WO2002013709A1

WO2002013709A1 - Einrichtung zur navigation und positionierung von medizinischen instrumenten in magnetresonanztomographen

Info

Publication number: WO2002013709A1
Application number: PCT/EP2000/007449
Authority: WO
Inventors: Oliver Wendt; Johann Oellinger; Tim Lüth
Original assignee: Oliver Wendt; Johann Oellinger; Lueth Tim
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2002-02-21
Also published as: AU2000268339A1

Abstract

Die Erfindung betrifft, eine Einrichtung zur Navigation und Positionierung von medizinischen Instrumenten innerhalb des Isozentrums eines Magnetresonanztomographen zur simultanen Loka-lisation, Untersuchung sowie Behandlung suspekter Strukturen wie beider Mammae einer Patientin. Die Position der Patientin (3) wird während der gesamten Dauer der Behandlung im Isozentrum des Magnetresonanztomographen ortsfest gehalten, wobei ein Rahmengestell (8) mit einer Patientenauflage (10) mit einem zugehörigen Patiententisch (4) eines MRT (2) verbunden ist, wobei in der Patientenauflage (10) mindestens eine Öffnung (38) angeordnet ist, wobei mindestens eine Magnetresonanz-Sende- und Empfangsspule (9) innerhalb des Rahmengestells (8) angeordnet ist, wobei zur Aufnahme eines medizinischen Instrumentes (7) eine Instrumentenführung (16) vorgesehen ist, und wobei das medizi-nische Instrument (7) mit einem Navigations- und Positionierungs-system (6) verbunden ist.

Description

Einrichtung zur Navigation und Positionierung von medizinischen Instrumenten in Magnetresonanztomographen.

Besenreibung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Navigation und

Positionierung von medizinischen Instrumenten innerhalb des

Isozentrums eines Magnetresonanztomographen (MRT) zur

Lokalisation, Untersuchung und Behandlung von Körperteilen wie einer oder beider Mammae einer Patientin entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein bildgebendes Verfahren ohne ionisierende Strahlung mit zunehmender Anwendung in der medizinischen Diagnostik und Therapie, insbesondere von weichen anatomischen Strukturen. Zum klinischen Einsatz in der medizinischen Diagnostik gehören heute Niederfeld- und Hochfeld- Magnetresonanztomographen, mit Feldstärken von (0,2) 0,5 bis 1,5 Tesla, die als geschlossene Tunnelsysteme, als halboffene oder als offene Systeme, mit mindestens einem seitlichen Zugang, ausgelegt sind. Der Untersuchungsraum eines MRT ist ein definierter Bereich und wird im wesentlichen durch die Homogenitätsgrenzen des Hauptmagnetfeldes, auch Isozentrum genannt, festgelegt. Zur Durchführung der diagnostischen Bildgebung am Patienten wird der zu untersuchende Bereich im Isozentrum des Magneten positioniert. Eine artefaktefreie Visualisierung anatomischer Strukturen ist nur durch den Ausschluß von Materialien, welche die Homogenität des Magnetfeldes im Isozentrum erheblich stören können, wie z.B. durch ferromagnetische Materialien, möglich.

Einen bedeutenden Einsatzbereich der Magnetresonanztomographie bildet die MR-gestützte Mammadiagnostik, da mit diesem Verfahren durch die Applikation von Kontrastmittel häufig noch zusätzliche suspekte Herdbefunde aufgezeigt werden können, die palpatorisch, röntgen-mammographisch oder sonographisch nicht nachweisbar sind. Die wesentlichen Vorteile der Magnetresonanztomographie gegenüber anderen Verfahren sind eine hohe Sensitivität im Nachweis suspekter Gewebeareale, eine hohe Spezifizität hinsichtlich maligner und benigner Eigenschaften und eine wesentlich bessere

5 Darstellung anatomischer Strukturen aufgrund des hohen Weichteilkontrastes. Die Magnetresonanztomographie ist eine wertvolle ergänzende Methode zur diagnostischen Abklärung von kleinsten suspekten Gewebebereichen (mit und ohne Kontrastmittelapplikation) . Dieser Vorteil wird verstärkt von

0 spezialisierten Kliniken im Bereich der Mammadiagnostik genutzt, wo sich die MR-gestützte Lokalisation und Biopsie suspekter Herde als eine weit verbreitete und angewendete Methode zur histo- logischen Untersuchung von z.B. Mammakarzinomen etabliert hat.

5 Es sind verschiedene Konzepte zur äußeren Fixierung von insbesondere weichen anatomischen Strukturen bekannt.

So können Körperteile in der in DE 197 09 224 AI erläuterten Kompressionseinrichtung fixiert werden oder eine geometrisch unbestimmte Lagerung der weiblichen Brust mit der in DE 198 40 405 AI dargelegten Vorrichtung erfolgen.

Zur Navigation und Positionierung von diagnostischen und therapeutischen Instrumenten sind eine Reihe von Verfahren und 5 stereotaktischen Vorrichtungen bekannt. So können Instrumente mittels der in DE 196 27 314 Cl dargestellten Positioniervorrichtung anhand einer linearen Skalierung navigiert werden.

Eine Kopplung von Ultraschall-Bildgebung und atemadaptierter ) Punktion verschiedener Organe ist nach dem in DE 198 09 460 Cl erläuterten Verfahren möglich. Durch mechanische Verbindung von Punktionsinstrument, Ultraschallsensor sowie Patientenliege ist das Ziellumen lokalisierbar. Das in DE 41 11 107 AI vorgestellte Prinzip nutzt die röntgen- mammographisch ermittelten Koordinaten des suspekten Herdes zur Zieldefinition .

5 Unterschiedliche bildgebende Verfahren können zur Lokalisation des Ziellumens mit dem Gerät nach US 5,053,042 verwendet werden. Es wird ein senkrecht zur Patientenachse und radial verstellbares Zielsystem außerhalb des Bildaufnahmegerätes verwendet. Eine sonographische Lokalisation suspekter Lesionen und bioptische

0 Untersuchung dieser ist nach DE 198 20 846 AI möglich.

Eine Bildakquisition von fixierten anatomischen Strukturen, insbesondere der Mamma, mittels Magnetresonanztomographie, mit dem Ziel einer bildbasierten Instrumentenführung ist aus einer 5 Vielzahl von Quellen bekannt.

So werden nach DE 44 42 608 Cl eine oder zwei planparallele Platten, zwischen denen das Untersuchungsobjekt eingespannt ist, mit senkrecht zur Auflageebene der anatomischen Struktur 0 liegenden Durchgangsbohrungen versehen, durch welche die Instrumente in das Ziellumen einzuführen sind. Die Auswahl der entsprechenden Bohrung erfolgt in Bezug auf das MRT-Bild.

In DE 44 42 609 Cl wird das gleiche Verfahren, bei einerseits 5 senkrechter Bohrung und andererseits einer Lage der Durchgangslöcher in einem festen Winkel zur Fixationsplatte, verwendet .

In DE 42 25 001 Cl und DE 43 25 206 AI ist eine stereotaktische ) Zusatzeinrichtung für Kernspintomographen erläutert, welche die zuvor dargestellten Fixationsplatten nutzt.

Das in US 5,569,266 dargestellte Verfahren erlaubt die radiale

Ausrichtung des Instrumentes um zwei Bewegungsachsen auf der i Grundlage von zuvor aufgenommenen MRT-Bildern. Die Mamma liegt nicht fixiert in einem mit Bohrungen versehenen starren Korb. Der Navigator befindet sich unterhalb der MR-Patientenliege .

Eine zirkuläre Brustspule zur bioptischen Untersuchung der 5 weiblichen Brust ist in US 5,706,812 vorgestellt.

Es ist nach US 5,590,653 ein Verfahren zur Diagnose und/oder Therapie innerhalb des Isozentrums eines Magnetresonanztomographen bekannt. Ein Ultraschallsensor ist in der 0 Patientenliege so lokalisiert, daß bei Fokussierung eine nicht- invasive Diagnose oder MR-kontrollierte Wärmeapplikation mit dem Ziel einer Therapie möglich sind.

Es ist nach DE 43 25 206 AI bekannt, daß Fixationselemente zur 5 Identifikation im MR-Bild mit Markern definierter Geometrie und Lage versehen werden.

Aus der DE 198 18 785 AI ist ein Magnetresonanztomograph mit einem Manipulator bekannt, mittels welchem die Instrumente zur

:0 Diagnostik und operativen Behandlung der Mamma einer sich im Isozentrum des MRT befindenden Patientin positionierbar und betätigbar sind. Die verwendeten Mittel zur Fixierung der Mammae sind nicht geeignet, eine patientenindividuelle Fixierung zu gewährleisten. Der Manipulator ist nur für einen bestimmten MRT

:5 verwendbar. Mehrfachbiopsien sind nicht möglich, ohne die Patientin zu bewegen. Es ist auch keine Biopsie von mindestens zwei Seiten möglich.

Es sind bisher keine Verfahren oder Konzepte einer vollauto- 0 matisch gesteuerten Navigation und Positionierung von medizi^¬ nischen Instrumenten innerhalb des Magnetresonanztomographen bekannt, bei denen alle Antriebselemente, Elemente der Steuer- und Regelungstechnik, wie z.B. Motoren, Kraft- und Wegmeßsen^¬ soren, als auch Schaltelemente, im Isozentrum der MR-Tomographen 5 angeordnet werden. Die praktizierte MR-basierte Instrumentennavigation und -positio- nierung sieht hauptsächlich eine Verlagerung des Patienten aus dem Isozentrum des MRT in einen vorgelagerten, dem medizinischen Personal zugänglichen Bereich vor. Durch patienten- und gerätebedingte Bewegungen kann es zu örtlichen Verschiebungen anatomischer Strukturen kommen.

Bislang verwendete Fixationssysteme bieten nicht die für ein genaues Erreichen des Ziellumens durch Instrumente erforderliche Fixationssicherheit bei gleichzeitiger Zulassung einer ausreichenden Blutperfusion und Kontrastmittelverteilung. Durch Bewegung der Patientenliege, kommt es zu Verschiebungen der anatomischen Struktur innerhalb der Fixierung und somit zu Abweichungen zwischen gemessener und realer Lokalisation der suspekten Struktur. Die Verwendung starrer Fixierungselemente mit vorgegebenen Führungsbahnen schränken die räumliche Auflösung des Ziellumens stark ein und begrenzen die volu etrische Ausdehnung punktierbarer Herde.

Die Verwendung der bislang entwickelten Navigationssysteme innerhalb des Isozentrums des MRT ist aufgrund der Baugröße der Vorrichtungen und räumlichen Beschränkungen des Tomographen, der Materialinkompatibilität (Entstehung von Bildartefakten und Deflektionen) , der unzureichenden externen sowie automatischen Steuerbarkeit der Teilprozesse Fixierung und Navigation sowie einer nur begrenzten Mechanisierbarkeit der Bewegungen nicht möglich. Die erreichbare Genauigkeit der Positionierung von Instrumenten im Gewebe ist dadurch stark beschränkt. Dies wird begleitet von hohen physischen und psychischen Mehrbelastungen der Patientin, einer Verringerung des Diagnose- und/oder Therapieerfolges sowie einem signifikanten Kostenanstieg der Behandlung. Weiterhin zieht, eine Lokalisationsunsicherheit die Notwendigkeit einer größeren oder multiplen Inzision nach sich, wodurch weitere Patientenbewegungen provoziert werden können. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Navigation und Positionierung von diagnostischen und therapeutischen Instrumenten innerhalb des Isozentrums eines Magnetresonanztomographen zur simultanen Lokalisation, Untersuchung sowie Behandlung suspekter Strukturen wie beider Mammae einer Patientin bereitzustellen, die aufgrund der konstruktiven Gestaltung von Fixierungs- und Positionierungssystem eine hohe Ortsauflösung erreichbarer Läsionen unter Berücksichtigung der räumlichen Beschränkungen des MRT gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Einrichtung zur Navigation und Positionierung von medizinischen Instrumenten innerhalb des Isozentrums eines Magnetresonanztomographen (MRT) zur Lokalisation, Untersuchung und Behandlung von Körperteilen wie einer oder beider Mammae einer Patientin, wobei die Position der Patientin während der gesamten Dauer der Behandlung im Isozentrum des Magnetresonanztomographen ortsfest gehalten wird, weist ein Rahmengestell mit einer auswechselbaren Patientenauflage mit einem zugehörigen Patiententisch des Magnetresonanztomographen auf, wobei in der Patientenauflage mindestens eine Öffnung angeordnet ist, und dass mindestens eine Magnetresonanz-Sende- und Empfangsspule innerhalb des Rahmengestells angeordnet ist, und dass mindestens zwei einzeln verstellbare Fixierungseinheiten eingebracht sind, von denen mindestens zwei in Hauptachsenrichtung des MRT gegenüberliegenden Fixierungseinheiten ein Fixierungspaar bilden und mit dem Rahmengestell an den Außenseiten der Längsseiten lösbar verbunden sind, wobei jede Fixierungseinheit mindestens ein Fixierungselement aufweist, welche mit einem linear geführten Schlitten auswechselbar verbunden ist, und welche speziell ausgebildete Öffnungen zur Aufnahme des medizinischen Instrumentes über eine Instrumentenführung aufweist, wobei das medizinische Instrument mit einem Navigations- und Positionierungssystem verbunden ist, welches von außen über ein Antriebs-/Führungssystem in das Rahmengestell von mindestens einer Seite eingesetzt werden kann, und wobei die Überwachung und Steuerung der Funktionen der gesamten Einrichtung bild- und computerassistiert erfolgen.

Die Einrichtung nach der Erfindung weist die folgenden wesentlichen Vorteile gegenüber den bekannten Einrichtungen auf:

- Universell adaptierbare Mammabiopsie mit Spulenkörper in allen bekannten Arten von MRT;

Biopsiemöglichkeiten sowohl von cranial als auch von kaudal; von klinischer Wichtigkeit insbesondere dann, wenn das zu biopsierende Areal relativ hautnah liegt;

- Mehrfachbiopsien sind ohne Verlagerung des Patienten aufgrund eines zusätzlichen Biopsat-Absaugesystems möglich;

Berechnung der Koordinaten für das zu biopsierende Areal sowie die Ansteuerung erfolgen durch ein separates Navigationssystem automatisch, lediglich die Auslösung des Biopsievorganges (Schuß) wird manuell durch den Arzt ausgelöst;

- durch das Navigationssystem ist es möglich, auch Brustwand nahegelegene Tumoren zu biopsieren, was mit herkömmlichen Einrichtungen wegen des bei diesen Einrichtungen bestehenden Totwinkels nicht möglich ist; - das medizinische Instrument (Biopsienadel) wird durch die Fixationsplatte nach der Erfindung geführt und durch die Instrumentenführung wird eine Verbiegung der Biopsienadel ausgeschlossen, so daß eine exakte Führung bis zur interessierenden Stelle gewährleistet ist, es können dadurch auch Klein- und Kleinst-Tumoren histologisch sicher abgeklärt werden;

- der Anpreßdruck für die Platten wird kontrolliert.

Die Einrichtung ist auf der Patientenliege befestigt und zeichnet sich dadurch aus, daß die Patientin auf der Liegefläche der

Oberseite des Rahmengestells in Bauchlage gelagert und zusammen mit der Einrichtung in das Isozentrum des Magnetresonanztomographen bewegt und dort gemeinsam positioniert wird. Es ist eine simultane Untersuchung und Behandlung beider Mammae der Patientin von medialer als auch lateraler Richtung möglich. Die Fixierung der zu untersuchenden Strukturen, die Bildaquisition, die Bildauswertung sowie diagnostische und therapeutische Schritte werden in dieser ursprünglich eingenommenen Patientenposition durchgeführt.. Fixierung, Instrumente, und Navigationssystem sind in die Einrichtung integriert. Die Empfangsspule ist in oder an der Oberseite des Rahmengestells befestigt. Die Erfindung ist in einem geschlossenen Magnetresonanztomographen nutzbar, wodurch sich die Möglichkeit der Anwendung in offenen oder halboffenen .Geräten ohne weiteres ergibt. Instrumente können z.B. chirurgische Werkzeuge wie Nadeln für bioptische Untersuchungen oder Laserapplikatotren sein.

Das Fixationssystem ermöglicht aufgrund der Konstruktion eine hohe Ortsauflösung des erreichbaren Ziellumens bei gleichzeitig individueller Wahl der Kompressionskraft. Es besteht aus jeweils zwei Platten, die mit Öffnungen versehen sind, welche aufgrund ihrer Geometrie, d.h. zum Beispiel einer kugelförmigen Aussparung in der Instrumentenaufnahme und einer konischen Aussparung auf der gegenüber liegenden Seite, ein Kippen der Instrumentenführung gleichzeitig in longitudinaler sowie azimutaler Richtung erlauben. Die Instrumentenführung ist gekennzeichnet durch eine umfangreiche translatorische und radiale Bewegungsfreiheit bei gleichzeitig hoher Positioniersicherheit.

Das Navigationssystem ist in den drei translatorischen Richtungen, transversal, coronal und sagital zum Patienten (entsprechend dem kartesischen Koordinatensystem x, y, z), linear zu bewegen. Durch Verbindung mit dem Fixationssystem kann bei gekoppelter radial-linearer Bewegung des Navigationssystems in den drei linearen Richtungen sowie den longitudinalen und azimutalen Rotationsachsen eine Änderung des Inzisionswinkels des Instrumentes bewirkt werden. Fixations- als auch Navigationssytem -sind so konzipiert, daß eine automatische extern durchgeführte Steuerung aller Systemkomponenten möglich ist. Die Implementierung entsprechender Meß- 5 und Regelungssensoren ermöglicht eine optimale Funktion.

Alle aktiven und passiven Komponenten der Einrichtung sind werkstofftechnisch in singulärer und gekoppelter Form so ausgelegt, daß ein Entstehen von Bildartefakten oder Deflektionen

.0 ausgeschlossen werden kann. Die räumliche Lokalisation der Läsion innerhalb des Fixationssystems erfolgt anhand von in den Fixationsplatten integrierten und im Bildbereich sichtbaren Markern und den Daten der MRT-Bildsequenz, wie z.B. Schichtdicke oder Schichtnummer. Die Marker sind mit kernspintomographisch

[5 sichtbarem Medium, z.B. Kontrastmittel (z.B. Gadolinium-DTPA oder Kupfersulfat), gefüllte Kammern. Dabei läßt ein Vergleich der realen Geometrie mit der im Bildbereich dargestellten Form eine genaue Positionsbestimmung und eine Abschätzung von Deformationen der Aufnahmen zu.

!0

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel für die Diagnose und therapeutischen Behandlung der Mammae einer Patientin näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

!5 Fig. 1: die Lage der MR-kompatiblen Einrichtung und einer

Patientin in der Behandlungsposition innerhalb des Isozentrums eines MR-Tomographen,

Fig. 2: die Ausgestaltung des Rahmengestells mit 10 integrierter Oberflächenspule, medizinischen

Instrumenten, Fixierungseinheit und NavigationsSystem,

Fig. 3: die Fixierungseinheiten und das Navigationssystem 15 mit medizinischem Instrument im Rahmengestell, Fig. 4: die Fixierungseinheit für die linksseitige Mamma mit Drucksensoren und automatischem sowie manuellem Linearantrieb zur Bewegung der Fixationsplatten, 5

Fig. 5: das Prinzip der Ausrichtung eines medizinischen Instrumentes an der Fixationsplatte,

Fig. 6: den Bewegungskonus der Instrumentennavigation bei [0 vorgeschobenem Instrument,

Fig. 7: die Markeranordnung in der Fixationsplatte sowie ein Marker,

5 Fig. 8: das Instrumenten-Navigationssystem mit automatischem Antrieb und

Fig. 9: die schematische Darstellung (Teilschnitt) eines Spülkopfes.

10

Die Einrichtung 1 zur Navigation und Positionierung von medizinischen Instrumenten 7 (Fig. 3) innerhalb des Isozentrums eines Magnetresonanztomographen 2 zur Lokalisation, Untersuchung und Behandlung von Körperteilen wie einer oder beider Mammae 3.1, 3.2

:5 einer Patientin 3 besteht gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 im wesentlichen aus einem Rahmengestell 8 mit einer Patientenauflage 10 auf einem Patiententisch 4, einer Magnetresonanz-Spule 9 mit Öffnungen 38, aus zwei Fixierungseinheiten 5.1, 5.2 mit Fixierelementen 14 (Fig. 3) , welche mit Schlitten 13 (Fig. 4)

0 verbunden sind, aus einem Navigations- und PositionierungsSystem 6.

Fig. 1 zeigt die Untersuchungs- und Behandlungslage einer

Patientin 3 auf der Einrichtung 1 im Isozentrum des MR-Tomo-

5 graphen 2 mit angrenzenden Geräten 34, zum Beispiel ein Geräteschrank mit Steuerungstechnik, und Verbindungsleitungen 35, zum Beispiel Lichtwellenleiter.

Die Fig. 1 zeigt die Patientin 3 in Bauchlage auf der Oberseite der Patientenauflage 10 der Einrichtung 1 liegend, welche auf der MR-Patientenliege 4 auswechselbar befestigt ist, im Isozentrum des Magnetresonanztomographen 2. Die beiden Mammae 3.1 und 3.2 sind jeweils links- und rechtsseitig in einer Fixierungseinheit 5.1 und 5.2 komprimiert. Das Navigations- und Positioniersystem 6 positioniert das Instrument 7, hier eine Biopsienadel 40 (Fig. 9) , über eine Instrumentenführung 16 (Fig. 5, 6) in der Mamma 3.1. Das Navigations- und Positioniersystem 6, die Fixierungseinheiten 5.1 und 5.2, das Instrument 7 sowie die Mammae 3.1 und 3.2 befinden sich innerhalb des Rahmengestells 8 der Einrichtung 1. Es ist die Ansicht von rechts dargestellt, wodurch die linksseitigen Kennungen nicht zu sehen sind.

Fig. 2 zeigt das Rahmengestell 8 mit integrierter Oberflächenspule 9 mit den Öffnungen 38, die auch in der Patientenauflage 10 deckungsgleich ausgeführt sind. Es sind weiterhin die rechts- und linksseitigen Zugänge zur Fixierungseinheit 5 sowie der laterale und mediale Zugang zum Navigationssystem 6 dargestellt.

In Fig. 3 sind die linksseitige und die rechtsseitige Mamma 3.2,

3.1 in der Öffnung 38 der Spule 9, die linksseitige und die rechtsseitige Fixierungseinheit 5.2, 5.1 und das Navigations- und Positioniersystem 6 mit medizinischem Instrument 7 im Rahmengestell 8 abgebildet. Das Instrument 7 ist in das Mammagewebe 3.2 vorgeschoben, wobei das Navigations- und Positioniersystem 6 die hierzu notwendige lineare und radiale Bewegung und axiale Verschiebung des Instrumentes 7 bewirkt. Die Fixierungseinheit

5.2 ist so eingestellt, daß die Mamma 3.2 komprimiert und sicher fixiert ist. Wahlweise können entweder die rechte oder die linke oder auch beide Mammae 3.1, 3.2 biopsiert werden. Die Entscheidung trifft der Arzt nach den Gegebenheiten. Eine Kontrolle der Kompressionskräfte ist, wie in Fig. 4 dargestellt, durch die Implementierung von Sensoren 11 und von regelbaren Antriebssystemen 12.1 umsetzbar. Jede Fixierungseinheit 5 weist zwei in der Transversalebene verstellbare

5 Schlitten 13 auf (Fig. 4), die auf Schienen 15 geführt werden, und an denen jeweils eine Fixationsplatte 14 befestigt ist. Ein manueller Antrieb 12.2 der Schlitten 13 ist ebenfalls verwendbar. Die ursprüngliche Bewegung des Antriebs 12.1 oder 12.2 kann sowohl radial als auch linear sein, muß jedoch im ersten Fall in

10 eine lineare Bewegung umgewandelt werden.

In Fig. 5 ist eine Fixationsplatte 14 in seitlichem Querschnitt mit einer Instrumentenführung 16 des Navigations- und Positioniersystems 6 und einem in dieser geführtem Instrument 7

5 dargestellt. In die Fixationsplatte 14 sind Durchgangslöcher 17 eingebracht, welche einerseits als Konus 18 ausgearbeitet sind und auf der gegenüberliegenden Seite eine kugelförmige Vertiefung 19 besitzen. Am Ende der Instrumentenführung 16 befindet sich eine Kugel 20 gleichen Durchmessers. Bei Adaption von

10 Fixationsplatte 14 und Instrumentenführung 16 kann eine beliebige Einstellung von longitudinalem und azimutalem Winkel der Zentralachse 21 des Instruments 7 innerhalb des Konus 18, gesteuert durch das Navigations- und Positioniersystem 6, erfolgen. Die axiale Verschiebung des Instrumentes 7 auf der

,5 Zentralachse 21 und somit die Steuerung der Eindringtiefe in das Untersuchungsobjekt, hier die Mammae 3.1, 3.2 der Patientin 3, erfolgt ebenfalls durch das Navigations- und Positioniersystem 6.

Die Fig. 6 zeigt die Beweglichkeit des medizinischen Instrumentes 0 7 innerhalb einer der Durchgangsöffnungen 17 der Fixationsplatte 14. Die Beweglichkeit ist soweit gegeben, daß nahezu keine toten Winkel entstehen können, so daß nahezu jedes Areal der Mammae 3.1, 3.2 erreichbar ist und damit auch biopsiert werden können.

5 Anhand von Fig. 7 ist ersichtlich, wie in den Durchgangslöchern 17 der Fixationsplatte 14 Marker 23 befestigt sind, die aufgrund ihrer Lage zueinander ein Koordinatensystem 24 aufspannen, in welchem die Position der suspekten Läsion 25 definiert ist. Durch Erhöhung der Markeranzahl und Optimierung der Lage kann die Genauigkeit dieser Bestimmung erhöht werden. Ein Marker 23 5 besteht aus einer Adaptionshülle 26 und einem Kern 27, welcher ein kontrastreiches Medium, z.B. Gadolinium-DTPA oder Kupfersulfat, enthält.

In Fig. 8 ist das Navigations- und Positioniersystem 6 als mehr- 10 achsiges Steuerungssystem mit translatorischen und rotatorischen Bewegungseinheiten im ausgelenkten Zustand dargestellt. Es sind jeweils eine Zustellung in transversaler (x-y-Ebene) 30, coronarer (z-x~Ebene) 28 und sagittaler (y-z-Ebene) 29 Ebene sowie eine longitudinale 31 und azimutale 32 Winkeleinstellung [5 vorgesehen. Diese Bewegungen werden zur Positionierung der Kugel 20 der Instrumentenführung 16 im Durchgangsloch 17 der Fixationsplatte 14 und Einstellung des Winkels der Zentralachse 21 des Instrumentes 7 genutzt (Fig. 5, 6, 7). Die axiale Verschiebung des Instrumentes 7 in die anatomische Struktur, hier in die >0 Mammae 3.1 bzw. 3.2, erfolgt mittels des Instrumentenantriebes 33. Die Festlegung der Achsenbezeichnungen ist beliebig.

In der Fig. 9 ist die Ausführungsform eines Spülkopfes 39 für die Biopsienadel 40, bestehend aus einem Stilett 41 und einer koaxial

15 bewegbaren Kanüle 42, dargestellt. In die Instrumentenführung 16 (Fig. 5, 6) ist ein Durchgang eingebracht, welcher den Durchfluß eines Spülmittels ermöglicht. Das Spülmittel wird über eine Tülle 43 in einen Spülraum 44 geleitet und löst das Biopsat bei zurückgezogener Kanüle 42 aus dem Reservoir des Stiletts 41. o Spülmittel und Biopsat werden über eine zweite Tülle 45 aus dem Spülraum 44 geleitet, wobei dies durch einen zuflußseitigen Überdruck oder durch einen abflußseitigen Unterdruck bewirkt werden kann.

5 Die Biopsienadel 40 kann im unmittelbaren Anschluß zu einer weiteren Biopsie verwendet werden, wobei kein Bauteil der Einrichtung 1 aus dem Isozentrum des MRT 2 bewegt oder entfernt werden muß .

Durch geringfügige Änderungen, wie z.B. die Einbringung einer entsprechenden Öffnung in der Patientenauflage 10, die Modifikation der Fixierungseinheit 5 oder die Nutzung angepaßter Oberflächenspulen, kann die Einrichtung 1 auch für andere Anwendungen bei Beibehaltung des gegebenen Navigations- und Positioniersystems 6 genutzt werden.

10

Das Arbeiten mit der Einrichtung zur Navigation und Positionierung von Instrumenten in Magnetresonanztomographen kann, unter Annahme einer automatischen Steuerung, wie folgt ablaufen (auf eine Erläuterung der MRT-basierten Bildakquisition 15 soll nicht eingegangen werden) :

Nach Befestigung der Einrichtung 1 auf der MR-Patientenliege 4 wird die Patientin 3 in Bauchlage auf der Patientenauflage 10 des Rahmengestells 8 so positioniert, daß ihre Mammae 3.1, 3.2 in die

.0 Öffnungen 38 der Oberflächenspule 9 hineinreichen. Durch lineare Verschiebung der Fixationsplatten 14 wird die Mamma 3.1 oder 3.2 unter Berücksichtigung der Ermöglichung einer ausreichenden Perfusion bei Kontrastmittelapplikation komprimiert und somit fixiert. Daraufhin wird die MR-Patientenliege 4 zusammen mit der

!5 Patientin 3 und der Einrichtung 1 im Isozentrum des MRT 2 positioniert.

Die Aufnahme einer geeigneten Bildsequenz erfolgt unter Kontrastmittelgabe. Die suspekte Läsion 25 sowie die Marker 23 sind im .0 Bildbereich lokalisierbar (Fig. 7) .

Durch Bestimmung des Koordinatensystems 24 der Marker 23 und der lokalen Koordinaten des Ziellumens 25 in diesem können das optimale Durchgangsloch 17 der Fixationsplatte 14 gewählt und die

5 linearen sowie radialen Bewegungen des Navigationssystems 6 zur

Positionierung der Instrumentenführung 16 und Ausrichtung der Instrumentenachse 26 berechnet werden. Die Antriebe 12.1 und 12.2 sind so zu steuern, daß eine kollisionsfreie Heranführung des Instrumentes 7 an die Fixationsplatte 14 erfolgen kann (Fig. 5 bis 7) .

Ist dies abgeschlossen, kann das Instrument 7, nach vorheriger Berechnung der erforderlichen Eindringtiefe, in das komprimierte Gewebe eingeschoben werden. Durch wiederholte Bildaufnahme im Magnetresonanztomographen 2 ist die Lagekontrolle des Instrumentes 7 durchzuführen.

Nach erfolgreicher Interaktion mit dem Ziellumen 25 wird das Instrument 7 zurückgezogen. Eine wiederholte Kontrolle des diagnostischen oder therapeutischen Eingriffs mittels Bildakquisition und -auswertung ist möglich.

Weitere eingreifende Schritte sind durchführbar ohne die MR- Patientenliege 4 aus dem Magnetresonanztomographen 2 zu bewegen und die Fixierung der Mammae 3.1, 3.2 zu lösen.

Die Nutzung einer manuellen Steuerung ist ebenfalls möglich, erfordert allerdings einen höheren technischen und zeitlichen Aufwand.

Bezugszeichenliste

1 Einrichtung

2 Magnetresonanztomograph

3 Patientin

3.1 linksseitige Mamma

3.2 rechtsseitige Mamma

4 MR-Patiententisch

5 Fixierungseinheit

5.1 linksseitige Fixierungseinheit

5.2 rechtsseitige Fixierungseinheit

6 Navigations- und Positioniersystem

7 Instrument

8 Rahmengestell

9 Oberflächenspule

10 Patientenauflage

11 Sensor

12 Antriebssystem

12.1 automatischer Antrieb

12.2 manueller Antrieb

13 Schlitten

14 Fixationsplatte

15 Schiene

16 Instrumentenführung

17 Durchgangslöcher (Öffnung)

18 Konus

19 kugelförmige Vertiefung

20 Kugel

21 Zentralachse des Instruments

22 maximaler Positionskonus des Instruments

23 Marker

24 Koordinatensystem der Marker

25 suspekte Läsion 26 Adaptionshülle 27 Kern

28 coronare Ebene der Bewegung

29 sagittale Ebene der Bewegung

30 transversale Ebene der Bewegung

31 longitudinale Winkeleinstellung

32 azimutale Winkeleinstellung

33 Instrumentenantrieb

34 Geräte

35 Verbindungsleitungen

36 Kopf latte 37

38 Öffnung in der Spule

39 Spüllopf

40 Biopsienadel

41 Stilett

42 Kanüle

43 Tülle

44 Spülraum

45 Tülle

Claims

Patentansprüche

Einrichtung zur Navigation und Positionierung von medizinischen Instrumenten (7) innerhalb des Isozentrums eines Magnetresonanztomographen (MRT) (2) zur Lokalisation, Untersuchung und Behandlung von Körperteilen wie einer oder beider Mammae (3.1, 3.2) einer Patientin (3),

- wobei die Position der Patientin (3) während der gesamten

Dauer der Behandlung im Isozentrum des Magnetresonanztomographen (2) ortsfest gehalten wird,

- wobei ein Rahmengestell (8) mit einer Patientenauflage (10) mit einem zugehörigen Patiententisch (4) des Magnetresonanztomographen (2) verbunden ist,

- wobei in der Patientenauflage (10) mindestens eine Öffnung

(38) angeordnet ist, und daß

- mindestens eine Magnetresonanz-Sende- und Empfangsspule

(9) innerhalb des Rahmengestells (8) angeordnet ist, und daß

- mindestens zwei einzeln verstellbare Fixierungseinheiten

(5) eingebracht sind, von denen mindestens zwei in Hauptachsenrichtung des MRT (2) gegenüberliegenden Fixierungseinheiten (5) ein Fixierungspaar bilden und mit dem Rahmengestell (8) an den Außenseiten der Längsseiten lösbar verbunden sind,

- wobei jede Fixierungseinheit (5) mindestens ein Fixierungselement (14) aufweist, welches mit einem linear geführten Schlitten (13) auswechselbar verbunden ist, und welches speziell ausgebildete Öffnungen (17) zur Aufnahme des medizinischen Instrumentes (7) über eine Instrumentenführung (16) aufweist,

- wobei das medizinische Instrument (7) mit einem Navigations- und Positionierungssystem (6) verbunden ist, welches von außen über ein Antriebs-/Führungssystem (12) in das Rahmengestell (8) von mindestens einer Seite eingesetzt werden kann, und wobei die Überwachung und Steuerung der Funktionen der gesamten Einrichtung bild- und computerassistiert erfolgen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Patientenauflage (10) auswechselbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierungseinheit (5) jeweils aus zwei Fixationsplatten (14) besteht, die die Mammae (3.1, 3.2) fixieren und mit senkrecht zur Plattenoberseite verlaufenden Durchgangsöffnungen (17) versehen sind, die auf den beiden Plattenseiten jeweils in unterschiedlicher geometrischer Form wie konisch, kugelförmig, zylindrisch, parabolisch so ausgebildet sind, daß im Zusammenspiel zwischen der Instrumentenführung (16) und der jeweiligen Durchgangsöffnung (17) nahezu jedes Areal des zu untersuchenden Körperteils (3.1, 3.2) erreicht wird.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Fixationsplatten (14) mit einem kern- spintomographisch nachweisbarem Medium gefüllte Marker (23) eingebracht oder geordnet plaziert sind, die ein Koordinatensystem (24) aufspannen.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige medizinische Instrument (7) durch einen separaten Antrieb (12) in der Instrumentenführung (16) axial verschiebbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Instrumentenführung (16) einen durchbohrten kugelförmigen Abschluß (20) besitzt, der in eine adaptive Geometrie der Fixationsplatte (14) einsetzbar ist.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Instrumentenführung (16) ein Spülsystem (39) verbunden ist, mit dem ein Biopsat entnommen und dadurch eine Mehrfachbiopsie durchführbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülsystem aus einem mit einer Biopsienadel (40) verbundenen

Spülkopf (39) gebildet ist, der einen Spülraum (44) mit Tüllen (43, 45) für Spülmittel und Biopsat aufweist.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Positionierungssystem (6) Bewegungen in mehreren translatorischen sowie rotatorischen Achsen unabhängig voneinander durchführen kann und dadurch die Instrumente (7) und Instrumentenführungen oder -halter (16) positioniert und ausgerichtet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle der einwirkenden Fixationsbelastungen an den Fixierungseinheiten (5) mindestens ein Meßsystem aus Sensoren (11) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Instrumentenpositionierung sowohl von der Kopf- als auch von der Fußseite des Patienten (3) möglich ist.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Fixierungs- und des Positionierungssystems (6) automatisch erfolgt.

13. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für die unverschiebliche Einhaltung der Position der Mamma/Untersuchungsobjekte (3.1, 3.2) während der gesamten Untersuchung/Behandlung eine rechts- und linksseitige Fixierungseinheit (5.1, 5.2) vorgesehen ist, die mit dem Rahmengestell (8) lösbar verbunden ist und die über Lager- oder Stützböcke zusätzlich eine Abstützung der Patientenauflage (10) ermöglicht.

14. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Fixierungspaar (5.1, 5.2) bewegliche Schlitten (13) mit auswechselbaren Fixierungselementen (14) zugeordnet sind, die mit Hilfe eines Führungssystems (15) sowie manueller oder motorischer Antriebssysteme (12.1, 12.2) wie Handspindelantriebe, elektrische Motorantriebe oder fluidische Antriebe verstellt werden können.

15. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsysteme (11) an der Fixierungseinheit (5) für einen Einsatz in Magnetfeldern geeignet sind und opto-elektronische Sensoren, Lasermeßsysteme, piezoelektrische Sensoren oder elektro-mechanische Sensoren wie Dehnungsmeßstreifen sind.

16. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) ein vollautomatisch steuerbares Gerät zur Anwendung sowohl außerhalb als auch innerhalb des Isozentrums von Magnetresonanztomographen (2) ist, deren Bewegungskomponenten mit Hilfe automatisch steuerbarer rotatorischer und translatorischer Antriebssysteme erfolgt, die elektrische, mechanische oder fluidische Systeme wie Piezoaktuatoren, Nitinol-Aktuatoren, Hydraulik- oder Pneumatikzylinder sind.

17. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die störungsfreie Übertragung von Meß- und Steuersignalen im Streubereich des MR-Tomographen (2) optische Signalübertragungsstrecken (35) wie Infrarotlichtsysteme oder Lichtwellenleitersysteme verwendet werden.

18. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich MR-kompatible Materialien verwendet werden, die nichtmagnetisch oder niedermagnetisch sind bzw. keine oder nur geringe magnetische Suszeptibilitäten aufweisen und die

- aus Kunststoffen wie PA, POM, PTFE, PMMA, PEEK und/oder aus faserverstärkten Kunststoffen oder Faserverbundwerk- Stoffen wie GFK, CFK oder silikonartigen Werkstoffen bestehen und/oder aus Metallen oder Metallegierungen wie Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Tantal, Nickel, Molybdän oder Titan bestehen und/oder - aus Gläsern oder keramischen Werkstoffen wie Glaskeramik oder Aluminiumoxid bestehen und/oder aus Natur-, Schicht- oder Preßhölzern bestehen und/oder aus einer Legierung mit Formgedächtnis wie aus Nitinol bestehen.