DE69534862T2

DE69534862T2 - Chirurgische Navigationsanordnung einschliesslich Referenz- und Ortungssystemen

Info

Publication number: DE69534862T2
Application number: DE69534862T
Authority: DE
Inventors: Richard D. Bucholz; Kevin T. Foley; Kurt R. Smith; Daniel Bass; Thomas Wiedenmaier; Todd Pope; Udo Wiedenmaier
Original assignee: St Louis University; Surgical Navigation Technologies Inc
Current assignee: Medtronic Navigation Inc; St Louis University
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1995-10-05
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2015-10-06
Also published as: US20020035321A1; US7139601B2; EP0950379B1; AU3950595A; US6490467B1; EP1201199A2; ATE228338T1; DE29521895U1; ATE262844T1; DE69532829D1; CA2201877C; EP1201199B1; US6236875B1; EP0950379A3; ATE320226T1; EP0869745A2; DE69534862D1; EP0869745A4; JP2002510214A; DE69528998T2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein Systeme, die bei medizinischen und chirurgischen Verfahren Abbildungen benutzen und erzeugen, die bei der Ausführung der Verfahren behilflich sind und die relative Lage verschiedener Körperteile und Instrumente anzeigen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System zur Erzeugung von Abbildungen bei medizinischen und chirurgischen Verfahren aufgrund einer vor oder während des Verfahrens vorgenommenen Abtastung und aufgrund der augenblicklichen Lage der Körperteile und Instrumente während des Verfahrens.
Bildgeführte medizinische und chirurgische Verfahren umfassen eine Technologie, durch die vor dem Verfahren oder in dem Verfahren (d. h. vor oder während eines medizinischen oder chirurgischen Verfahrens) erhaltene Abtastungen zur Erzeugung von Abbildungen dienen, um den Arzt während des Verfahrens zu leiten. Die jüngste Zunahme des Interesses auf diesem Gebiet ist ein direktes Ergebnis der jüngsten Fortschritte in der Abtasttechnologie, insbesondere bei Geräten unter Benutzung von Rechnern, um dreidimensionale Abbildungen von Körperteilen zu erzeugen, wie etwa der Computertomographie (CT) oder magnetischen Resonanzabbildung (MRI).
Die meisten Fortschritte bei der graphischen Abbildung erfolgen mit Geräten, die tendenziell groß sind, den abbildenden Körperteil umgeben und kostspielig sind. Obgleich die durch diese Geräte erzeugten Abtastungen den untersuchten Körperteil mit hoher Auflösung und guter räumlicher Wiedergabetreue abbilden, schließen ihre Kosten die Überlassung einer Anlage zur Benutzung während der Durchführung der Verfahren aus. Daher wird bildgeführte Chirurgie gewöhnlich unter Benutzung von Abbildungen durchgeführt, die vor der Operation aufgenommen wurden.
Das Vertrauen auf voroperative Abbildungen hat die Bildführung großenteils auf den Schädel konzentriert. Der Schädel dient durch Umhüllung des Gehirns als ein starrer Körper, der anatomische Änderungen zwischen der Abbildung und dem operativen Eingriff weitgehend verhindert. Der Schädel gibt auch einen relativ einfachen Bezugspunkt, an dem Vergleichspunkte oder ein Bezugssystem so angebracht werden können, dass eine Registrierung vorprozeduraler Abbildungen auf den Arbeitsraum des Verfahrens einfach zu Beginn, während oder im Verlaufe des Verfahrens erfolgen kann. Die Registrierung ist definiert als der Prozess, bei dem eine vorprozedurale oder intraprozedurale Abtastung des der Operation unterliegenden anatomischen Aufbaus zu der chirurgischen oder medizinischen Lage des entsprechenden anatomischen Aufbaus in Beziehung gesetzt wird; siehe z. B. US-Patent Nr. 5,383,454. Das verwandte Dokument WO 92/06645 beschreibt ein System zur Bestimmung einer Lage einer Sonde relativ zu einem Objekt, wie etwa dem Kopf eines Körpers eines Patienten. Der Kapf hat eine Oberfläche, etwa eine Vorderseite mit einem Umriss. Der Kopf wird in ein Gestell gelegt, das mit einer Rundung ausgestattet ist. Die Querschnittsabbildungen des Kopfes werden relativ zu der Rundung bestimmt. Eine mit der Hand gehaltene Einheit tastet die Vorderseite und die Rundung optisch ab. Während der Abtastung zur Erzeugung der Querschnittsabbildungen dient der optische Abtaster zur Bestimmung der Lage der Kopfvorderseite relativ zu dem Gestell. Während der Operation bestimmt der optische Abtaster auch die Lage der Vorderseite relativ zu einem Basisring. Eine Anordnung zum Empfang von Strahlung, die von der Sonde und von dem Basisring emittiert wird, erzeugt. Signale, die die Lage der Spitze der Sonde relativ zu dem Basisring anzeigen. Ein stereotaktisches Abbildungssystem wählt die Kopfabbildung aus, die der gemessenen Lage der Spitze der Sonde am nächsten ist, und stellt sie dar.
Diese Situation der starren Fixierung und des Fehlens anatomischer Bewegung zwischen Abbildung und Operation ist für den Schädel und dessen Inhalte einzigartig und ermöglicht ein einfaches Registrierungsverfahren 1:1, wie in 1 gezeigt. Die Position während eines medizinischen Verfahrens oder einer Operation ist in Deckung mit der Datei der vorprozeduralen Abbildung, weil von der Zeit der Abtastung bis zu der Zeit des Verfahrens keine anatomische Bewegung erfolgt; tatsächlich stellt der Schädel und sein intrakranialer Inhalt einen „starrer Körper" dar, das ist ein Gegenstand, der sich nicht innerlich verformt. Bei fast jedem anderen Körperteil besteht eine große Gelegenheit zur Bewegung in dem anatomischen Aufbau, was die Wiedergabegüte herabsetzt, mit der vorprozedurale Abtastungen den intraprozeduralen anatomischen Aufbau abbilden. Daher sind weitere Neuerungen nötig, um die Bildführung bei dem Rest des Körpers über den Schädel hinaus zur Anwendung zu bringen.
Die Genauigkeit der bildgeführten Operation beruht auf dem Vermögen, bei medizinischen und chirurgischen Verfahren Abbildungen zu erzeugen, die auf vor oder während des Verfahrens vorgenommenen Abtastungen und auf der aktuellen Lage und Gestalt der Körperteile während des Verfahrens beruhen. Zwei Arten von Körperteilen sind hier angesprochen: 1) Strukturen in dem Körper, die zwischen dem Prozess der Abbildung und dem medizinischen Verfahren die Gestalt nicht ändern und weder komprimiert noch deformiert werden, die als „starre Körper" bezeichnet werden und z. B. die Knochen des Skeletts sind; und 2) Strukturen in dem Körper, die zwischen dem Abbildungsprozess und dem medizinischen Verfahren die Gestalt ändern und sich verformen können und als „halbstarre Körper" bezeichnet werden und deren Beispiele die Leber oder Prostata sind. Beide Arten von Körperteilen sind wahrscheinlich Ziel für medizinische und chirurgische Verfahren, entweder zur Wiederherstellung, Fusion, Resektion, Biopsie oder Strahlungsbehandlung. Daher wird eine Technik benötigt, durch die eine Registrierung zwischen den Körperteilen, wie sie vorprozedural auf Abtastungen abgebildet werden, und der Lage und Gestalt dieser gleichen Körperteile, wie sie intraprozedural festgestellt werden, durchgeführt werden kann. Diese Technik muss berücksichtigen, dass eine Bewegung zwischen Körperteilen, die nicht starr verbunden sind, wie durch ein Gelenk verbundene Knochen oder Teile eines gebrochenen Knochens, auftreten kann und dass bei halbstarren Körpern, wie der Leber oder Prostata, eine Verformung der Gestalt auftreten kann. Insbesondere muss die Technik in der Lage sein, die Datei des abgetasteten Bildes so zu modifizieren, dass die modifizierte Bilddatei, die zur Lokalisierung und Darstellung dient, der Lage und/oder Gestalt des interessierenden Körperteils oder der interessierenden Körperteile während des medizinischen oder chirurgischen Verfahrens entspricht. Ein Schlüssel zur Erreichung dieser Korrespondenz ist das Vermögen, die Lage und/oder Gestalt des interessierenden Körperteils oder der Körperteile während des medizinischen oder operativen Verfahrens zu erfassen und zu verfolgen, sowie auch Instrumente oder während des Verfahrens verwendete Strahlung zu verfolgen.
Summarischer Abriss der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System zu schaffen, das die Registrierung zwischen einem in vorprozeduralen Abbildungen abgebildeten und während der Operation verfolgten Körperteil erlaubt.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Systems zur Verwendung während eines medizinischen oder chirurgischen Verfahrens an einem Körper, wobei das System eine Darstellung erzeugt, die die Lage eines oder mehrerer Körperelemente während des Verfahrens auf Basis einer Abtastung darstellt, die von einem Abtaster vor oder während des Verfahrens erzeugt wurde.
Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, ein System zur Verwendung während eines medizinischen oder chirurgischen Verfahrens an einem Körper zu schaffen, das die vor oder während des Verfahrens genommene Abtastung gemäß der identifizierten relativen Lage jedes der Elemente während des Verfahrens verändert.
Die Erfindung umfasst ein System nach Anspruch 1.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Darstellung des bekannten Systems, bei dem eine starre Fixierung und Abwesenheit von Bewegung zwischen der Abbildung und der Operation ein Registrierungsverfahren eins zu eins zwischen der voroperativen Abtastung und der Lage bei der Operation erlaubt.
2A ist eine Darstellung des Arbeitsgangs der Erfindung, bei der die vorprozedurale Bilddatei gemäß der intraprozeduralen Lage verändert wird, um eine versetzte und/oder verformte Datei zu generieren, die die intraprozedurale Lage repräsentiert.
2B ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
3 ist eine Darstellung der vorprozeduralen Ausrichtung von drei Körperelementen während der Abtastung.
4 ist eine Darstellung der intraprozeduralen Ausrichtung der drei Körperelemente der 3 während der Operation.
5 ist eine Darstellung von drei Körperelementen, von denen eins ein an ihm angebrachtes Bezugssystem hat, in Kombination mit einer Registrierungssonde.
6 stellt eine erfindungsgemäße Ultraschallregistrierung dar, bei der Emitter für einen virtuellen Bezug an den Ultraschall und wahlweise für einen aktuellen Bezug an den Körper des Patienten angeschlossen werden.
7 ist eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Röntgen-Ortungsgeräts, das Projektionen einer Abbildung der Körperelemente liefert.
8 ist eine Darstellung eines Bohrführungsinstruments der Erfindung, bei dem die Position einer Bohrführung relativ zu den Körperelementen dargestellt werden kann.
9 und 10 zeigen einen geklemmten Bezugsrahmen bzw. einen drahtgebundenen Bezugsrahmen.
11 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen chirurgischen Schädel-Navigationssystems.
11A ist eine Aufsicht einer bevorzugten Abbildungsform des erfindungsgemäßen Schädel-Bezugsbogenrahmens.
11B ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schädel-Bezugsbogenrahmens.
11C ist ein Verdrahtungsdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schädel-Bezugsbogenrahmens.
12A ist eine Aufsicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmens.
12B ist eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmens.
12C ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmens.
12D ist eine Aufsicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brust-Lenden-Halters.
12E ist eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brust-Lenden-Halters.
12F ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brust-Lenden-Halters.
12G ist ein Verdrahtungsdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmens.
13A ist eine Aufsicht eines Biopsie-Führungsortungsrahmens.
13B ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Biopsie-Führungsortungsrahmens.
13C ist eine Vorderansicht eines Biopsie-Führungsortungsrahmens.
13D ist eine Aufsicht eines Bohrer-Führungsortungsrahmens.
13E ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Bohrer-Führungsortungsrahmens.
13F ist eine Aufsicht eines Bohrer-Joch-Ortungsrahmens.
13G ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Bohrer-Joch-Ortungsrahmens.
13H ist eine Aufsicht einer Ventrikulostomie-Sonde mit einem integrierten Ortungsrahmen.
13I ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Ventrikulostomie-Sonde mit einem integrierten Ortungsrahmen.
13J ist ein Verdrahtungsdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Ortungsrahmens. Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in der Zeichnung durchgängig entsprechende Teile.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Überblick der Arbeitsweise einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems dargestellt. Vor einem bestimmten Verfahren werden die Körperelemente, die Teil des Verfahrens sind, abgetastet, um ihre Orientierung, d. h. ihre voroperative Lage zu bestimmen. Die Orientierung kann z. B. so wie in 3 gezeigt sein, wobei Körperelemente 10, 20 und 30 mehr oder weniger parallel ausgerichtet sind. Diese Körperelemente können Knochen oder andere starre Körper sein. In 3 sind dreidimensionale Skelettelemente 10, 20, 30 in zwei Dimensionen als stark stilisierte Wirbelkörper mit viereckigen Wirbeln 11, 21, 31, kleinen rechtwinkligen Stielen 12, 22, 32 und dreieckigen Dornfortsätzen 13, 23, 33 abgebildet. Während der Abbildung werden Abtastungen der Körperteile 10, 20, 30 in Intervallen abgenommen, wie in 3 durch neun gerade Linien dargestellt ist, die allgemein mit der Bezugszahl 40 bezeichnet sind. Es muss wenigstens eine Abtastung von jedem Körperelement erhalten werden, und die Abtastungen zusammen stellen eine dreidimensionale vorprozedurale Bilddatei dar.
2B ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Systems. Eine Abtaster-Schnittstelle 102 ermöglicht einem Prozessor 104, die von dem Abtaster generierte vorprozedurale Bilddatei zu erhalten und die Datei in einem vorprozeduralen Bilddateispeicher 106 zu speichern. Vorzugsweise wendet der Prozessor 104 nach der Bilderstellung einen Unterscheidungsprozess auf die vorprozedurale Bilddatei an, so dass nur die Körperelemente 10, 20, 30 im Speicher 106 bleiben. Wenn ein Unterscheidungsprozess angewendet wird, kann der Prozessor 104 den Unterscheidungsprozess ausführen, während Daten von dem Abtaster durch die Abtaster-Schnittstelle 102 zur Speicherung in den Speicher 106 übertragen werden. Alternativ kann der Speicher 106 für die Speicherung nicht-unterschiedener Daten dienen, und ein separater Speicher (nicht gezeigt) kann für die Speicherung der unterschiedenen Daten vorgesehen sein. Bei dieser Alternative würde der Prozessor 104 die Datei von dem Abtaster durch die Abtaster-Schnittstelle 102 in den Speicher 106 übertragen und dann die in dem Speicher 106 gespeicherten Daten unterscheiden, um eine unterschiedene Bilddatei zu generieren, die in dem separaten Speicher gespeichert würde.
Wenn die Körperelemente 10, 20, 30 unterschieden sind und jedes als ein einzelner starrer Körper definiert ist, können sie durch eingeführte Softwarealgorithmen neu positioniert werden, um die versetzte Bilddatei zu bilden. Jedes starre Körperelement 10, 20, 30 muss wenigstens drei erkennbare Bezugspunkte haben, die auf den vorprozeduralen Abbildungen sichtbar sind. Diese Bezugspunkte müssen während des Verfahrens genau erfasst werden. Für Körperteil 10 sind die Bezugspunkte 10A, 10B und 10C auf dem Dornfortsatz 13 angeordnet; für Körperteil 20 sind die Bezugspunkte 20A und 20C auf dem Wirbel 21 angeordnet, und der Bezugspunkt 20B ist auf Dornfortsatz 23 angeordnet; und für Körperteil 30 sind Bezugspunkte 30A und 30B auf dem Dornfortsatz 33 angeordnet und Bezugspunkt 30C ist auf dem Wirbel 31 angeordnet. Es kann mehr als ein Bezugspunkt auf jeder Abtastung des Knochens ausgewählt werden, obgleich die maximale Genauigkeit der Registrierung durch möglichst große Beabstandung der Bezugspunkte erreicht wird. Beispielsweise bei der Chirurgie der hinteren Wirbelsäule kann es bevorzugt sein, Bezugspunkte 10A, 10B und 10C auf dem Dornfortsatz auszuwählen, der während dieser Operation gewöhnlich frei liegt. Es wird erwartet, dass Systemsoftware die manuelle oder selbsttätige Identifizierung eben dieser Punkte auf den Abbildungen der Körperelemente 10, 20, 30 erlaubt. Da 3 eine zweidimensionale Projektion eines dreidimensionalen Fortsatzes ist, werden die Bezugspunkte nicht auf eine vollkommene Sagittalebene wie abgebildet beschränkt sein.
Nach der Abbildung können sich die Skelettkörperelemente 10, 20, 30 an den Gelenken oder Bruchlinien gegeneinander bewegen. In dem Verfahrensraum, etwa einem Operationsraum oder einem Raum, wo ein medizinisches Verfahren durchgeführt wird, werden die Körperelemente nach Positionierung des Patienten bei der Operation eine abweichende Geometrie annehmen, etwa die in 4 abgebildete Geometrie.
Infolge dieser Bewegung bildet die im Speicher 106 gespeicherte vorprozedurale Bilddatei, bestehend aus den Abtastungen der Skelettelemente, nicht die Operationslage der Skelettelemente ab, wie sie in 4 gezeigt ist. Die Gestalt der Skelettelemente, wie sie durch die Abtastungen der Elemente abgebildet ist, ist jedoch zwischen Abbildung und Verfahren übereinstimmend, da sie starre Körper sind, wie in 4 durch die Linien 40 durch jedes Element angezeigt ist. Daher muss die Bilddatei verändert werden, um die intraprozedurale Geometrie der Skelettelemente abzubilden. Diese Veränderung wird so durchgeführt, dass die Stelle jedes Bezugspunktes jedes Skelettelements im Verfahrensraum identifiziert wird. Wie in 2 schematisch gezeigt, identifiziert ein Ortungsgerät 108 (zu weiteren Details siehe 13 unten) den Ort und liefert diese Information so, dass die vorprozedurale Datei in die versetzte Datei deformiert oder neu positioniert werden kann. Als Ergebnis ist die versetzte Datei in Registrierung mit der intraprozeduralen Lage der Elemente 10, 20, 30. Wenn die Orte der Bezugspunkte durch das Ortungsgerät 108 bestimmt sind, kann der Prozessor 104, der ein Teil des Arbeitsrechners ist, Software ausführen, die die Bilder der Skelettelemente neu positioniert, um die Lage der aktuellen Elemente in dem Verfahrensraum wiederzugeben und so die versetzte Datei und die Registrierung zwischen der versetzten Datei und der intraprozeduralen Lage zu bilden.
Vorzugsweise kann ein dreidimensionaler Digitalumsetzer als das Ortungsgerät 108 dienen, um während des Verfahrens die Lage und den Raum der Elemente 10, 20, 30 zu bestimmen. Im Allgemeinen hätte der Digitalumsetzer eine Bezugsanordnung 110, die Emissionen von einer Reihe von Emittern empfängt. Im Allgemeinen bestehen die Emissionen aus irgendeiner Energieart, etwa Licht, Schall oder elektromagnetischer Strahlung. Die Bezugsanordnung 110 ist von den Emittern entfernt, die an den georteten Elementen anliegen und in Koordination mit ihnen positioniert sind, wobei die Position der Emitter bestimmt wird. Die Emitter können offenkundig entfernt von den Elementen angeordnet werden, und die Bezugsanordnung 110 kann an den georteten Elementen angebracht sein.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems bei nicht-starren, sondern vielmehr halbstarren Körperelementen, die Gestaltverformungen an den Körperelementen zulassen, wird unter Bezugnahme auf 2 wie folgt beschrieben. Vor einem bestimmten Verfahren werden die Körperelemente, die Teil des Verfahrens sind, abgetastet, um ihre voroperative Lage und Gestalt zu bestimmen. Beispielsweise kann die Orientierung so sein, wie in 3 dargestellt, wobei die Körperelemente 10, 20 und 30 mehr oder weniger parallel ausgerichtet sind und eine definierte Gestalt haben. Diese Körperelemente können Weichgewebe sein, wie die Prostata, oder andere halbstarre Körper.
Nach der Abbildung können sich die Elemente 10, 20, 30 zueinander bewegen, und auch ihre Gestalt kann sich verformen. In dem Verfahrensraum, wie etwa einem Operationsraum oder einem Raum, wo ein medizinisches Verfahren durchgeführt wird, können die Körperelemente nach Positionierung des Patienten für die Operation eine andere Geometrie, etwa die in 4 abgebildete Geometrie annehmen, in der die Geometrie die Elementorientierung (Position) und -gestalt abbildet.
Infolge dieser veränderten Geometrie bildet die in dem Speicher 106 gespeicherte vorprozedurale Bilddatei die Operationsgeometrie der Körperelemente, wie sie in 4 gezeigt ist, nicht ab. Die Gestalt der Körperelemente, wie sie durch die Abtastungen des Elements abgebildet sind, kann sich zwischen der Abbildung und dem Verfahren tatsächlich geändert haben, da sie halbstarre Körper sind. Daher muss die Bilddatei verändert werden, um die gegenwärtige Geometrie der Körperelemente wiederzugeben. Diese Änderung erfolgt dadurch, dass der Ort der Bezugspunkte jedes Körperelements in dem Verfahrensraum identifiziert wird. Wie in 2 schematisch dargestellt ist, identifiziert ein Ortungsgerät 108 das möglicherweise mit einem Prozessor 104 kommuniziert, den Ort der Bezugspunkte und bildet diese Information, so dass die vorprozedurale Datei in die versetzte Datei umgeformt werden kann. Wenn die Orte der Bezugspunkte bestimmt sind, kann der Prozessor 104, der Teil des Arbeitsplatzrechners ist, Software abarbeiten, die die Abbildungen der Körperelemente modifiziert, um die Geometrie der aktuellen Elemente in dem Verfahrensraum wiederzugeben und so die versetzte Datei und die Registrierung zwischen der versetzten Datei und der intraprozeduralen Position zu bilden. Im Ergebnis ist die versetzte Datei in Registrierung mit der intragrozeduralen Geometrie der Elemente 10, 20, 30.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Bezugsrahmen 116 zu Beginn des Verfahrens mit einem der Körperelemente 10 verbunden. Verschiedene Ausführungsformen des Bezugsrahmens sind im einzelnen unten in den 11 und 12 dargestellt. Der Bezugsrahmen 116 ist mit mehreren Emittern 114 bestückt, die zusammen ein dreidimensionales intraprozedurales Koordinatensystem in Bezug auf das Körperelement 10 definieren. In herkömmlicher Ausdrucksweise definiert der Bezugsrahmen 116 den stereotaktischen Raum in Bezug auf das Körperelement 10. Die Emitter 114 kommunizieren mit Sensoren 112 auf einer Bezugsanordnung 110, die in dem Verfahrensraum und entfernt von dem Bezugsrahmen 116 und dem Patienten angeordnet ist. Wenn der Körper des Patienten während der Operation nicht immobilisiert ist, können für jedes Körperelement mehrere Bezugsrahmen erforderlich sein, um mit Bezug auf jedes Element einen Operationsraum zu definieren. Der Operationsraum kann alternativ durch starre Befestigung der Rahmenemitter 114 direkt (oder indirekt, z. B. an der Haut) an den Skelettelementen 10, 20 oder 30 definiert werden. In jedem Falle emittieren die Emitter 114 ein Signal, das von den Sensoren 112 empfangen wird. Das empfangene Signal wird zur Berechnung der Lage, z. B. durch Triangulierung, digitalisiert. Durch diese Information kann das Ortungsgerät 108 oder ein Digitalumsetzer, der Teil des Ortungsgeräts 108 ist, die genaue dreidimensionale Position der Rahmenemitter 114 relativ zu den Sensoren 112 bestimmen. Dadurch kann das Ortungsgerät 108 oder der Prozessor 104 die Position des Bezugsrahmens 116 relativ zu der Anordnung genau bestimmen, die bewegungsfrei ist mit Ausnahme während der Ortung, z. B. der Aktivierung der Emitter 114 auf dem Bezugsrahmen 116 und der Aktivierung der Sondenemitter 112. Die Emitter 114 des Bezugsrahmens 116 werden eingeschaltet, um an die Sensoren 112 Strahlung zu liefern, die empfangen wird und Signale für das Ortungsgerät 108 zur Bestimmung der Position des Rahmens 116 relativ zu der Anordnung 110 generiert.
Als nächstes ist es nötig, die Position des Körperelements 10 zu bestimmen, das ein Skelettelement sein kann, an den der Bezugsrahmen 116 befestigt ist oder mit Bezug auf das der Bezugsrahmen positioniert ist. Insbesondere muss die Lage des Körperelements 10 relativ zu dem Bezugsrahmen 116 bestimmt werden, wodurch die Lage des Körperelements 10 in dem durch den Bezugsrahmen 116 definierten Operationsraum bestimmt wird. Nach Exposition der Bezugspunkte 10A, 10B, 10C durch chirurgische Sektion werden die Bezugspunkte durch die Spitze einer Registrierungssonde 118 berührt, die mit Emittern 120 bestückt ist. Da alle Bezugspunkte 10A, 10B, 10C durch die Spitze der Sonde 120 berührt werden, werden die Emitter eingeschaltet, um mit den Sensoren 112 der Bezugsanordnung 110 zu kommunizieren. Diese Kommunikation erlaubt es dem Ortungsgerät 108, die Position der Registrierungssonde 120 zu bestimmen und dadurch die Lage der Spitze der Sonde 120 zu bestimmen und so die Position des Bezugspunktes 10A zu bestimmen, auf dem die Spitze positioniert ist. Durch Berührung jedes der Bezugspunkte 10A, 10B, 10C auf jedem an dem Verfahren beteiligten Körperelement 10, 20, 30 werden intraprozedurale Geometriedaten generiert und im Speicher 121 gespeichert. Diese Daten sind auf die entsprechenden Bezugspunkte auf den vorprozeduralen Abbildungen der gleichen Elemente durch den Prozessor 104 bezogen, der unter Benutzung von Software eine Transformation ableitet, die die Bestimmung der genauen prozeduralen Position, Ausrichtung und Gestalt jedes Körperelements im Operationsraum erlaubt und dadurch die in dem Speicher 106 gespeicherte vorprozedurale Bilddatei modifiziert, um eine versetzte Bilddatei zu gewinnen, die in dem Speicher 122 gespeichert wird. Die versetzte Bilddatei in dem Speicher 122 gibt die Geometrie der tatsächlichen Elemente 10, 20, 30 während des Verfahrens wieder. Der Prozessor 104 zeigt die versetzte Bilddatei auf einem Bildschirm 124 an, um während des Verfahrens eine visuelle Abbildung der Geometrie der Körperelemente 10, 20, 30 zu schaffen. Diese Abbildung dient während des Verfahrens zur Hilfe in dem Verfahren. Ferner wird erwogen, dass ein Instrument, etwa eine Zange, ein Laser, ein Mikroskop, ein Endoskop oder ein Strahlungsabgabesystem, das bei dem Verfahren zur Anwendung kommen würde, durch den Zusatz von Emittern modifiziert werden kann. Dieses modifizierte Gerät würde nach Bewegung in das Gebiet der Körperelemente 10, 20, 30 aktiviert werden, so dass seine Emitter mit der Bezugsanordnung 110 kommunizieren und dadurch dem Ortungsgerät 108 ermöglichen würden, die Lage des Instruments zu bestimmen. Im Ergebnis würde der Prozessor 104 den Bildschirm 124 modifizieren, um die Lage des Instruments oder den Brennpunkt des Instruments in Bezug auf die Körperelemente 10, 20, 30, wie durch Positionierung eines Kursors, anzuzeigen.
Ferner wird erwogen, dass der Zusatz von Emittern auf einem Instrument (Effektor) bei dem System dazu dienen kann, einen geschlossenen Rückkopplungskreis zur aktiven (in der Robotertechnik) oder passiven Steuerung oder Überwachung des Instruments und seiner Lage zu schaffen. Ein solcher Steuerkreis erlaubt die Überwachung bestimmter Arbeitsweisen, etwa die Strahlungszuführung zu dem Körper oder die Benutzung eines Bohrers, wo die Aufgabe des Verfahrens darin besteht, den Brennpunkt des Instruments in einer sicheren Zone, nämlich einer vorbestimmten Verfahrensebene zu halten. Ein solcher Steuerkreis könnte auch die Arbeit eines durch Roboter gesteuerten Instruments steuern, wobei die Robotertechnik (direkt oder indirekt) durch den Prozessor 104 angetrieben werden könnte, um die Lage des Instruments zu steuern. Beispielsweise könnte der Prozessor einen Roboterarm anweisen, die Position eines Lasers zu steuern. Die Laserposition könnte überwacht werden, etwa durch Emitter auf dem Laser. Der Prozessor würde mit den Steuerparametern für den Laser so programmiert werden, dass er einem vorbestimmten Weg genau folgen würde.
Der Bezugsrahmen 116 erlaubt es, dass sich der Patient während des Verfahrens bewegt, ohne dass die Notwendigkeit besteht, die Lage jedes Körperelements 10, 20, 30 neu zu registrieren. Es wird angenommen, dass die Körperelemente während des Verfahrens relativ zueinander fixiert sind. Da der Bezugsrahmen 116 (direkt oder indirekt) an dem Körperelement 10 fixiert ist, führt eine Bewegung des Patienten zu einer entsprechenden Bewegung des Bezugsrahmens 116. Periodisch oder nach jeder Bewegung des Patienten können die Anordnungsemitter 114 eingeschaltet werden, um mit den Sensoren 112 der Bezugsanordnung 110 zu kommunizieren, um dem Ortungsgerät 108 zu ermöglichen, die Position des Bezugsrahmens 116 zu bestimmen. Da der Bezugsrahmen 116 in einer bekannten relativen Position zu dem Element 110 ist und da wir angenommen haben, dass die Elemente 20 und 30 in fester Beziehung zu dem Element 10 sind, kann das Ortungsgerät 108 und/oder der Prozessor 104 die Lage der Elemente bestimmen und dadurch die Registrierung aufrecht erhalten.
Eine Alternative zu der Berührung der Bezugspunkte A, B, C mit der Spitze der Sonde 118 wäre die Benutzung eines Umrissabtasters 126A mit daran angebrachten Emittern 126b. Ein solches Gerät unter Benutzung irgendeiner Form von Energie, wie Schall oder Licht, die emittiert, durch den Umriss zurückgeworfen und empfangen wird, würde die Extraktion eines Umrisses der Körperelemente 10, 20, 30 ermöglichen und so als Vielzahl von Bezugspunkten dienen, die die Registrierung erlauben würden. Der Registrierungsprozess ist analog zu dem Prozess, der für mit Ultraschall extrahierte Umrisse unten beschrieben wird.
In bestimmten Situationen können Marker auf der Hautoberfläche als Bezugspunkte dienen, um die Transformation der vorprozeduralen Bilddatei in die versetzte Bilddatei zu ermöglichen. Umgekehrt können Hautoberflächen-Bezugsmarken, die zur Zeit der Abbildung angebracht wurden, zur Neupositionierung des Körpers dienen, um ihn mit der Geometrie während der Abbildung in Übereinstimmung zu bringen; dies wird unten beschrieben.
Die Ortung von Körperelementen 10, 20, 30 kann erwünscht sein, ohne dass im Verfahren die Bezugspunkte A, B, C auf diesen Körperelementen freiliegen. Beispiele, bei denen die Wirbelsäule minimal freiliegt, sind perkutane Biopsie der Wirbelsäule oder Dissectomie, spinale Fixierung, Endoskopie, perkutane spinale Implantateinsetzung, perkutane Fusion, Einsetzen von Arzneimittelzuführungssystemen und Strahlungszuführung. In dieser Situation muss die Ortung von Bezugspunkten auf den Körperelementen durch eine Form der Abbildung bestimmt werden, die durch aufliegendes Weichgewebe hindurch orten und/oder umgebendes Gewebe und umgebende Strukturen unterscheiden kann. Es gibt gegenwärtig zwei Abbildungstechniken, die einem Chirurgen in dem Operationsraum oder einem Arzt in einem Verfahrensraum verfügbar sind, die den Anforderungen von geringen Kosten und Transportierbarkeit genügen. Beide Abbildungstechniken, die Ultraschalldarstellung und die Radiographie, können zwei- oder dreidimensionale Abbildungen produzieren, die bei der hier beschriebenen Methode Anwendung finden können, um eine dreidimensionale Form, etwa ein Skelettelement, zu registrieren.
Wie in den US-Patentanmeldungen Nr. 07/858,980 und 08/053,076 beschrieben wurde, ergibt die Kopplung eines dreidimensionalen Digitalumsetzers mit einer Sonde eines Ultraschallgeräts Vorteile insofern, als man einen Umriss erhalten kann, der direkt mit einem Bezugssystem in Beziehung gesetzt werden kann, das dreidimensionale Koordinaten in dem Verfahrensarbeitsraum, nämlich dem Operationsraum definiert. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird ein Patient vor einem Verfahren abgebildet, um eine vorprozedurale Bilddatei zu generieren, die im Speicher 106 gespeichert wird. In dem Verfahrensraum wird der Körper des Patienten immobilisiert, um die räumliche Beziehung zwischen den Körperelementen 10, 20, 30 zu stabilisieren. Ein Verfahrensbezugssystem, ein chirurgischer Raum, für den Körper wird erstellt, indem man einen Bezugsrahmen 116 an einem der Körperelemente anbringt, oder durch anderweitige Anbringung von Emittern an dem Patienten oder den Körperelementen, wie oben angegeben, oder durch Anbringung von Emittern an einem Gerät, das eins der Körperelemente verfolgen kann und dadurch eine bekannte Beziehung mit dem Körperelement bildet. Dies könnte z. B. so durchgeführt werden, dass man die perkutane Anordnung eines Bezugsrahmens ähnlich dem oben beschriebenen vornimmt, strahlungsundurchlässige Marker in die Elemente schraubt, oder indem man Emitter 130 direkt auf die Haut setzt, wie in 6 gezeigt, unter der Annahme, dass die Haut sich während des Verfahrens oder in Bezug auf die Körperelemente nicht beträchtlich bewegt.
Eine mit wenigstens drei Emittern 130 ausgestattete Ultraschallsonde 128 wird dann über dem interessierenden Körperelement angeordnet. Der Umriss (der zwei- oder dreidimensional sein kann) des Körperelements wird dann unter Benutzung der Ultraschallsonde 128 erhalten. Dieser Umriss kann direkt oder indirekt in den Verfahrenskoordinaten ausgedrückt werden, die durch das Bezugssystem (Operationsraum) definiert sind. Die Emitter 130 kommunizieren mit den Sensoren 112 der Bezugsanordnung 110, um die Lage der Ultraschallsonde 128 anzuzeigen. Ein Ultraschallabtaster 130, der die Sonde 128 einschaltet, bestimmt den Umriss des interessierenden Körperelements, das abgetastet wird. Diese Umrissinformation wird an den Prozessor 104 zur Speicherung in dem intraprozeduralen Geometriedatenspeicher 121 geliefert.
Der in dem Speicher 121 gespeicherte intraprozedurale Umriss wird dann durch einen Umrissvergleichsalgorithmus mit einem entsprechenden Umriss verglichen, der aus der in Speicher 106 gespeicherten voroperativen Bilddatei abgerufen wird. Alternativ kann eine vorprozedurale Umrissdatei in Speicher 134 aufgrund einer vorprozeduralen Ultraschallabtastung gespeichert sein, die vor dem Verfahren über die Abtasterschnittstelle 102 in den Speicher 134 eingegeben wird. Dieses Vergleichsverfahren wird fortgesetzt, bis für jedes der Elemente eine Übereinstimmung gefunden ist. Durch dieses Umriss-Vergleichverfahren erhält man eine Registrierung zwischen den Abbildungen jedes Körperelements und der entsprechenden Lage jedes Elements in dem Verfahrensraum, wodurch die zur Ortung und Bildschirmanzeige benutzte versetzte Bilddatei 122 gebildet werden kann. Es ist zu bemerken, dass die bei dem Vergleichsverfahren benutzten Umrisse nur genügend identisch sein müssen, um einen genauen Paarigkeitsvergleich zu bewerkstelligen – die Umrisse müssen nicht die gleiche Ausdehnung des Körperelements haben.
In gewissen Fällen kann die oben angegebene Ultraschallregistrierung nicht anwendbar sein. Ultraschall durchdringt z. B. nicht Knochen, und die Anwesenheit eines darüber liegenden Knochens würde die Registrierung eines darunter liegenden Skelettelements ausschließen. Die Ultraschallauflösung nimmt ferner mit Zunahme der Tiefe des abzubildenden Gewebes ab und kann unbrauchbar sein, wenn das Skelettelement so tief liegt, dass ein genauer, durch Ultraschall generierter Umriss ausgeschlossen ist. Unter diesen Umständen ist eine radiologische Methode angezeigt, die die größere Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen benutzt.
Die voroperative Abbildung erfolgt wie üblich, und die Skelettelemente können von dem Weichgewebe in der Bilddatei wie oben unterschieden werden. Insbesondere könnte eine CT-Abtastung der Skelettelemente 10, 20, 30 vor dem Verfahren genommen werden. Der Prozessor 104 kann dann die Skelettelemente unterscheiden und die vorprozedurale Bilddatei in dem Speicher 106 speichern. Dann wird der Patient für das Verfahren immobilisiert. Eine Röntgenaufnahme der interessierenden Skelettanatomie wird durch einen Röntgenapparat aufgenommen, der mit Emittern ausgestattet ist, die durch den Digitalumsetzer erfassbar sind. Zum Beispiel ist ein durchleuchtendes Ortungsgerät 136 in 7 dargestellt. Das Ortungsgerät 136 hat eine Einrichtung, die Röntgenstrahlen emittiert, wie eine Röhre 138, und einen Schirm 140, der für Röntgenstrahlen empfindlich ist und eine Abbildung erzeugt, wenn Röntgenstrahlen ihn passieren. Dieser Schirm wird als eine Röntgenplatte bezeichnet. Die Emitter 142 können auf der Röhre 138 oder auf der Röntgenplatte 140 oder auf beiden angeordnet sein. Für Geräte, bei denen die Röhre 138 starr an der Platte 140 angebracht ist, brauchen die Emitter nur auf der Röhre oder der Platte vorgesehen zu werden. Alternativ kann die Bezugsanordnung 110 an der Röhre oder der Platte angebracht werden, wodurch sich Emitter auf diesem Element erübrigen. Durch das Durchtreten von Röntgenstrahlen durch das interessierende Skelettelement 141 wird aufgrund der Knochendichte ein zweidimensionales Bild gebildet und durch die Platte aufgezeichnet. Die von dem durchleuchtenden Ortungsgerät 136 produzierte Abbildung wird durch den Winkel der Röhre 138 zu der Platte 140 und die Lage der Skelettelemente dazwischen bestimmt und kann in Bezug auf Verfahrenskoordinaten (chirurgischer Raum) definiert werden. Das durchleuchtende Ortungsgerät 136 hat einen Prozessor, der das Bild auf der Platte 140 digitalisiert und das digitalisierte Bild an den Prozessor 104 liefert zur möglichen Bearbeitung und anschließenden Speicherung in dem intraprozeduralen Geometriedatenspeicher 121. Der Prozessor 104 kann die Generierung dieses zweidimensionalen Röntgenbildes durch Schaffung einer Reihe zweidimensionaler Projektionen der dreidimensionalen Skelettelemente simulieren, die in der im Speicher 106 gespeicherten Bilddatei unterschiedlich behandelt wurden. Jede zweidimensionale Projektion würde den Durchgang eines Röntgenstrahls durch den Körper unter einem spezifischen Winkel und einem spezifischen Abstand darstellen. Um die versetzte Datei zu bilden und so eine Registrierung zu erreichen, wird ein Iterationsverfahren benutzt, das die zweidimensionale Projektion aus der versetzten Datei auswählt, die am genauesten mit dem in dem Speicher 121 gespeicherten aktuellen Röntgenbild bzw. den Röntgenbildern zusammenpasst. Das beschriebene Verfahren kann mehr als ein Röntgenbild benutzen. Da der Prozessor 104 auch die Position der durchleuchtenden Ortungsgeräte wegen der darauf befindlichen in Kommunikation mit Ortungsgerät 108 stehenden Emitter 142 kennt, wird die genaue Lage der Skelettelemente während des Verfahrens bestimmt.
Wie oben bemerkt, kann das prozedurale Bezugssystem oder der chirurgische Raum für den Körper dadurch erstellt werden, dass Emitter an einem Gerät angebracht werden, das eins der Körperelemente erfassen und verfolgen, d. h. identifizieren kann, wodurch eine bekannte Beziehung mit dem Körperelement hergestellt wird. Zum Beispiel bilden die Emitter 130 auf der Ultraschallsonde 128 zusammen und ohne die drei Emitter auf dem Patientenkörper eine Art Bezugsrahmen 116, wie in 6 abgebildet, der an dem Körperelement 10 dadurch virtuell angebracht werden kann, dass der in dem intraprozeduralen Geometriedatenspeicher 121 gespeicherte Ultraschallumriss des Körperelements 10 ständig oder periodisch aktualisiert wird, den der Prozessor 104 dann benutzt, um ihn mit dem in dem vorprozeduralen Speicher 106 gespeicherten Umriss des Körperelements 10 zu vergleichen und dadurch die versetzte Bilddatei in Speicher 122 stetig oder periodisch zu aktualisieren, so dass die Registrierung bei der prozeduralen Lage der Körperelemente beibehalten wird. Es ist vorgesehen, dass ein virtueller Bezugsrahmen unter Benutzung einer Anzahl von Geräten erstellt werden kann, die ein Körperelement erfassen und verfolgen können, wie etwa Röntgengeräten (Durchleuchtungsgeräten), Endoskopen oder Umrissabtastern.
Die obigen Lösungen erreichen die Registrierung durch die Bildung einer in Speicher 122 gespeicherten versetzten Bilddatei, die dem Versatz der Skelettelemente zur Zeit des Verfahrens angeglichen ist. Eine andere Technik zur Erreichung der Registrierung besteht darin, sicherzustellen, dass die Positionen der Skelettelemente während des Verfahrens identisch mit denen sind, die zur Zeit der Abbildung gefunden wurden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man einen Rahmen benutzt, der die Lage des Patienten einstellt und immobilisiert. Bei dieser Technik werden vor der Abbildung wenigstens drei Marker auf der Haut platziert. Diese Marker müssen durch die benutzte Abbildungstechnik erfassbar sein und werden Fiduzialien genannt. Zur Verbesserung der Genauigkeit sind viele Fiduzialien erwünscht.
Während des Verfahrens wird der Körper des Patienten auf einen Rahmen gelegt, der eine genaue Positionierung erlaubt. Diese Rahmen werden gewöhnlich für die Wirbelsäulenchirurgie benutzt und könnten modifiziert werden, um ihre Benutzung bei der Abbildung zu ermöglichen, und sie könnten benutzt werden zur Neupositionierung des Patienten während des Verfahrens. Diese Rahmen könnten mit Antriebsmechanismen ausgestattet sein, die es erlauben, den Körper langsam in verschiedene Positionen zu bewegen. Die zur Zeit der Abbildung gesetzten Fiduzialien werden durch Emitter ersetzt. Durch Einschaltung des Antriebsmechanismus an dem Rahmen kann die genaue Lage der Emitter während des Verfahrens bestimmt und mit der Lage der Fiduzialien auf der in Speicher 106 gespeicherten vorprozeduralen Bilddatei verglichen werden. Sobald die Emitter eine mit der Geometrie der Fiduzialien der Bilddatei identische Geometrie annehmen, wird davon ausgegangen, dass die Skelettelemente wieder das mit der Lage während der vorprozeduralen Abtastung identische geometrische Lageverhältnis angenommen haben, und das Verfahren kann mit der im Speicher 106 gespeicherten unveränderten Bilddatei durchgeführt werden.
Im Allgemeinen ist die bei Verfahren an dem Skelett benutzte Instrumentierung etwas anders als die für Anwendungen am Kopf. Anders als bei Beziehung zur aktuellen Stelle besteht die Chirurgie am Skelett gewöhnlich darin, Hardware durch Knochen zu bringen, eine Biopsie aus dem Knochen zu nehmen und Bruchstücke zu entfernen. Daher muss die Instrumentierung für diese Anwendung spezialisiert sein.
Ein Instrument, das im Allgemeinen benutzt wird, ist ein Bohrer. Durch Anordnung von Emittern auf einem chirurgischen Bohrer und durch ein festes Verhältnis zwischen dem Bohrkörper und seiner Spitze (gewöhnlich einer Bohrerspitze) kann die Richtung und Lage der Bohrerspitze bestimmt werden. Wenigstens drei Emitter würden auf dem Bohrer benötigt, da die meisten Bohrer eine komplizierte dreidimensionale Gestalt haben. Alternativ könnten Emitter auf einem Bohrerführungsrohr 800 platziert werden, das Emitter 802 hat, und die Richtung 804 der angesetzten Schraube oder des hergestellten Loches könnte durch den Digitalumsetzer bestimmt und auf der Bilddatei (siehe 8) angezeigt werden. Auf dem Skelettelement 806 würden ebenfalls Emitter sein, um seine Lage anzuzeigen.
Außer der Änderung einer bestehenden Instrumentierung ist eine neue Instrumentierung erforderlich, um ein Bezugssystem für die Chirurgie zu schaffen, wie oben diskutiert wurde. Diese Bezugsrahmen sind jeweils mit wenigstens drei Emittern ausgestattet und erfordern eine Festlegung an dem Knochen, die eine Bewegung oder Drehung verhindert.
Für die offene Chirurgie kann eine Klemmeinrichtung benutzt werden, wie sie in 9 abgebildet ist. Eine Klemme 900 ist mit wenigstens zwei Spitzen 902, 904, 906, 908 ausgestattet, die eine Festlegung an einem Vorsprung 910 eines Skelettelements schaffen. Durch die Fixierung an wenigstens zwei Punkten wird die Klemme 900, die als Bezugsrahmen fungiert, nicht in Bezug auf das Skelettelement rotieren. Die Klemme enthält Emitter 912, 914, 916, die mit der Bezugsanordnung kommunizieren, um die Lage des Skelettelements anzuzeigen, wenn es sich während des Verfahrens bewegt.
Viele Verfahren sind mit Knochenfragmenten 940 befasst, die während der Operation nicht frei liegen, aber einfach mit durch die Haut 954 eingeführten Drähten oder Schrauben 950, 952 fixiert werden. 10 zeigt eine Bezugsplattform 956, die an solchen Drähten oder Schrauben 950, 952 angebracht ist, die durch die Haut 954 ragen. Die Plattform 956 hat mehrere Emitter 958, 960, 962, 964, die mit der Anordnung kommunizieren, um die Lage des Knochenfragments 940 anzuzeigen, wenn es während des Verfahrens bewegt wird.
Der Bezugsrahmen kann über die vorstehenden Schrauben oder Drähte geschoben oder an ihnen befestigt werden, um ein Bezugssystem zu erstellen. Alternativ kann der Rahmen nur an einem Draht befestigt werden, solange die Methode der Anbringung des Rahmens an der Schraube oder dem Draht eine Drehung verhindert und der Draht oder die Schraube sich nicht in dem angebrachten Skelettelement drehen kann.
Bezugs- und Ortungsrahmen
11 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Navigationssystems für die Kopfchirurgie. Ein transportabler Systemschrank 1002 hat eine chirurgische Arbeitsstation 1004, die in Blickhöhe des Chirurgen oder Technikers gehalten ist, der das System benutzt. Die Arbeitsstation 1004 hat einen Bildschirm 1106 für die Darstellung der verschiedenen Abtastungen und ist mit einem Personalcomputer 1108 verbunden, um den Monitor 1106 zu steuern. Das System hat auch einen optischen Digitalumsetzer mit einer Kameragruppe 1110, einem Kameramontagestativ 1112 zur Halterung der Gruppe entfernt von und in Sichtlinie mit dem Patienten, einer Digitalumsetzer-Steuereinheit 1114 auf dem transportablen Systemschrank 1102 mit Anschluss an den Rechner 1108, einem Fußschalter 1116 zur Steuerung des Betriebs des Systems und einem Testgerät 1118 zur Verbindung des Fußschalters 1116 und der Digitalumsetzer-Steuereinheit 1114.
Über das Testgerät 1118 ist ferner ein Bezugsrahmenaggregat 1120 angeschlossen mit einem Bezugsrahmen 1122 mit Kabelverbindung zu dem Testgerät 1118, einem vertikalen Trägeraggregat 1124, einer Kopf-Klemmbefestigung 1126 und einem horizontalen Halteraggregat 1128. Eine optische Sonde 1130 (die ein Ortungsrahmen ist) ist ebenfalls durch Kabel über das Testgerät 1118 an die Digitalumsetzer-Steuereinheit 1114 angeschlossen.
Bei der Operation wird der Kopf des Patienten (oder ein anderes „starres" Körperelement) an der Kopfklemmeinrichtung 1126 befestigt. Um die Position der optischen Sonde 1130 mit Bezug auf den Kopf in der Kopfklemmeinrichtung 1126 zu bestimmen, würde der Chirurg auf das Pedal 1116 treten, um die Emitter des Bezugsrahmens 1122 einzuschalten. Die Emitter würden ein Lichtsignal generieren, das von der Kameragruppe 1110 aufgenommen und zur Bestimmung der Kopfposition trianguliert würde. Die Emitter der optischen Sonde 1130 würden auch eingeschaltet, um Lichtsignale auszusenden, die von der Kameragruppe aufgenommen werden, um die Position der optischen Sonde 1130 zu bestimmen. Aufgrund der relativen Position des Kopfes und der Sonde 1130 würde der Steuerkasten 1114 eine voroperative Abtastung auf den Schirm des Monitors 1106 darstellen, die die Position der Sonde relativ zu und/oder in dem Kopf anzeigen würde.
11A ist eine Aufsicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kopf-Bezugsbogenrahmens 1122. Der Bezugsrahmen 1122 wird mit einem chirurgischen Navigationssystem benutzt, wie es in 11 gezeigt ist, das eine Sensorgruppe, etwa Kameragruppe 1110 hat, die mit dem Bezugsrahmen 1122 kommuniziert, um seine Lage zu identifizieren. Der Bezugsrahmen 1122 hat ein Basiselement 1132 mit einer oberen Basis 1134 und einer Basisplatte 1136, die jeweils halbkreisförmig ausgebildet sind und mit Schrauben 1138 unter Bildung eines dazwischen befindlichen Hohlraums 1140 miteinander verbunden sind. Die Basis und die Platte können aus anodisiertem Aluminium oder einem anderen für Autoklavenbehandlung geeigneten Material hergestellt sein. Die Oberseite der oberen Basis kann mit einer oder mehreren Federklemmen 1142 für den Eingriff eines Leyla-Rückzugarms versehen sein. Wie in 11A gezeigt, ist die obere Basis mit fünf Federklemmen 1142 versehen.
Ein Ende oder beide Enden des Bezugsrahmens 1122 können mit einer Bajonettausstattung 144 für den Eingriff mit einer Klemme versehen sein, die auch mit einem Leyla-Rückzieher in Eingriff wäre. Ein Ende oder beide Enden des Bezugsrahmens 1122 sind auch mit einem radialen Vorsprung 146 zum Halten einer Schraube 148 und einem Handgriff 150 ausgebildet, der zur Verriegelung des Bezugsrahmens mit einer Kopf-Klemmeinrichtung, etwa der in 11 gezeigten Kopf-Klemmeinrichtung 126 oder einer Mayfield-Klemme dient. Dies ermöglicht es, den Bezugsrahmen 1122 in eine festgelegte Position relativ zu dem Kopf zu bringen, so dass jegliche Bewegung des Kopfes eine entsprechende Bewegung des Bezugsrahmens zur Folge hätte.
Der radiale Vorsprung 146, Schraube 148 und Handgriff 150 stellen auf dem Basiselement 1132 eine Kupplung dar für die Anlage an einer an einem Körperteil (dem Kopf) angebrachten Konstruktion, wodurch ein fester Bezug relativ zu dem Kopf geschaffen wird, um das Basiselement 1132 in fester Beziehung zu dem Kopf zu halten.
In gleichem Abstand voneinander sind auf dem Bezugsrahmen 1122 mehrere LEDs 152 zur Kommunizierung mit der Kameragruppe 1110. Die LEDs 152 sind in Löchern 154 in der oberen Basis 1134 angebracht, wobei die Löcher 154 mit dem Hohlraum 1140 in Verbindung sind. Drähte 156 sind an jede der Klemmen der LEDs 152 angeschlossen, die in dem Hohlraum 1140 positioniert sind. Die anderen Enden der Drähte sind mit einem Stecker 158 verbunden für den Anschluss eines Kabels, das mit dem Digitalumsetzer 114 des chirurgischen Navigationssystems verbunden ist. Das Kabel liefert Signale für die Einschaltung der LEDs 152. Der Stecker 158 ist auf einem Trägervorsprung 160 montiert, der von der Basisplatte 1136 vorsteht. Dieser Trägervorsprung 160 enthält einen Kanal, der den Anschluss der Drähte an den Stecker 158 ermöglicht. 11C ist ein Verdrahtungsdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bezugsrahmens 1122. Wie in 11C gezeigt, ist jede LED-Klemme mit einem getrennten Stift des Steckers 158 verbunden. Obgleich die Erfindung so dargestellt ist, dass sie einen Stecker zum Eingriff eines Kabels hat, ist zu berücksichtigen, dass der Bezugsrahmen 1122 durch Batterie betrieben werden kann, so dass kein Kabel nötig ist.
Der Bezugsrahmen 1122 ist im Wesentlichen ein halbkreisförmiger Bogen, so dass er um den Kopf des Patienten passt, um Kommunikation der mehrfachen LEDs 152 auf dem Bezugsrahmen 1122 mit der Kameragruppe 1110 zu ermöglichen. Die mehrfachen LEDs 152 auf dem Bezugsrahmen 1122 sind in einer genau bekannten geometrischen Anordnung positoniert, so dass die Eichung der Kameragruppe 1110 ständig dadurch geprüft werden kann, dass die geometrischen LED-Positionen gemäß Berechnung durch den Digitalumsetzer 114 mit jenen genau bekannten geometrischen Positionen verglichen werden können. Nichtübereinstimmungen bei dieser Information zeigen die Notwendigkeit an, das System nachzueichen oder den Bezugsrahmen 1122 neu zu positionieren, so dass er genauer mit der Kameragruppe 1110 kommunizieren kann. Der Rahmen 1122 enthält auch eine Eichaussparung 162. Die Aussparung 162 ist insbesondere eine genau angeordnete Vertiefung in der oberen Basis 1134 und dient während des medizinischen oder chirurgischen Verfahrens zur Eichung oder Überprüfung der Eichung der Lage der Sondenspitze. Die genaue Anordnung jedes LEDs 152 relativ zu der Eichaussparung 162 ist bekannt. Daher erlaubt die Anordnung der Spitze einer Ortungsrahmensonde in der Eichaussparung 162 die Eichung oder Eichungsüberprüfung der Sonden in der folgenden Weise. Die Spitze der Sonde wird in die Eichaussparung 162 gesetzt, und die LEDs auf der Sonde werden eingeschaltet, um Lichtsignale an die Kameragruppe 1110 zu liefern. Die LEDs auf dem Bezugsrahmen 1122 werden ebenfalls eingeschaltet, um mit der Kameragruppe 1110 zu kommunizieren. Unter Benutzung der bekannten Positon der Aussparung 162 zu der Position jedes LEDs 252 gemäß Berechnung durch den Digitalumsetzer 114 wird die Anordnung der Eichaussparung 162 mit der Anordnung der Sondenspitze gemäß Berechnung durch den Digitalumsetzer unter Benutzung der LEDs auf der Sonde verglichen, um zu bestätigen, dass es keine Verstellung der Sondenspitze relativ zu der Aussparung 162 gibt. Eine Verstellung der Sondenspitze zeigt die Notwendigkeit an, die Sonde nachzueichen, so dass sie genauer mit der Kameragruppe 1110 kommunizieren kann, oder die Sonde außer Dienst zu stellen.
Die 12A, 12B und 12C erläutern eine andere bevorzugte Ausführungsform des Bezugsrahmens in der Form eines Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmens 200. Wie bei Bezugsrahmen 1122 hat der Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmen 200 eine obere Basis 202, die mit einer Basisplatte 204 unter Bildung eines Hohlraums 206 zwischen ihnen in Eingriff ist. Wie in 12A gezeigt, hat der Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmen 200 eine im Allgemeinen U-förmige Ausbildung, wobei LEDs 208 an den Enden der Schenkel 209 des U-förmigen Elements und an den Schnittstellen der Schenkel und der Basis 211 des U-förmigen Elements angeordnet sind. Seitlich von der Basis 211 ragt eine Kupplung 210 hervor für den Eingriff mit einer Brust-Lenden-Halterung 212, wie in den 12D, 12E und 12F gezeigt ist. Auf der Basis 211 ist ebenfalls eine Eichaussparung 214 angeordnet, die eine Vertiefung für den gleichen Zweck wie die Eichaussparung 162 auf dem Bezugsrahmen 1122 ist. Die Kupplung 210 hat vierundzwanzig gleichmäßig beabstandete Zähne 216, die kreisförmig für den Eingriff mit vierundzwanzig gleichmäßig beabstandeten Zähnen 218 der Brust-Lenden-Halterung angeordnet sind. Dies erlaubt, den Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmen 200 so zu positionieren, dass verschiedene Winkel relativ zu der Halterung 212 gebildet werden. Es ist zu berücksichtigen, dass irgendein anderer Stecker mit variabler Position dazu dienen kann, den Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmen 200 und die Halterung 212 zu verbinden. Die Basisplatte 204 enthält eine Öffnung für den Eingriff eines Steckers 220 zur Aufnahme eines Kabels zu der Digitalumsetzer-Steuereinheit 114. Die LEDs 208 sind durch Drähte 222 an den Stecker 220 angeschlossen, wie in dem Verdrahtungsdiagramm der 12G gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf die 12D, 12E und 12F umfasst eine Brust-Lenden-Halterung 212 einen Klemmschaft 224 mit einer inneren axialen Bohrung, in der ein Betätigungsschaft 226 angeordnet ist, der mit einem Betätigungsknopf 228 verbunden ist, der über das Ende des Klemmschaftes 224 hinausragt. Das dem Betätigungsknopf 228 entgegengesetzte Ende des Betätigungsschaftes 226 hat eine innere Gewindebohrung 230, die mit dem Außengewinde einer Betätigungsschraube 232 in Eingriff ist. Ein U-förmiger Kopf 234 der Schraube 232 hält zwischen seinen Schenkeln einen Drehzapfen 236. Der Drehzapfen geht durch Klauen 238 hindurch, so dass die Klauen 238 um den Drehzapfen 236 rotieren und sich relativ zueinander bewegen und dabei eine Aufnahmefläche 240 begrenzen, in der ein Wirbelsäulenknochen oder anderes Körperteil geklemmt werden kann. Die Klauen 238 haben Zähne 239 zur Anlage an einem Wirbelsäulenknochen oder anderen Körperteil und sind federbelastet und durch Federkolben 242 in ihrer offenen Position gehalten. Wenn der Betätigungsknopf 228 in Eingriff mit den Gewindegängen der Betätigungsschraube 232 gedreht wird, werden die Schraube 232 in die Bohrung 230 und dabei auch die Klauen in ein Gehäuse 246 gezogen. Daraus resultiert, dass die Nockenflächen 244 des Gehäuses 246 sich an die Folgeflächen 248 der Klauen 238 legen, die Klauen schließen und die Aufnahmeflächen 240 schließen, wenn die Klauen in das Gehäuse gezogen werden.
Das andere Ende des Klemmschaftes 224 hat einen senkrechten Vorsprung 250 zum Tragen der Zähne 218, die mit den Zähnen 216 der Kupplung 210 des Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmens 200 in Eingriff kommen. Eine Wirbelsäulen-Bezugsbogen-Klemmschraube 252 greift durch die Gruppe der Zähne 218 und ist mit der Gewindeöffnung 254 in der Kupplung 210 des Rahmens 200 in Eingriff. Die Schraube 252 greift in die Öffnung 254 und verriegelt die Zähne 216 und Zähne 218 miteinander, um den Winkel zwischen dem Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmen 200 und der Brust-Lenden-Halterung 212 zu fixieren. Wenn daher die Halterung 212 mit einem Knochen dadurch verbunden wird, dass man den Knochen in die Aufnahmefläche 240 bringt und den Betätigungsknopf 228 dreht, um die Klauen 238 und die Aufnahmefläche zu schließen, ist der Rahmen 200 einer festgelegten Position relativ zu dem Knochen, der von den Klauen erfasst ist. Jede Bewegung des Knochens resultiert in einer Bewegung des Rahmens 200, die durch die Kameragruppe 1110 erfasst werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Ortungsbiopsie-Führungsrahmens 300 ist unter Bezugnahme auf die 13A, 13B und 13C dargestellt. Der Rahmen 300 hat im Allgemeinen einen Ortungsrahmen 302, der eine Biopsie-Führung 304 und auch einen Haltestift 306 trägt. Der Ortungsrahmen 302 umfasst eine obere Basis 308 und eine Basisplatte 310, die unter Bildung eines Hohlraums 312 verbunden sind, in dem die Verbindungsdrähte 314 zu den LEDs 316 untergebracht sind. Wie in 13A gezeigt, hat der Ortungsrahmen einen länglichen Teil 318 und einen im Allgemeinen V-förmigen Teil 320 mit den Schenkeln 322 und 324. Ein LED 316 befindet sich an dem Ende jedes Schenkels 322, und ein LED 316 befindet sich auch an den Enden des länglichen Teils 318. Die vier LEDs 316 bilden daher eine rechtwinkelige Gruppe. Der darunter liegende Ortungsrahmen 302 ist jedoch nicht rechtwinkelig ausgebildet, was ermöglicht, ihn für andere Verwendungen anzupassen, etwa als Rohrführungsaggregat, wie unten mit Bezug zu den 13D und 13E beschrieben und dargestellt wird. Im Allgemeinen geht der V-förmige Teil 320 seitlich von dem länglichen Teil 318 aus, um die rechteckige Anordnung der LEDs 316 zu bewerkstelligen. Es ist zu bemerken, dass eine rechteckige Anordnung der LEDs 316 nicht erforderlich ist, und dass tatsächlich eine trapezförmige Anordnung der LEDs 316 vorgezogen werden kann, um die Orientierung des Ortungsrahmens 302 eindeutig zu unterscheiden. Der Haltestift 306 durchstößt die obere Basis 308 und ist im Wesentlichen parallel zu der linearen Achse, die durch den länglichen Teil 318 definiert ist. Der Zweck des Haltestiftes 306 ist der, dass die Klemmen an ihm angreifen können, so dass der Ortungsbiopsie-Führungsrahmen 300 in einer besonderen Lage relativ zu einem Körperteil angeordnet werden kann, um eine Biopsienadel zu führen.
Um eine Biopsienadel zu führen, ist der Ortungsrahmen 302 mit einer Biopsieführung 304 ausgestattet, die an der Oberseite der oberen Basis 308 angebracht ist und durch eine Klemme 328 festgehalten wird, die mittels vier Schrauben 330 der oberen Basis 308 anliegt. Die obere Basis 308 ist auch mit einem halbkreisförmigen Kanal 332 versehen, der einen Sitz zur Aufnahme der Biopsieführung 326 bildet. Die Führung 304 umfasst ein Rohr 334 mit einem Kragen 336 an ihrem einen Ende, der eine radiale Gewindebohrung zur Aufnahme einer Stellschraube 338 hat.
Die Basisplatte 310 ist mit einem Stecker 340 bestückt für den Angriff eines Kabels, das zur Abgabe von Signalen für die Einschaltung der LEDs 316 an den Digitalumsetzer 114 angeschlossen ist. 12G zeigt in einer Ausführungsform eines Verdrahtungsdiagramms, wie der Stecker 340 und die vier LEDs verbunden sind.
Der Ortungsrahmen 302 ist aus dem gleichen Material wie der Bezugsrahmen 1122 hergestellt, nämlich aus ULTEM 1000 schwarz, das autoklavierbar ist. Die Biopsieführung 304 kann Edelstahl oder irgendein anderes autoklavierbares Metall oder Kunststoffmaterial sein. Wie bei dem Bezugsrahmen kann der Ortungsrahmen durch Batterie betätigt werden, wodurch die Notwendigkeit eines Kabels oder eines Steckers für den Angriff des Kabels entfällt.
Die 13D und 13E zeigen ein anderes Ortungsgerät in der Form eines Ortungsbohrführungsaggregats 350. Dieses Aggregat 350 hat einen Ortungsrahmen 302, der der gleiche wie der Rahmen für den Ortungsbiopsieführungsrahmen 300 ist, wobei er jedoch keinen Haltestift 306 hat. Er hat einen halbkreisförmigen Kanal 332 in der oberen Basis 308, der einen Handgriff und ein Bohrführungsaggregat 354 anstelle des Biopsie-Führungsrohraggregats 304 aufnimmt. Das Aggregat 354 hat einen Handgriff 356, der von dem Chirurgen, Arzt, Techniker oder der Krankenschwester benutzt wird, der bzw. die das Verfahren leitet. Der Handgriff 356 enthält eine Bohrung 358 für die Aufnahme eines Schaftes 360, der in dem halbkreisförmigen Kanal 332 sitzt. Der Schaft endet in einem integralen Kragen 362, der ein Bohrführungsrohr 364 trägt. Die Achse des Bohrführungsrohres 364 steht unter einem Winkel zu der Achse des Schaftes 360, um die Ausrichtung des Bohrführungsrohres 364 relativ zu dem Punkt zu unterstützen, an dem die Bohrspitze in den Körper des Patienten eintreten wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist Angriff und Bohrführungsaggregat 354 ein Standardinstrument von der Stange, das an dem Kanal 332 des Ortungsrahmens 302 angebracht ist. Der Handgriff und das Bohrführungsaggregat 354 kann ein Sofamor Danek Part 870–705 sein. Schrauben 366 (deren Köpfe mit RTV-Hochtemperaturverbindung isoliert sind) halten den Schaft 360 an der oberen Basis 308 des Ortungsrahmens 302 und halten den Schaft 360 in dem Kanal 332 fest. Wie oben erwähnt, bildet der V-förmige Teil 320 des Ortungsrahmens 302 zwischen seinen Schenkeln 322 und 324 eine Öffnung 368, so dass das Bohrerführungsrohr 364 dazwischen angeordnet werden kann und von der durch den Ortungsrahmen 302 allgemein begrenzten Ebene abwärts ragt. Dies ermöglicht dem Chirurgen, die Lage des Bohrerführungsrohres 364 zu beobachten, indem er durch das Rohr schaut. Der Stecker 370 ist dem Stecker 340 ähnlich mit der Ausnahme, dass er einen winkeligen Eingriff mit dem Kabel ergibt, was mehr Bewegungsfreiheit für das Ortungsbohrerführungsaggregat 350 erlaubt. Wie bei dem oben erwähnten Ortungsrahmen ist der Rahmen selbst aus ULTEM 1000 hergestellt, das autoklavierbar ist. Der Handgriff kann aus Holz, Kunststoff oder einem anderen autoklavierbaren Material sein, und der Schaft, Kragen und die Bohrerführung kann Metall, Kunststoff oder ein anderes autoklavierbares Material wie Edelstahl sein. Die 13J zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Verdrahtungsdiagramms für das Ortungsbohrerführungsaggregat 350.
Die 13F und 13G zeigen ein anderes Ortungsgerät in der Form eines Bohrer-Joch-Ortungsrahmens 400. Dieser Rahmen 400 hat einen Ortungsrahmen 302 derselben Ausbildung wie die Ortungsrahmen für den Biopsieführungsortungsrahmen 300 und das Ortungsbohrerführungsaggregat 350. Von der Unterseite der Basisplatte 310 steht ein Tragelement 402 vor, das auch ein Bohrerjoch 404 in einer Ebene trägt, die im Wesentlichen senkrecht zu der durch den Ortungsrahmen 302 definierten Ebene liegt. Das Joch 404 ist im Wesentlichen ein Kragen, der über das Gehäuse eines Rex-Bohrers passt und daran durch eine Madenschraube 406 fest angebracht ist. Der Bohrer-Joch-Ortungsrahmen 400 ermöglicht es, das Bohrergehäuse für die Benutzung während der Operation genau zu positionieren.
Das Tragelement 402 trägt auch einen Stecker 408 zur Aufnahme eines Kabels, das an die Digitalumsetzer-Steuereinheit 114 angeschlossen ist. Das Tragelement 402 enthält eine Bohrung, so dass der Stecker 408 an die Drähte 410 angeschlossen werden kann, die an die LEDs 316 führen. 13J zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Verdrahtungsverbindung zwischen den LEDs 316 und dem Stecker 408.
Die 13H und 13I zeigen ein anderes Ortungsgerät in Form einer Ventrikulostomie-Sonde 500. Die Sonde 500 hat einen Handgriff 502, der eine Bohrung 504 zur Aufnahme eines Halteschaftes 506 hat, der seinerseits ein Katheterführungsrohr 508 entlang einer Achse trägt, die parallel zu der Achse des Handgriffs 502 ist. Der Handgriff hat drei LEDs 510, die zur Kommunikation mit der Kameragruppe 110 entlang seiner Oberseite angebracht sind. Der Handgriff 502 hat einen Hohlkanal, der in einer Bohrung 512 zur Aufnahme eines Steckers 514 endet. Der Stecker 514 ist an Drähte 516 angeschlossen, die ebenfalls mit den Klemmen der LEDs 510 verbunden sind. Die 13J zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Verdrahtungsdiagramms für die Verbindung des Steckers 514 und der LEDs 510. Bei der Operation wird das Rohr 508 in dem Körper, z. B. im Gehirn, so positioniert, dass ein Katheter in den Körper eingesetzt werden kann. Das Rohr 508 hat einen oberen Schlitz 518, der es ermöglicht, einen Katheter einzusetzen. Vorzugsweise ist die Rohrspitze in ihrer Mitte kollinear mit der Chiphöhe aller drei LEDs 510, so dass dazwischen eine lineare Achse definiert ist. Aufgrund dieser linearen Achse und der vorherigen Kenntnis des Abstandes zwischen der Spitze und den LEDs 510 können die Kameragruppe 1110 und der Digitalumsetzer 1114 die Position der Spitze in jedem Augenblick während des chirurgischen oder medizinischen Verfahrens bestimmen.
Das System der Erfindung kann in der folgenden Weise genutzt werden. Ein Bezugsrahmen wird an einen Körperteil angebracht. Ein Kopf-Bezugsbogenrahmen 1122 kann z. B. direkt mittels einer Kopfklemme, wie etwa einer Mayfield-Klemme direkt an einem Kopf angebracht werden, oder ein Wirbelsäulen-Bezugsbogenrahmen 200 kann direkt über einen Brust-Lenden-Halter 212 an einem Dornknochen angebracht werden. Danach wird die Bewegung des Körperteils eine entsprechende Bewegung des angebrachten Bezugsrahmens zur Folge haben. Die Position des Körperteils kann dadurch verfolgt werden, dass die LEDs des Bezugsrahmens eingeschaltet werden, um ein Signal an die Kameragruppe 1110 zu liefern, so dass die Gruppe die Lage des Bezugsrahmens und demzufolge die Position des Körperteils bestimmen und verfolgen kann.
Ein Ortungsrahmen dient zur genauen Positionierung eines Instruments relativ zu dem Körperteil. Beispielsweise kann ein Ortungs-Biopsie-Führungsrahmen 300 dazu dienen, eine Biopsienadel relativ zu dem Körperteil zu positionieren. Alternativ kann ein Ortungsbohrerführungsaggregat 350 zur Positionierung einer Bohrerspitze relativ zu dem Körperteil dienen. Alternativ kann ein Bohrer-Joch-Ortungsrahmen 400 zur Positionierung eines Bohrers relativ zu dem Körperteil dienen. Alternativ kann eine Ventrikulostomie-Sonde 500 zur Positionierung eines Katheters relativ zu einem Körperteil dienen. Die Position des Instruments kann verfolgt werden durch Einschalten der LEDs des Ortungsrahmens zur Lieferung eines Signals an die Kameragruppe 1110, so dass die Gruppe die Position des Ortungsrahmen und demzufolge die Position des Instruments bestimmen und verfolgen kann.
Während der Eichung des Systems wird die Position des Bezugsrahmens relativ zu dem Körperteil bestimmt. Während der voroperativen Abtastung benutzte Marker werden angeordnet und in Koordinaten des chirurgischen Raums gemäß Definition durch den Bezugsrahmen identifiziert. Es ist zu bemerken, dass anatomische Kennmarken als Marker dienen können. Dies ergibt eine Beziehung zwischen dem voroperativen Abtastungsraum und dem chirurgischen Raum. Wenn diese Beziehung erstellt ist, kennt das System die Position der voroperativen Abtastungen relativ zu dem Bezugsrahmen und kann daher Abtastungen generieren, die die Position des Ortungsrahmens und des Instruments relativ zum Körperteil darstellen. Mit anderen Worten leistet das System eine bildgeführte Operation. Das System ist zur Lokalisierung kleiner tiefsitzender Gefäßläsionen und von Tumoren sowie für die Reduzierung der Ausdehnung der mikrochirurgischen Dissektion ideal geeignet. Es ist auch einsetzbar bei der Identifizierung von Grenzen. Angenommen z. B., ein Chirurg versucht eine Grenze zwischen normalem Gehirn und großen supratentorialen Gliomen zu identifizieren, die deutlich aus den voroperativen Abtastungen sichtbar ist, aber in dem Operationsraum während des Verfahrens visuell schwierig zu lokalisieren sein kann. Der Chirurg würde eine Ortungssonde nehmen und sie an einer Stelle nahe der Grenze positionieren. Die LEDs des Bezugsrahmens und der Ortungssonde werden durch den Fußschalter 116 betätigt mit dem Ergebnis, dass der Monitor 106 ein Bild liefert, das die Position der Sonde relativ zu einer voroperativen Abtastung zeigt. Unter Bezugnahme auf den Monitor kann der Chirurg nun die Richtung bestimmen, in der die Sonde zu bewegen wäre, um die Grenze genauer zu lokalisieren. Wenn die Grenze lokalisiert ist, können Mikrokottonoid-Marker an der Grenze des Tumors, wie auf dem Monitor gezeigt, gesetzt werden, bevor die Resektion beginnt. Das Setzen von ventrikulären Kathetern für Shunts, Ventrikulostomie oder Reservoirs wird durch die Benutzung des Systems ebenfalls erleichtert, insbesondere bei Patienten, die kleine Herzkammern haben oder eine zugrunde liegende Koagulopathie (z. B. Leberversagen, erworbenes Immunmangelsyndrom) haben, die einen Einzelpass wünschenswert macht. Das System kann auch nützlich sein zur Durchführung von stereotaktischen Biopsien. Für weitere Information bezüglich des Systems siehe die folgenden Artikel:
Germano, Isabelle M., The NeuroStation System for Image-Guided, Frameless Stereotaxy, Neurosurgery, Band 37, Nr. 2, August 1995.
Smith et al., The Neurostation^TM – A Highly Accurate, Minimally Invasive Solution to Frameless Stereotactic Neurosurgery, Computerized Medical Imaging and Graphics, Band 18, Nr. 4, Seiten 247–256, 1994.
Im Hinblick auf das oben Gesagte ist ersichtlich, dass die verschiedenen Ziele der Erfindung erreicht werden und andere vorteilhafte Resultate erzielt werden.
Da verschiedene Änderungen an den obigen Konstruktionen, Produkten und Verfahren vorgenommen werden könnten, ohne vom Schutzumfang abzuweichen, soll die gesamte in der obigen Beschreibung enthaltene und in der beiliegenden Zeichnung dargestellte Materie als beispielhaft und nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert werden.

Claims

System zur Benutzung bei einem medizinischen oder chirurgischen Verfahren in einem Körper, wobei das System zur Erzeugung einer Anzeige aus einer Bilddatei (106) eingerichtet ist, die auf Basis genommener Abtastungen (40) des Körpers die Lage eines oder mehrerer Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) während des Verfahrens darstellt, wobei wenigstens einige der Körperelemente zueinander beweglich sind, jede Abtastung (40) einen Bezug für jedes von dem einen oder mehreren Körperelement(en) (10, 20, 30; 141; 806; 940) hat, der Bezug eines einzelnen Körperelements (10, 20, 30; 141; 806; 940) eine bekannte räumliche Beziehung zu dem einzelnen Körperelement (10, 20, 30; 141; 806; 940) hat, wobei das System umfaßt: mehrere Bezugsrahmen (116; 122; 200; 302; 400; 900; 956) zur Verbindung mit den beweglichen Körperelementen und ein Ortungsgerät (108; 136; 1100) für die Erkennung der Lage der Bezugsrahmen für jedes der darzustellenden Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) während des Verfahrens, gekennzeichnet durch einen Prozessor (104; 1108) für die Modifizierung der Bilddatei (106) nach der während des Verfahrens durch das Ortungsgerät (108; 136; 1100) erkannten Lage des Bezugs, wobei der Prozessor 104; 1108) zur Erzeugung einer Bilddatei (122) eingerichtet ist, die die Lage und Geometrie der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) nach der durch das Ortungsgerät während des Verfahrens erkannten Lage der Bezugsrahmen darstellt, und einen Bildschirm (124; 1106), der die von dem Prozessor (104; 1108) erzeugte, versetzte Bilddatei (122) benutzt und die Lage und Geometrie der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) während des Verfahrens abbildet.
System nach Anspruch 1, bei dem jedes der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) einen Umriß mit einer bekannten räumlichen Beziehung zu dem entsprechenden Körperelement (10, 20, 30; 141; 806; 940) hat, und bei dem der zu jedem Körperelement gehörende Bezug den entsprechenden Umriß des Körperelements aufweist.
System nach Anspruch 1, bei dem jedes der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) Bezugspunkte (10A, 10B, 10C, 20A, 20B, 10C, 30A, 30B, 30C) mit einer bekannten räumlichen Beziehung zu dem entsprechenden Körperelement (10, 20, 30; 141; 806; 940) hat, und bei dem der zu jedem Körperelement gehörende Bezug die entsprechenden Bezugspunkte des Körperelements aufweist.
System nach Anspruch 3, ferner mit einer Bezugsanordnung (110; 1110) zur Schaffung eines Bezugs, wobei das Ortungsgerät (108; 136; 1100) zur Bestimmung der Lage der Bezugspunkte (10A, 10B, 10C, 20A, 20B, 20C, 30A, 30B, 30C) für die Darstellung der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) relativ zu der Bezugsanordnung (110; 1110) eingerichtet ist.
System nach Anspruch 4, bei dem die Bezugsrahmen (116; 122; 200; 302; 400; 900; 956) jeweils eine Lage in bekannter Relation zu ihrem zugehörigen Körperelement (10, 20, 30; 141; 806; 940) haben und für den Informationsaustausch mit der Bezugsanordnung (110; 1110) eingerichtet sind, und bei dem das Ortungsgerät (108; 136; 1100) zur Bestimmung der Lage der Bezugsrahmen (116; 122; 200; 302; 400; 900; 956) relativ zu der Bezugsanordnung (110; 1110) eingerichtet ist, wobei der Körper während des Verfahrens beweglich ist, während die Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) in festgelegter Beziehung zu ihrem zugehörigen Bezugsrahmen (116; 1122; 200; 302; 400; 900; 956) bleiben, so daß das System die Lage jedes der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) nach Bewegung bestimmen kann, ohne daß die relative Lage jedes der Bezugspunkte (10A, 10B, 10C, 20A, 20B, 20C, 30A, 30B, 30C) für jedes der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) nochmals erkannt wird.
System nach Anspruch 4, bei dem die Bezugsrahmen jeweils eine entsprechende Lage in bekannter Beziehung zu jedem der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) haben und für den Informationsaustausch mit der Bezugsanordnung (110; 1110) eingerichtet sind, und bei dem das Ortungsgerät(108; 136; 1100) zur Bestimmung der Lage der Bezugsrahmen (116; 122; 200; 302; 400; 900; 956) relativ zu der Bezugsanordnung (110; 1110) eingerichtet ist, wobei der Körper während des Verfahrens beweglich ist, während die Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) in bekannter Beziehung zu den Bezugsrahmen bleiben, so daß das System die Lage jedes der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) nach Bewegung bestimmen kann, ohne daß die relative Lage jedes der Bezugspunkte (10A, 10B, 10C, 20A, 20B, 20C, 30A, 30B, 30C) für jedes der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) nochmals erkannt wird.
System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Bezugsanordnung (110; 1110) einen der Sensoren (112) oder Emitter (114; 142; 208; 912; 914, 916; 958, 960, 962, 964) beinhaltet, und bei dem jeder aus der Mehrzahl der Bezugsrahmen für die Verbindung mit jedem der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) eingerichtet ist, wobei die Mehrzahl der Bezugsrahmen die anderen Sensoren (112) oder Emitter (114; 142; 208; 912, 914; 958, 960, 962, 964) beinhaltet und im Informationsaustausch mit den Emittern bzw. Sensoren der Bezugsanordnung (110; 1110) sind, um die Lage der Bezugsrahmen (116; 122; 200; 302; 400; 900; 956) relativ zu der Bezugsanordnung (110; 1110) anzuzeigen.
System nach nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Bezugsanordnung (110; 1110) Sensoren (112) beinhaltet, und bei dem die Bezugsrahmen (116; 122; 200; 302; 400; 900; 956) wenigstens eins der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) kontinuierlich und periodisch erkennen und verfolgen können und Emitter umfassen, die mit den Sensoren (112) der Bezugsanordnung (110; 1110) im Informationsaustausch sind, um die Lage der Bezugsrahmen (116; 122; 200; 302; 400; 900; 956) relativ zu der Bezugsanordnung (110; 1110) anzuzeigen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einem Gerät (126a) zur Bestimmung der Lage eines Umrisses jedes der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) während des Verfahrens, und bei dem der Prozessor (104; 1108) zum Vergleich der durch das Gerät (126a) bestimmten Lage des Umrisses jedes Körperelements (10, 20, 30;141; 806; 940) zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens mit der Lage des Umrisses jedes Körperelements (10, 20, 30; 806; 940) vor dem Zeitpunkt gemäß Darstellung durch die Bildunterdatei (106) eingerichtet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Ortungsgerät (108; 136; 1100) ein Durchleuchtungsgerät (136) zur Bestimmung einer Lage der Projektion jedes der Körperelemente (141) während des Verfahrens umfaßt, und bei dem der Prozessor (104; 1108) die Lage der Projektion jedes Körperelements (141) zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens mit der Lage der Projektion jedes Körperelements (141) vor dem Zeitpunkt vergleicht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem wenigstens eins der Körperelemente ein halbstarres Körperelement, wie etwa Weichgewebe umfaßt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Prozessor die Bilddatei (106) durch Translation oder Transformation verändert, um eine versetzte Bilddatei (122) zu generieren, die die Lage und Geometrie der Körperelemente (10, 20, 30; 141; 806; 940) während des Verfahrens darstellt.