injiziert Die
270 Lagerungsschale kann bei dieser Anwendung aus zwei Halbschalen bestehen, die eine rasche Fixierung des Tieres ermöglichen
Ein anderer Anwendungsbereich aus der Landwirtschaft ist die Entnahme von Proben oder die Injizierung von Substanzen in vorgegebene Bereiche einer Frucht oder einer Pflanze Hierfür kann die Frucht oder Pflanze mittels des Referenzpositioniersystems in eine räumlich relativ zur Form der
275 Frucht oder Pflanze definierte Position gebracht werden, um dann an vorgegebenen Stellen untersucht oder behandelt zu werden Die Positionierung kann z B mit Lagerungshalbschalen erfolgen, die z B mechanisch, opto-elektronisch oder magnetisch oder hydraulisch oder pneumatisch gesteuert zusammenklappen, um die Frucht oder Pflanze zu umschließen Die Ankopplung an ein Fließband erlaubt dann den Durchsatz großer Zahlen von Fruchten oder Pflanzen pro Zeit
280
Konstruktive Lösung
Das Referenzpositioniersystem wird der jeweiligen Form und Große und den Achsen des Organismus entsprechend konstruktiv realisiert Die konstruktive Losung des Referenzpositioniersystems muß derart sein, daß der Organismus oder Teile desselben in definierter Position, wie es die jeweilige
285 Problemstellung erfordert, für Untersuchungs- und/oder Behandlungszwecke fixiert wird Die für die Positionierung des Organismus erforderlichen Kräfte und/oder Drehmomente können durch mechanische Elemente, durch Lagerungsschalen- und Lagerungskissen, sowie durch Feldkräfte verschiedener Art auf den Organismus übertragen werden, um eine vorgegebene Lage zu erzwingen Die Feldkrafte können z B elektrische, magnetische oder durch Stromungsfelder hervorgerufene
290 Kräfte sein Die Halterungsvorrichtung für den Organismus muß den hygienischen Erfordernissen gerecht werden
Glatte, abwaschbare Oberflachen, die auch Desinfektionsprozeduren mit Desinfektions-, organischen und anorganischen Reinigungsmitteln standhalten, sind für Einsätze im human- und Veterinär- medizinischen Bereich erforderlich und auch gesetzlich vorgeschrieben Geeignete Materialien sind
295 weiter hinten angeführt Für Zwecke der Huftsonografie des Säuglings existiert eine in Österreich
* patentierte Lagerungsschale (Pat Nr 381 017), die aber den hygienischen Erfordernissen im medizinischen Praxisbetrieb nicht zufriedenstellend entspricht und auch in ihrer Formgebung nicht optimal an die Korperform des Säuglings angepaßt ist Um verschieden große Organismen eines Typs untersuchen zu können, sind Lagerungsschalen, die den jeweilig aktuellen Dimensionen
300 angepaßt werden können, vorteilhaft Das laßt sich z B durch aufblasbare Kunststoffhullen erreichen, die entsprechend der Oberflache des zu untersuchenden oder behandelnden Organismus geformt sind und elastisch nachgeben bzw durch Variation des Innendrucks angepaßt werden können und dabei ihre Formschlussigkeit bewahren Für den Aufbau derartiger Positionierkissen können verschiedene Folien und mehrschichtige Aufbauten solcher Folien Verwendung finden Durch
305 Druckvariationen in verschiedenen Kammern solcher Positionierkissen können auch definierte Lageanderungen des Organismus hervorgerufen werden
Als Beispiel zeigt Fig 5 ein für die sonografische Untersuchung der Sauglingshufte ausgelegtes Positionierkissen, bei dem die oben beschriebenen Prinzipien verwirklicht sind Das Positionierkissen wird in achsengerechter Weise auf der Grundplatte (vergl Fig 3 und 4) befestigt
310 Anstelle einer Grundplatte können auch andere mechanische Tragerkonstruktionen (z B Formrohre, Bleche, etc ) Verwendung finden
Ausgehend vom Referenzkoordinatensystem, das durch das Referenzpositioniersystem fest gelegt ist, werden die Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente mit Hilfe eines Koordinatenfuhrungssystems gefuhrt Als Koordinatensystem können kartesische, nicht-orthogonale
315 und krummlinige Systeme konstruktiv realisiert werden, um den jeweiligen Fuhrungsvorgaben optimal gerecht zu werden Die Zahl der Freiheitsgrade wird der Fragestellung entsprechend konstruktiv realisiert, wobei eine Blockierung einzelner Freiheitsgrade oder eine Blockierung von Teilen eines Elongationsbereiches für die Untersuchung und/oder Behandlung wesentlich sein kann Umgekehrt kann auch eine Anzahl von mehr als 6 Freiheitsgraden für das praktische Arbeiten vorteilhaft sein Die
320 Position und Orientierung der Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente kann in jeder Phase der Untersuchung und/oder Behandlung registriert werden Dies kann im einfachsten Fall durch eingravierte Skalen erfolgen und mit dem Auge abgelesen werden, oder auch durch verschiedene Sensoren für Wege und Winkel erfolgen, die - z B elektromechanische, magnetische oder optische Komponenten enthalten Die Lageinformationen von den Sensoren können als Analogsignale oder in
325 digitalisierter Form vorliegen und weiterverarbeitet werden, um z B Weg-Zeit- bzw Winkel-Zeit-
Diagramme zu erstellen oder um Geschwindigkeiten und Beschleunigungen durch Differentiation nach der Zeit zu ermitteln Umgekehrt können auch Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssensoren verwendet werden und daraus die Wege durch Integration ermittelt werden
Die Bewegungen entlang der Koordinaten können manuell durchgeführt werden oder durch
330 verschiedene Antriebsformen (z B elektromechanisch) erfolgen Damit wird auch die Steuerung oder - in Verbindung mit den Positionssensoren - eine Regelung der Bewegung möglich Damit ergibt sich ein Einsatzbereich für automatisierte oder teilautomatisierte Untersuchungen bzw Behandlungen
Durch geeignete Dimensionierung der Linearfuhrungen, der Drehlager und der statisch entscheidenden Konstruktionselemente kann die Präzision der Vorrichtung der jeweiligen
335 Fragestellung angepaßt werden Um den statischen und/oder dynamischen Anforderungen gerecht zu werden, können z b Formrohre, Bleche, Rohre oder Profile aus Metall oder Kunststoff verwendet werden Eine mechanische Genauigkeit kann im Bereich von lO^ m bis 102 m - je nach Aufgabenstellung und Lange der Hebelarme - erreicht werden Bei Verwendung als Montageplattform für chirurgische Werkzeuge wird die Stabilität der Vorrichtung den Kräften und Drehmomenten
340 entsprechend hoch gewählt Als Werkstoffe für den mechanischen Aufbau kommen nichtrostende Edelstahle und/oder Aluminiumlegierungen oder andere leicht zu reinigende Metalle oder Kunststoffe in Frage Konstruktiv kann stets erreicht werden, daß das mechanische Fuhrungssystem für die Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente nicht der limitierende Faktor für die Präzision der Positions- und Orientierungszuordnung zum Organismus ist, sondern, daß letztlich nur die
345 Eigenschaften der Biomateπalien des Organismus die maximal erreichbare Genauigkeit determinieren Dies ist ein wesentlicher Fortschritt im Vergleich zu herkömmlichen chirurgischen Verfahren, bei denen die Ungenauigkeit der manuellen Fuhrung der Behandlungsinstrumente den determinierenden Faktor ausmacht Für die Konstruktion des Koordinatenfuhrungs- und Referenzpositioniersystems können verschiedene
350 Materialien Verwendung finden Nichtrostende Stahle
Bei hohen Ansprüchen bezüglich der Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei Chlorid-Belastungen sind Stahle mit zumindest 2% Mo-Anteil zu verwenden Die Stahle dürfen für solche Anwendungen keinen nennenswerten Schwefelanteil haben Die Nickelanteile können nur bei jenen Anwendungen,
355 bei denen eine eventuelle Magnetisierung keine Rolle spielt und gute Bearbeitbarkeit wichtig ist klein gehalten werden Als Beispiele für in Frage kommende Stahle können X2CrNιMo18 12 3 oder X5CrNιMo18 12 3 Verwendung finden Für geringere Ansprüche hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit kann auch X5CrNι18 10 oder X6Cr13 oder X6Cr17 Verwendung finden Aluminiumlegierungen
360 Als Aluminiumlegierungen eignen sich Werkstoffe mit guter Korrosionsbeständigkeit wie z B AISι7 oder AIMgS.05 oder AlMgSil oder AIMgSι3 Kunststoffe
Auch Kunststoffe, die die erforderlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften und sehr gute Chemika enbestandigkeit aufweisen, können Verwendung finden Zu diesen Kunststoffen zahlen
365 Standardkunststoffe
Polyvinylchloride (PVC), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS), Poly-ester, Poly-carbonate, Polyamide Weitere technische Kunststoffe:
Acetalcopolymerisate (POM), Polybutylenterephtalate (PBT), Polyethylenterephtalate (PET), Co-
370 Polyesterether Elastomere (TPE-E), Flüssigkristalline Polymere (LCP), Cycloolefin-copolymere (COC), Ultrahochmolekulares Polyethylen (PE-UHMW).
Um den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden, können auch mehrschichtige Materialkompositionen verwendet werden. Dies gilt auch für den Aufbau der Kunststoffhäute, die für die Realisierung der Positionierkissen verwendet werden. Hierfür sind u.a. verschiedene Polyolefine
375 unter Verwendung von thermoplastischen Elastomeren oder Naturkautschuk oder Synthesekautschuk zur Erreichung der Flexibilität geeignet.
Um manuell Untersuchungs- und/oder Behandlungsinstrumente entlang der durch das Führungssystem freigegebenen Wege möglichst ungestört vornehmen zu können, wird das Gewicht der beweglichen Teile des Führungssystems klein gehalten bzw. durch Gegengewichte und/oder
380 Federzüge die Vorrichtung ausbalanciert.
Ausführungsbeispiel:
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für geführte Bewegungen entlang der x-, y- und z-Achse und für Rotationen, die den Drehwinkeln αx, αy und αz entsprechen. Die Instrumentehalterung ist hier
385 ausgebildet, um als Untersuchungsgerät einen Ultraschallwandler aufzunehmen. Die mechanische Halterung für den zu untersuchenden Organismus ist in Fig. 3 bzw. Fig. 4 nur schematisch angedeutet. Ein im Detail dargestelltes Ausführungsbeispiel eines aufblasbaren Lagerungskissens für die Huftsonografie des Säuglings, das den medizinischen, meßtechnischen und hygienischen Ansprüchen genügt, ist in Fig. 5 gezeigt. Das Lagerungskissen ist achsengerecht über die Halterung
390 H bzw. eine Grundplatte (vergl. Abb. 3) mit dem mechanischen Führungssystem verbunden und stellt mit diesem eine funktionelle Einheit dar.
Dieses Ausführungsbeispiel eines Positionierkissens ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer aufblasbaren Synthetikhaut besteht, dessen Formstabilität durch mehrere Luftkammern und entsprechende Zuschnitte der Synthetikhaut erreicht wird, wobei die Formschlüssigkeit, das heißt die
395 eng anliegende Umhüllung des Organismus - in diesem Fall des Säuglings - auch bei der naturgegebenen Variabilität der Größen erhalten bleibt. Dies ist bereits durch das elastische Nachgeben der luftgefüllten Kammern realisiert und kann - bei beträchtlichen Größenunterschieden der Säuglinge - zusätzlich durch Veränderung des Luftdruckes in den jeweiligen Kammern (Aufblasen bzw. Luft ablassen) noch verbessert werden. Die Synthetikhaut kann leicht gereinigt und desinfiziert
400 werden. Für Zwecke der Huftsonografie werden die Rotationsfreiheitsgrade (αx und αy) durch
Klemmschrauben (K) blockiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist neben der definierten Führung des Ultraschallwandlers relativ zur äußeren Form des Körpers (Freiheitsgrade: x, y, z und αz) als Konstruktionskriterium zu berücksichtigen, daß von einer Seite das Kind von der Mutter ohne mechanische Hindernisse in die Lagerungsschale gelegt werden kann und auch der untersuchende 405 Arzt ausreichenden Freiraum für seine Tätigkeit hat Daher wurde die y-Fuhrung nur an einer Seite (bei der Halterung H) ausgebildet (Für andere Anwendungen, bei denen größere Kräfte aus das Koordinatenfuhrungssystem einwirken - wie z B bei chirurgischen Arbeiten - kann eine weitere y- Fuhrung auch auf der gegenüberliegenden Seite - bei H, - montiert werden, wodurch die Stabilität erhöht wird ) Dieses Ausfuhrungsbeispiel ist für eine Anwendung, bei der die Wege entlang der
410 kartesischen Koordinaten im 10 1m - Bereich liegen und die Fuhrungsgenauigkeit (in diesem Fall eine Frage des elastischen Nachgebens aufgrund der Kräfte von der Hand des Untersuchers) bei 103 m bzw αx = y = konst ^ 1°jιst Unter Berücksichtigung der Stabi tatserfordernisse kann dieses Ausfuhrungsbeispiel in einer vergrößerten Version (Wege im m - Bereich) auch für die Untersuchung von großen Organismen verwendet werden oder, bei entsprechender Dimensionierung, auch für
415 kleine Organismen bis herab zum 103 m Bereich Für chirurgische Arbeiten kann durch eine zweite y- Schiene (auf der Seite H,) die Genauigkeit aufgrund der erhöhten Stabilität auf z B 10"4 m bzw 101 deg verbessert werden, trotz eventuell wesentlich höherer Kräfte, die mit dem chirurgischen Arbeiten verbunden sind Ebensogut wie durch 2 Linearlager kann die Fuhrung in der x-y Ebene auch durch zwei über kugelgelagerte Scharniergelenke miteinander verbundene Schenkel erfolgen, wie dies in
420 Fig 4 für die Huftuntersuchung des Säuglings gezeigt ist

Claims

Patentansprüche:
1) Vorrichtung zur Untersuchung und/oder Behandlung von Organismen oder von Teilen desselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine definierte Zuordnung der Lage und Orientierung von Untersuchungsinstrumenten und/oder Behandlungsinstrumenten zur anatomischen Form des
425 Organismus ermöglicht, wobei die Lagerung des Organismus mit einem an seine Form und/oder Achsen angepaßten Referenzpositioniersystem erfolgt.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Koordinatenfuhrungssystem für Untersuchungsinstrumente mechanisch mit dem Referenzpositioniersystem für den Organismus verbunden ist, woraus sich eine definierte Zuordnung des Ortes und/oder der Orientierung der
430 Instrumente zur äußeren Form des Organismus ergibt.
3) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Koordinatenfuhrungssystem für Behandlungsinstrumente mechanisch mit dem Referenzpositioniersystem für den Organismus verbunden ist, woraus sich eine definierte Zuordnung des Ortes und/oder der Orientierung der Instrumente zur äußeren Form des Organismus ergibt. 35 4) Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung der Instrumente Kombinationen von kartesischen und/oder nicht-orthogonalen und/oder krummlinigen Koordinatensystemen Verwendung finden.
5) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsfreiheit und Richtungsorientierung der Instrumente 4 0 für die Untersuchung oder Behandlung relativ zur äußeren Form des Organismus definiert vorgegeben werden kann, sodaß bestimmte Trajektoren und Orientierungen bzw. Scharen von Trajektorien und Orientierungen festgelegt werden, wobei sich die Möglichkeit der Blockierung von Freiheitsgraden und/oder der Limitierung von Elongationsbereichen auf einzelne oder auf Gruppen von Freiheitsgraden erstrecken kann.
445 6) Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung resistent ist gegenüber Körperflüssigkeiten sowie Desinfektionssubstanzen und Reinigungsmitteln.
7) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzpositioniersystem für den Organismus bzw. von Teilen 450 desselben mit Hilfe einer luftgefüllten (aufblasbaren) Synthetikhaut bzw. mehreren luftgefüllten
Kammern realisiert wird, wobei die elastischen Eigenschaften und/oder veränderter Innendruck in diesen Lagerungskissen eine Anpassung an variable Organismusgrößen ermöglichen. 8) Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation der Befüllungszustände der einzelnen Kammern 455 definierte Änderungen der Position des Organismus hervorgerufen werden können.
9) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Untersuchungsinstrumente sämtliche Vorrichtungen zur Erfassung anatomischer, motorischer, physiologischer, psychologischer, physikalischer, chemischer und biochemischer Eigenschaften des Organismus sowie Vorrichtungen für 460 bildgebende Verfahren verwendet werden können.
10) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Behandlungsinstrumente sämtliche Vorrichtungen, die chirurgische, orthopädische, physiologische, psychologische, physikalische, chemische oder biochemische Wirkungen auf den Organismus haben, verwendet werden können.
465 1 1 ) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Instrumente gleichzeitig verwendet werden können.
12) Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät die Registrierung der Lage des Instrumentes relativ zum Referenzkoordinatensystem und/oder der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung und/oder 470 der Kraftwirkung (vom Organismus auf das Instrument) erlaubt.
13) Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Untersuchungssonden und/oder Behandlungsinstrumente relativ zum Referenzkoordinatensystem, das durch das Referenzpositioniersystem definiert wird, mittels Computer oder sonstiger elektronischer 75 Hilfsgeräte unter Zuhilfenahme elektromechanischer oder elektrooptischer oder magnetischer oder pneumatischer oder hydraulischer Elemente gesteuert oder geregelt werden kann.
14) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang der Fixierung des Organismus im Referenzpositioniersystem durch mechanisch bewegliche Komponenten der jeweiligen Halterungs- 4βo Vorrichtung erfolgt und automatisiert werden kann.
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