DE102005010010B4

DE102005010010B4 - System, Gerät und Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Gegenstands

Info

Publication number: DE102005010010B4
Application number: DE102005010010.4A
Authority: DE
Inventors: José Luis Moctezuma de La Barrera; Chunwu Wu
Original assignee: Stryker European Operations Holdings LLC
Current assignee: Stryker European Operations Holdings LLC
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2025-03-05
Also published as: US11253224B2; US20050203383A1; US20100099982A1; US7657298B2; US20120083697A1; US20100099983A1; US20220125401A1; DE102005010010A1; US9211164B2; US8082022B2; US8109877B2; US20160029997A1

Abstract

System zur Bestimmung einer Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur (102), aufweisend:ein chirurgisches Navigationssystem (104);ein Substrat (106), dazu ausgebildet, abnehmbar auf einer äußeren Oberfläche (111) eines Körpers (112) angebracht zu werden, wobei der Körper (112) eine anatomische Struktur (102) enthält;einen am Substrat (106) angebrachten Sensor (108), dessen Position vom chirurgischen Navigationssystem (104) verfolgbar ist;ein am Substrat (106) angebrachtes Positionsgerät (110), das eine Position der anatomischen Struktur (102) bestimmt, wobei es sich bei dem Positionsgerät (110) um ein faseroptisches Gerät (400) oder ein magnetisches Verfolgungsgerät (300) handelt;eine erste Schaltung (140) zur Berechnung einer globalen Position der anatomischen Struktur (102) durch Korrelieren der Position des Sensors (108) mit der Position der anatomischen Struktur (102) relativ zur Position des Sensors (108); undeine zweite Schaltung zum Anzeigen der globalen Position der anatomischen Struktur (102) auf einer Anzeigeeinheit (152).

Description

HINTERGRUND
1. Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft allgemein chirurgische Navigationssysteme. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein an einem Substrat angebrachtes Positionsgerät, das dazu beiträgt, die Position und die relative Bewegung einer anatomischen Struktur in einem Patienten zu bestimmen.
2. Technischer Hintergrund
Die Verwendung chirurgischer Navigationssysteme zur Unterstützung der Chirurgen während des chirurgischen Eingriffs ist allgemein üblich. Manche Systeme werden zur Verfolgung der Bewegung von Knochenstrukturen eingesetzt. Die Bestimmung der präzisen Lage einer Knochenstruktur, und ob diese sich bewegt hat, ist von wesentlicher Bedeutung beim Einsatz chirurgischer Instrumente auf Gebieten wie der orthopädischen Chirurgie. Typische chirurgische Navigationssysteme verwenden Verfolgungseinrichtungen, die starr an der unter ihnen liegenden überwachten Knochenstruktur befestigt sind. Die starre Befestigung der Navigations-Verfolgungseinrichtungen ist häufig eine extrem invasive Prozedur, die beim Patienten ein zusätzliches Trauma verursachen kann und äußerst zeitaufwändig ist. Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur Überwachung der Position und Positionsänderung einer Knochenstruktur bereit, das kaum oder nicht invasiv ist und eine kürzere Zeit erfordert.
Die Druckschrift DE 103 10 331 B3 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Beweglichkeit von Funktionssegmenten eines Wirbelsäulenabschnitts. Die Vorrichtung weist eine Sonographieeinrichtung mit Aufnahmekopf, eine Positionsmesseinrichtung mit Lokatoren zur Bestimmung der dreidimensionalen Position des Aufnahmekopfes sowie seiner Ausrichtung um Raum und einer Auswertungseinrichtung zur Bestimmung der Lageänderung der Dorn- und/oder Querfortsätze absolut und relativ zueinander auf.
Die Druckschrift US 2002 / 0 120 192 A1 offenbart eine Vorrichtung zur perkutanen Bestimmung der Lage eines Punktes, der einer Oberfläche eines tierischen Organs zugeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst eine Ultraschallvorrichtung, die eingerichtet ist, um einen fokussierten Ultraschallstrahl entlang einer Ultraschallstrahlachse mit einer bekannten Ausrichtung in Bezug auf die Ultraschallvorrichtung zu emittieren. Die Ultraschallvorrichtung ist eingerichtet, um Ultraschalldaten auszugeben, die eine Entfernung von der Ultraschallvorrichtung zum Punkt anzeigen. Eine Positionsmessvorrichtung ist eingerichtet, um Positionsdaten auszugeben, die einen Ort der Ultraschallvorrichtung anzeigen. Die Vorrichtung enthält einen Computer, der eingerichtet ist, um die Ultraschalldaten und Positionsdaten zu verarbeiten, um dadurch einen Ort des Punktes zu bestimmen.
Die Druckschrift US 6 405 072 B1 offenbart ein System zum Positionieren und Neupositionieren eines Teils des Körpers eines Patienten in Bezug auf eine Behandlungs- oder Bildgebungsmaschine. Das System umfasst Kameras zum Betrachten des Körpers und der Maschine. Indexmarkierungen werden von den Kameras im 3D-Raum identifiziert und lokalisiert.
Die Druckschrift US 5 558 091 A offenbart ein magnetisches Positions- und Orientierungsbestimmungssystem. Das System verwendet magnetische Felder, die vorzugsweise gleichförmige von auf gegenüberliegenden Seiten eines Erfassungsvolumens angeordneten Helmholtzspulen erzeugte Magnetfelder umfassen, sowie Gradientenfelder, die von denselben Spulen erzeugt werden. Durch Überwachen von Feldkomponenten, die während des Anlegens dieser magnetischen Felder an Sonden erfasst werden, kann die Position und die Orientierung der Sonden in dem Magnetfeld hergeleitet werden.
KURZER ABRISS DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein System gemäß Anspruch 1, ein Gerät gemäß Anspruch 14 und ein Verfahren gemäß Anspruch 21 zur Bestimmung einer Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein System zur Bestimmung der Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur gerichtet. Das System enthält ein chirurgisches Navigationssystem. Das System enthält außerdem ein Substrat, das abnehmbar an einer äußeren Oberfläche eines Körpers angebracht werden kann, der eine anatomische Struktur enthält. Ein Sensor ist auf dem Substrat angebracht, der vom chirurgischen Navigationssystem verfolgt werden kann. Auf dem Substrat ist außerdem ein Positionsgerät angebracht, das die Position der ana tomischen Struktur bestimmt. Ferner ist eine erste Schaltung bereitgestellt, um eine globale Position der anatomischen Struktur durch Korrelieren einer Position des Sensors und der Position der anatomischen Struktur zu berechnen. Schließlich ist eine zweite Schaltung zur Anzeige der globalen Position der anatomischen Struktur auf einer Anzeigeeinheit bereitgestellt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein System zur Bestimmung der Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur gerichtet. Das System enthält ein chirurgisches Navigationssystem. Das System enthält außerdem ein Substrat, das abnehmbar an einer äußeren Oberfläche eines Körpers angebracht werden kann, der eine anatomische Struktur enthält. Ein Sensor ist auf dem Substrat angebracht, der vom chirurgischen Navigationssystem verfolgt werden kann. Außerdem ist ein Ultraschall-Bildgebungsgerät auf dem Substrat angebracht, das die Position der anatomischen Struktur bestimmt. Ferner ist eine erste Schaltung bereitgestellt, um eine globale Position der anatomischen Struktur durch Korrelieren einer Position des Sensors und der Position der anatomischen Struktur zu berechnen. Die erste Schaltung bestimmt die globale Position ohne die Verwendung eines Bildes der anatomischen Struktur. Schließlich ist eine zweite Schaltung zur Anzeige der globalen Position der anatomischen Struktur bereitgestellt.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Gerät zur Bestimmung der Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem gerichtet. Das Gerät enthält ein Substrat, das abnehmbar an einer äußeren Oberfläche eines Körpers angebracht werden kann, der eine anatomische Struktur enthält. Ein Sensor ist auf dem Substrat angebracht, der vom chirurgischen Navigationssystem verfolgt werden kann. Ein Positionsgerät ist ebenfalls auf dem Substrat angebracht, das eine Position der anatomischen Struktur bestimmt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein System zur Bestimmung der Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur gerichtet. Das System enthält ein chirurgisches Navigationssystem sowie ein Substrat, das abnehmbar an einer äußeren Oberfläche eines Körpers angebracht werden kann, der eine anatomische Struktur enthält. Ein Sensor ist auf dem Substrat angebracht, der vom chirurgischen Navigationssystem verfolgt werden kann. Ein faseroptisches Gerät ist ebenfalls auf dem Substrat angebracht, das die Position der anatomischen Struktur bestimmt. Ferner ist eine erste Schaltung bereitgestellt, um eine globale Position der anatomischen Struktur durch Korrelieren einer Position des Sensors und der Position der anatomischen Struktur zu berechnen. Schließlich ist eine zweite Schaltung zur Anzeige der globalen Position der anatomischen Struktur bereitgestellt.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zur Bestimmung der Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur unter Verwendung eines chirurgischen Navigationssystems gerichtet. Das Verfahren enthält den Schritt des Anbringens eines Substrats auf abnehmbare Weise auf der äußeren Oberfläche eines Körpers, wobei das Substrat einen zugehörigen Sensor und ein Positionsgerät auf den Substrat zur Bestimmung der Position der anatomischen Struktur aufweist, wobei der Körper eine anatomische Struktur enthält und der Sensor vom chirurgischen Navigationssystem verfolgt werden kann. Ein weiterer Schritt enthält die Bestimmung der Position der anatomischen Struktur. Ein anderer Schritt besteht in der Verfolgung der Position der anatomischen Struktur mit dem chirurgischen Navigationssystem.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Substrats mit einem Positionsgerät;
3 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform ähnlich der von 2 mit einem Ultraschall-Bildgebungsgerät;
4 ist eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Ultraschall-Bildgebungsgeräts;
5 ist eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Ultraschall-Bildgebungsgeräts;
6A ist eine andere isometrische Ansicht der Ausführungsform von 4, in der ein Entnahmegerät dargestellt ist;
6B ist eine andere isometrische Ansicht der Ausführungsform von 5, in der ein Entnahmegerät dargestellt ist;
7 ist eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine magnetische Verfolgungseinrichtung verwendet;
8 ist eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine magnetische Verfolgungseinrichtung verwendet;
9 ist eine Seitenansicht im Aufriss eines Beaufschlagungsgeräts, das zur Verwendung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
10 ist eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein faseroptisches Gerät verwendet;
11 ist eine Schnittansicht einer Faser, die zur Verwendung im Gerät von 10 geeignet ist;
12 ist eine Schnittansicht einer Faser ähnlich der von 11;
13 ist eine Schnittansicht einer Faser, die die Empfindlichkeitsachsen eines Biegesensors zeigt;
14 ist eine Ausführungsform des faseroptischen Geräts mit der Darstellung, wie das Licht zwischen den Fasern übertragen wird;
15 ist eine perspektivische Ansicht dreier Fasern mit Biegesensoren, die in verschiedenen Bereichen jeder Faser angeordnet sind; und
16 ist eine weitere Ausführungsform eines faseroptischen Geräts, das eine Reihe Schlaufensensoren verwendet.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die vorliegende Erfindung auf ein System 100 zur Bestimmung der Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur 102 gerichtet. Das System 100 enthält ein Navigationssystem (auch als „chirurgisches Navigationssystem“ bekannt) 104 und ein Substrat 106. Das Substrat 106 enthält einen Sensor 108 für die Wechselwirkung mit dem Navigationssystem 104 und ein Positionsgerät 110 zur Bestimmung der Position der anatomischen Struktur 102. Das Substrat 106 ist abnehmbar auf einer äußeren Oberfläche 111 eines Körpers 112 angebracht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die anatomische Struktur 102, die im Körper 112 vorhanden ist, eine Knochenstruktur 114. Die anatomische Struktur 102 könnte jedoch auch ein Organ oder jede andere Struktur sein, die im Körper 112 des Patienten vorhanden ist. Deshalb kann jede der im Folgenden bezüglich der Knochenstruktur 114 erwähnten Ausführungsformen auch bei Organen oder anderen Strukturen, die die anatomische Struktur 102 aufweisen, angewendet werden.
Das chirurgische Navigationssystem 104 enthält ein Computersystem 140 und eine Kameramatrix 142. Das Computersystem 140 kann in einem beweglichen Wagen 144 untergebracht sein. Das Computersystem 140 kann jeder Typ Personal Computer mit einer Speichereinheit (memory), einer CPU und Speicherungseinheit (storage) sein. Eine Anzeigeeinheit 152 kann ebenfalls bereitgestellt werden, bei der es sich um jede herkömmliche Anzeige handeln kann, die mit einem Personal Computer verwendbar ist.
Die Kameramatrix 142 ist zur Verfolgung des Sensors 108 ausgeführt. Die Kameramatrix 142 ist ferner zur Übertragung von Daten zwischen dem Sensor 108 und dem Computersystem 140 ausgeführt, die die Position des Sensors 108 repräsentieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Daten drahtlos zwischen dem Sensor 108 und dem Computersystem 140 übertragen. Alternativ kann ein System mit Drahtleitem zur Übertragung der Daten zwischen dem Sensor 108 und dem Computersystem 140 verwendet werden.
Das Positionsgerät 110 ist zur Verfolgung der Knochenstruktur 114 ausgeführt. Daten vom Positionsgerät 110 repräsentieren die Position der Knochenstruktur 114 relativ zur Position des Sensors 108. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Positionsgerät 110 ferner zur direkten Übertragung von Daten zum Computersystem 140 ausgeführt. Vorzugsweise überträgt das System die Daten drahtlos; eine drahtgebundene Übertragung ist jedoch ebenfalls ausführbar. Bei anderen Ausführungsformen können die Daten vom Positionsgerät 110 zuerst zum Sensor 108 oder der Kameramatrix 142 übertragen werden, bevor sie an das Computersystem 140 geschickt werden.
Die Kameramatrix 142 enthält eine erste Kamera 154, eine zweite Kamera 156 und eine dritte Kamera 158. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste, zweite und dritte Kamera 154, 156 und 158 drei CCD-Kameras für die Erkennung der Position von Infrarotsignalen (IR), die vom Sensor 108 erzeugt werden. Bei einer solchen Ausführungsform ist der Sensor 108 ein optisches Verfolgungsgerät, das eine Mehrzahl LED's 159 aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das optische Verfolgungsgerät drei LED's.
Die Kameramatrix 142 sollte stationär eingebaut sein und eine hinreichende Sichtlinie auf den Operationssaal haben. Bei einer Ausführungsform ist die Kameramatrix 142 an einem drehbaren Arm 160 installiert, der am beweglichen Wagen 144 angebracht ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Kameramatrix 142 an der Wand des Operationssaals installiert sein (nicht dargestellt) oder an jeder anderen geeigneten Oberfläche oder Stelle.
Mindestens ein Infrarot-Sender/Empfänger dient zur Übertragung von Daten zum und vom Sensor 108 und/oder zum/vom Positionsgerät 110. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält die Kameramatrix 142 einen ersten Sender/Empfänger 162 und einen zweiten Sender/ Empfänger 164, die zueinander beabstandet angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass zwar sowohl der Sensor 108 als auch das Positionsgerät 110 mit den Sendern/Empfängern 164, 164 über Infrarotsignale kommunizieren können, es für den Fachmann jedoch klar ist, dass auch andere drahtlose Technologien, die elektromagnetische Signale (z. B. Hochfrequenzsignale) verwenden, sowie festverdrahtete Systeme eingesetzt werden können. In ähnlicher Weise kann die direkte Kommunikation vom Positionsgerät 110 zum Computersystem 140 jedes dieser Kommunikationsmedien nutzen. Die Kameramatrix 142 ist über ein Kabel 166 mit einem Lokalisierer oder in manchen Fällen direkt mit dem Computersystem 140 verbunden. Der Lokalisierer arbeitet mit der Kameramatrix 142 zusammen, um die Lage der Mehrzahl LEDs 159 im Sensor 108 innerhalb der Sichtlinie der Kameramatrix 142 zu identifizieren. Bei einer Ausführungsform wandelt der Lokalisierer die Positions-Rohdaten in die Position der einzelnen LEDs der Mehrzahl LEDs 159 und überträgt diese Information an das Computersystem 140. Bei einer anderen Ausführungsform wandelt der Lokalisierer die Rohdaten in die Position des Sensors 108 und überträgt diese Information an das Computersystem 140.
Die allseitige Verfolgung der Knochenstrukturen 114 wird durch Verknüpfung der Positionsdaten vom Sensor 108 und dem Positionsgerät 110 erreicht. Ein Softwareprogramm im Computersystem 140 kann die Positions-Rohdaten sowohl vom Sensor 108 als auch vom Positionsgerät 110 umwandeln, um die globale Position der Knochenstrukturen 114 zu bestimmen. Bei allen Ausführungsformen ist dem Fachmann die Umwandlung der Rohdaten hinreichend bekannt, so dass sie nicht näher erläutert zu werden braucht.
Vorzugsweise kann das Substrat 106 abnehmbar auf der äußeren Oberfläche 111 des Körpers 112 angebracht werden. Das Substrat von 2 enthält eine erste Seite 180 und eine zweite Seite 182. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Positionsgerät 110 auf der ersten Seite 180 des Substrats 106 und der Sensor 108 auf der zweiten Seite 182 des Substrats 106 angeordnet. Es ist auch denkbar, dass das Positionsgerät 110 und der Sensor 108 auf derselben Seite oder an einer anderen von zahlreichen Positionen angeordnet sein können, vorausgesetzt, der Sensor 108 kann mit der Kameramatrix 142 kommunizieren und das Positionsgerät 110 kann die Position der darunter liegenden anatomischen oder Knochenstrukturen 102, 114 verfolgen. Typischerweise stehen der Sensor 108 und das Positionsgerät 110 in einer festen Beziehung zueinander. In Situationen, in denen der Sensor 108 und das Positionsgerät 110 nicht in einer festen Beziehung zueinander stehen, kann die Beziehung zwischen beiden durch bekannte Verfahren hergeleitet werden. Das Substrat 106 kann außerdem vielfältige Formen annehmen, was von den Bedürfnissen des Benutzers und/oder des Typs des verwendeten Positionsgeräts 110 abhängt. Bei einer Ausführungsform besteht das Substrat 106 aus einem flexiblen Material, das Ultraschallwellen nicht stört. Bei einer anderen Ausführungsform besteht das Substrat 106 aus Polyester und ähnlichen Materialien, die Magnetfelder nicht stören. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist das Substrat ca. 5 cm lang und ca. 5 cm breit. Das Substrat 106 kann auf der äußeren Oberfläche 111 des Körpers 112 durch Klebematerial, ein Band oder jedes andere geeignete Befestigungsmittel, das derzeit bei herkömmlichen chirurgischen Eingriffen verwendet wird, angebracht werden.
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist das Positionsgerät 110 ein Ultraschall-Bildgebungsgerät 200. Ultraschall-Bildgebungsgeräte 200 wie die in U.S.-Patent Nr. 6,390,982 und U.S.-Patent Nr. 6,338,716 verwendeten, die hiermit durch Inbezugnahme mit einbezogen werden, sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Das Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 ist auf der ersten Seite 180 des Substrats 106 angeordnet, während der Sensor 108 an der zweiten Seite 182 des Substrats 106 angebracht ist. Durch Verknüpfen der Positionsdaten vom Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 und der Positionsdaten vom Sensor 108 können die globale Position und die globale Positionsänderung der Knochenstrukturen berechnet und angezeigt werden. Die vorliegende Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil, dass die globale Position der Knochenstruktur 114 ohne die vorherige Kenntnis der Knochenstruktur 114 bestimmt werden kann. Deshalb ist bei einer Ausführungsform zur Bestimmung der globalen Position kein Bild der Knochenstruktur 114 erforderlich. Falls es verwendet wird, könnte das Bild ein präoperatives Bild, ein intraoperatives Bild oder jedes andere Bild sein, das typischerweise bei chirurgischen Eingriffen verwendet wird.
Das Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 gestattet dem Benutzer die Verfolgung einer darunter liegenden Knochenstruktur 114, ohne dass ein Verfolgungsgerät auf invasive Weise am Körper 112 angebracht werden muss. Das Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 weist mindestens drei Ultraschallwandler 220 auf. Die Ultraschallwandler 220 bestehen aus mehreren piezoelektrischen Elementen, die wie gewünscht getrennt oder kombiniert angeordnet werden können. Mehrere piezoelektrische Elemente werden manchmal in Mustern in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, deren Form im Allgemeinen linear, matrixartig oder ringförmig ist. Die Elemente können gleichzeitig oder in einem bestimmten Muster zueinander gepulst werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Ultraschallwandler 220 an der ersten Seite 180 des Substrats 106 angeordnet. Die Mehrzahl der im Sensor 108 enthaltenen LED's 159 ist auf der zweiten Seite 182 des Substrats 106 angeordnet. Die von den Ultraschallwandlern 220 gesammelten Positionsdaten beziehen die Position der darunter liegenden Knochenstruktur 114 auf den Sensor 108. Die Beziehung zwischen dem Sensor 108 und den Ultraschallwandlern 220 ist typischerweise bekannt, kann aber von der durch den Sensor 108 beschriebenen Form hergeleitet werden, wenn die Beziehung unbekannt oder nicht konstant ist. Das Computersystem 140 berechnet die globale Position der Knochenstruktur 114 durch Verknüpfen der Position des Sensors 108 und der relativen Position der Knochenstruktur 114 zum Sensor 108.
Bei einer Ausführungsform wird das Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 initialisiert, indem zuerst ein Unterbereich der vom Gerät abgedeckten Knochenstruktur 114 vermessen („kartographiert“) wird. Es kann erforderlich sein, das Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 geringfügig zu verschieben, um differentielle Entfernungs-„Karten“ der Knochenstruktur 114 zu erzeugen, damit Widersprüche ausgeschlossen werden können. Durch Berücksichtigen zahlreicher Entfernungskarten des statischen und sich bewegenden Ultraschall-Bildgebungsgeräts 200 können die Daten korreliert werden, so dass eine beliebige anfängliche Entfernungskarte festgelegt werden kann. Außerdem legt diese Ausführungsform eine beliebige Transformation zwischen den Koordinaten der Knochenstruktur 114 und dem Sensor 108 fest, um die Position der Knochenstruktur 114 relativ zum Sensor festzulegen. Wie zuvor erwähnt werden dann die Positionsdaten von der Knochenstruktur 114 und dem Sensor 108 verknüpft, um die globale Position der Knochenstruktur 114 zu bestimmen.
Durch das fortwährende Kartographieren der Knochenstruktur 114 und den Vergleich der Daten mit der beliebigen Ausgangsposition kann die relative Bewegung der Knochenstruktur 114 bestimmt und an den Benutzer übertragen werden. Die erstellte Entfernungskarte kann drei- oder zweidimensional sein. Bei jedem Szenario wird das Navigationssystem 104 oder das Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 die darunter liegende Knochenstruktur 114 dennoch verfolgen und diese Informationen mit der Ausgangsposition der Knochenstrukturen 114 korrelieren, um zu bestimmen, ob sich die Position der Knochenstruktur 114 geändert hat und/oder um die Ausgangspositionsdaten zu ergänzen. Außerdem wird im Zuge der Erfassung von mehr Positionsdaten der Knochenstruktur 114 die ursprüngliche Distanzkarte erweitert, so dass sie auch noch fehlende Daten enthält.
Um die Verfolgungsgenauigkeit zu erhöhen, verwenden manche Ausführungsformen mehrere Ultraschall-Bildgebungsgeräte 200 und Sensoren 108, um die Knochenstruktur 114 zu verfolgen. Solche gekoppelten Verfolgungseinrichtungen können radial oder axial über größere Bereiche der äußeren Oberfläche des Patienten verteilt sein, um voneinander entfernte Abschnitte derselben Knochenstruktur 114 abzudecken. Durch die Verwendung mehrerer gekoppelter Verfolgungseinrichtungen und die Berücksichtigung der relativen Position der gekoppelten Verfolgungseinrichtungen zueinander können die erfassten Informationen pro Einheit ohne Genauigkeitseinbuße verringert werden. Die gekoppelten Verfolgungseinrichtungen können kalibriert werden, indem vorübergehend ein bekanntes Kalibrierobjekt (nicht dargestellt) in das umgebende Gewebe des Körpers des Patienten eingebracht wird. Bei manchen Ausführungsformen wird das Kalibrierobjekt im Gewebe des Patienten in einem bekannten Abstand zu den gekoppelten Verfolgungseinrichtungen angeordnet. In den Fällen, in denen das Kalibrierobjekt in einem unbekannten Abstand zu den gekoppelten Verfolgungseinrichtungen angeordnet ist, kann das Kalibrierobjekt zur Bestimmung der relativen Abstände zwischen den gekoppelten Verfolgungseinrichtungen verwendet werden. Bei einer Ausführungsform ist das Kalibrierobjekt eine dünne durchsichtige Nadel mit einer Ultraschallspitze.
Das Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 der letzten Ausführungsform kann zusammen mit passiven Punktquellen verwendet werden, um zur Positionsbestimmung der Knochenstruktur beizutragen. Es müssen mindestens drei passive Punktquellen verwendet werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass mehrere Ultraschall-Bildgebungsgeräte 200 auf ähnliche Weise wie oben erörtert eingesetzt werden können, einschließlich der dargelegten Kalibriertechniken. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform sind vier schallreflektierende Kugeln (passive Punktquellen) 240a, 240b, 240c, 240d perkutan unter die Wandler 242a, 242b, 242c, 242d injiziert und neben der Knochenstruktur 114 angeordnet. Da die schallreflektierenden Kugeln 240a - d neben der Knochenstruktur 114 liegen, gibt die Bestimmung der Position der schallreflektierenden Kugeln 240a - d die Position der Knochenstruktur 114 an. Die Wandler 242a - d entsprechen den oben beschriebenen Wandlern 220. Die schallreflektierenden Kugeln 240a - d können im Wesentlichen aus Luft oder anderen Materialien mit geringer oder hoher Dichte bestehen. Schallreflektierende Kugeln 240a - d aus Materialien mit hoher Dichte könnten Materialien wie Gold oder Platin aufweisen, die gute Reflexionseigenschaften haben. Schallreflektierende Kugeln 240a - d aus Materialien geringer Dichte können aus resorbierbaren Materialien hergestellt werden. Schallreflektierende Kugeln 240a - d aus resorbierbarem Material gestatten die Absorption der Kugeln im Patienten, nachdem der Eingriff abgeschlossen worden ist. Bei einer Ausführungsform weisen die schallreflektierenden Kugeln 240a - d einen dünnen Außenmantel aus resorbierbarem Material auf und einen Innenkern, der im Wesentlichen aus Luft besteht. Der Fachmann weiß, welche Materialien im Rahmen der vorliegenden Ausführungsformen als resorbierbar zu betrachten sind.
Die Position der schallreflektierenden Kugeln 240a - d relativ zum Sensor 108 wird durch die Wandler 242a - d bestimmt. Wie zuvor erwähnt besteht eine bekannte Beziehung zwischen den Wandlern 242a - d und dem Sensor 108. Während des Positionsbestimmungsprozesses ist zu einem bestimmten Zeitpunkt immer ein Wandler aktiviert. Obwohl jeder der Wandler 242a - d den ersten Ultraschallimpuls aussenden kann, ist der Wandler 242a beispielhaft als der sendende Wandler gekennzeichnet. Der sendende Wandler 242a gibt einen Ultraschallimpuls zur Knochenstruktur 114 ab, der von der schallreflektierenden Kugel 240a reflektiert wird. Alle Wandler 242a - d empfangen die von der schallreflektierenden Kugel 240a reflektierte Schallwelle. Die Weglänge vom sendenden Wandler 242a zur schallreflektierenden Kugel 240a und zu den empfangenden Wandlern 242a - d hängt von der Zeit zwischen dem ersten Aussenden des Ultraschallimpulses und dem späteren Empfangen durch jeden der Wandler 242a - d ab. Alle Positionen der schallreflektierenden Kugeln 240a - d können bestimmt werden, indem die entsprechenden Wandler 242a - d über den schallreflektierenden Kugeln 240a - d nacheinander aktiviert werden. Der Fachmann weiß, wie die Position der Knochenstruktur 114 relativ zum Sensor 108 aus den von den Wandlern 242a - d gelieferten Daten und dem bekannten Abstand zwischen den Wandlern 242a - d und dem Sensor 108 bestimmt wird.
5 zeigt das Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 der Ausführungsform von 4 dahingehend modifiziert, dass aktive Ultraschall-Punktquellen im Gegensatz zu passiven Punktquellen verwendet werden. Mindestens drei aktive Punktwandler müssen in das Gewebe unter drei entsprechenden Empfängern eingebracht werden. Ähnlich wie bei den vorigen Ausführungsformen können mehrere Ultraschall-Bildgebungsgeräte 200 und entsprechende Kalibrierungstechniken eingesetzt werden. Bei der vorliegenden, in 5 dargestellten Ausführungsform sind vier aktive Ultraschall-Punktwandler 260a, 260b, 260c, 260d auf ähnliche Weise wie die schallreflektierenden Kugeln 240a - d der letzten Ausführungsform neben der Knochenstruktur 114 angeordnet. Außerdem sind vier Empfänger 262a, 262b, 262c, 262d an der ersten Seite 180 des Substrats 106 angeordnet, wobei die Empfänger 262a - d zum Sensor 108 in einer bekannten Beziehung stehen.
Ähnlich wie bei der vorigen Ausführungsform wird die Position der aktiven Ultraschall-Punktwandler 260a - d relativ zum Sensor 108 durch die Empfänger 262a - d bestimmt. Während des Positionsbestimmungsprozesses ist immer einer der aktiven Ultraschallquellenwandler 260a - d aktiviert. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der aktive Ultraschallquellenwandler 260a beispielhaft als der sendende aktive Quellenwandler gekennzeichnet. Der sendende aktive Quellenwandler 260a gibt einen Ultraschallimpuls in alle Richtungen ab, der von allen Empfängern 262a - d empfangen wird. Auf Grundlage der Zeitdauer zwischen dem Aussenden des Ultraschallimpulses vom sendenden aktiven Quellenwandler 260a und der Zeit, zu der der Impuls von jeden der Empfänger 262a - d empfangen worden ist, kann die Weglänge zwischen dem sendenden aktiven Quellenwandler 260a und jedem Empfänger 262a - d bestimmt werden. Der Fachmann weiß, wie die Position der Knochenstruktur 114 relativ zum Sensor 108 aus den von den Empfängern 262a - d gelieferten Daten und dem bekannten Abstand zwischen den Wandlern 260a - d und dem Sensor 108 bestimmt wird.
Hinsichtlich aller oben genannten Ausführungsformen ist denkbar, dass manche Ausführungsformen ein einziges Substrat 106 verwenden, während andere mehrere Substrate 106 verwenden. Sofern mindestens ein Wandler 220, ein Wandler 242a - d oder ein Empfänger 262a - d im Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 auf jedem Substrat enthalten ist, weiß der Fachmann, wie die Positionsdaten für jedes entsprechende Substrat 106 in die globale Position der Knochenstruktur 114 zu übersetzen sind. Die bei den vorliegenden Ausführungsformen verwendeten Substrate 106 könnten durch einen Ultraschall-Kopplungskleber, der dem Fachmann bekannt ist, auf der äußeren Oberfläche 111 des Körpers 112 angebracht werden. Außerdem ergibt sich durch die allgemein flexible Art des Substrats 106 kein Problem, da die Beziehung der Wandler 220, der Wandler 242a - d und der Empfänger 262a - d zueinander und zur Knochenstruktur 114 nicht ständig fest zu sein braucht. Bei manchen Ausführungsformen werden alle 10 ms Messungen vorgenommen, wodurch die Notwendigkeit einer starreren Struktur des Substrats 106 entfällt. Die obigen Ausführungsformen sind ferner mit vier Ultraschallwandlern und vier Ultraschallempfängern beschrieben worden. Es ist auch möglich, drei Ultraschallwandler und/oder -empfänger zu verwenden und ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
Die Vorteile der Verwendung eines Ultraschall-Bildgebungsgeräts 200 zeigen sich deutlich im Komfort für den Patienten und den Benutzer. Der Chirurg braucht keine weiteren Schnitte im Körper 112 des Patienten vorzunehmen, um das Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 aufzunehmen oder die Zone, in der der chirurgische Eingriff stattfindet, weiter zu traumatisieren. Es ist zwar eine vollkommen nicht invasive Ausführungsform offenbart worden, aber sogar die anderen Ausführungsformen, bei denen aktive und passive Punktquellen verwendet werden, sind vergleichsweise nicht-invasiv. In die Knochenstruktur 114 braucht nichts eingeschraubt zu werden, da die schallreflektierenden Kugeln 240a - d und die aktiven Quellenwandler 260a - d nur neben der Knochenstruktur 114 angeordnet sind. Wie außerdem aus den 6A und 6B ersichtlich ist, kann an den schallreflektierenden Kugeln 240a - d bzw. den aktiven Quellenwandlern 260a - d ein Entnahmegerät 280 angebracht werden. Das Entnahmegerät 280 kann ein Draht oder ein anderer gleichwertiger Entnahmemechanismus sein, mit dem sich die schallreflektierenden Kugeln 240a - d und die aktiven Quellenwandler 260a - d auf einfache Weise aus dem Körper 112 des Patienten entfernen lassen. Die vergleichsweise nicht-invasiven Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine raschere Heilung des Patienten und verringern die Gefahr von Infektionen und anderen Komplikationen durch einen stärker invasiven Eingriff.
7 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Positionsgerät 110 eine magnetische Verfolgungseinrichtung 300 ist. Magnetische Verfolgungsgeräte und Lokalisierungssysteme, wie die im U.S.-Patent Nr. 6,073,043 gelehrten, das hiermit durch Inbezugnahme mit einbezogen wird, sind in der Vergangenheit mit begrenztem Erfolg verwendet worden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die magnetische Verfolgungseinrichtung 300 an der ersten Seite 180 des Substrats 106 angeordnet, während der Sensor 108 an der zweiten Seite 182 des Substrats 106 angeordnet ist. Ähnliche Kombinationen und Ausrichtungen der abnehmbar angebrachten Substrate 108 wie oben erläutert können verwendet werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass jede der Ausführungsformen hinsichtlich des oben erläuterten Sensors 108 und des chirurgischen Navigationssystems 104 bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden kann.
Die magnetische Verfolgungseinrichtung 300 der vorliegenden Ausführungsform weist einen Magnetsender 310 und einen Magnetsensor 312 auf. Der Magnetsender 310 ist auf dem Substrat 106 angeordnet, während der Magnetsensor 312 unter dem Magnetsender 310 angeordnet und starr an der Knochenstruktur 114 befestigt ist. Der Magnetsensor 312 enthält einen Anker 314 zum Befestigen des Magnetsensors 312 an der Knochenstruktur 114. Der Begriff „Anker“ ist dahingehend zu verstehen, dass er Stifte, Schrauben, Nägel und alle sonstigen dem Fachmann bekannten Befestigungsgeräte umfasst. Bei manchen Ausführungsformen ist eine Mehrzahl Magnetsensoren 312 vorgesehen, die mit dem Magnetsender 310 zusammenwirken, wie aus 8 ersichtlich ist. Der Magnetsender 310 enthält Magnetfeldgeneratoren, die die Position des Magnetsensors 312 und somit der Knochenstruktur 114 relativ zum Sensor 108 bestimmen können. Durch Verknüpfen der Positionsdaten von der magnetischen Verfolgungseinrichtung 300 mit den Positionsdaten vom Sensor 108 können die globale Position und die globale Positionsänderung der Knochenstruktur 114 berechnet und angezeigt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Anker 314 in einem einen Schritt umfassenden Prozess durch eine Hülse 316 transkutan mit einem integrierten Beaufschlagungsgerät 320 wie das in 9 dargestellte oder wie die im U.S.-Patent Nr. 5,665,092 gelehrten, das hiermit durch Inbezugnahme mit einbezogen wird, eingeführt. Für den intraoperativen Zugang kann die Hülse 316 am Anker 314 angebracht werden, um einen Zugangstunnel zu schaffen, der das umgebende Gewebe nicht stört. Zusätzlich oder alternativ ist ein Herausziehgerät 322 mit dem Sensor 108 verbunden. Das Herausziehgerät 322 kann einen Führungsdraht oder eine Führungsfaser aufweisen, um das Gewebe des Körpers 112 leichter durchdringen zu können und/ oder um den Magnetsensor 312 herauszuziehen, nachdem der Benutzer den Eingriff beendet hat. Bei manchen Ausführungsformen ist das Herausziehgerät 322 an der ersten Seite 180 angeordnet, wo sich die magnetische Verfolgungseinrichtung 300 befindet.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das Positionsgerät 110 ein faseroptisches Gerät 400 ist. Faseroptische Geräte wie die gemäß U.S.-Patent Nr. 5,633,494 und U.S.-Patent Nr. 6,127,672 sind im Stand der Technik hinreichend bekannt und werden hiermit durch Inbezugnahme mit einbezogen. Alle vorigen Ausführungsformen in Zusammenhang mit dem chirurgischen Navigationssystem 104, dem Substrat 106, dem Sensor 108 oder jeder anderen Struktur, die mit dem Ultraschall-Bildgebungsgerät 200 und der magnetischen Verfolgungseinrichtung 300 verwendet werden, können bei den vorliegenden Ausführungsformen eingesetzt werden.
Das faseroptische Gerät 400 ist an der ersten Seite 180 des Substrats 106 angeordnet, während der Sensor 108 an der zweiten Seite 182 angeordnet ist. Das faseroptische Gerät 400 enthält ein nicht starres rohrförmiges Anbauteil 402 bekannter Länge, das mindestens eine Faser 404 hat. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Faser 404 eine Licht leitende Faser, die allgemein als Lichtwellenleiter bekannt ist. Das rohrförmige Anbauteil 402 erstreckt sich vom faseroptischen Gerät 400 zum Anker 314, der entfernbar an der Knochenstruktur 114 angebracht werden kann. Das rohrförmige Anbauteil 402 kann auch als Penetrationsgerät zum Führen des Ankers 314 durch des Gewebe des Körpers 112 und als Herausziehgerät zur Unterstützung beim Herausziehen des Ankers 314 dienen, wenn der Benutzer den Eingriff beendet hat. Alle Strukturen oder Verfahren, die zum Befestigen und Entfernen der Anker 314 bei den Ausführungsformen mit den magnetischen Verfolgungseinrichtungen 300 dienen, können auch bei den vorliegenden Ausführungsformen eingesetzt werden. Die Krümmung der Faser 404 im rohrförmigen Anbauteil 402 entspricht der Position des Ankers 314. Das faseroptische Gerät 400 kann die Positionsdaten des Ankers 314 verwenden, um zu übertragen, wo sich die Knochenstruktur 114 relativ zum Sensor 108 befindet.
11 zeigt eine Schnittansicht der Faser 404. Die Faser 404 enthält normalerweise eine Ummantelung 406, die die Länge der Faser 404 umgibt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Biegesensor 408 geschaffen, indem die Ummantelung 406 um einen Abschnitt der Faser 404 herum entfernt und/oder indem der darunter liegende Abschnitt eingekerbt wird. Bei einer in 12 dargestellten Ausführungsform kann der Biegesensor 408 mit einem lichtabsorbierenden Material 410 behandelt werden, um zu verhindern, dass Licht zurück in den Biegesensor 408 reflektiert wird. Das lichtabsorbierende Material kann ebenso andere Zwecke erfüllen, z. B. die Faser gegen Verschmutzung durch die Umgebung schützen. Der Fachmann weiß, wie der Biegesensor 408 herzustellen ist und welche Materialien als lichtabsorbierendes Material 410 zu verwenden sind.
Das faseroptische Gerät 400 verwendet Photodetektoren zu Bestimmung der Menge des Lichtverlustes über den gekerbten Abschnitt, der den Biegesensor 408 enthält. Die Modulation der Intensität des durch die Faser 404 wandernden Lichtes verhält sich linear zur Krümmung der Faser 404. Deshalb ist die Menge des Lichtverlustes durch den Biegesensor 404 von der Position des Ankers 314 abhängig. 13 zeigt eine Faser 404 mit einem Biegesensor 408, der sich an einer Seite der Faser 404 befindet. Eine senkrechte Ebene überträgt bei Krümmung die größte Lichtmenge. Wenn die Faser 404 entlang der senkrechten Ebene 412 konkav nach oben gekrümmt wird, nimmt die Übertragung zu. Wenn die Faser 404 konkav nach unten gekrümmt wird, nimmt die Übertragung ab. Eine waagrechte Ebene 414 entspricht der Mindestmenge des Lichtverlustes bei Krümmung entlang dieser Ebene 414. In Ebenen, die nicht in den oben genannten Ebenen liegen, z. B. in der Ebene 416, treten mittlere Empfindlichkeiten auf.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann sich die Faser 404 vom Abschnitt der faseroptischen Geräts 400 an der ersten Seite des Substrats 106 zum Anker 314, der entfernbar an der Knochenstruktur 114 befestigt ist, und zurück zum faseroptischen Gerät 400 erstrecken. Die Einzelfaser 404 enthält einen Biegesensor 408, der an einem Ende einer Schlaufe angeordnet ist, die von der Faser 404 zwischen den Photodetektoren und dem Ende der Schlaufe am Anker 314 gebildet wird. Bei einer in 14 dargestellten alternativen Ausführungsform wird die in der Nähe des Ankers 314 gebildete Schlaufe der Faser 404 durch eine erste bzw. zweite Faser 418 bzw. 420 ersetzt. Licht von einem sendenden Photodetektor 422 wird durch den Biegesensor 408 zu einem ersten Ende 424 der ersten Faser 418 geschickt. Das erste Ende 424 enthält einen ersten Sensorabschnitt 426, der zu einem zweiten Sensorabschnitt 428 am zweiten Ende 430 der zweiten Faser 420 weist. Die beiden Sensorabschnitte 426, 428 enthalten nicht-ummantelte und/oder gekerbte Abschnitte, um die Lichtübertragung zu gestatten. Licht von der zweiten Faser 420 wird dann zu einem empfangenden Photodetektor 432 geschickt. Eine Kappe 434 oder ein anderer Abdeckmechanismus deckt die Sensorabschnitte 426, 428 ab und hält sie auf starre Weise, so dass sie sich nicht biegen können. Die Kappe 434 kann neben dem oder im Anker 314 angeordnet werden. Bei dieser Anordnung können die ersten und zweite parallel zueinander verlaufenden Fasern 418, 420 die gleiche Funktion ohne ein geschlauftes Ende ausführen. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die Biegesensoren 408 in schmäleren Strukturen eingesetzt werden können, was bei chirurgischen Eingriffen besonders vorteilhaft ist, die so wenig invasiv wie möglich sein sollen. Für den Fachmann ist klar, dass es zahlreiche Möglichkeiten für die Verwendung von Fasern in Schlaufenform oder ohne Schlaufenform gibt, um Biegung zu übertragen, insbesondere von der Art, bei der Licht in einem System ohne Schlaufen von der ersten Faser 418 zur zweiten Faser 420 übertragen wird.
Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mehrere Fasern 404 im Gegensatz zu den oben erörterten einen oder zwei Fasern verwendet werden. 15 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei der drei Fasern 436a, 436b, 436c parallel nebeneinander angeordnet sind. Jede Faser 404 hat einen Biegesensor 408, der verschiedene Biegevektorkomponenten überträgt. Die Biegesensoren 408 sind so angeordnet, dass die Achsen der maximalen Lichtübertragung im Abstand von 120° zueinander verlaufen. Die drei Fasern 436a, 436b, 436c sind entsprechend mit drei anderen Fasern (nicht dargestellt) in einer ähnlichen Anordnung wie in 14 dargestellt gekoppelt. Die drei Fasern 436a, 436b, 436c haben jeweils ein Ende, das dem entsprechenden Ende der anderen drei Fasern entspricht. Diese Ausführungsform gestattet die Verwendung einer relativ schmalen Struktur, wobei auch drei Biegevektorkomponenten empfangen werden. Die drei Biegevektorkomponenten sind für die Berechnung einer genaueren Positionierung des Ankers 314 günstig im Gegensatz zu den Systemen mit einer oder zwei Fasern. Es ist denkbar, dass sehr viele verschiedene Anzahlen und Anordnungen der Fasern 404 in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden können.
Die Anzahl der im rohrförmigen Anbauteil 402 vorgesehenen Biegesensoren 408 kann ebenfalls variieren. 16 zeigt eine Reihe Biegesensoren mit Schlaufenfasern, die im rohrförmigen Anbaumechanismus angeordnet sind. Durch die Bereitstellung einer Reihe Schlaufensensoren 440 können zahlreiche Positionsbestimmungen vorgenommen werden, die kombiniert werden können, um eine präzisere Position des Ankers 312 relativ zum Sensor 108 zu erzielen. Dem Fachmann ist klar, dass es zahlreiche Kombinationen und Typen von Faseranordnungen gibt, die mehrere Biegesensoren 408 entlang der Länge eines Materials bereitstellen.
Bei allen Ausführungsformen, die das faseroptische Gerät 400 verwenden, werden Daten vom faseroptischen Gerät 400 entsprechend der Position des an der Knochenstruktur 114 befestigten Ankers 314 empfangen. Wie zuvor erwähnt, besteht auch eine bekannte Beziehung zwischen dem Sensor 108 und dem faseroptischen Gerät 400 auf dem Substrat 106. Daten entsprechend der Position der Knochenstruktur 114 relativ zum Sensor 108 werden vom faseroptischen Gerät 400 ähnlich wie bei den anderen oben erläuterten Ausführungsformen übertragen.
Für den Fachmann ergeben sich angesichts der obigen Beschreibung zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung. Diese Beschreibung ist folglich nur als beispielhaft zu sehen und hat den Zweck, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung zu verwirklichen und anzuwenden und die beste Art zu lehren, wie sie auszuführen ist. Die Exklusivrechte an allen Modifikationen, die vom Umfang der beiliegenden Ansprüche abgedeckt werden, sind vorbehalten.

Claims

System zur Bestimmung einer Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur (102), aufweisend: ein chirurgisches Navigationssystem (104); ein Substrat (106), dazu ausgebildet, abnehmbar auf einer äußeren Oberfläche (111) eines Körpers (112) angebracht zu werden, wobei der Körper (112) eine anatomische Struktur (102) enthält; einen am Substrat (106) angebrachten Sensor (108), dessen Position vom chirurgischen Navigationssystem (104) verfolgbar ist; ein am Substrat (106) angebrachtes Positionsgerät (110), das eine Position der anatomischen Struktur (102) bestimmt, wobei es sich bei dem Positionsgerät (110) um ein faseroptisches Gerät (400) oder ein magnetisches Verfolgungsgerät (300) handelt; eine erste Schaltung (140) zur Berechnung einer globalen Position der anatomischen Struktur (102) durch Korrelieren der Position des Sensors (108) mit der Position der anatomischen Struktur (102) relativ zur Position des Sensors (108); und eine zweite Schaltung zum Anzeigen der globalen Position der anatomischen Struktur (102) auf einer Anzeigeeinheit (152).
System nach Anspruch 1, bei dem der Sensor (108) ein optisches Verfolgungsgerät ist.
System nach Anspruch 2, bei dem das optische Verfolgungsgerät drei LEDs (159) enthält.
System nach Anspruch 1, bei dem die anatomische Struktur (102) eine Knochenstruktur ist.
System nach Anspruch 1, bei dem mehrere Positionsgeräte (110) die Position der anatomischen Struktur (102) gleichzeitig verfolgen.
System nach Anspruch 1, bei dem das Positionsgerät (110) ein faseroptisches Gerät (400) ist, welches eine Faser (404) und einen Anker (314) aufweist.
System nach Anspruch 6, bei dem die Faser (404) einen gekerbten Abschnitt zur Emission von Licht entlang einer Länge der Faser (404) enthält.
System nach Anspruch 7, bei dem der gekerbte Abschnitt mit einem lichtabsorbierenden Material (410) bedeckt ist.
System nach Anspruch 6, bei dem der Anker (314) einen Stift aufweist, der entfernbar an der anatomischen Struktur (102) befestigt ist und bei dem die Faser (404) am Stift angebracht ist.
System nach Anspruch 6, bei dem das Positionsgerät (110) mit einem Herausziehgerät (332) verbunden ist.
System nach Anspruch 1, bei dem das Positionsgerät (110) ein Magnetverfolgungsgerät ist, welches einen Magnetsender (310) und einen Magnetsensor (312) aufweist.
System nach Anspruch 11, bei dem der Magnetsensor (312) einen Stift enthält, der entfernbar an der anatomischen Struktur (102) angebracht ist.
System nach Anspruch 11, bei dem der Magnetsensor (312) mit einem Herausziehgerät (332) in einer Verbindungsbeziehung steht.
Gerät zur Bestimmung einer Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur (102) zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem (104), aufweisend: ein Substrat (106), dazu ausgebildet, abnehmbar auf einer äußeren Oberfläche (111) eines Körpers (112) angebracht zu werden, wobei der Körper (112) eine anatomische Struktur (102) enthält; einen am Substrat (106) angebrachten Sensor (108), dessen Position vom chirurgischen Navigationssystem (104) verfolgbar ist; und ein am Substrat (106) angebrachtes Positionsgerät (110), das die Position der anatomischen Struktur (102) bestimmt, wobei es sich bei dem Positionsgerät (110) um ein faseroptisches Gerät (400) oder ein magnetisches Verfolgungsgerät (300) handelt.
Gerät nach Anspruch 14, bei dem der Sensor (108) ein optisches Verfolgungsgerät ist.
Gerät nach Anspruch 15, bei dem das optische Verfolgungsgerät drei LEDs (159) enthält.
Gerät nach Anspruch 14, bei dem die anatomische Struktur (102) eine Knochenstruktur ist.
Gerät nach Anspruch 14, bei dem das Positionsgerät (110) ein magnetisches Verfolgungsgerät (300) ist, welches einen Magnetsender (310) und einen Magnetsensor (312) aufweist.
Gerät nach Anspruch 18, bei dem der Magnetsensor (312) einen Anker (314) enthält, der entfernbar an der anatomischen Struktur (102) angebracht ist.
Gerät nach Anspruch 18, bei dem der Magnetsensor (312) mit einem Herausziehgerät (332) verbunden ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Position und einer Positionsänderung einer anatomischen Struktur (102) unter Verwendung eines chirurgischen Navigationssystems (104), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anbringen eines Substrats (106) auf abnehmbare Weise auf einer äußeren Oberfläche (111) eines Körpers (112), wobei das Substrat (106) einen zugehörigen Sensor (108) und ein Positionsgerät (110) zur Bestimmung einer Position der anatomischen Struktur (102) hat, wobei es sich bei dem Positionsgerät (110) um ein faseroptisches Gerät (400) oder ein magnetisches Verfolgungsgerät (300) handelt, und wobei der Körper (112) die anatomische Struktur (102) enthält und der Sensor (108)von dem chirurgischen Navigationssystem (104) verfolgt wird; Bestimmen der Position des anatomischen Merkmals relativ zur Position des Sensors (108); und Verfolgen der Position der anatomischen Struktur (102) mit dem chirurgischen Navigationssystem (104).
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Sensor (108) ein optisches Verfolgungsgerät ist.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das optische Verfolgungsgerät drei LEDs (159) enthält.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die anatomische Struktur (102) eine Knochenstruktur ist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem mehrere Positionsgeräte (110) die Position der anatomischen Struktur (102) gleichzeitig bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 21, das den Schritt des Platzierens einer Struktur zur Positionsangabe, die mit dem Positionsgerät (110) in Wechselwirkung steht, neben der anatomischen Struktur (102) enthält.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Struktur zur Positionsangabe eine Faser (404) und einen Anker (314) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Faser (404) einen gekerbten Abschnitt zur Emission von Licht entlang einer Länge der Faser (404) enthält.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem der gekerbte Abschnitt mit einem lichtabsorbierenden Material (410) bedeckt ist.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Struktur zur Positionsangabe mit einem Herausziehgerät (332) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Struktur zur Positionsangabe einen Magnetsensor (312) aufweist und das Positionsgerät (110) ein Magnetsender (310) ist.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem der Magnetsensor (312) mit einem Herausziehgerät (332) in einer Verbindungsbeziehung steht.