Die Erfindung betrifft ein Reflektorenreferenzierungsystem nach dem Anspruch 1 und
ein Markersystem nach dem Anspruch 9, und sie umfaßt auch die Verwendung eines solchen
Referenzierungssystems innerhalb eines Neuronavigationssystems mit optionaler
Integration eines chirurgischen Mikroskops oder eines Ultraschall-Diagnosessystems.
Neuronavigationssysteme stellen die Verbindung zwischen dem behandelnden
Chirurgen, d. h. der Patientenanatomie wie er sie bei der Behandlung sieht, und
diagnostischen Daten her, die beispielsweise durch eine Computertomographie
erhalten wurden und durch eine Rechnereinheit mit einer Bildausgabe visuell
dargestellt werden.
Um die oben genannte Verbindung herzustellen, d. h. die momentane Patienten
anatomie und Position sowie die reale Raumposition von chirurgischen Instrumenten
und Behandlungsapparaten auf dem Rechnerbildschirm sichtbar zu machen, müssen
Vorrichtungen bereitgestellt werden, die die Patientenstellung und damit den genauen
Ort der zu behandelnden Körperteile sowie den Ort der chirurgischen Instrumente
und insbesondere deren Spitzen in einer Anfangsposition bestimmen und während der
Operationstätigkeit verfolgen können.
Hierzu wird herkömmlicherweise eine Rechnereinheit zur Verfügung gestellt, an die
zwei oder mehrere Referenzierungskameras angeschlossen sind. Mit den Kameras
wird dann sowohl die Raumposition von an Patienten angebrachten künstlichen oder
natürlichen Landmarken als auch die Raumposition von an chirurgischen In
strumenten angebrachten Strahlungsemittern festgestellt.
Bei bisherigen System wird bezüglich der am Patienten angebrachten Landmarken
folgendermaßen verfahren:
Vor der Durchführung der Computertomographie wird ein Satz künstlicher
Landmarken an dem Patienten in der Umgebung der zu behandelnden Partie
angebracht. Diese Landmarken, die sowohl bei der Computertomographie als auch
später bei der Behandlung durch die Kameras erfaßt werden können, sind unterein
ander völlig identisch. Sie werden beispielsweise über Pflaster aufgeklebt.
Nach der Behandlung werden die Daten der Computertomographie, d. h. sowohl die
Positionsdaten der untereinander identischen künstlichen Landmarken als auch die
Position des Behandlungsziels und der umgebenden Bereiche in das Rechnersystem
eingegeben, das zusammen mit den Referenzierungs- bzw. Erfassungskameras am
Operationstisch angeordnet ist. Hierauf folgt ein zeitaufwendiger Schritt, bei dem der
Chirurg die einzelnen Landmarken am Patienten mit einem Zeigegerät anfahren muß,
wonach er in den Rechner eingeben muß, welche der identischen Landmarken in der
Operationsstellung derjenigen entspricht, die bei der Computertomographie erfaßt
wurde. Hierzu müssen alle Landmarken mehrmals angefahren werden, worauf
jedesmal die aufwendige manuelle Zuordnung zu den Computertomographie (CT)-
Daten zu erfolgen hat. Da die mit Pflastern befestigten Landmarken keine
charakteristischen Bezugspunkte, welche beim Anfahren mit einer Instrumentenspitze
nicht verfehlt werden können, aufweisen, kann hierbei nur eine relativ ungenaue
Positionsbestimmung stattfinden.
Weiterhin nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß die herkömmlichen Landmarken
nach dem Abdecken mit sterilen Tüchern aufgrund ihrer insgesamt flachen
Ausgestaltung nicht mehr ohne weiteres sichtbar sind und damit nicht mehr
positionsgenau angefahren werden können, falls der Patient schon abgedeckt ist. Dies
bringt insbesondere dann Schwierigkeiten mit sich, wenn in einer späteren Phase der
Operation der Patient eine Stellungsänderung erfährt und die Landmarken zur
neuerlichen Einjustierung nochmals mit einem Zeigegerät angefahren werden
müssen.
Die bekannten Landmarken sind ferner nachteiligerweise, nachdem sie einmal am
Patienten befestigt wurden, nicht mehr in der Weise abnehmbar, daß sie positions
genau durch andere Landmarken ersetzt werden können.
Herkömmliche Abstrahlersysteme für chirurgische Instrumente und Behandlungs
apparate sind wie folgt aufgebaut:
Zwei oder mehrere aktive Abstrahler, die beispielsweise Infrarotstrahlen emittieren,
sind an jedem Instrument bzw. Behandlungsapparat angebracht und wirken als auf
einer Fläche befindliche Punktstrahler. Im Instrument befindet sich eine elektronische
Vorrichtung, die die Abstrahlung der Signale ermöglicht, wobei das Instrument an
seinem hinteren Ende mit einem Kabel mit der Rechnereinheit verbunden ist. Durch
die abgegebenen Signale kann die Rechnereinheit die Raumstellung der Instrumente
bzw. ihrer Spitzen identifizieren.
Auch dieses herkömmliche Instrumentenreferenzierungssystem, wie es beispielsweise
aus der DE 296 00 990 U1 bekannt ist, weist einige Nachteile auf, die im folgenden
erörtert werden. Schon die Verwendung von aktiven, d. h. selbst abstrahlende
Signalgebern bringt den Nachteil mit sich, daß elektronische Vorrichtungen in den
Instrumenten vorgesehen werden müssen, was insbesondere die Herstellung der
Instrumente verteuert. Auch sind die an jedem Instrument befestigten Kabel zur
Rechnereinheit bei Operationen hinderlich und können bei der Vielzahl der oftmals
zu verwendenden Instrumente bei Behandlung sehr im Wege sein.
Die als Punkte auf einer Fläche des Instruments angebrachten Abstrahler sind nur in
einem sehr begrenzten Winkelbereich vom Kamerasystem erfaßbar, d. h. sie können
leicht durch das Instrument selbst oder die Hand des Chirurgen abgedeckt werden.
Die Sterilisation dieser Instrumente kann nur mittels der Gassterilisation erfolgen.
Eine solche Gassterilisation kann bis zu einem Tag dauern, wodurch bei häufigem
Einsatz mehrere Instrumentensätze eingekauft werden müssen, um jederzeit
sterilisierte Behandlungsgeräte zur Verfügung zu haben.
Ein schwerwiegender Nachteil des herkömmlichen Referenzierungssystems besteht
darin, daß der Chirurg ausschließlich die vom Hersteller zur Verfügung gestellten
Instrumente verwenden kann. Viele Chirurgen sind jedoch an ihren eigenen
Instrumentensatz gewöhnt und müßten sich bei der Verwendung eines anderen
vorgegebenen Instrumentensatzes umstellen, was auch negative Auswirkungen auf
den Behandlungserfolg haben kann.
Nachteiligerweise stellen herkömmliche Neuronavigationssysteme kein einfaches
Kalibrierungssystem zur Verfügung, mit dem die Winkel bzw. Abstandsstellung der
Erfassungs- bzw. Referenzierungskameras jederzeit komplikationslos erfaßt bzw. neu
kalibriert werden kann. Da diese Kameras während einer Operation oftmals
Stellungsveränderungen unterliegen, beispielsweise wenn eine der behandelnden
Personen an den Kameraständer stößt, ist eine schnelle und leichte Neukalibrierung
während der Behandlung von großer Wichtigkeit.
Aus der US-A 5,389,101 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur photogramme
trischen chirurgischen Lokalisierung bekannt, wie sie durch den Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 beschrieben wird. Nachteiligerweise arbeitet das System mit
Videokameras, die sichtbares Licht erfassen, so daß die Unterscheidung der dieses
Licht reflektierenden Referenzmarker von anderen Lichtreflexen im Operationsgebiet
nur sehr schwer und mit höchstem Rechenaufwand möglich ist.
Meist kommt bei neurochirurgischen Behandlungen ein chirurgisches Mikroskop zum
Einsatz. Solche Mikroskope sind herkömmlicherweise auf schweren Füßen und
Gestellen gelagerte Apparaturen, wobei das eigentliche Mikroskop am Ende eines
Gelenkarmes befestigt ist, der die motorische und die manuelle Verschiebung des
Mikroskops gestattet und die Positionsdaten beispielsweise über die Erfassung der
Winkelstellung der Armgelenke an eine bei der Neuronavigation verwendete
Rechnereinheit rückmelden kann.
Die Füße bzw. Ständer solcher Mikroskope müssen sehr schwer und standfest
ausgebildet werden, damit nicht etwa durch ein Anstoßen an das Mikroskop, dessen
Stellung verändert werden könnte, und damit die gesamte erst auf die Anfangs
stellung kalibrierte Neuronavigation des Mikroskops zusammenbricht. Die
Mikroskope können nämlich herkömmlicherweise außer den Positionsdaten, die aus
der Armstellung resultieren, keine zusätzlichen Positionsrückmeldungen an den
Neuronavigationsrechner abgeben.
Eine Steuerung für ein chirurgisches Mikroskop auf optischer Basis ist aus der DE
41 34 481 bekannt.
Schließlich kommen bei neurochirurgischen Behandlungen oftmals Ultraschall-
Diagnosesysteme, wie sie beispielsweise bei der Untersuchung während einer
Schwangerschaft bekannt sind, zum Einsatz. Nachteilig war bisher bei herkömm
lichen Systemen die Tatsache, daß die Position von erfaßten Körperpartien zwar
bezüglich des Ultraschallabstrahlers und Empfängers ermittelt werden konnte, jedoch
keine Einordnung dieser Daten in ein am Operationstisch bereitgestelltes Neuronavi
gationssystem in einfacher Weise möglich war.
Ein Ultraschall-Diagnosesystem, bei dem der Ultraschallkopf mittels der vorher
schon als nachteilig beschriebenen aktiv abstrahlenden LEDs lokalisierbar ist, ist aus
der US-A 5,197,476 bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mittels eines Reflektorenreferenzierungssystems oder eines Markersystems
die Lokalisation von
chirurgischen Instrumenten und Behandlungsapparaturen sowie die Referenzierung
der Patientenanatomie und die Behandlungstätigkeit
wesentlich zu erleichtern und
positionsgenauer zu ermöglichen,
und auch Verwendungen
des Reflektorenreferenzierungssystems anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Unteransprüchen definiert.
Das beanspruchte Referenzierungssystem arbeitet mit passiven Reflektoren
anstelle von nach dem Stand der Technik bekannten aktiven Signalabstrahlern. Es
wird für chirurgische oder medizinische Instrumente und Behandlungsapparaturen
eingesetzt. Hierzu kommt eine Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung, mindestens
zwei Kameras und eine mit den Kameras verbundene Rechnereinheit mit einer
Grafik-Bildschirmausgabe zum Einsatz. Das Reflektorenrefe
renzierungssystem weist mindestens zwei Reflektoren für diese Infrarotstrahlung auf, die
an Instrumenten bzw. Behandlungsapparaturen angebracht sind, und zwar in einer
nur für diese Reflektorengruppe charakteristischen Anordnung. Der Vorteil eines
solchen Referenzierungssystems mit passiven Signalgebern, also Reflektoren liegt
insbesondere darin, daß aufgrund der charakteristischen individuellen Anordnung der
Reflektoren jedes chirurgische Instrument ein nur für dieses Instrument selbst
charakteristisches erfaßbares Bild zurückstrahlt. Die Recheneinheit erkennt deswegen
über die Kameraerfassung sofort jedes einzelne Instrument und kann beispielsweise
dessen Spitzenposition eindeutig am Bildschirm erkennbar machen.
Da passive, also reflektierende Abstrahler verwendet werden, ist keine Kabel
verbindung mit der Rechnereinheit sowie kein elektronisches "Innenleben" der
Instrumente mehr erforderlich. Der Chirurg erhält damit eine größere Bewegungs
freiheit; Behinderungen durch Kabel werden ausgeschlossen.
Die Reflektoren, die vorteilhafterweise über Adapter wiederabnehmbar an
Instrumenten bzw. Behandlungsapparaturen angebracht werden können, eröffnen die
Möglichkeit, bei abgenommenen Reflektoren eine Autoklaven-Sterilisation der
Instrumente durchzuführen. Solche Autoklaven-Sterilisationen können im Gegensatz
zum im Stand der Technik verwendeten Gassterilisationen in sehr viel kürzerer Zeit
(etwa 20 min) durchgeführt werden. Es ist damit nur noch nötig, einen oder mehrere
Sätze sterilisierter Reflektoren zur Verfügung zu stellen, die auf die in der
Autoklaven-Sterilisation sterilisierten Instrumente aufgebracht werden. Es müssen
also nicht mehr, wie beim Stand der Technik, jeweils mehrere Sätze vollständiger
Instrumente bereitgestellt werden.
Die über Adapter an den chirurgischen Instrumenten wiederabnehmbar an
zubringenden Reflektoren können mit einem gewissen Abstand von der Anbringungs
fläche positioniert werden. Durch diese Maßnahme ergibt sich ein gegenüber den
herkömmlichen Systemen stark vergrößerter Winkelbereich, in dem die Reflektoren
für das Kamerasystem noch erfaßbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Reflektorenreferenzierungssystems
sind die Reflektoren kugelförmig ausgebildet und mit einem
reflektierenden Überzug versehen. Solche Kugeln geben aus allen Raumrichtungen
betrachtet ein einheitliches Reflexionsbild ab.
Vorteilhafterweise sind zwei der Reflektoren an einem
Instrument, insbesondere einem Punktzeiger oder einem Kalibrierungsstab,
angebrachte Steckverbindungen an diesem befestigt. Solche Steckverbindungen
erlauben ein positionsgenaues und leicht durchzuführendes Anbringen und Abnehmen
der Reflektoren. Die Abstände der beiden Reflektoren sind durch die Positionen der
Steckverbindungen für jedes Instrument charakteristisch festgelegt, was dessen
Ortung und Identifizierung durch das Navigationssystem in jeder Operationsphase
ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Referenzierungssystems sind drei
Reflektoren an mindestens jeweils einem Armende eines mit drei Reflektorenarmen
und einem Befestigungsfuß ausgebildeten Adapters befestigt, wobei der Befestigungs
fuß an einem chirurgischen Instrument oder einer Behandlungsapparatur befestigbar
ist. Die drei an den Armenden des Adapters angebrachten Reflektoren sind wiederum
in einer charakteristischen Anordnung vorgesehen, d. h. für jeden Adapter ist
beispielsweise die Winkelstellung der Arme sowie ihre Länge individuell einzigartig,
wodurch für jeden Adapter ein charakteristisches Reflexionsbild entsteht. Der große
Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß eine solche Reflektorengruppe mit ihrem
Adapter über ihren Befestigungsfuß an praktisch jedem chirurgischen Instrument
befestigt werden kann. Dies eröffnet für einen Chirurgen die Möglichkeit, seine
gewohnten Instrumente weiter zu verwenden, d. h. in das Neuronavigationssystem
einzubinden. Erforderlich wird hier lediglich eine kurze Kalibrierung an einem
Referenzadapter, der später noch beschrieben wird, um den System die Stellung der
Spitze des chirurgischen Instruments mitzuteilen. Auch durch dieses Adaptersystem
wird die Sterilisierung der Instrumente in der vorher schon diskutierten Weise
vereinfacht. Das System stellt eine ausreichende Anzahl von Adaptern mit
charakteristischen Reflektorengruppen zur Verfügung, so daß alle notwendigen
Instrumente mit dem Neuronavigationssystem zum Einsatz gebracht werden können.
Der oben erwähnte Referenzadapter
umfaßt
ebenfalls einen Befestigungsfuß, der drei in besonderer charakteristischer Anordnung
befestigbare Reflektoren am Ende dreier Arme aufweist, wobei der Fuß an seinem
Ende mit einer sich an die jeweilige Befestigungsstelle flexibel anpassenden
Klammervorrichtung versehen ist.
Dieser Referenzadapter hat insbesondere zwei Funktionen. Zum einen kann er an
einem fest mit dem Operationstisch verbundenen Punkt, beispielsweise an der
Haltevorrichtung für die zu behandelnde Körperpartie befestigt werden. Dadurch und
wegen der Tatsache, daß die Rechnereinheit nur diesem Referenzadapter sein
charakteristisches Bild zuordnet, wird dafür Vorsorge getroffen, daß eine positions
genaue Referenzierung aller Patientenanatomiedaten sowie eines gegenüber dem
Patienten festen Reflexionsmuster auch dann noch möglich ist, wenn es während
einer Operation notwendig wird, den Operationstisch zu verschieben, zu kippen, oder
wenn versehentliche Stellungswechsel durch ein Anstoßen erfolgen. Die Reflexion
des Referenzadapters meldet die Lage des fest mit dem Patienten verbundenen
Systemteils jederzeit an die Rechnereinheit, so daß wegen solcher Verschiebungen
keine Ungenauigkeiten und kein Zusammenbruch der Navigation auftreten kann.
Die Klammer am Befestigungsfuß des Referenzadapters kann verschiedenartig
ausgestaltet werden. So ist sie zum Beispiel zur Anbringung an einer Haltevor
richtung mit einer Schraubklemme ausgebildet, während in dem Fall, daß die
Anbringung an einem Knochenteil erfolgt, weiche und stellungsmäßig flexible
Klemmenenden zum Einsatz kommen, welche das Knochengewebe nicht schädigen.
Letztere Möglichkeit kommt insbesondere bei Eingriffen im spinalen Bereich zum
Tragen, wo der Referenzadapter beispielsweise an Wirbelfortsätzen befestigt wird.
Gemäß einer Ausgestaltung des Referenzadapters weist dieser vorzugsweise am
Ausgangspunkt der drei Arme eine konisch zusammenlaufende Trichtermulde mit
einem zentrischen Kalibrierungspunkt für die Spitzen der chirurgischen Instrumente
auf. Hier kommt die zweite Funktion des Referenzadapters zum Tragen. Wie schon
im vorhergehenden erläutert, bezeichnet der Referenzadapter im Navigationssystem
einen gegenüber dem Patienten ortsfesten Punkt. Diese Eigenschaft kann dadurch
ausgenützt werden, daß dem Referenzadapter gleichzeitig ein Kalibrierungspunkt
zugeordnet wird, mit dessen Hilfe die Spitzenpositionen chirurgischer Instrumente
bestimmt werden können. Wie im weiteren erläutert wird, kann mit Hilfe dieses
Kalibrierungspunktes auch die Raumstellung anderer Apparaturen bestimmt werden.
Chirurgische Instrumente, insbesondere Instrumente, mit denen der Chirurg seit
langer Zeit arbeitet, können wie vorher beschrieben, mit einem Drei-Reflektoren-
Adapter bestückt werden, der dann ein für dieses Instrument charakteristisches
Reflexionsbild abgibt. Hierzu muß allerding dem Navigationssystem noch mitgeteilt
werden, wo sich die Spitze dieses Instruments befindet. Hierzu wird der Kalibrie
rungspunkt am Referenzadapter verwendet. Der Chirurg bringe die Spitze seines
Instruments an den ortbekannten Kalibrierungspunkt. Dies wird durch die Trichter
form der konisch ausgestalteten Mulde, die an diesem Punkt zusammenläuft,
erleichtert, auch wird die Spitze so festgestellt, daß sie völlig ruhig liegt. Danach
führt der Chirurg einige Raumbewegungen mit dem Ende des chirurgischen
Instruments durch, an dem sich der Drei-Reflektoren-Adapter befindet. Bei dieser
Bewegung läuft, da die Spitze des Instruments stillsteht, jeder Reflektor auf einer
Strecke, die in einer Kugelfläche mit dem senkrechten Abstand des Reflektors zum
Trichtermittelpunkt liegt. Die Rechnereinheit des Navigationssystem kann diese
spezielle Bewegung identifizieren und "weiß", daß mit diesem Drei-Reflektoren-
Adapter gerade eine Spitzenkalibrierung vorgenommen wird. Sie errechnet den
Abstand der Spitze zu den jeweiligen Reflektoren und damit die Spitzenposition des
chirurgischen Instruments und ordnet diese dem charakteristischen Reflektorenmuster
der drei am Instrument angebrachten Reflektoren zu. Das Instrument ist damit
kalibriert und eindeutig identifiziert; es kann während der gesamten Operation zum
Einsatz kommen.
Das Markersystem zur Referenzierung und Positionsbestimmung von neurochir
urgisch zu behandelnden Körperpartien umfaßt mindestens drei künstliche
Landmarken-Aufsätze und ebenso viele Befestigungsvorrichtungen zur Befestigung
der Landmarken am Patienten. Jeder einzelne Landmarken-
Aufsatz gibt ein sowohl bei einer diagnostischen Patientendatenerfassung als auch bei
einer nachfolgenden Behandlungsüberwachung nur für sich selbst charakteristisches
Bild ab. Für die Behandlungsüberwachung sind die Landmarken-Aufsätze als
Reflektoren für die Infrarotstrahlung einer Strahlungssquelle ausgebildet.
Gegenüber dem Stand der Technik, der wie schon vorher erwähnt, mit untereinander
gleichen, beispielsweise mit Pflastern aufgeklebten Landmarken arbeitet, zeigt das
beanspruchte Markersysteme folgende Vorteile:
Die Landmarken können während der Computertomographie einzeln erfasst und nach
der Computertomographie vom Navigationssystem automatisch erkannt werden. Die
inviduell bestimmten und erfaßten Landmarken werden nur einer Position im
Raumkoordinatensystem zugeordnet. Es besteht nicht die Gefahr, daß die
Landmarken bei der Erfassung durch das Neuronavigationssystem über die Kamera
verwechselt werden.
Durch diese Ausgestaltung entfällt bei der Patientenreferenzierung der vorher beim
Stand der Technik als negativ befundene langwierige erste Referenzierungsschritt für
die Landmarken. Der Chirurg muß zwar immer noch mindestens drei Landmarken
einzeln anfahren. Es entfällt jedoch die Tätigkeit der jeweiligen manuellen
Positionszuordnung für diese Landmarke, da das Neuronavigationssystem die
Reflexion der angefahrenen Landmarke erkennt und ihre Position nur derjenigen bei
der Computertomographie erfaßten Landmarke zugeordnet, die dasselbe charakteristi
sche Bild abgibt. Damit kann die gesamte Zeit für die Landmarkenzuordnung
eingespart werden. Da die Raumanordnung der Landmarken zueinander ebenfalls ein
charakteristisches Bild im Neuronavigationssystem abgibt, genügt meist das Anfahren
von drei Landmarken mit einem Positionszeigegerät, dessen Spitzenposition dem
System beispielsweise über eine vorgenannte Reflektorenanordnung bekannt ist, um
eine ausreichend genaue Referenzierung der Patientenanatomiedaten durchzuführen.
Das Markersystem erlaubt demnach vorteilhafterweise eine sehr
viel schnellere und genauere Positionsbestimmung und Referenzierung von
neurochirurgisch zu behandelnden Körperteilen.
Die vorher beschriebenen Landmarken-Aufsätze bzw. Landmarken können aus
Metallkörpern bestehen, die aufgrund spezifischer Materialdichte, Größe, Form und
Anordnung zueinander bei der Datenerfassung in einem Computertomograph sowie
bei der Positionserkennung mit Infrarotkameras inidividuell unterscheidbar sind.
Vorzugsweise bestehen sie aus von ihren Befestigungsvorrichtungen abnehmbaren
Aluminiumkörpern, die eine spezifische Form oder Größe aufweisen. Solche
Aluminiumkörper sind einfach herstellbar und aufgrund ihres metallischen Charakters
gut erfaßbar. Auch sind sie relativ leicht und lösen somit nicht schon durch ihr
Eigengewicht die Befestigungsvorrichtungen, an denen sie abnehmbar befestigt sind,
vom Patienten. Die Zweiteiligkeit der Landmarken spielt ebenfalls eine besondere
Rolle. Die Befestigungsvorrichtungen, welche an ihrem Unterteil mit einem
Haftmittel beispielsweise an der Haut des Patienten befestigt werden, können etwas
erhaben, beispielsweise als Sockel ausgebildet werden. Auf diese Sockel kann mittels
einer Steckverbindung oder einem andersartigen Schnellverschluß die jeweilige
Landmarke befestigt werden. Damit besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die
Landmarken zur Durchführung besonderer Einstellungsvorgänge auszutauschen.
Weiterhin hebt sich der gesamte Marker mit Befestigungssockel und aufgesetzter
Landmarke soweit von der Patientenanatomie ab, daß er auch nach einer Abdeckung
durch sterilisierende Tücher noch einfach lokalisiert werden kann.
Das Markersystem wird bei einer besonders bevorzugten
Ausführungsform dadurch ergänzt, daß es einen zusätzlichen Satz trichterförmiger
Landmarken umfaßt, deren Trichtermittelpunkt dem Mittelpunkt der Landmarken
entspricht, für die sie vor einer Referenzierung am Operationstisch ausgetauscht
werden können.
Durch eine solche Ergänzung des Markersystems läßt sich die Genauigkeit der
Positionsbestimmung und Referenzierung der Patientenanatomie in starkem Umfang
erhöhen. Die bei der Computertomographie verwendeten Landmarken werden nach
der Computertomographie von den Befestigungsvorrichtungen am Patienten
abgenommen und durch Landmarken ersetzt, die eine Einrichtung wie einen spitz
zulaufenden Innentrichter aufweisen. Durch einen solchen Innentrichter, dessen
Mittel- bzw. Ausgangspunkt genau im Zentrum der Landmarke positioniert ist, läßt
sich die Spitze eines chirurgischen Instruments unverschieblich und positionsgenau
bei einer Referenzierung ansetzen.
Falls beispielsweise die Landmarke, die bei der Computertomographie verwendet
wird, eine Kugel mit einem bestimmten Durchmesser war, kann diese nach der
Computertomographie durch z. B. eine Dreiviertel-Kugel mit gleichem Durchmesser
ersetzt werden, die an ihrem oberen Abschnitt einen Trichter aufweist, welcher
genau im Mittelpunkt der Kugel zusammenläuft. Die Dreiviertel-Kugel ist aufgrund
ihres übereinstimmenden Durchmessers noch immer als diesselbe Landmarke
identifizierbar, wie die vollständige Kugel, die durch sie ersetzt wurde.
Der Chirurg kann nun, bei dem vorher beschriebenen Schritt der Landmarken
erkennung mit einem Positionszeiger aufgrund der Trichterausbildung genau den
Mittelpunkt der Landmarke anfahren. Hierdurch lassen sich Ungenauigkeiten beim
Anfahren dieses Punktes, wie sie beim System gemäß dem Stand der Technik
entstehen können, dessen Landmarken keine ausgezeichneten Stellen aufweisen, sehr
gut vermeiden, die Referenzierung und Positionsbestimmung des Landmarkenmittel
punktes wird mit hervorragender Genauigkeit durchgeführt. Auch bei diesem
Referenzierungsverfahren kann wie beim oben erläuterten Kalibrierungsverfahren
mittels des Kalibrierungspunktes des Referenzadapters, die Spitze des Positions
zeigers an einer Stelle festgehalten werden, während dessen Ende bewegt wird. Beim
Referenzieren der jeweiligen Landmarke wird also der Rechnereinheit durch das
Stillstehen der Spitze während der Bewegung des Positionszeigers mitgeteilt, daß
momentan eine Landmarken-Referenzierung stattfindet.
Weiterhin vorteilhaft wirkt sich die "Trichtergestaltung" in dem Moment aus, wenn
die Landmarken während einer Operation aus irgendeinem Grund nachreferenziert
werden müssen. Sollte der Patient nämlich schon durch sterile Tücher abgedeckt
worden sein und befinden sich die Landmarken unter diesen Tüchern, so sind sie
aufgrund ihrer erhabenen Struktur noch gut identifizierbar. Wegen der ausgebildeten
Trichterform und weil die Sterilisationstücher eine geringe Dicke aufweisen, können
die Mittelpunkt der Landmarken nunmehr auch dann sehr positionsgenau angefahren
werden, wenn die Landmarken schon mit Tüchern abgedeckt sind. Der Patient muß,
falls die Referenzierung einmal wiederholt werden muß, nicht erst von den Tüchern
befreit und nach der Referenzierung wieder abgedeckt werden, was in der Praxis nie
möglich ist.
Bei einem Kalibrierungsverfahren zur Bestimmung der Winkel- und Abstandsstellung
von Referenzierungskameras, wird ein Kalibrierungswerkzeug mit zwei an
vorbestimmten Positionen mit bekanntem Abstand angebrachten Reflektoren in den
Aufnahmebereich beider Kameras eingebracht, das Kalibrierungswerkzeug wird im
Aufnahmebereich räumlich bewegt, mehrere Zwischenstellungen des Kalibrierungs
werkzeugs von den Referenzierungskameras werden aufgenommen und mittels einer
Rechnereinheit einzeln in Raumkoordinaten umgesetzt, und die Rechnereinheit
errechnet und speichert aus den Raumpositionen der Reflektoren die Winkel- und
Abstandsstellung der Kameras.
Die Möglichkeit, daß während einer Operation einer der Operationsteilnehmer an den
Kameraständer oder die Kameras selbst stößt, ist nicht völlig abwegig. Bei einer
Stellungsveränderung der Kameras während einer Operation können aber plötzlich
veränderte Bilder an das Rechnersystem geliefert werden. Um eine Neukalibrie
rung vorzunehmen, die wenig Zeit in Anspruch nimmt, aber auch um eine
Anfangskalibrierung leicht durchführen zu können, bietet das vorher beschriebene
Verfahren eine vorteilhafte Möglichkeit. Die Rechnereinheit kennt
die Form der Reflektoren und ihren Abstand auf dem Kalibrierungswerkzeug und
kann, in einem gesonderten Kamerastellungs-Kalibrierungsschritt dieses Kalibrie
rungswerkzeug deshalb dann erkennen, wenn es im Aufnahmebereich der Kameras
geschwenkt wird. Die Informationen, die sich aus "Momentaufnahmen" mehrerer
Stellungen des Kalibrierungswerkzeugs während dessen Bewegung ergeben, lassen
für die Rechnereinheit aufgrund der bekannten Daten des Kalibrierungswerkzeugs
einen Rückschluß auf die Kamerastellung zu. Schon nach kurzer Zeit kann die
Rechnereinheit die Kamerastellung erfassen. Dieses Verfahren spart zunächst bei der
Ersteinstellung Zeit und ist wegen seiner schnellen Durchführbarkeit und Einfachheit
auch zur Nachjustierung nach einem Kamera-Stellungswechsel bestens geeignet.
Bei der räumlichen Bewegung des Kalibrierungswerkzeugs beim Kalibrierungs
vorgang für die Kameras ist es von Vorteil, wenn beide Reflektoren zu jedem
Zeitpunkt möglichst weit voneinander entfernt sind, und zwar bezogen auf die
projizierte Kameraerfassungsebene. Deshalb wird bei einer vorteilhaften Ausgestal
tung des Kalibrierungsverfahrens die räumliche Bewegung des Kalibrierungswerk
zeugs und damit der Reflektoren auf einer Grafik-Bildschirmausgabe, beispielsweise
dem Bildschirm des Neuronavigationssystems, durchgängig angezeigt. Die Bewegun
gen können dann so durchgeführt werden, daß beide Reflexionspunkte am Schirm
immer möglichst weit auseinander sind, was eine schnellere und genauere
Kalibrierung ermöglicht.
Als Kalibrierungswerkzeug kann vorteilhafterweise ein mit abnehmbaren Reflektoren
versehener Punktzeiger verwendet werden, welcher bei jeder Operation ohnehin
benötigt wird. Die Daten der Reflektoren sowie ihr Abstand werden dann dem
System als Daten des Kalibrierungswerkzeugs eingegeben werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit, einen separaten mit abnehmbaren Reflektoren
versehenen Kalibrierungsstab einzusetzen, der dann, zum jeweiligen System gehörig,
jedesmal eingesetzt wird. Vorteilhafterweise kann ein solcher Kalibrierungsstab
länger sein als beispielsweise ein Punktzeiger. Auch hierdurch läßt sich die
Schnelligkeit und Genauigkeit der Kalibrierung verbessern.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Reflektoren
referenzierungssystems zur Steuerung eines chirurgischen Mikroskops. Das
Mikroskop kann einen Mikroskopständer mit einem Fuß und mehreren motorisch und
manuell im Raum bewegbaren aneinander angelenkten Armen und einer Mikro
skophalte- bzw. Steuereinheit umfassen.
Eingangs ist bei Mikroskopen gemäß dem Stand der Technik für nachteilig befunden
worden, daß diese ihre Positionsmeldung lediglich aufgrund der Winkelstellung der
Trägerarmteile an eine Rechnereinheit eines Neuronavigationssystems zurückmelden
können. Sie müssen deshalb mit sehr schweren Ständern und Füßen ausgestattet
werden, damit keine ungewollte Verschiebung des Mikroskops die Neuronavigation
referenzlos machen und damit beenden kann.
Die Verwendung des Referenzierungssystems zur Mikroskop
steuerung bietet nunmehr die Möglichkeit einer weiteren Rückmeldung der
Positionsdaten des Mikroskops. Durch die besondere Anordnung der Reflektoren
kann ein - Neuronavigationssystem jederzeit diese Anordnung als Mikroskop-
Reflektorenanordnung identifizieren. Die Mikroskopstellung wird über das
Kamerasystem dem Rechner also als unmittelbare Raumposition mitgeteilt. Auch
wenn eine Verschiebung des Mikroskops erfolgt, können deshalb die Daten aus der
Arm-Gelenkstellung und diejenigen aus der Reflektorenstellung jederzeit abgeglichen
werden; die Neuronavigation bleibt auch bei einem ungewollten Stellungswechsel des
Mikroskops intakt.
Vorteilhafterweise wird die Raumstellung des Mikroskops bei einer ersten
Kalibrierung mittels einer Fokkusierung der Mikroskopoptik auf einem Punkt mit
bekannten Raumkoordinaten, vorzugsweise den Kalibrierungspunkt eines Referenza
dapters durchgeführt, wobei die Fokkusierungsdaten mittels einer Datenübertragungs
einrichtung an die Rechnereinheit übertragen werden, während dieselbe Rechner
einheit mittels der Reflektoren und der Kameras die Raumposition des Mikroskops
feststellt.
Hier kommt wieder die schon vorher erwähnte Kalibrierungsfunktion eines
Referenzadapters, der ebenfalls mit einer Drei-Reflektoren-Anordnung versehen ist,
zum Tragen. Um der Rechnereinheit mitzuteilen, wo sich das Mikroskop in einer
Ausgangsstellung befindet, kann der Fokus des Mikroskops auf den Trichtermittel
punkt eines vorher beschriebenen Referenzadapters scharfgestellt werden. Der
Rechner erhält dann Daten über den Zoomfaktor und den Fokkusierungsabstand über
eine Datenübertragungseinrichtung, beispielsweise einer Datenleitung, von
Mikroskop und kennt damit, weil der Raumort des Kalibrierungspunkts bekannt ist,
die Stellung des Fokkusierungspunktes sowie aus den Reflexionspunkten der am
Mikroskop angebrachten Reflektoren die Mikroskopstellung. Aus diesen Daten kann
eine genaue Positionsbestimmung des Mikroskops vorgenommen werden.
Nach der ersten Kalibrierung besteht auch die Möglich
keit, jeweils durch die Ansteuerung der Bewegungsmotoren des Mikroskops durch
die Rechnereinheit bzw. durch die Rückmeldung der Mikroskopbewegungen und
-Positionsdaten an die Rechnereinheit folgende Steuerungsabläufe durchzuführen:
- a) automatische Verfolgung und Fokkusierung einer Instrumentenspitze, deren
Position der Rechnereinheit, über Reflektoren bekannt ist;
- b) automatische Fokkusierung eines gespeicherten oder vorgegebenen Be
handlungspunktes; und
- c) Fokkusierung eines Behandlungspunktes aus verschiedenen Raum- und
Winkelstellungen des Mikroskops.
Damit lassen sich folgende Tätigkeiten durchführen: Der Chirurg deutet mit der
Spitze eines mit Reflektoren versehenen, dem Navigationssystem bekannten
Positionszeigers auf eine Stelle der zu behandelnden Partie, worauf die Recheneinheit
die Koordinaten dieser Stelle identifiziert und das Mikroskop an diese Stelle fährt
und den Fokus genau hier einstellt. Der Chirurg spart sich dadurch aufwendige
Manövrierarbeiten mit dem Mikroskop-Steuersystem. Der Chirurg kann dem System
ebenfalls einen bestimmten Punkt, den er bereits fokkusiert hat, zur Abspeicherung
geben. Dieser Punkt kann danach durch einen einfachen Befehl jederzeit vom
Mikroskop wieder fokkusiert werden. Manchmal, besonders wenn in Hohlräume mit
nur kleinen Öffnungen einfokkusiert werden muß, muß zur "Ausleuchtung" des
gesamten Hohlraums die gedachte Mikroskop-Fokuslinie um diese Öffnung
"geschwenkt" werden. Es besteht mit der vorliegenden Steuerung ebenfalls die
Möglichkeit, den Schwenkpunkt dieser Linie einzuspeichern und eine vorher
beschriebene Ausleuchtung vorzunehmen.
Weiterhin wird die Verwendung des
Referenzierungssystems zur Referenzierung eines Ultraschall-Diagnosesystems mit
einem Ultraschallabstrahler- und empfänger und einer damit verbundenen Aus
wertungseinheit- und einer Bildschirmausgabe vorgestellt. Diese zeichnet sich
dadurch aus, daß am Ultraschallabstrahler- und empfänger ein
Reflektorenadapter mit mindestens drei Reflektoren befestigt ist, der in einem
eingangs beschriebenen Reflektorenreferenzierungssystem integriert ist.
Mit einer solchen Ausbildung lassen sich nunmehr die Daten, die
mit einem Ultraschall-Diagnosegerät erhalten werden, positionell in ein Neuronaviga
tionssystem einordnen. Auch der Ultraschallabstrahler- und empfänger besitzt eine
Reflektorengruppe mit einer speziellen Anordnung, die vom Rechner nur für ihn
identiziert wird. Wenn die Daten, die vom Ultraschallsystem ermittelt werden, mit
den Anatomiedaten aus der Computertomographie abgeglichen werden, können mit
diesem System auch solche Schwierigkeiten verhindert werden, die beispielsweise
dadurch entstehen, daß nach der Öffnung der über dem Behandlungsgebiet liegenden
Gewebeschichten das zu behandelnde Gewebe etwas "zusammensackt".
Das Reflektorenreferenzierungssystem kann in einem Neuronavi
gationssystem mit einem Markersystem verwendet werden, wobei
auch die Mikroskopsteuerung benutzt werden kann. Alle diese Systemteile können
jeweils separat eingesetzt und verwirklicht werden, sind aber auch in jedweder
Kombination nutzbar, wobei die im Vorhergehenden beschriebenen Vorteilen
gegenüber dem Stand der Technik zum Tragen kommen.
Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher
erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Gestell, in dem eine Rechnereinheit mit Bedienelementen
untergebracht ist, auf dem ein Computermonitor als Grafik-Bildschir
mausgabeeinheit steht und an welches ein Kamerahalter mit zwei
Infrarotkameras angebracht ist;
Fig. 2 einen neurochirurgischen Punktzeiger mit an ihm angebrachten
Reflektoren;
Fig. 3 eine chirurgische Pinzette, an deren hinterem Ende ein Adapter mit
drei besonders angeordneten Reflektoren befestigt ist;
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen mit zwei Reflektoren versehenen
Punktzeiger;
Fig. 5 eine Aufsicht auf einen Referenzadapter mit drei Reflektoren und ein
Kalibrierungspunkt;
Fig. 6 eine verkleinerte Darstellung eines Kalibrierungsstabes;
Fig. 7 einen Landmarken-Aufsatz, wie er bei einer Computertomographie
aufnahme verwendet wird;
Fig. 8 einen Landmarken-Aufsatz, wie er bei der Referenzierung der
Landmarken am Operationstisch verwendet wird;
Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Befestigungssockel für die Landmarken-
Aufsätze aus den Fig. 7 und 8; und
Fig. 10 eine Aufsicht auf den Befestigungssockel der Fig. 9.
In einem Operationsraum, in dem das Neuronavigationssystem
zum Einsatz kommt, steht an einem Ende eines Operationstisches beispielsweise ein
Gestell, wie es in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 10 angedeutet ist. In diesem Gestell
ist eine Rechnereinheit 11 und verschiedene weitere Steuerungseinheiten, wie zum
Beispiel eine Tastatur (nicht bezeichnet) untergebracht. Verbunden mit dieser
Rechnereinheit ist der auf dem Gestell plazierte Schirm 12. Dieser gibt in
verschiedenen Ansichten, auch in einer 3D-Ansicht, Schnittebenen bzw. Bilder der
Patientenanatomie wieder und zeigt auch die Positionen von chirurgischen
Instrumenten oder Reflektoren an diesen Instrumenten und an Behandlungs
apparaturen auf. Desweiteren können in verschiedenen Feldern Zusatzinformationen
ausgegeben werden.
Am Gestelloberteil, auf dem der Schirm 12 steht, ist ebenfalls ein Kamerahalter 13
befestigt. Dieser Kamerahalter 13 ist verstellbar ausgeführt und trägt an den Enden
seiner oberen Arme zwei Infrarotkameras, die mit 14 bezeichnet sind.
Selbstverständlich sind die vorher beschriebenen Komponenten untereinander durch
Datenübertragungsleitungen verbunden. Die Kameras 14 erfassen den Bereich des
Operationstisches, in dem die Behandlung stattfindet und können dreidimensional
Raumkoordinaten von chirurgischen Instrumenten und Behandlungsapparaturen
erfassen, die mit Reflektoren versehen sind, welche Infrarotstrahlung reflektieren.
Am Operationstisch ist beispielsweise der Kopf eines Patienten an einer Feststellvor
richtung ortsfest befestigt. Die Koordinaten der Patientenanatomie werden der in
Fig. 1 dargestellten Rechnereinheit 11 durch ein im weiteren beschriebenes
Markersystem zunächst durch Computertomographie-Daten mitgeteilt, wobei die
momentane Anordnung der Marker bei der Operation ebenfalls mit Hilfe der
Rechnereinheit und der Kameras vor Ort referenziert wird.
Dazu wird beispielsweise ein in Fig. 2 dargestellter Punktzeiger 20 verwendet. Der
Punktzeiger 20 weist zwei durch Steckverbindungen an ihm angebrachte Reflektoren
21 und 22 auf. Der Abstand sowie die Form dieser Reflektoren 21 und 22 sind der
Rechnereinheit 11 bekannt; d. h. dieser Punktzeiger 20 ist ein solcher, der immer
dem jeweiligen Rechnersystem zugeordnet ist. Bekannt ist der Rechnereinheit 20
weiterhin die Position der Spitze 23 des Positionszeigers 20. Wenn dieser Positions
zeiger 20 in das Erfassungsfeld der Kameras 14 gebracht wird, kann er unmittelbar
vom System erkannt werden, d. h. seine Spitze 23 kann auf den Schirm 12 sichtbar
gemacht werden.
Die Fig. 3 zeigt nunmehr eine chirurgische Pinzette 30. Am hinteren Ende dieser
Pinzette 30 ist ein Adapter 31 lösbar mit dieser verbunden, der an seinen Armen drei
Reflektoren 32, 33 und 34 trägt, welche eine charakteristische Anordnung aufweisen,
die im Navigationssystem nur diesem Adapter 31 zugeteilt wird. Eine solche Pinzette
30 kann jedwede Pinzette sein, an der sich der Adapter 31 anbringen läßt. Es kann
sich also hier auch um eine Pinzette handeln, mit der ein Neurochirurg schon seit
Jahren arbeitet. Damit die Pinzette 30 zum Einsatz kommen kann, muß dem
Neuronavigationssystem zunächst die Position ihrer Spitze 35 mitgeteilt werden.
Hierzu wird, wie schon vorher bezüglich des Reflektorenreferenzierungssystem
beschrieben, mit der Pinzettenspitze 35 ein im Navigationssystem bekannter
Raumpunkt angefahren, worauf Kreisbewegungen mit dem Ende der Pinzette 30
durchgeführt werden. Die Rechnereinheit 11 erkennt über die Kameras 14 die
spezielle Anordnung der Reflektoren 32, 33 und 34 und kann aus ihren Bewegungen
bei stillstehender Spitze 35 der Pinzette 30 die Spitzenposition ermitteln.
Der Punktzeiger 20 aus Fig. 2 sowie die Pinzette 30 aus Fig. 3 sollen an dieser
Stelle beispielhaft für alle Instrumente stehen, die bei neurochirurgischen Eingriffen
verwendet werden. Das System arbeitet kabellos mit einem Reflektorenadapter mit
passiven Reflektoren, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind. Diese können beispielsweise
auch an Ultraschall-Diagnosegeräten und neurochirurgischen Mikroskopen befestigt
werden, wobei die Kalibrierung eines Mikroskops dann, wie beschrieben, über die
Fokkusierung eines ortsbekannten Kalibrierungspunktes durchgeführt wird.
Die Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des Punktzeigers 20 aus Fig. 2 in einer
anderen Ebene. Deutlich wird hier, daß die Reflektoren 21 und 22 durch Steck
verbindungen am Positionszeiger 20 angebracht sind. Die Reflektoren 21, 22 sind
deshalb abnehmbar. Da die Reflektoren 21, 22, die meist mit einem empfindlichen
reflektierenden Überzug ausgestaltet sind, die einzigen Teile des Positionszeigers 20
sind, die bezüglich der Sterilisation eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, ist dieser
Positionszeiger 20 mit den abnehmbaren Reflektoren 21, 22 sehr einfach und schnell
sterilisierbar. Sind nämlich die Reflektoren 21, 22 erst einmal abgenommen, kann
beispielsweise eine Autoklaven-Sterilisation durchgeführt werden, worauf ein neuer
vorbereiteter Satz sterilisierter Reflektoren 21 und 22 aufgesteckt wird. Der
Positionszeiger 20 kann so nach kurzer Zeit sterilisiert wiederverwendet werden.
Die Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf einen schon vorher desöfteren beschriebenen
Referenzadapter 50, der mittels einer in dieser Ansicht unter seinem Mittelpunkt
verborgenen Anklemmvorrichtung an einem relativ zum Patienten ortsfesten Teil
befestigt wird. Dieser Teil kann beispielsweise die Feststelleinrichtung für den Kopf
eines Patienten sowie ein Dornfortsatz in einem Wirbelkörper sein.
Der Referenzadapter 50 besteht aus den Armen 51, 52 und 53, die eine nur für ihn
charakteristische Länge und Winkelstellung aufweisen. Am Ende dieser Arme 51,
52 und 53 sind jeweils Reflektoren 54, 55 und 56 befestigt. Durch diese Reflektoren
gruppe und ihre charakteristische Anordnung und/oder Größe kann der Referenza
dapter 50 jederzeit eindeutig durch das Neuronavigationssystem bezüglich seiner
Position identifiziert werden. Die Position des Referenzadapters 50 bleibt normaler
weise während einer Operation immer dieselbe. Falls es jedoch nötig wird, den
Patienten umzulagern, kann der ortsfest mit der referenzierten Patientenanatomie
verbundene Referenzadapter 50 jederzeit auch nachträglich vom Navigationssystem
erfaßt und verfolgt werden, so daß auch die Gesamtlage des Patienten-Referenz
systems jederzeit der Rechnereinheit 11 bekannt bleibt.
Eine besondere Rolle in Hinsicht auf den Referenzadapter 50 spielt der Kalibrie
rungspunkt 57, der in diesem Beispiel am Ausgangspunkt der drei Arme 51, 52 und
53 angeordnet ist. Er befindet sich in einer Mulde, so daß er positionsgenau durch
Instrumentenspitzen (beispielsweise die Positionszeigerspitze 23, Fig. 2 oder die
Pinzettenspitze 35, Fig. 3) angefahren werden kann. Nach diesem Anfahren folgt
dann eine Bewegung des Instruments, deren Mittelpunkt die Spitze, also die Mulde
des Referenzadapters 50 im Kalibrierungspunkt 57 bildet. Die bereits im einzelnen
beschriebene Kalibrierung kann durchgeführt werden.
In sehr verkleinertem Maßstab ist in Fig. 6 ein Kalibrierungswerkzeug, hier ein
Kalibrierungsstab 60 dargestellt. Dieser Kalibrierungsstab 60 sollte in realiter eine
Länge von mindestens etwa 40 cm haben. An beiden Enden des Kalibrierungsstabes
60 ist in einem vorbestimmten, den Rechner 11 bekannten Abstand jeweils ein
Reflektor 61, 62 angeordnet. Die charakteristischen Eigenschaften der auch hier
abnehmbar ausgestalteten Reflektoren 61, 62, nämlich ihre Größe sowie ihr Abstand
am Kalibrierungsstab 60 sind der Rechnereinheit 11 bekannt und werden nur diesem
Stab zugeordnet. Mit diesem Stab 60 kann dann das schon beschriebene Kalibrie
rungsverfahren für die Winkel- bzw. Abstandsstellung der Kameras 14 durchgeführt
werden.
Die Fig. 7 zeigt einen Landmarken-Aufsatz, wie er bei der Erfassung der
Patientenanatomie im Computertomographen verwendet wird. Dieser Aufsatz ist mit
70 bezeichnet. Er besteht aus einem kugelförmigen Hauptkörper 71, der beispiels
weise eine Aluminiumkugel ist. In dieser Aluminiumkugel, die individuell auf der
Basis ihrer im System einzigartigen Größe sowohl durch die Computertomographie
als auch durch das Neuronavigationssystem identifiziert werden kann, ist unten ein
Rastfortsatz 72 angebracht, mit dem der Landmarkenaufsatz 70 in eine Befestigungs
vorrichtung 90 (Fig. 9) eingeschoben und eingerastet werden kann.
Ein Landmarkenaufsatz, durch den der Landmarkenaufsatz 70 aus Fig. 7 nach der
Computertomographie ersetzt wird, ist als Aufsatz 80 in Fig. 8 bezeichnet. Die
Abmessungen des Landmarkenhauptkörpers 81, d. h. der Kugeldurchmesser
entspricht demjenigen des Landmarkenhauptkörpers 71 aus Fig. 7. Modifiziert ist
der Landmarken-Aufsatz 80 dahingehend, daß ein oberer Teil der Kugel abge
schnitten ist und in die Kugel ein muldenförmiger Trichter 83 eingearbeitet wurde,
dessen Spitze sich genau in der Kugelmitte befindet, wie im Ausbruch der Fig. 8
gezeigt ist. Der Rastfortsatz 82 entspricht genau dem Rastfortsatz 72 (Fig. 7).
Nach der Patientendatenerfassung im Computertomographen wird der Landmarken-
Aufsatz 70 durch den Landmarken-Aufsatz 80 ersetzt. Weil beide Kugeln denselben
Durchmesser haben, kann der Landmarken-Aufsatz 80 durch das Neuronavigations
system als dieselbe Landmarke identifiziert werden, wie sie als Landmarke 70 bei
der Computertomographie erfaßt wurde. Die Mulde mit der trichterförmig
zusammenlaufenden Spitze erlaubt beim Referenzierungsschritt für die Landmarke
80 im Rahmen der Kalibrierung des Neuronavigationssystems das genaue Anfahren
des Kugelmittelpunkts durch die Spitze eines chirurgischen Instruments. Damit wird
die Referenzierung erleichtert und genauer gemacht, sie kann auch nach dem
Abdecken mit sterilen Tüchern durchgeführt werden.
Die Fig. 9 zeigt eine Befestigungsvorrichtung 90, die an ihrer Unterseite mittels
eines Haftmittels beispielsweise auf der Haut eines Patienten befestigt wird. Der
Sockel 92 dieser Befestigungsvorrichtung 90 weist eine Einstecköffnung 91 auf, in
die sowohl der Landmarken-Aufsatz 70 als auch der Landmarken-Aufsatz 80 aus den
Fig. 7 und 8 eingesteckt und verrastet werden können. Die Fig. 10 zeigt eine
obere Ansicht der Befestigungsvorrichtung 90. Es ist zu sehen, daß im Sockel 92
eine zusätzliche nasenförmige Öffnung 100 eingebracht ist, durch die die Rast
fortsätze 72, 82 eingeführt werden können. Nach dem Drehen der gesamten
Landmarken-Aufsätze 70 und 80 rasten deren untere Vorsprünge im Durchgangsloch
91 des Sockels hinter dessen unterem Absatz ein und verbleiben dort fest.
Nachdem bisher die wichtigsten Bestandteile des Neuronavigationssystems
erläutert wurden, soll im folgenden die Erfindung noch dadurch weiter
und eingehender erklärt werden, daß ein typischer Behandlungsablauf dargestellt
wird:
Zunächst werden an einem Patienten, an dessen Gehirn ein neurochirurgischer
Eingriff vorzunehmen ist, fünf Landmarkensockel 92 an der Haut in der Umgebung
der zu öffnenden Schädelpartien befestigt. Zur Referenzierung der Anatomiedaten
bei einer Computertomographie werden in die Sockel 92 fünf kugelförmige
Aluminium-Landmarken-Aufsätze 70 eingesetzt. Die Stellen, an denen die
Landmarken befestigt werden, werden so ausgewählt, daß sie während der
Behandlung eine möglichst geringe Verschiebung erfahren. Sie sollten möglichst nah
an der zu behandelnden Stelle liegen und dabei untereinander einen möglichst großen
Abstand aufweisen. Mindestens drei Landmarken müssen verwendet werden, die
Verwendung von zwei zusätzlichen Landmarken kann dem System jedoch eine
größere Genauigkeit und Sicherheit verleihen.
Als nächstes wird eine Computertomographie durchgeführt, bei der die zu
behandelnden Partien sowie die Landmarken erkannt und positionell miteinander ins
Verhältnis gebracht werden.
Während der Patient in die Chirurgie gebracht wird, werden die Computertomogra
phiedaten auf optischen Disks abgespeichert und darauf zur Rechnereinheit 11
gebracht, die die Daten ausliest und auf dem Schirm 12 als Bilder wiedergibt. Diese
Bilder sind Schnittbilder in verschiedenen Ebenen sowie ein 3D-Bild. Der Chirurg
kann seine Operationsstrategie nach dieser Wiedergabe planen. Während die
Anästhesie des Patienten vorbereitet wird, wird die Stellung der Kameras 14 am
Ständer kalibriert. Hierzu nimmt der Chirurg einen Kalibrierungsstab 60 mit zwei
Reflektoren 61 und 62 und bewegt ihn in der Erfassungszone der Kameras 14. Durch
die Erfassung von etwa zehn momentanen Stellungen der Reflektoren 61 und 62 am
Kalibrierungsstab 60 in kurzen Abständen, kann das System die Kamerastellung
erfassen und abspeichern.
Der Kopf des Patienten wird nun mit einer Feststellvorrichtung am Operationstisch
räumlich unbeweglich gemacht. Hierauf werden die kugelförmigen Landmarken-
Aufsätze 70 durch die mit Positionierungstrichtern 83 versehenen teilkugelförmigen
Landmarken-Aufsätze 80 ersetzt.
Nach der Sterilisation wird der Patient steril abgedeckt, wobei auch die Landmarken
80 mit abgedeckt werden können. Die Abdeckung kann mittels herkömmlicher
Tücher oder mittels einer durchsichtigen Folie durchgeführt werden.
Im darauffolgenden Schritt wird ein Referenzadapter 50 an der Feststellvorrichtung
für den Kopf des Patienten befestigt. Er wird durch seine besondere Reflektor
anordnung identifiziert, seine Position sowie die Position seines Kalibrierungspunktes
57 werden durch das Neuronavigationssystem festgestellt.
Der Chirurg kann nun mit einem ebenfalls identifizierten, dem System bekannten
Punktzeiger 20 die fünf Landmarken-Aufsätze 80 anfahren, und zwar so, daß die
Spitze 23 des Punktzeigers 20 jeweils genau in die Trichterspitze, also den
Mittelpunkt der Kugel 81 einfährt. Aus den bekannten Daten der jeweiligen
Landmarken, die individuell unterscheidbar sind, kann das System innerhalb von
Sekunden die jeweiligen Landmarken identifizieren und somit auch die Patienten-
Anatomiedaten aus der Computertomographie in sein Erfassungssystem übernehmen.
Die Stellung der Spitzen von neurochirurgischen Instrumenten kann nunmehr relativ
zu den Anatomiedaten am Schirm 12 dargestellt werden. Dies gilt nach einer
Kalibrierung am Kalibrierungspunkt 57 des Referenzadapters 50 auch für jedwede
chirurgischen Instrumente, auf die ein Reflektorenadapter 31 aufgesetzt wurde.
Um den genauen Ort zu bestimmen, an dem ein Eingriff vorgenommen werden muß,
kann die Spitze eines Punktzeigers, der auf die Kopfhaut zeigt, virtuell verlängert
werden. Der Chirurg sieht die zu behandelnde Läsion virtuell mit Hilfe der
Bildschirmausgabe und kann durch die ebenfalls virtuelle Verlängerung seines
Instruments den optimalen Eingriffsweg vorausbestimmen.
Nach der Öffnung des Schädels an der so aufgefundenen Stelle kann wie oben
beschreiben, eine Pinzette 30 mit einem daran angebrachten Drei-Reflektoren-
Adapter 31 am Kalibrierungspunkt 57 des Referenzadapters 50 kalibriert werden,
d. h. der genaue Ort der Pinzettenspitze 35 wird festgestellt. Mit dieser Pinzette 30
kann nunmehr die Resektion der Läsion vorgenommen werden, wobei der Chirurg
die Spitze 35 der Pinzette 30 zu jeder Zeit am Bildschirm 12 verfolgen kann.
Mit dieser Methode kann also die Resektion der Läsion unter weitgehender
Vermeidung der Zerstörung von gesundem Gewebe durchgeführt werden. Ferner
konnte die Operation in einer sehr kurzen Zeit durchgeführt werden. Alle verwende
ten Instrumente konnten aufgrund des Einsatzes von passiven Reflektoren kabellos
bewegt werden, was den Chirurgen Behinderungen während der Operation ersparte.
Er konnte durch den Einsatz von Drei-Reflektoren-Adaptern seine eigenen gewohnten
Instrumente verwenden. Alle diese Faktoren konnten insgesamt zu einer Ver
besserung des Behandlungsergebnisses führen.