DE19627315C1 - Lokalisations- und Positioniervorrichtung zur Planung und Durchführung chirurischer Eingriffe auf der Grundlage röntgencomputer- und kernresonanztomographischer Bilder - Google Patents
Lokalisations- und Positioniervorrichtung zur Planung und Durchführung chirurischer Eingriffe auf der Grundlage röntgencomputer- und kernresonanztomographischer BilderInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lokalisations- und
Positioniervorrichtung zur Lokalisation von Kör
perstellen und zur berechneten Positionierung von
chirurgischen Instrumenten auf der Grundlage von medizini
schen bilderzeugenden Untersuchungsverfahren.
Lokalisations- und Positioniervorrichtungen werden in
Positioniervorrichtungen, z. B. stereotaktischen
Systemen, eingesetzt, mit deren Hilfe unter Verwendung
von Bildern, insbesondere von Serien parallel
verlaufender Röntgencomputer- oder Kernresonanztomo
gramme, Operationen mit hoher Zielgenauigkeit durch
geführt werden. Die Ortsinformation dieser Bilder, die
das Operationsziel und eine neben dem Patienten
angeordnete Lokalisationseinrichtung eines stereota
ktischen Rahmens abbilden, wird für die exakte Planung
des Operationsweges genutzt, indem zunächst mit einem
vom Bild vorgegebenen Koordinatensystem die Lagebe
ziehung von Ziel und Rahmen beschrieben und diese dann
durch besondere Berechnungen auf ein zweites, durch
den stereotaktischen Rahmen vorgegebenes Koor
dinatensystem übertragen wird. Mit Hilfe dieses
Rahmenkoordinatensystems wird auch der vom Operateur
wählbare Ausgangspunkt der Operation beschrieben, an
den das chirurgische Instrument, meist eine Nadel oder
Sonde, zu Beginn der Operation mit einer am Rahmen
befestigten Positionierungseinrichtung geschoben wird.
Von diesem Ausgangspunkt wird dann das Instrument mit
Hilfe der Positionierungseinrichtung in berechneter
Weise hochpräzise ausgerichtet und im Patienten exakt
bis zum Ziel vorgeschoben.
Im Gegensatz zum Körper sind die Voraussetzungen für
stereotaktische Operationen am Gehirn besonders
günstig, da der Rahmen fest mit dem knöchernen Schädel
verschraubt werden kann und sich so seine Lagebezie
hung zum Operationsziel in dem Zeitintervall zwischen
der Bilderstellung und der Durchführung der Operation
nicht verändert. Am Kopf kann dieses Zeitintervall
ohne einen Verlust an Präzision sehr lang sein. Daher
bietet die von Leksell et al. (Leksell L, Leksell D,
Schebel J: Stereotaxis and nuclear magnetic resonance,
J Neurol Neurosurg Psychiatry, 1985; 48 : 14-18)
vorgeschlagene Vorrichtung die Möglichkeit, daß nach
der Bilderstellung die Lokalisationseinrichtung voll
ständig vom Rahmen entfernt werden kann, um einer
Positionierungseinrichtung für das chirurgische Gerät
Platz zu machen. Da bei Gehirnoperationen die freie
Wahl des Operationsweges besonders wichtig ist,
besteht die Positionierungseinrichtung der o.g.
Vorrichtung aus einem System von rotierbaren und
verschieblichen Halbbögen, die den Schädel helmartig
umschließen und eine halbkugelförmig um den Schädel
angeordnete, große Anzahl von Ausgangseinstellungen
ermöglichen.
Dieses System ist für die Anwendung am Körper jedoch
ungeeignet, da die Situation bei einem stereotak
tischen System für den Körper eine grundsätzlich
andere als für den Kopf ist. Denn am Körper ist der
Rahmen nicht in vergleichbarer Weise an Knochen zu
befestigen, was bei Bewegungen des Patienten zu
Verlagerungen des Rahmens mit der gegen das Zielorgan
verschieblichen Haut führt. Darüber hinaus kommt es
auch zu atembedingten Verlagerungen des
Operationszieles. Für stereotaktische Operationen am
Körper muß daher das Intervall von der Bilderstellung
bis zur Operation besonders kurz sein, um die
Wahrscheinlichkeit von Verlagerungen zwischen dem
Rahmen und Ziel zu minimieren. Bei der o.g.
Vorrichtung würde das Entfernen der
Lokalisationseinrichtung und die Montage der
Positionierungseinrichtung zu einer erheblichen
Zeitverzögerung und damit zu starken Abweichungen des
tatsächlichen vom berechneten Operationsweg und somit
letztendlich zu einer Gefährdung des Patienten führen.
Auch müßte der Rahmen bei einer Anwendung des oben
genannten Systems am Körper größer sein, so daß die
Operation nicht im Tomographen durchgeführt werden
könnte. Der Patient müßte aus dem Tomographen
herausgefahren werden, wodurch das kritische
Zeitintervall jedoch zu lang werden würde, um eine
Operation in einem Atemstillstand durchzuführen.
Die Anwendung bestimmter Lokalisationseinrichtungen
von speziell für den Kopf entwickelten, stereotakti
schen Systemen ohne deren Positionierungseinrichtung
ist jedoch grundsätzlich auch für stereotaktische
Systeme beim Körper denkbar. Die meisten
stereotaktischen Systeme für Gehirnoperationen
verwenden eine von Brown beschriebene
Lokalisationseinrichtung, die zwei oder drei N-förmige
Lokalisationselemente mit Hilfe des Rahmens neben dem
Schädel anordnet (Brown R A.: A computerized
tomography-computer graphics approach to stereotactic
localization, J Neurosurg, 1979; 50:715-720). Die
beiden äußeren, parallelen Schenkel eines solchen N-
förmigen Elementes stehen senkrecht zur Tomogrammebene
und sind im Tomogramm neben den Schädelstrukturen als
zwei Punkte sichtbar. Der dritte, diagonal verlaufende
Schenkel wird als ein dritter Punkt zwischen den
beiden Punkten abgebildet. In der Bildebene des
Tomogrammes werden die Punkte mit den Koordinaten x
und y beschrieben, wobei üblicherweise die
Tomogrammkoordinaten mit x (horizontal), y (vertikal)
und z (senkrecht zur Bildebene) bezeichnet werden.
Durch das Verhältnis des Abstands zwischen den beiden
äußeren Punkten zu dem Abstand eines äußeren Punktes
zum inneren, wird der z-Koordinatenwert berechnet;
nach einer Parallelverschiebung der Tomogrammebene in
Richtung Z, rückt der mittlere der drei Punkte weiter
an den einen äußeren Punkt heran und von dem anderen
weg.
Aus der DE 38 31 218 A1 ist eine stereotaktische
Lokalisations- und Positioniervorrichtung bekannt, in
der die N-förmigen Lokalisationselemente in einer
imaginär gekrümmten Fläche angeordnet sind, wodurch
der diagonale Schenkel eine wendelförmige Anordnung
erhält, die parallelen Schenkel der Lokalisationsvor
richtung jedoch weiterhin gerade verlaufen.
Da die für den Kopfbereich entwickelten stereotakti
schen Systeme für Eingriffe am Körper ungeeignet sind,
wurden für diesen Bereich andere stereotaktische
Systeme vorgeschlagen. Nach Onik wird eine drei
ecksförmige Referenz in einer senkrecht zur Bildebene
des Tomographen verlaufenden Ebene, z. B. der Ebene (x,
z), auf die Haut des Patienten geklebt (Onik, G. et
al.: CT body stereotaxis: an aid for CT guided
biopsies. American Journal of Roentgenology, 1986;
146:163-78). Bei Tomogrammen an Positionen mit
unterschiedlichem z-Koordinatenwert wird das Dreieck
im jeweiligen Tomogramm als Strecke sichtbar. Die
Länge der Strecken variiert abhängig vom z-
Koordinatenwert. Von der Länge einer Strecke kann auf
den z-Koordinatenwert geschlossen werden. Dieser
wiederum wird außen auf einer Skala am Referenzdreieck
anzeigt, und kann so auf die Haut des Patienten über
tragen werden. Von diesem Punkt aus wird die Lage des
Zieles mit den x- und y-Koordinaten, die im Tomogramm
ausgemessen wurden beschrieben. Die Nadel wird durch
ein Stativsystem geführt, das neben dem Tomographen
auf dem Fußboden steht oder am Tomographentisch
befestigt wird.
Nachteilig ist bei dieser Methode, daß die Operation
nicht im Tomographen durchgeführt werden kann, so daß
der Patient nach der Bilderstellung aus dem Tomogra
phen heraus gefahren werden muß, da das Stativ sehr
groß ist und keinen Platz im Tomographen hat. Durch
das Herausfahren ist Zeitintervall zwischen der
Bilderstellung und der Punktion ist so lang, daß Atem
bewegungen zu einer Verlagerung des Operationszieles
führen. Zusätzlich kommt es beim Herausfahren des
Patienten aus dem Tomographen zu Verlagerungen des
Dreieckes durch Verschiebungen der Haut. Nachteilig
ist auch, daß das Stativ sehr aufwendig am Tomographen
befestigt bzw. unverrückbar aufgebaut werden muß.
Eine andere Lokalistionsvorrichtung eines stereotak
tischen Rahmens für den Körper wird in der DE 40 29 590 C2
beschrieben. Sie bezeichnet eine Vorrichtung
zum Messen eines Koordinatenwertes bei tomographischen
Schichtbildern, die im Querschnittsbild ein unmittel
bares Ablesen der senkrecht zur Tomogrammebene ver
laufenden Koordinate erlaubt. Das Verfahren sieht ein
stabförmiges Lokalisationselement mit einem zentralen
Stapel numerierter Scheiben und einem umgebenden Rohr
mit wendelförmig angeordneten Löchern vor, wobei
Zahlen im Tomogramm lesbar den Zentimeterwert und die
Querschnittsposition der abgebildeten Löcher den
Millimeterwert der z-Koordinaten darstellen. Zu dieser
Lokalisationseinrichtung ist für die Anwendung am
Körper ein kastenartiger stereotaktischer Rahmen, der
den Patienten umgibt, aber nicht mit ihm verbunden
ist, vorgesehen.
Dieser Rahmen erfordert jedoch wegen seiner erheb
lichen Größe, daß der Patient nach der Bilderstellung
aus der Röhre gefahren wird, um die Operation durch
führen zu können. Zwar kann bei der angegebenen Loka
lisationseinrichtung der z-Koordinatenwert direkt im
Bild vom Operateur abgelesen werden, was bei der zuvor
erwähnten N-förmigen Lokalisationseinrichtung nicht
der Fall ist. Jedoch ist die im Tomogramm sichtbare
Struktur des Elementes sehr komplex, so daß eine
automatisierte computerunterstützte Bestimmung der z-
Koordinaten sehr schwer möglich ist. Da der Rahmen am
Tomographen befestigt ist und keinen Kontakt mit dem
Patienten hat, kann er sich nicht mit diesem
mitbewegen, wodurch im Intervall von der
Bilderstellung bis zum Vorschieben der Nadel
Verlagerungen zwischen dem Ziel und dem Rahmen mit dem
oben bereits erwähnten Verlust an Präzision entstehen.
Aus den genannten Gründen haben stereotaktische Ver
fahren für den Körperbereich keine Verbreitung gefun
den. Tomographisch gesteuerte Eingriffe im Körper
werden derzeit in der überwiegenden Mehrzahl ohne
Lokalisations- oder Positionierungshilfen durchge
führt. Dabei wird eine Nadel von einem Ausgangspunkt
mit Hilfe eines Lichtvisiers, das die Ebene des Tomo
grammes in der Öffnung des Tomographen anzeigt,
stückweise unter mehrfacher bildlicher Kontrolle bis
zum Ziel vorgeschoben (Grönemeyer, D. H. W. und
Seibel, R. M. M.: Interventionelle
Computertomographie, Lehrbuch und Atlas zur
interventionellen Operationstechnik und
Schmerztherapie, Ueberreuther Wissenschaft, Wien
Berlin 1989).
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lokalisations-
und Positioniervorrichtung zur Verfügung zu stellen,
die erlaubt, das Intervall zwischen der Bilderstellung
und der Operation auf wenige Sekunden zu verkürzen,
wodurch bewegungs- und atmungsbedingte Verlagerungen
zwischen Rahmen und Operationsziel vermieden und
hochpräzise stereotaktische Operationen am Körper
durchgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1
gelöst.
Die im Tomographen kontrastierende Schraubenfläche
ermöglicht die Bestimmung der Tomogrammkoordinaten in
der Längsachse der Lokalisations- und Positioniervor
richtung. Diese Koordinate läßt sich aus der Drehung
der im Tomogramm erscheinenden Schnittlinie des Tomo
gramms mit der Schraubenfläche leicht visuell oder
numerisch bestimmen. Die Lokalisations- und
Positioniervorrichtung eignet sich daher sehr gut für
die rechnergestützte automatische Bildauswertung.
Durch diese Bestimmung der dritten Koordinate des
Tomogrammes wird eine exakte Schnittpunktbestimmung
der Längskoordinaten und die operative "Durch-Schicht-
Technik" ermöglicht.
Bei einer Verkantung der Tomogrammebene gegenüber der
auf der Längsachse der Lokalisationselemente senk
rechten Ebene läßt sich aufgrund der sich dabei auf
dem Tomogramm abzeichnenden charakteristischen "S"-
Kurve als Schnittpunkt des Tomogramms mit der
Schraubenfläche der Winkel zwischen dieser Längsachse
und dem Tomogramm auf einfache Art und Weise
bestimmen.
Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen angegeben.
Ist die Lokalisations- und Positioniervorrichtung in
einer Positioniervorrichtung angeordnet, die gemeinsame
Lokalisations- und tragende Elemente aufweist,
zwischen denen die Positioniereinheit für die
chirurgischen Instrumente angeordnet ist, so ist die
Positioniervorrichtung durch diesen flachen Aufbau die
Positioniereinheit sehr klein und mit einer geringen
Teilezahl herzustellen. Weiterhin besitzt sie ein
geringes Gewicht.
Die Lokalisations- und Positioniervorrichtung ist dann
frei auf oder am Körper eines Patienten lagerbar und
für etwaige Korrekturen ihrer Lage leicht
verschieblich. Sie ermöglicht, die gesamte
Positioniereinrichtung und damit auch die Lokali
stionsvorrichtung in einem Tomographen auch unter
beengten räumlichen Verhältnissen am Körper des Pa
tienten zu belassen und so im Tomographen unter
ständiger Kontrolle bzw. mit geringer Zeitverzögerung
zwischen Planung und Ausführung Operationen durchzu
führen.
Dabei gewährleisten die im wesentlichen parallel
verlaufenden Lokalisationselemente eine sichere
Erkennung der Lage des Tomogramms und die volle
Einstellungsfreiheit der zwischen ihnen angeordneten
chirurgischen Instrumente sowie ein freies
Operationsfeld.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Lokalisations- und Positioniervorrichtung an Hand der
Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine Lokalisations- und
Positioniervorrichtung;
Fig. 2 eine Darstellung von Tomogrammebenen;
Fig. 3A bis 3D
eine schraubenförmige Lokalisationsvorrich
tung;
Fig. 4 eine Darstellung eines Rahmenvektorsystems;
Fig. 5 eine Darstellung eines Rahmenvektorsystems;
Fig. 6 eine Darstellung eines Operationsweges.
Fig. 1 zeigt eine Lokalisations- und Positionier
vorrichtung innerhalb einer Positioniervorrichtung.
Die in Fig. 1 gezeigte Positioniervorrichtung, ein
stereotaktischer Rahmen, besteht aus Materialien, die
keine Bildstörungen erzeugen. Das Material ist
entweder selbst im Tomogramm sichtbar, oder es werden
besondere Anteile des Rahmens mit Hohlräumen versehen,
die durch geeignete Kontrastsubstanzen gefüllt und so
im Bild sichtbar gemacht werden. Für die
Röntgencomputertomographie eignet sich Acryl oder
Aluminium, die sich hell im Bild darstellen, und
Wasser oder Luft als Kontrastsubstanzen, die sich
dunkel im Bild darstellen. Für die Kernresonanz
tomographie eignet sich Acryl, das sich schwarz im
Bild darstellt und eine kontrastgebende Substanz, wie
z. B. eine wäßrige Gadoliniumsalzlösung, die sich hell
abbildet.
Der stereotaktische Rahmen - siehe Fig. 1 - besteht aus
zwei zueinander parallelen Lokalisationselementen 1
und 2, die U-förmig auf einer Grundplatte 3 in einer
Ebene angeordnet sind. Auf dieser Grundplatte ist
ferner eine Positionierungseinrichtung 4-12, die die
Führung einer Nadel 13 ermöglicht, angebracht. Durch
die Positionierungseinrichtung ist der Ausgangspunkt
der Operation, definiert durch den Schnittpunkt der
Nadel und der von den Lokalisationselementen
aufgespannten Ebene, an beliebig viele Punkte dieser
Ebene verschiebbar. Zusätzlich ist die Nadel um die
beiden Achsen der Ebene rotierbar.
Die Lokalisationselemente liegen auf dem Patienten und
übernehmen somit auch tragende Funktion. Daher bekommt
die Positionierungseinrichtung keinen Kontakt mit der
Haut und ist frei verschiebbar. Da die Lokalisations
elemente auch diese tragende Funktion erfüllen, wird
eine aufwendige Rahmenkonstruktion eingespart und die
Anzahl der Teile reduziert. Der Rahmen wird klein und
leicht. Er kann auf dem Patienten verschoben werden,
wodurch besonders günstige Ausgangspositionen
eingestellt werden können. Der Rahmen ist mit ca. 25
mal 30 Zentimetern Umfang so klein, daß er auf dem
Patienten liegend im Tomographen Platz findet. Durch
die geringe Größe und insbesondere durch die
konstruktionsbedingte geringe Höhe des Rahmens
braucht der Patient zu keinem Zeitpunkt vom Beginn der
Bilderstellung bis zum Ende der Operation aus dem
Tomographen herausgefahren werden. Die Operation kann
daher im Tomographen durchgeführt werden.
Voraussetzung für die Lokalisation ist jedoch, daß die
Lokalisationselemente so auf dem Patienten gelagert
werden, daß ihre Längsachsen senkrecht oder annähernd
senkrecht zur Bildebene des Tomographen stehen.
Für die Planung des Operationsweges erzeugt der Tomo
graph parallel zueinander liegende Tomogramme. Die
Tomogramme sind Querschnittsbilder, die eine bestimmte
Dicke und einen bestimmten Abstand zueinander aufwei
sen. Sie bilden einen dreidimensionalen Raum ab, der
durch ein rechtsdrehendes, rechtwinkliges Vektorsystem
(e1, e2, e3) beschreibbar ist, siehe Fig. 1 und 2. Im
Gegensatz zu den eingangs erwähnten Beispielen mit
Koordinatensystemen werden hier der Einfachheit halber
Vektoren verwendet. Die Vektoren (e1, e2) sind die
Vektoren der jeweiligen Tomogrammebene. Der Vektor e3
steht senkrecht zu dieser Ebene. Vektoren werden im
folgenden Text fettgedruckt, z. B. der Vektor a in Fig.
4. Im Vektorsystem des Tomographen ist der Vektor a
mit den Komponenten (a1, a2, a3) der Ortsvektor des
Punktes A.
Zunächst wird die Lage des Rahmens im Tomographenvek
torsystem beschrieben. Auf zwei parallelen Tomogram
men, T1 und T2, werden jeweils beide Lokalisa
tionselemente in Querschnittsansicht abgebildet. Das
Zentrum der kreisförmigen Querschnittsansicht ist als
Schnittpunkt zwischen Lokalisationselement und Tomo
gramm definiert. Mit drei Schnittpunkten wird das
Rahmenvektorsystem konstruiert. Es sind die Punkte A,
B (Schnittpunkt des ersten Lokalisationselementes mit
dem Tomogramm T1 bzw. T2) und C (Schnittpunkt des
zweiten Lokalisationselementes mit T1).
Mit den T1 und T2 ist die Lage der Schnittpunkte in
der Bildebene (e1, e2) hinreichend beschrieben. Jedoch
sind weder der Abstand zwischen den Tomogrammen T1 und
T2 noch die Lage des Rahmens bezüglich der senkrecht
zur Tomogrammebene verlaufenden Koordinate (e3) durch
die Lokalisationseinrichtung charakterisiert. Zur
Lösung dieser beiden Fragen ist im äußeren Rohr jedes
Lokalisationselementes 1 und 2 eine Schraubenfläche
vorgesehen, siehe Fig. 3. Die Schraubenflächen werden
so in den Lokalisationselementen montiert, daß die
Längsachse einer Schraubenfläche mit der Längsachse
des entsprechenden Lokalisationselementes zur Deckung
kommt. Die Schraubenflächen werden durch ein zweites
Koordinatensystem, das Rahmenvektorsystem beschrieben.
Es ist rechtwinklig und rechtsdrehend. Es wird durch
die Vektoren (u, v, n) aufgespannt. Die Schrau
benflächen weisen auf einer definierten Distanz k des
in ihrer Längsachse verlaufenden Vektors u eine
Eigenrotation ϕ von n nach v auf. Als Beispiel sei k
12 Zentimeter lang und führe eine Rotation ϕ um 180
Grad aus. Steht ein Lokalisationselement der
Schraubenfläche senkrecht oder annähernd senkrecht zur
Tomogrammebene, dann stellt sich die Schraubenfläche
in Querschnittsansicht, wie in Fig. 3B gezeigt, als
Strecke dar. Die Strecke wird von einem Kreis umgeben,
der der Abbildung des Rohres entspricht. Die Strecke
bildet mit dem Horizontalenvektor v des Rahmens einen
Winkel κ. Dem oben genannten Beispiel folgend sei k =
0 cm, wenn κ = 0 Grad und k = 6 cm, wenn κ = 90 Grad,
siehe Fig. 3C. Falls die Längsachse der Lokalisations
elemente nicht senkrecht zur Tomogrammebene angeordnet
ist und der Normalenvektor dieser Tomogrammebene in
einem bestimmten Winkel ψ von n abweicht, dann
verformt sich in der Querschnittsdarstellung der Kreis
zu einer Ellipse und die gerade Strecke zu einer
symmetrischen, s-förmigen Kurve, siehe Fig. 3D. Tritt
dieser Fall auf, so kann die Lage der Vorrichtung
leicht korrigiert werden. Die Abbildung der
Schraubenlinie im Tomogramm dient also der einfachen
Erkennung der Lage des stereotaktischen Rahmens.
Die ersten Aufgabe, die mit Hilfe der Schraubenfläche
gelöst werden soll, die Bestimmung der Distanz zwi
schen T1 und T2, ist für den Fall, in dem die Lokali
sationselemente senkrecht zu den Tomogrammebenen T1
und T2 stehen, einfach. Die Distanz errechnet sich aus
der Differenz von k1 und k2, die an den Schnittpunkten
A bzw. B bestimmt werden.
Stehen die Lokalisationselemente nicht ganz genau
senkrecht zu T1 und T2, dann berechnet sich die Di
stanz zwischen zwei parallelen Tomogrammen
folgendermaßen. Ein Lokalisationselement schneide das
Tomogramm T1 im Punkt A mit (a1, a2, a3) und das Tomo
gramm T2 in dem Punkt B mit (b1, b2, b3), wobei a3 die
dritte Komponente aller auf T1 und b3 mit b3=0 die
dritte Komponente aller auf T2 befindlichen Orts
vektoren ist. Die Differenz (k2, k1) entspricht der
Länge des Vektors a-b. Für die Bestimmung von a3 wird
ein Hilfspunkt Y (a1, a2, 0) durch Projektion von A
von T1 auf T2 gewonnen. Der Betrag von a3 zwischen T1
und T2 ist |a-y1|.
Die zweite Aufgabe, die mit Hilfe der Schraubenflächen
gelöst werden soll, ist die Beschreibung des Ursprungs
des Rahmenkoordinatensystems. Der Ursprung des
Rahmenvektorsystems X ist durch den Schnittpunkt der
Längsachse des Lokalisationselementes 1 und der
Grundplatte 3 definiert, siehe Fig. 1. Vor der exakten
Bestimmung des Ursprungs wird mit Hilfe der drei
Schnittpunkte A, B und C das Rahmenvektorsystem (u, v,
n) konstruiert.
Der zuerst gebildete Rahmenvektoren ist u, wobei u mit
dem Vektor b-a des Tomographenkoordinatensystems
übereinstimmt. Der Vektor n ist der Normalenvektor aus
dem Vektorprodukt n = u.(c-a), siehe Fig. 1 und 4.
Der Vektor v steht senkrecht zu u und n. Er wird durch
mit dem Richtungsvektor vR , der sich aus dem
Vektorprodukt vR = n.u ergibt und durch den Betrag
|v|, der baulich bekannt ist und der Distanz zwischen
den Lokalisationselementen des Rahmens entspricht,
berechnet. Die Ebene (u, v) ist die Ebene zwischen den
Lokalisationselementen, der Vektor n die Hauptrichtung
des Operationsweges. Der Ursprung X des
Rahmenvektorsystems entspricht dem Schnittpunkt A.
Der Ausgangspunkt der Operation J liegt in der
Ausgangsebene (u, v) zwischen den Lokalisations
elementen. Der Ortsvektor von J wird vom Operateur
festgelegt und ist sowohl durch das Tomographen
vektorsystem (e1, e2, e3) als auch durch die Rahmen
vektorsystem (u, v) beschreibbar, wobei λ und µ vom
Operateur frei gewählt werden:
j-a = λu + µv.
Der Zielpunkt Z mit dem Ortsvektor z des Tomographen
vektorsystems wird ebenfalls sowohl durch das Tomo
graphenvektorsystem als auch durch das Rahmenvektor
system beschrieben:
z = a + ρu + σv + τn,
wobei
sind.
Der Vektor z-j entspricht dem Operationsweg. Die Länge
des Operationsweges ist:
Nach Projektion von z-j auf die Ebene (v, n) wird der
Winkel α zwischen z-j und v bestimmt.
Nach Projektion von z-j auf die Ebene (u, n) wird der
Winkel β zwischen z-j und u bestimmt.
Der Operationsweg ist durch den Ausgangspunkt J, die
Winkel α und β sowie die Punktionstiefe vollständig
charakterisiert.
Diese Berechnung erlaubt, den Operationsweg schräg
durch mehrere Tomogrammebenen zu legen. Im einfachen
Fall verläuft die Nadel innerhalb einer einzigen
Tomogrammebene und nur ein Tomogramm wird zur
Berechnung des Operationsweges verwendet, siehe Fig.
6. Voraussetzung ist, daß der Ausgangspunkt der
Operation J und das Operationsziel Z in dieser Ebene
liegen. Der Operationsweg kann dann abweichend von der
oben genannten Lösung durch die Schnittpunkte A und B,
den Ausgangspunkt J und den Zielpunkt Z berechnet
werden.
Der Vektor z-j entspricht dem Operationsweg. Die Länge
des Operationsweges ist:
Der Winkel γ (AJZ) wird berechnet nach:
Technisch wird die Ausrichtung des chirurgischen
Gerätes in der Ausgangsebene (u, v) durch die
Verschiebungen von Führungseinrichtungen 3-7
umgesetzt. Zum einen ermöglicht ein Läufer 4 eine
Verschiebung des Ausgangspunktes der Operation entlang
v. Diese Funktion ist durch eine Schraube 5, die gegen
die Grundplatte 3 drückt, arretierbar. Zum anderen
kann durch eine Bohrung im Läufer 4 das Rohr 6
teleskopartig in Richtung u verschoben werden. Eine
Nut des Rohres 6 und eine Rinne 4 in der Bohrung des
Läufers verhindern eine Rotation des Rohres. Durch
eine Schraube 7 im Läufer kann das Rohr 6 arretiert
werden. Dieses weist eine Skalierung auf, die für den
Ausgangspunkt den Betrag des Vektors u anzeigt.
Die Rotationen der Nadel um u und v werden
konstruktionsbedingt folgendermaßen verwirklicht. Ein
Rohr 8, das innerhalb des genannten Rohres 6 montiert
ist, ermöglicht die Rotation der Nadel um u, wobei
eine Skalierung am nadelfernen Ende des Rohres 6 den
Rotationsgrad angibt und eine Schraube 9 eine
Arretierung dieser Funktion ermöglicht. Die Rotation
um v erfolgt durch eine Verschiebung des oberen
Führungselementes 11 gegen das fest mit dem Rohr 8
verbundene untere Führungselement 10. Ein Nut (nicht
gezeigt) verhindert die Rotation des oberen
Führungselementes. An seinem nadelfernen Ende ist das
obere Führungselement mit einer hülsenförmigen
Schraube 12 verbunden, die frei gegen das
Führungselement verdrehbar ist. Da die Schraube mit
ihrem Gewinde am Rohr 8 faßt, kann das obere
Führungselement teleskopartig gegen das Rohr
herausgeschoben oder hereingezogen werden. Der Grad
der Rotation ist an einer geeigneten Skala am
nadelfernen Ende des Rohres 9 abzulesen. Die
hülsenartige Schraube 12 ist so schwergängig, daß sie
eine vorgenommene Einstellung trotz anderer
Manipulationen am Apparat beibehält.
Die Nadel 13 selbst kann durch je ein Loch der
Führungselemente 10, 11 vorgeschoben werden. Kleine
Gummiringe (nicht gezeigt), die in die Löcher
eingesetzt werden zentrieren die Nadeln verschiedener
Stärke exakt in der Lochmitte und verhindern ein
ungewolltes Verrutschen. Eine Skalierung auf der Nadel
ermöglicht die Operationstiefe zu kontrollieren.
Die Operation wird folgendermaßen geplant und durch
geführt. Vor der Operation wird der Patient bequem im
Tomographen gelagert. Der stereotaktische Apparat wird
auf den Patienten über das Operationsziel gelegt und
mit Klebestreifen fixiert oder mit einem Gürtel am
Patienten befestigt, wobei ein Gürtel zusätzlich
ungewollte Atembewegungen einschränkt. Wichtig ist,
daß der Apparat mit einem Spielraum von bis zu ca.
5 cm verschoben werden kann und doch genug Haftung am
Patienten hat, um nicht ungewollt verlagert zu werden.
Durch das Lichtvisier des Tomographen, das die
Tomogrammebene darstellt, wird der stereotaktische
Rahmen so plaziert, daß die Lokalisationselemente
senkrecht oder annähernd senkrecht zur Tomogrammebene
verlaufen. In einigen orientierenden Tomogrammen, die
mit der herkömmlichen Röntgencomputertomographie
nacheinander oder die mit der Spiral-Röntgencomputer
tomographie oder der Kernresonanztomographie auf
einmal aufgenommen werden, wird das Operationsziel auf
einem Bildschirm des Tomographen oder eines peripheren
Computers, zu dem die Bilder übertragen wurden,
abgebildet. In einem Tomogramm wird der Zielpunkt
markiert und seine Koordinaten gespeichert. Der
Ausgangspunkt der Operation J wird durch den Operateur
definiert. Wird ein Operationsweg durch ein oder
mehrere Tomogramme gewählt, dann wird in zwei
voneinander entfernt liegenden Tomogrammen T1 und T2
der Schnittpunkt der Lokalisationselemente und der
Tomogramme durch Markierung per Hand oder durch eine
Konturfindungsfunktion, die beide Lokalisations
elemente umfährt und den Mittelpunkt der so gewonnenen
Kreisfläche errechnet, oder durch eine
Mustererkennung, die die Lokalisationselemente im Bild
automatisch findet, bestimmt. Nach Berechnung des
Operationsweges wird das Rahmenvektorsystem, der
Operationsweg, sowie die Länge und die Winkel α und β
in den Tomogrammen graphisch dargestellt. Der
Operateur stellt darauf mit Hilfe der berechneten
Werte den Ausgangspunkt und die Ausrichtung des
chirurgischen Gerätes am Rahmen ein. Die restlichen
Schritte der Operation werden in Sekundenschnelle
durchgeführt.
In einem anschließend angefertigten
Kontrolltomogrammen wird das chirurgische Gerät und
das Ziel erneut abgebildet und die Lokalisations
elemente, die jetzt möglicherweise an einer etwas
anderen Position liegen, markiert. Vom Rahmen
vektorsystem wird jedoch der Operationsweg, genauso
wie er in der ersten Serie geplant worden ist,
graphisch dargestellt. In diesen Tomogrammen
vergleicht der Operateur die geplante und die
tatsächliche Einstellung des chirurgischen Gerätes.
Stimmen sie überein, dann kann er rasch das Gerät bis
zum Ziel oder zumindest ein Stück weit vorschieben.
Stimmen sie nicht überein, dann kann er durch
Veränderung der Ausrichtung des Gerätes, durch
Verlagerungen des Rahmens oder durch Atemkommandos so
lange ausprobieren, bis die optimale Einstellung
gefunden ist. Diese Vorgehensweise ermöglicht die
Überprüfung der Einstellung und die Durchführung der
Operation in einem Atemstillstand, da Bewegungs
verlagerungen ausgeschaltet werden, wodurch
hochpräzise Operationen im Körper ermöglicht werden.
Claims (17)
1. Lokalisations- und Positioniervorrichtung zur
Planung und Durchführung chirurgischer Eingriffe
auf der Grundlage röntgencomputer- oder kernresonanz
tomographischer Bilder; mit einem Rahmen,
zumindest einem Lokalisationselement sowie einer
Positioniereinheit zur Ausrichtung eines
chirurgischen Gerätes auf ein Operationsziel,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Lokalisationselement entlang seiner
Längsachse zumindest teilweise eine quer zur
Längsachse verdrillte Fläche aus einem Material
angeordnet ist, das im Tomogramm sichtbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Lokalisationselemente zumindest teilweise ein
Teil des Rahmens sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lokalisations- und
Positioniervorrichtung mindestens zwei in
vorgegebenem Abstand zueinander parallel
verlaufende, längliche Körper aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest einer der
parallelverlaufenden Körper als das
Lokalisationselement ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden länglichen
Körper mit einer Querstrebe miteinander verbunden
sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Querstrebe mit den
länglichen Körpern im Bereich zweier
nebeneinanderliegender Enden der Lokali
sationselemente verbunden ist.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Positioniereinheit an dem Rahmen zwischen den
länglichen Körpern angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Positioniereinheit an der
Querstrebe befestigt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Positioniereinheit in
Längsrichtung der Querstrebe verschieblich
angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
länglichen Körper und die Positioniereinheit in
einer Ebene oder auf einer gekrümmten Fläche
angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung aus einem Material besteht, das bei
der Kernresonanztomographie oder
Röntgencomputertomographie keine Störungen
erzeugt.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
einzelnen Elemente der Vorrichtung Hohlräume
besitzen, die mit geeigneten Kontrastsubstanzen
gefüllt sind.
13. Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
länglichen Körper zumindest teilweise
zylinderförmig sind.
14. Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 3 bis 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Positioniereinheit so ausgebildet ist, daß das an
dieser befestigte chirurgische Gerät durch die
Positioniereinheit entlang einer und/oder um eine
in der durch die länglichen Körper und die
Positioniereinheit gebildeten Ebene liegende
Achse verschiebbar oder rotierbar ist.
15, Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Positioniereinheit manuell und/oder automatisch
ausrichtbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Feststell
elemente zur Feststellung der Einstellungen der
Positioniereinheit vorgesehen sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lokalisations- und/oder die Positioniereinheit
sichtbare Skalierungen zur Winkel- und/oder
Längenbestimmung aufweisen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19627315A DE19627315C1 (de) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | Lokalisations- und Positioniervorrichtung zur Planung und Durchführung chirurischer Eingriffe auf der Grundlage röntgencomputer- und kernresonanztomographischer Bilder |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19627315A DE19627315C1 (de) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | Lokalisations- und Positioniervorrichtung zur Planung und Durchführung chirurischer Eingriffe auf der Grundlage röntgencomputer- und kernresonanztomographischer Bilder |
Publications (1)
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---|---|
DE19627315C1 true DE19627315C1 (de) | 1998-05-20 |
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ID=7799141
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19627315A Expired - Fee Related DE19627315C1 (de) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | Lokalisations- und Positioniervorrichtung zur Planung und Durchführung chirurischer Eingriffe auf der Grundlage röntgencomputer- und kernresonanztomographischer Bilder |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19627315C1 (de) |
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1996
- 1996-06-25 DE DE19627315A patent/DE19627315C1/de not_active Expired - Fee Related
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