DE29521895U1 - Chirurgisches Navigationssystem umfassend Referenz- und Lokalisationsrahmen - Google Patents

Description

CHIRURGISCHES NAVIGATIONSSYSTEM UMFASSEND REFERENZ- UND LOKALISATIONSRAHMEN

Die Systeme und Rahmen der Erfindung sind Verbesserungen des Systems, das in der US-Patentanmeldung Nr. 08/053,076, angemeldet am 26. April 1993 und deren Fortsetzung Nr. 08/524,981, angemeldet am 7. September 1995 beschrieben wird.

Die gesamte Offenbarung der Anmeldung Nr. 08/053,076 und deren Fortsetzung Nr. 08/524,981 wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung eine Verbesserung der Anmeldung Nr. 08/319,615, angemeldet am 7. Oktober 1994, deren gesamte Offenbarung hierin durch 0 Bezugnahme aufgenommen wird. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung eine Verbesserung einer am 8. September 1995 eingereichten "Provisional Application", deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.

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Email: maiwald @ maiwald-partner. com Geschäftsführer: Dr. Walter Maiwald · HRB Nr. 111307

Die Erfindung betrifft allgemein Systeme oder Vorrichtungen, die während medizinischer und chirurgischer Verfahren bzw. Eingriffen Bilder verwenden und erzeugen, wobei die Bilder in der Durchführung der Verfahren assistieren und die relative Position verschiedener Körperteile und Instrumente angeben. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Bildern während medizinischer und chirurgischer Eingriffe, die auf einem vor oder während des Verfahrens angefertigten Scan sowie der gegebenen Position der Körperteile und Instrumente während des Eingriffs basieren.

Bildorientierte medizinische und chirurgische Verfahren umfassen eine Technologie, bei der Scans, die entweder präoperativ oder intra-operativ (d.h. vor oder während eines medizinischen oder chirurgischen Verfahrens) erhalten worden sind, zur Erzeugung von Bildern verwendet werden, die einen Arzt während des Verfahrens führen sollen. Das kürzlich gestiegene Interesse auf diesem Gebiet ist eine unmittelbare Folge der jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Scan-Verfahren, insbesondere im Zusammenhang mit Vorrichtungen, die Computer verwenden, um drei-dimensionale Bilder von Körperteilen zu erzeugen, wie beispielsweise Computertomographie (CT) oder magnetische Resonanztomographie (englisch: magnetic resonance imaging) (MRI).

Die meisten Fortentwicklungen im Bereich der diagrammatischen Bilderzeugung erfordern Vorrichtungen, die eher groß sind, den abzubildenden Körperteil umgeben und teuer sind. Wenngleich die mittels dieser Vorrichtungen erzeugten Scans 0 den untersuchten Körperteil mit hoher Auflösung und guter räumlicher Wiedergabetreue wiedergeben, wird ihr Einsatz während der Durchführung der Verfahren durch ihre hohen Kosten normalerweise ausgeschlossen. Daher wird die bildgeführte Chirurgie normalerweise unter Verwendung von prä-operativ erzeugten Bildern durchgeführt.

Durch das Angewiesensein auf prä-operativ angefertigte Bilder hat sich die Bildführung hauptsächlich auf das Cranium konzentriert. Der das Gehirn einschließende Schädel dient als ein starrer Körper, der Veränderungen in der Anatomie zwischen der Bilderzeugung und der Operation zum größten Teil ausschließt. Der Schädel stellt auch einen relativ günstigen Bezugspunkt dar, an dem Bezugseinrichtungen oder ein Referenzsystem befestigt werden können, so daß die Eintragung prä-operativer Bilder in das Operationsgebiet leicht zu Beginn, während oder über das gesamte Verfahren vorgenommen werden kann. Der Begriff "Eintragung" ist definiert als das Verfahren, bei dem prä-operative oder intra-operative Scans der einer Operation unterliegenden anatomischen Struktur in Beziehung zu der chirurgischen oder medizinischen Position der entsprechenden anatomischen Struktur gebracht wird. Siehe hierzu beispielsweise S.N. 07/909,097, jetzt US-Patent Nr. 5,3 83,454, dessen gesamte Offenbarung hierin unter Bezugnahme aufgenommen wird.

Die feste Fixierung und die Abwesenheit anatomischer Verschiebungen zwischen der Bilderzeugung und der Operation ist einzigartig für den Schädel und intercraniale Strukturen und ermöglicht einen einfachen Punkt-für-Punkt-Registrierungsvorgang, wie er in Figur 1 dargestellt ist. Die Position während eines medizinischen Vorangs oder eines chirurgischen Eingriffes befindet sich in Übereinstimmung mit dem vor dem Verfahren erzeugten Bilddatensatz, da im Zeitraum zwischen der Aufnahme des Scans und dem Verfahren keine anatomischen Verschiebungen auftreten; in der Tat stellen der 0 Schädel und seine intercranialen Strukturen einen "starren Körper" dar, d.h. ein Objekt, das sich innerlich nicht verformt. In nahezu jedem anderen Körperteil besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten anatomischer Verschiebungen, wodurch die Wiedergabetreue der intra-operativen Anatomie 5 durch die prä-operativen Scans vemindert wird. Daher sind weitere Verbesserungen erforderlich, um die Bildführung auch

auf andere Körperteile als das Cranium anwenden zu können.

Die Genauigkeit der bildgeführten Chirurgie hängt davon ab, daß während der Durchführung medizinischer oder chirurgischer Verfahren Bilder erzeugt werden können, die auf Scans basieren, die vor oder während des Verfahrens angefertigt werden und die wiederum auf der gegebenen Position und der Form der Körperteile während des Verfahrens basieren. Vorliegend wird auf zwei Arten von Körperteilen eingegangen:

1) sogenannte "starre Körper", d.h. Strukturen innerhalb des Körpers, die im Zeitraum zwischen dem Bilderzeugungsvorgang und des medizinischen Verfahrens ihre Form nicht verändern, nicht komprimieren und nicht deformieren, wie beispielsweise die Skelettknochen; und 2) sogenannte "semi-starre Körper", d.h. Strukturen innerhalb des Körpers, die im Zeitraum zwischen der Bilderzeugung und des medizinischen Verfahrens ihre Form verändern und deformieren können, wie beispielsweise die Leber oder die Prostata. Beide Arten von Körperteilen sind mögliche Ziele medizinischer oder chirurgischer Verfahren, wie etwa Reparations-, Fusions-, Resektions-, Biopsie- oder Bestrahlungsbehandlungen. Es ist daher eine Technik erforderlich, die ein Zusammenpassen zwischen den Abbildungen der Körperteile in vor der Operation aufgenommenen Scans und der während der Operation detektierten Position und Form dieser Körperteile ermöglicht. Diese Technik muß berücksichtigen, daß zwischen Körperteilen, die nicht fest miteinander verbunden sind, eine Verschiebung auftreten kann, wie etwa bei durch Gelenken miteinander verbundenen Knochen, oder Fragmenten eines gebrochenen Knochens, und daß eine Verformung bei semi-starren-Körpern, wie etwa der Leber oder der Prostata auftreten kann. Insbesondere muß diese Technik es ermöglichen, den Datensatz des gescanten Bildes so zu modifizieren, daß der modifizierte Bilddatensatz, der für die Lokalisation und die Bildausgabe 5 verwendet wird, der Position und/oder der Form des betreffenden Körperteils während eines medizinischen oder

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chirurgischen Verfahrens entspricht. Eine Möglichkeit, diese Übereinstimmung zu erzielen, ist die Fähigkeit, die Position und/oder Form des interessierenden Körperteils während des medizinischen oder chirurgischen Verfahrens zu detektieren und zu verfolgen, als auch während dieses Verfahrens verwendete Instrumente oder auch Strahlung zu verfolgen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System anzugeben, das eine Anpassung zwischen der vor der Operation angefertigten bildlichen Darstellung eines Körperteils und dem während des Verfahrens/Eingriffs bzw. der Operation detektierten Körperteil ermöglicht.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das eine Anpassung zwischen der vor der Operation angefertigten bildlichen Darstellung eines semi-starren Körpers, wie etwa der Leber, und dem während der Operation detektierten Körper ermöglicht.

0 Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das eine Anpassung zwischen der vor der Operation angefertigten bildlichen Darstellung mehrerer Körperteile und den während der Operation detektierten Körperteilen ermöglicht.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das einen semi-starren Körper, der im Zeitraum zwischen der Bilderzeugung und der Operation deformieren kann, zu lokalisieren und während der Operation eine 0 Darstellung des Körpers in seiner deformierten Form ausgeben kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das mehrere starre Körper, die sich im Zeitraum zwischen der Bilderzeugung und einer Operation in Bezug aufeinander bewegen können, lokalisieren kann und während der

Operation eine Darstellung der Körper in ihren verschobenen Positionen ausgeben kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das während eines medizinischen oder chirurgischen Verfahrens am Körper eingesetzt werden kann, wobei das System eine die Position eines oder mehrerer Körperelemente während des Verfahrens entsprechende Darstellung erzeugt, die auf einem mittels eines Scanners entweder vor oder während des Verfahrens erzeugten Scan basiert.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das während eines medizinischen oder chirurgischen Verfahrens an einem Körper eingesetzt werden kann und den vor oder während eines Verfahrens erstellten Scan entsprechend der Position jedes der Elemente während des Verfahrens modifizieren kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das während eines medizinischen oder chirurgischen Verfahrens an einem Körper verwendet werden kann und den Bilddatensatz entsprechend der während des Verfahrens identifizierten Form jedes Elements modifizieren kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das eine die Position eines medizinischen oder chirurgischen Instruments in Bezug zu den Körperelementen während des Verfahrens repräsentierende Darstellung erzeugt.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das während bildgeführter medizinischer und chirurgischer Verfahren verwendet und durch den das Verfahren durchführenden Arzt oder Chirurgen einfach angewendet werden kann.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System

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anzugeben, das die relative Position und/oder Form von Körperelementen während eines medizinischen oder chirurgischen Verfahrens, basierend auf der Kontur der Körperelemente bestimmt und es überflüssig macht, die Körperelemente zu bestrahlen.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das ein oder mehrere zwei-dimensionale fluoroskopische oder Röntgenbilder von Körperelementen verwendet, um deren relative Position und/oder Form in drei Dimensionen zu bestimmen.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein chirurgisches oder medizinisches Verfahren anzugeben, bei dem eine die Position der Körperelemente während des Verfahrens repräsentierende Darstellung verwendet wird, die auf einem Bilddatensatz basiert, der vor dem Verfahren erzeugt worden ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System und eine Methode für medizinische oder chirurgische Verfahren anzugeben, die die Repositionierung von Körperelementen während des Verfahrens und die Erzeugung eines die relative Position der Körperelemente zeigenden Bildes gestatten.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System und eine Methode für medizinische oder chirurgische Verfahren anzugeben, die eine Umformung der Körperelemente während des Verfahrens und die Erzeugung eines Bildes, das die Position 0 und gegenwärtige Form der Körperelemente zeigt, ermöglichten.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das ein Körperelement lokalisieren und während des Verfahrens eine Darstellung der Position des Körperelements relativ zu einem Instrument, wie etwa einer Pinzette, einem Mikroskop oder einem Laser ausgeben kann, so daß das

Instrument bezüglich dem Körperelement präzise positioniert werden kann.

Andere Aufgaben und Merkmale werden zum Teil ersichtlich und zum Teil im folgenden erörtert.

(Im Kontext dieser Beschreibung werden die Begriffe "System" und "Vorrichtung" einerseits, "Verfahren", "Eingriff" und "Operation" andererseits synonym verwendet)

Die Erfindung umfaßt ein System für die Verwendung während des medizinischen und chirurgischen Verfahrens an einem Patientenkörper. Das System erzeugt ein oder mehrere Bilder, die die Position und Form mindestens eines Körperelements während des Verfahrens repräsentieren unter Verwendung von mittels einem Scanner vor dem Verfahren erzeugter Scans, wobei die Scans für jedes der interessierenden Körperelemente mindestens einen Bezugspunkt aufweisen. Diese zweidimensionalen Scans umfassen zusammen eine drei-dimensionale 0 Darstellung des Körpers und werden als Bilddatensatz bezeichnet. Die Referenzpunkteeines bestimmten Körperelementes haben eine räumliche Relation zu dem bestimmten Körperelement. Das System schließt Einrichtungen ein für die Identifizierung der Position der Referenzpunktejedes der durch das System darzustellenden Körperelemente während des chirurgischen oder medizinischen Verfahrens. Das System schließt auch eine Recheneinheit ein für die Modifizierung des Bilddatensatzes gemäß der identifizierten Position der Referenzpunktevon jedem der 0 Körperelemente während des medizinischen oder chirurgischen Verfahrens, die als Identifikationseinrichtung bezeichnet wird. Die Recheneinheit erzeugt Bilder unter Verwendung eines modifizierten (verschobenen und/oder deformierten) Bilddatensatzes, der die Position und Form der Körperelemente während des Verfahrens repräsentiert. Optional bestimmt die Recheneinheit die Position eines medizinischen oder

chirurgischen Instrumentes relativ zu diesen Körperelementen. Das System schließt auch ein Display ein, das unter Verwendung des von der Recheneinheit erzeugten modifizierten Bilddatensatzes die Position und Form der Körperelemente während des Verfahrens und optional die bestimmte Position des medizinischen oder chirurgischen Instruments relativ zu den Körperelementen mittels zwei-dimensionaler Bilder darstellt.

Die Erfindung umfaßt auch ein während einer Operation anzuwendendes Verfahren. Gemäß diesem Verfahren werden Bilder erzeugt, die die Position und Form mindestens eines Körperelements während der Operation repräsentieren, basierend auf Scans, die vor der Operation erzeugt worden sind, wobei dieser Scanset Bezugspunkte für jedes Körperelement aufweist Das Verfahren umfaßt folgende Schritte:

Identifizierung, während der Operation, der Position der Bezugspunkte von jedem der darzustellenden Körperelemente;

Modifizieren des Bilddatensatzes entsprechend der identifizierten Position der Bezugspunkte von jedem Körperelement während der Operation, um einen modifizierten (verschobenen und/oder deformierten) Bilddatensatz zu erzeugen, der die Position der Körperelemente während der Operation repräsentiert;

die optionale Bestimmung der Position eines medizinischen oder chirurgischen Instrumentes, einer Sonde 0 oder eine Bestrahlungsstrahls, relativ zu den Körperelementen; und

Erzeugung einer auf dem modifizierten Bilddatensatz basierende Darstellung, die die Position und Form der 5 Körperelemente während der Operation und optional die Position des medizinischen oder chirurgischen Instruments

relativ zu den Körperelementen zeigt.

Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren für die Anwendung auf zwei oder mehrere Körperelemente, von denen jedes Bezugspunkte aufweist. Vor der Operation werden gemäß diesem Verfahren die Körperelemente in einem Rahmen positioniert, um ihre relative Position zu fixieren und die fixierten Körperelemente gescant. Während der Operation umfaßt das Verfahren folgende Schritte:
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Positionierung der Körperelemente in dem Rahmen, so daß die Körperelemente die gleiche relative Position wie während des Scanens haben;

Bestimmung der Position der Bezugspunkte auf den Körperelementen in Bezug auf Referenzeinrichtungen;

Bestimmung der Position eines medizinischen oder chirurgischen Instrumentes in Bezug auf die 0 Referenzeinrichtungen;

Bestimmung der Position des medizinischen oder chirurgischen Instrumentes in Bezug auf die Körperelemente; und

Erzeugung einer auf dem prä-operativen Scanen basierenden Darstellung, die die bestimmte Position des medizinischen oder chirurgischen Instrumentes relativ zu den Körperelementen zeigt.

Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung für die Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, das eine Sensoranordnung aufweist, die mit der Vorrichtung kommuniziert, um deren Position zu bestimmen, die Vorrichtung für die Führung eines Katheters, die Vorrichtung für das Einkuppeln eines an dem chirurgischen Navigationssystem angeschlossenen Kabels,

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das Kabel für die Übertragung von Signalen zur Aktivierung der Vorrichtung. Ein Griff weist eine Ausfüllung auf. Eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden auf dem Griff senden, wenn sie aktiviert sind, für die Kommunikation mit der Sensoranordnung des chirurgischen Navigationssystems Licht ab. Eine am Griff befestigte und zur Aufnahme des an das chirurgische Navigationssystem angeschlossenen Kabels angepaßte Verbindung empfängt die Signale zur Aktivierung der Dioden. In der Aushöhlung des Griffes angeordnete Kabel, die die Verbindung und die lichtemittierenden Dioden elektrische verbinden, übertragen die von der Verbindung empfangenen Signale an die Dioden. Ein am Griff angebrachtes Führungselement führt den Katheter.

Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, das eine Sensoranordnung aufweist, die mit der Vorrichtung kommuniziert, um dessen Position zu identifizieren. Ein Grundelement weist eine Aushöhlung auf. Eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden auf dem Grundelement strahlen bei Aktivierung Licht ab, um mit der Sensoranordnung des chirurgischen Navigationssystems zu kommunizieren. Ein an die Dioden angeschlossener Aktivierungsschaltkreis erzeugt Signale zur Aktivierung der Dioden. In der Aushöhlung des Grundelementes vorgesehene Kabel, die die Energiequelle um die lichtemittierenden Dioden elektrisch miteinander verbinden, übertragen die Signale zur Aktivierung der Dioden.

Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Verwendung mit 0 einem chirurgischen Navigationssystem, das eine Sensoranordnung aufweist, die mit der Vorrichtung kommuniziert, um deren Position zu identifizieren, die Vorrichtung zur Einkopplung einer Struktur, die an einem Instrument angebracht ist, das sich in bekannter Relation zu 5 einem Körperteil befindet, wobei eine bekannte Referenz relativ zu diesem Körperteil zur Verfügung gestellt wird, die

eine Verbindung zur Einkupplung eines an das chirurgische Navigationssystem angeschlossenen Kabels aufweisende Vorrichtung und das Signale zur Aktivierung der Vorrichtung übertragende Kabel. Ein Grundelement weist eine Aushöhlung auf. Eine auf dem Grundelement vorgesehene Kupplung nimmt die Struktur auf, um das Grundelement in fester Relation zum Körperteil zu halten, wodurch die feste Referenz gebildet wird. Eine Vielzahl lichtemittierender Dioden sind auf dem Grundelement vorgesehen, die, wenn sie aktiviert werden, Licht für die Kommunikation der Sensoranordnung des chirurgischen Navigationssystems abstrahlen. Eine an dem Grundelement befestigte Verbindung, die so angepaßt ist, daß sie das an das chirurgische Navigationssystem angeschlossene Kabel aufnehmen kann, empfängt die Signale für die Aktivierung der Dioden. In der Aushöhlung des Grundelements vorgesehene Kabel, die die Verbindung und die lichtemittierenden Dioden elektrisch verbinden, übertragen die von der Verbindung empfangenen Signale an die Dioden, um diese zu aktivieren.

Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, das eine Sensoranordnung aufweist, die mit der Vorrichtung kommuniziert, um deren Position anzugeben, die Vorrichtung zur Führung eines Instrumentes zum Eingriff in ein Körperteil, wobei das Instrument an einer bekannten Position relativ zum Körperteil positioniert wird, die eine Verbindung zur Einkupplung eines an das chirurgische Navigationssystem angeschlossenen Kabels aufweisende Vorrichtung, und das Kabel, das Signale zur 0 Aktivierung der Vorrichtung übermittelt. Ein Gehäuse weist eine Aushöhlung auf. Eine Struktur auf dem Gehäuse führt das Instrument, um das Instrument in einer Beziehung zum Gehäuse zu halten. Eine Vielzahl lichtemittierender Dioden auf dem Gehäuse strahlen, wenn sie aktiviert werden, Licht für die Kommunikation mit der Sensoranordnung des chirurgischen Navigationssystems ab. Eine an dem Gehäuse angebracht

Verbindung, die so angepaßt ist, daß sie das an das chirurgische Navigationssystem angeschlossene Kabel aufnehmen kann, empfängt die Signale zur Aktivierung der Dioden. In der Aushöhlung des Gehäuses vorgesehene Kabel, die die Verbindung und die lichtemittierenden Dioden elektrisch miteinander verbinden, übertragen die von der Verbindung empfangenen Signale an die Dioden, um diese zu aktivieren.

Außerdem umfaßt die Erfindung ein chirurgisches Navigationssystem, umfassend:

einen Controller;

eine Sensoranordnung;
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einen mit der Anordnung kommunizierenden Referenzrahmen zur Identifizierung der Position; und

einen Lokalisationsrahmen, der mit der Anordnung zur Positionserkennung des Lokalisationsrahmens kommuniziert, den Lokalisationsrahmen zur Führung des Instrumentes zum Eingriff in den Körperteil, wobei das Instrument an einer bekannten Position relativ zum Körperteil positioniert wird, sowie den Lokalisationsrahmen, der an den Controller angeschlossen ist, der Signale zur Aktivierung des Lokalisationsrahmens liefert.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Figur 1 ist eine Darstellung des Systems gemäß dem Stand der 0 Technik, bei dem eine starre Fixierung und nicht erfolgende Verschiebungen im Zeitraum zwischen der Bilderzeugung und der Operation eine Punkt-für-Punkt-Anpassung zwischen dem vor der Operation aufgenommenen Scan und der Position während der Operation erlauben.
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Figur 2A veranschaulicht die Durchführung der Erfindung, bei

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der der vor der Operation erzeugte Bilddatensatz entsprechend der Position während der Operation modifiziert wird, um einen verschobenen und/oder deformierten Datensatz zu erzeugen, der die Position während der Operation repräsentiert. 5

Figur 2B ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.

Figur 3 ist eine Darstellung der vor der Operation erfolgenden Ausrichtung dreier Körperelemente während des Scanens.

Figur 4 ist eine Darstellung der während der Operation vorgenommenen Ausrichtung der drei Körperelemente gemäß Figur 3. 15

Figur 5 ist eine Darstellung von drei Körperelementen, von denen an einem ein Referenzrahmen sowie eine registrierende Sonde angebracht ist.

Figur 6 veranschaulicht die erfindungsgemäße Ultraschallregistrierung, bei der Ultraschallemitter als virtuelle Referenz und, optional, der Körper des Patienten als tatsächliche Referenz zugeordnet werden.

Figur 7 ist eine Darstellung eines erfindungsgemäßen fluoroskopischen Lokalisators zur Darstellung eines Bildes der Körperelemente.

Figur 8 ist eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Bohr-0 führungsinstrumentes, wobei die Position einer Bohrführung bildlich dargestellt werden kann.

Figuren 9 und 10 veranschaulichen einen geklammerten Referenzrahmen bzw. einen verdrahteten Referenzrahmen. 35

Figur 11 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten

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Ausführungsform eines cranialen chirurgischen Navigationssystems entsprechend der Erfindung.

Figur HA ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bogenförmigen cranialen Referenzrahmens.

Figur HB ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bogenförmigen cranialen Referenzrahmens.

Figur HC ist ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bogenförmigen cranialen Referenzrahmens.
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Figur 12A ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bogenförmigen spinalen Referenzrahmens.

Figur 12B ist eine Vorderansicht, zum Teil im Querschnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bogenförmigen spinalen Referenzrahmens.

Figur 12C ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bogenförigen spinalen Referenzrahmens.

Figur 12D ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thorako-Lumbai-0 Werkzeugs.

Figur 12E ist eine Vorderansicht, zum Teil im Querschnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thorako-Lumbai-Werkzeugs.
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Figur 12F ist eine Seitenansicht einer bevorzugten

Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thorako-Lumbai-Werkzeugs.

Figur 12G ist ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bogenförmigen spinalen Referenzrahmens.

Figur 13A ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lokalisationsrahmens für eine Biopsieführung.

Figur 13B ist eine Seitenansicht, zum Teil im Querschnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lokalisationsrahmens für eine Biopsieführung. 15

Figur 13C ist eine Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lokalisationsrahmens für eine Biopsieführung.

Figur 13D ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lokalisationsrahmens für eine Bohrführung.

Figur 13E ist eine Seitenansicht, zum Teil im Querschnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lokalisationsrahmens für eine Bohrführung.

Figur 13F ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohrbügel-Lokalisationsrahmens.

Figur 13G ist eine Seitenansicht, zum Teil im Querschnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohrbügel-Lokalisationsrahmens.
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Figur 13H ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte

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Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventrikulotomie-Sonde einschließlich eines erfindungsgemäßen integrierten Lokalisationsrahmens.

Figur 131 ist eine Seitenansicht, zum Teil im Querschnitt, einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventrikulotomie-Sonde einschließlich eines integrierten Lokalisationsrahmens.

Figur 13J ist ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lokalisationsrahmens.

Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen entsprechen gleichen Bauteilen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine Übersicht über die Anwendung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems veranschaulicht. Vor einer bestimmten Operation werden die Körperelemente, die Gegenstand der Operation sein werden, gescant, um ihre Ausrichtung, d.h. ihre prä-operative Position, zu bestimmen. Beispielsweise kann die Ausrichtung so wie in Fig. 3 dargestellt sein, wonach die Körperelemente 10, 2 0 und 3 0 mehr oder weniger parallel ausgerichtet sind. Diese Körperelemente können Knochen oder andere starre Körper sein. In Fig. 3 werden drei-dimensionale Skelettelemente 10, 20, 30 in zwei Dimensionen als hochgradig stylisierte vertebrale Körper dargestellt, mit quadratischen Wirbeln 11, 21, 31, kleinen rechtwinkligen Bändern (englisch: pedicles) 12, 22, 32 und dreieckigen Dornfortsätzen 13, 23, 33. Während der Bilderzeugung werden in Intervallen Scans durch die Körperteile 10, 20, 30 aufgenommen, wie es in Fig. 3 mittels neun gerader Linien dargestellt wird, die allgemein mit der Referenznummer 4 0 bezeichnet werden. Durch jedes der Körperelemente muß mindestens ein Scan angefertigt werden und die zusammengestellten Scans ergeben einen drei-dimensionalen

prä-operativen Bilddatensatz.

Fig. 2B ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Systems. Über ein Scanner-Interface 102 nimmt die Recheneinheit 104 den durch den Scanner erzeugten prä-operativen Bilddatensatz auf und speichert diesen im prä-operativen Bilddatensatz Speicher 106 ab. Vorzugsweise wendet die Recheneinheit 104 nach der Bilderzeugung ein Diskriminierungsverfahren an dem prä-operativen Bilddatensatz an, so daß nur die Körperelemente 10, 20, 30 im Speicher 106 verbleiben. Falls ein Diskriminierungsverfahren angewendet wird, kann die Recheneinheit 104 dieses durchführen, während Daten vom Scanner über das Scanner-Interface 102 zur Abspeicherung im Speicher 106 übertragen werden. Alternativ kann der Speicher 106 zur Speicherung undiskriminierter Daten verwendet und ein separater Speicher (nicht gezeigt) vorgesehen werden, um die diskriminierten Daten zu speichern. Bei dieser Alternative würde die Recheneinheit 104 den vom Scanner über das Scanner-Interface 102 erhaltenen Datensatz in den Speicher 106 übertragen und dann die im Speicher 106 gespeicherten Daten diskriminieren, um einen diskriminierten Bilddatensatz zu erzeugen, der in dem separaten Speicher gespeichert werden würde.

Wenn die Körperelemente 10, 20, 30 diskriminiert und jeweils als ein einzelner starrer Körper definiert sind, können sie durch bekannte Software-Algorithmen repositioniert werden, um den verschobenen Bilddatensatz zu bilden. Jedes starre Körperelement 10, 20, 30 muß mindestens drei erkennbare Bezugspunkte aufweisen, die auf den prä-operativen Bildern sichtbar sind. Diese Bezugspunkte müssen während der Operation genau detektiert werden. Für den Körperteil 10 sind Bezugspunkte 1OA, 1OB und IOC auf dem Dornfortsatz 13 angebracht; für den Körperteil 2 0 sind Bezugspunkte 2OA und 2 0C auf dem Wirbel 21 und Referenzpunkt 2OB ist auf dem Dornfortsatz 23 angebracht; für den Körperteil 3 0 sind

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BezugspunktesOA und 3OB auf dem Dornfortsatz 33 und der Bezugspunkt 3OC auf dem Wirbel 31 angebracht. Bei jedem Scan durch den Knochen kann mehr als ein Bezugspunkt ausgewählt werden, wenngleich die maximale Genauigkeit der Registrierung erreicht wird, indem die Bezugspunkt soweit wie möglich voneinander getrennt werden. Beispielsweise kann es im Falle der posterioren Spinalchirurgie vorteilhaft sein, die Bezugspunkte 1OA, 1OB und IOC auf dem Dornfortsatz zu wählen, der während eines solchen chirurgischen Eingriffes belastet wird. Es ist vorgesehen, daß die Systemsoftware die manuelle oder automatische Identifizierung dieser Punkte in den Bildern der Körperelemente 10,20, 30 ermöglicht. Da Fig. 3 eine zwei-dimensionale Darstellung eines drei-dimensionalen Vorgangs ist, sind die Bezugspunkte nicht auf eine wie dargestellte perfekte sagitale Ebene beschränkt.

Nach der Bilderzeugung können sich die Körperteile 10, 20, 3 0 des Skeletts an den Verbindungen oder Bruchlinien gegeneinander bewegen. In dem Raum, in dem das Verfahren 0 durchgeführt wird, wie beispielsweise ein Operationssaal oder ein Raum, in dem ein medizinisches Verfahren durchgeführt wird, werden die Körperelemente nachdem der Patient für den chirurgischen Eingriff positioniert worden ist, eine andere Geometrie einnehmen, wie etwa die in Fig. 4 wiedergegebene Geometrie.

Als Folge dieser Bewegung spiegelt der im Speicher 106 abgespeicherte Bilddatensatz, der aus den Scans durch die Skelettelemente besteht, die operative Position der Skelettelemente nicht wieder, wie in Fig. 4 gezeigt wird. Die durch die Scans durch die Elemente dargestellte Form der Skelettelemente stimmt zwischen der Bilderzeugung und der Operation jedoch überein, da die Elemente starre Körper sind, wie es durch die Linien 40 durch jedes Element in Fig. 4 angedeutet wird. Daher muß der Bilddatensatz modifiziert werden, um die intra-operative Geometrie der Skelettelemente

wiederzugeben. Diese Modifikation wird durchgeführt, indem die Lage jedes Bezugspunktes jedes Skelettelementes im Operationsbereich identifiziert wird. Wie in Fig. 2 diagrammartig dargestellt, identifiziert ein Lokalisator 108 (für Details siehe Fig. 13, unten) die Position und gibt diese Information aus, so daß der prä-operative Datensatz zum verschobenen Datensatz deformiert oder repositioniert werden kann. Infolgedessen befindet sich der verschobene Datensatz in Übereinstimmung mit der intra-operativen Position der Elemente 10, 20, 30. Wenn die Positionen der Bezugspunkte durch den Lokalisator 108 bestimmt sind, kann die Recheneinheit 104, die Teil der Workstation ist, eine Software anwenden, die die Bilder der Skelettelemente repositioniert, um die Position der tatsächlichen Elemente im Operationsraum wiederzugeben und somit den verschobenen Satz und die Übertragung zwischen dem verschobenen Satz und der intra-operativen Position zu bilden.

Vorzugsweise wird ein drei-dimensionaler Digitalisierer als 0 Lokalisator zur Bestimmung der Position und des Raums der Elemente 10, 20, 3 0 während der Operation bestimmt. Im allgemeinen würde der Digitalisierer eine Referenzanordnung 110 einschließen, die Emissionen aus einer Reihe von Emittern . aufnimmt. Üblicherweise bestehen diese Emissionen aus irgendeiner Art von Energie, wie beispielsweise Licht, Schall oder elektromagnetische Strahlung. Die Referenzanordnung 110 ist von den den Elementen zugeordneten und in Koordination mit diesen positionierten Emittern beabstandet und bestimmt die Position der Emitter. Wie offensichtlich ist, können die 0 Emitter von den Elementen beabstandet angeordnet und die Referenzanordnung 110 an den zu lokalisierenden Elementen befestigt werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird im folgenden eine 5 alternative bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems beschrieben, die den Fall betrifft, in dem die

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Körperelemente nicht starr, sondern eher semi-starr sind, so daß Deformierungen der Form der Körperelemente auftreten können. Vor einer bestimmten Operation werden die Körperelemente, die der Gegenstand der Operation sind, gescant, um ihre prä-operative Position und Form zu bestimmen. Beispielsweise kann die Ausrichtung wie in Fig. veranschaulicht erfolgen, wobei die Körperelemente 10, 20 und 3 0 mehr oder weniger parallel ausgerichtet werden und eine definierte Form haben. Diese Körperelemente können weiches Gewebe sein, beispielsweise die Prostata oder andere semistarre Körper.

Nach der Bilderzeugung können sich die Elemente 10, 20, 3 0 gegeneinander bewegen und ihre Form kann sich ändern. Im Verfahrensraum, wie etwa einem Operationssaal oder einem Raum, in dem ein medizinisches Verfahren durchgeführt wird, können die Körperelemente, nachdem der Patient für den chirurgischen Eingriff positioniert worden ist, eine andere Geometrie aufweisen, wie etwa die in Fig. 4 dargestellte Geometrie, wobei diese Geometrie sowohl die Ausrichtung (Position) der Elemente als auch die Form wiedergibt.

Infolge dieser veränderten Geometrie gibt der in dem Speicher 106 gespeicherte prä-operative Bilddatensatz die operative Geometrie der Körperelemente, in Fig. 4 gezeigt, nicht wieder. Tatsächlich hat sich die wie in den Scans durch das Element dargestellte Form der Körperelemente, im Zeitraum zwischen der Bildererzeugung und der Operation verändert, da sie semi-starre Körper sind. Daher muß der Bilddatensatz 0 modifiziert werden, um die gegenwärtige Geometrie der Körperelemente wiederzugeben. Diese Modifikation wird durchgeführt, indem die Position der Bezugspunkteauf jedem Körperelement im Operationsbereich identifziert wird. Wie diagrammartig in Fig. 2 gezeigt wird, identifiziert ein gegebenenfalls mit einer Recheneinheit 104 in Verbindung stehender Lokalisator die Position der Bezugspunkte und gibt

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diese Information aus, so daß der prä-operative Datensatz in den verschobenen Datensatz umgewandelt werden kann. Wenn die Position der Bezugspunkte bestimmt ist, kann die Recheneinheit 104, die Teil der Workstation ist, ein Softwareprogramm ausführen, das die Bilder der Körperelemente so modifiziert, daß die tatsächliche Geometrie der Körperelemente in dem Operationssaal wiedergespiegelt wird und somit den verschobenen Satz und die Übertragung zwischen dem verschobenen Satz und der intra-operativen Position in Übereinstimmung bringt. Infolgedessen befindet sich der verschobene Datensatz in Übereinstimmung mit der intraoperativen Geometrie der Elemente 10, 20, 30.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Referenzrahmen 116 am Anfang des Verfahrens an einem der Körperelemente 10 angebracht. Verschiedene Ausfuhrungsformen von Referenzrahmen sind detaillierter in den Figuren 11 und 12 gezeigt. Der Referenzrahmen 116 ist mit einer Vielzahl von Emittern 114 ausgestattet, die zusammen ein drei-0 dimensionales, intra-operatives Koodinatensystem bezüglich dem Körperelement 10 bilden. In üblicher Ausdrucksweise definiert der Referenzrahmen 116 den stereotaktischen Raum bezüglich des Körperelements 10. Die Emitter 114 kommunizieren mit Sensoren 112 auf einer Referenzanordnung 110, die sich in dem Operationssaal und von dem Referenzrahmen 116 und dem Patienten entfernt befindet. Wenn der Körper des Patienten während des chirurgischen Eingriffes nicht immobilisiert wird, können mehrere Referenzrahmen für jedes Körperelement erforderlich sein, um ein Operations-0 gebiet bezüglich jedem Element zu definieren. Das Operationsgebiet kann alternativ durch direktes (oder indirektes, beispielsweise über die Haut) Fixieren der Rahmenemitter 114 an den Skelettelementen 10, 20 oder 30 definiert werden. In beiden Fällen emittieren die Emitter 114 ein Signal, das durch die Sensoren 112 empfangen wird. Das empfangene Signal wird zur Berechnung der Position, beispielsweise durch

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Triangulation, digitalisiert. Mittels derartiger Informationen kann der Lokalisator 108 oder ein Digitalisierer, der Teil des Lokalisators 108 ist, die exakte drei-dimensionale Position der Rahmenemitter 114 bezüglich der Sensoren 112 bestimmen. Damit kann der Lokalisator 108 oder die Recheneinheit 104 die Position des Referenzrahmens 116 relativ zur Anordnung, die, ausgenommen während des Lokalisierungsvorganges, frei beweglich ist, bestimmen. Die Emitter 114 des Referenzrahmens 116 werden angeregt, um Strahlung an die Sensoren 112 abzusenden, wobei die Strahlung empfangen wird und Signale erzeugt, die an den Lokalisator 108 zur Bestimmung der Position des Rahmens 116 in Bezug auf die Anordnung 110 weitergegeben werden.

Als nächstes ist es erforderlich, die Position des Körperelements 10, das ein Skelettelement sein kann, an dem der Referenzrahmen 116 befestigt oder in Bezug zu ihm positioniert ist, zu bestimmen. Insbesondere muß die Position des Körperelements 10 in Bezug zum Referenzrahmen 116 0 bestimmt werden, wodurch die Position des Körperelements im durch den Referenzrahmen 116 definierten Operationsgebiet bestimmt wird. Nachdem die BezugspunktelOA, 1OB, IOC einer chirurgischen Disektion ausgesetzt wurden, werden die Bezugspunktemit der Spitze einer mit Emittern 12 0 versehenen Registrierungssonde 118 berührt. Bei Berührung jedes der BezugspunktelOA, 10B, IOC durch die Spitze der Sonde 120, werden die Emitter zur Kommunikation mit den Sensoren 112 der Referenzanordnung 110 angeregt. Durch diese Kommunikation kann der Lokalisator 108 die Position der Registrierungssonde 120 bestimmen, und damit auch die Position der Spitze der Sonde 12 0, und damit auch die Position des Bezugspunktes 1OA, auf dem die Spitze positioniert ist. Durch Berühren jedes Referenzpunktes 1OA, 1OB, IOC auf jedem Körperelement 10, 20, 30, die der Operation unterliegen, werden intra-operative Geometriedaten erzeugt und im Speicher 121 abgelegt. Diese Daten werden den entsprechenden Referenzpunkten in den prä-

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operativen Bildern derselben Elemente zugeordnet, und zwar durch die Recheneinheit 104, die mittels eines Softwareprogrammes eine Transformation durchführt, die die Bestimmung der exakten Position, Orientierung und Form im 5 Operationsbereich jedes Körperelementes ermöglicht und dabei den im Speicher 106 abgelegten prä-operativen Bilddatensatz so modifiziert, um einen verschobenen Bilddatensatz zu erzeugen, der im Speicher 122 abgespeichert wird. Der verschobene Bilddatensatz im Speicher 122 spiegelt die Geometrie der tatsächlichen Elemente 10, 20, 30 während der Operation wieder. Die Recheneinheit 104 gibt den verschobenen Bilddatensatz auf einem Display 124 aus, um eine bildliche Darstellung der Geometrie der Körperelemente 10, 20, 3 0 während der Operation zu erstellen. Dieses Bild wird während der Operation zu deren Unterstützung verwendet. Es ist zusätzlich vorgesehen, daß ein Instrument, wie beispielsweise eine Pinzette, ein Laser, ein Mikroskop, ein Endoskop oder ein strahlenerzeugendes System, das während der Operation verwendet würde, durch Anbringung von Emittern modifiziert werden kann. Diese modifizierte Vorrichtung wird, wenn sie in den Bereich der Körperelemente 10, 20, 3 0 bewegt wird, aktiviert werden, so daß ihre Emitter mit der Referenzanordnung 110 kommunizieren und damit die Bestimmung der Position des Instruments durch den Lokalisator 108 ermöglichen. Infolgedessen wird die Recheneinheit 104 das Display 124, beispielsweise durch Positionierung eines Cursors, so modifizieren, daß die Position des Instrumentes oder des Brennpunktes des Instrumentes bezüglich der Körperelemente 10, 20, 30 angegeben wird.

Es ist weiter vorgesehen, daß die Aufbringung von Emittern auf einem Instrument (Effektor) mit dem System dazu verwendet werden kann, einen Closed-Loop-Regelkreis zur aktiven (im Falle von Robotern) oder passiven Regelung oder Überwachung des Instrumentes und dessen Position zu bilden. Ein solcher Regelkreis ermöglicht die Überwachung von bestimmten

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Vorgängen, wie beispielsweise die Verabfolgung des Körpers mit Strahlung oder die Verwendung eines Bohrers, wenn das Ziel des Verfahrens darin liegt, den Brennpunkt des Instrumentes in einer sicheren Zone, d.h. einem vorbestimmten 5 Operationsplan, zu halten. Ein solcher Regelkreis könnte auch den Betrieb eines robotisch gesteuerten Instrumentes überwachen, wobei der Roboter direkt oder indirekt über die Recheneinheit 104 gesteuert werden könnte, um die Position des Instrumentes zu regeln. Beispielsweise könnte die Recheneinheit einen Roboterarm anweisen, die Position eines Lasers zu steuern. Die Laser-Position könnte beispielsweise durch Emitter auf dem Laser bewacht werden. Die Recheneinheit würde mit den Steuerungsparametern für den Laser programmiert werden, so daß dieser präzise einem vorbestimmten Weg folgen würde.

Der Referenzrahmen 116 ermöglicht es, daß der Patient während der Operation bewegt werden kann, ohne daß ein erneutes Aufnehmen der Position jedes der Körperelemente 10, 20, 30 erforderlich ist. Es wird vorausgesetzt, daß die Körperelemente während der Operation relativ zueinander befestigt sind. Da der Referenzrahmen 116 (direkt oder indirekt) am Körperelement 10 fixiert ist, führt die Bewegung des Patienten zu einer entsprechenden Bewegung des Referenzrahmens 116. Periodisch oder nach jeder Bewegung des Patienten können die Anordnungsemitter 114 angeregt werden, um mit den Sensoren 112 des Referenzrahmens 110 zu kommunizieren, damit der Lokalisator 108 die Position des Referenzrahmens 116 bestimmen kann. Da sich der 0 Referenzrahmen 116 an einer bekannten relativen Position zum Element 110 befindet und wir vorausgesetzt haben, daß die Elemente 20 und 30 in fester Beziehung zum Element 10 stehen, kann der Lokalisator 108 und/oder die Recheneinheit 104 die Position der Elemente bestimmen und dabei die Registrierung 5 (Eintragung) aufrechterhalten.

Eine Alternative zur Berührung der BezugspunkteA, B, C mit der Spitze der Sonde 118 wäre die Verwendung eines Konturscanners 126a mit zugehörigen Emittern 126b. Eine solche Vorrichtung, bei der irgendeine Form von Energie, wie beispielsweise Schall oder Licht, verwendet wird, die emittiert, durch die Kontur reflektiert und anschließend detektiert wird, würde die Ausnutzung der Kontur der Körperelemente 10, 20, 30 ermöglichen, die damit als eine Vielzahl von Referenzpunkten dienen könnte, die eine Registrierung (Eintragung) ermöglichen würden. Der Eintragungsvorgang ist dabei analog dem weiter unten im Zusammenhang mit aus Ultraschall gewonnenen Konturen beschriebenen Vorgang.

In bestimmten Situationen können auf der Hautoberfläche vorgesehene Markierungen als Bezugspunkte verwendet werden, um die Transformierung des prä-operativen Bilddatensatzes in den verschobenen Bilddatensatz zu ermöglichen. Umgekehrt können zur Zeit der Bilderzeugung auf der Hautoberfläche angebrachte Referenzeinrichtungen verwendet werden, um den Körper zu 0 repositionieren und damit die während der Bilderzeugung herrschende Geometrie zu treffen, wie es im folgenden beschrieben wird.

Es kann wünschenswert sein, die Lokalisation der Körperelemente 10, 20, 30 ohne die intra-operative Belastung der Bezugspunkte A, B, C auf diesen Körperelementen durchzuführen. Beispiele, bei denen die Wirbelsäule nur minimal belastet wird, sind perkutane Biopsie der Wirbelsäule oder Disektomie, spinale Fixierung, Endoskopie, perkutane Insertion von Spinalimplantaten, perkutane Fusionen, Einsetzung von wirkstoffabgebenden Systemen sowie Bestrahlungen. In diesen Fällen muß die Lokalisation von Bezugspunkten auf den Körperelementen durch irgendeine Form von Bilderzeugung bestimmt werden, die eine Lokalisation durch überliegendes weiches Gewebe und/oder umgebende Gewebe und Strukturen diskriminieren kann. Gegenwärtig gibt es zwei

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Bilderzeugungstechniken, die einem Chirurgen im Operationssaal oder einem Arzt in einem Operationsraum zur Verfügung stehen, die kostengünstig und tragbar sind. Diese beiden Bilderzeugungstechniken, die Ultraschallsonographie und die Röntgenographie, können zwei- oder drei-dimensionale Bilder erzeugen, die in der vorliegend beschriebenen Weise verwendet werden können, um eine drei-dimensionale Form, wie beispielsweise ein Skelettelement, zu registrieren.

Wie in den US-Patentanmeldungen Nr. 07/858,980 und Nr. 08/053,076, deren gesamte Offenbarungen hierin unter Bezugnahme aufgenommen werden, beschrieben wird, bietet die Kopplung eines drei-dimensionalen Digitalisierers mit einer Sonde eines Ultraschallgerätes Vorteile dahingehend, daß eine Kontur erhalten werden kann, die direkt in Bezug zu einem Referenzsystem gebracht werden kann, das drei-dimensionale Koordinaten im Operationsgebiet definiert. Im Kontext der vorliegenden Erfindung werden Bilder von einem Patienten vor einer Operation angefertigt, um einen prä-operativen Bilddatensatz zu erzeugen, der im Speicher 106 abgelegt wird. Im Operationssaal wird der Körper des Patienten immobilisiert, um die räumliche Beziehung zwischen den Körperelementen 10, 20, 30 zu stabilisieren. Ein operatives Referenzsystem, Operationsgebiet, wird für den Körper erstellt, indem ein Referenzrahmen 116 an einem der Körperelemente angebracht wird oder auf andere Weise Emitter am Patienten oder an Körperelementen, wie oben beschrieben, angebracht werden, oder indem Emitter an einem Gerät angebracht werden, das eines der Körperelemente verfolgen und 0 dabei eine bekannte Beziehung zum Körperelement herstellen kann. Dies kann beispielsweise durch die perkutane Plazierung eines dem oben beschriebenen ähnlichen Referenzrahmens, durch auf die Elemente aufgeschraubte strahlenundurchlässige Markierungen oder dadurch erfolgen, daß Sender 130 direkt auf der Haut vorgesehen werden, wie es in Fig. 6 veranschaulicht wird, basierend auf der Annahme, daß die Haut sich während

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des Verfahrens nicht bezüglich der Körperelemente verschiebt.

Eine mit mindestens drei Emittern 13 0 versehene Ultraschallsonde 128 wird dann über dem interessierenden Körperelement angeordnet. Die Kontur (die entweder zwei- oder drei-dimensional sein kann) des Körperelementes wird dann unter Verwendung der Ultraschallsonde 128 erhalten. Diese Kontur kann direkt oder indirekt in den durch das Referenzsystem definierten operativen Koordinaten (Operationsbereich) ausgedrückt werden. Die Sender 13 0 kommunizieren mit den Sensoren 112 der Referenzanordnung 110, um die Position der Ultraschallsonde 128 anzugeben. Ein Ultraschall-Scanner 130, der die Sonde 128 anregt, bestimmt die Kontur des interessierenden und gescanten Körperelementes. Diese Konturinformation wird an die Recheneinheit 104 zur Speicherung im intra-operativen Geometriedatenspeicher geliefert.

Die im Speicher 121 abgelegte intra-operative Kontur wird 0 dann mittels eines Konturanpassungsalgorithmus mit einer entsprechenden, aus dem im Speicher 106 abgelegten präoperativen Bilddatensatz gewonnenen Kontur verglichen. Alternativ kann ein prä-operativer Konturdatensatz im Speicher 134 abgespeichert werden, der auf einem präoperativen Ultraschallscan basiert, der vor der Operation über das Scanner-Interface 102 in den Speicher 134 eingegeben worden ist. Dieser Vergleichsvorgang wird so lange fortgesetzt, bis eine Übereinstimmung für jedes der Elemente gefunden worden ist. Durch diesen Konturanpassungsvorgang 0 wird eine Anpassung zwischen den Bildern jedes Körperelementes und der entsprechenden Position jedes Elementes im Operationsgebiet erhalten, wodurch die Bildung des verschobenen Bilddatensatzes 122 ermöglicht wird, der für die Lokalisation und die Bildausgabe verwendet wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß die im Anpassungsvorgang verwendeten Konturen lediglich hinreichend identisch sein müssen, um eine

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genaue Anpassung zu erreichen; die Konturen müssen nicht das identische Ausmaß des Körperelementes haben.

In bestimmten Fällen mag die oben beschriebene Ultraschall-Registrierung nicht anwendbar sein. Beispielsweise durchdringt Ultraschall die Knochen nicht, und die Anwesenheit eines oben liegenden Knochens würde die Registrierung eines darunterliegenden Skelettelementes ausschließen. Darüberhinaus nimmt die Auflösung von Ultraschall mit zunehmender Tiefe des abzubildenden Gewebes ab und kann daher nicht besonders geeignet sein, wenn das Skelettelement so tief liegt, daß keine präzise ultraschallgenerierte Kontur erhalten wird. Unter diesen Umständen ist eine radiologische Methode angezeigt, bei der die größere Eindringtiefe von Röntgenstrahlen ausgenutzt wird.

Die prä-operative Bilderzeugung erfolgt in üblicher Weise, und in dem Bilddatensatz können die Skelettelemente von dem weichen Gewebe diskriminiert werden, wie oben beschrieben.

Insbesondere könnte ein CT-Scan der Skelettelemente 10, 20, 3 0 vor der Operation aufgenommen werden. Die Recheneinheit 104 kann dann die Skelettelemente diskriminieren und den präoperativen Bilddatensatz im Speicher 106 ablegen. Als nächstes wird der Patient für die Operation immobilisiert.

Mittels einer radiographischen Vorrichtung, die mit vom Digitalisierer detektierbaren Emittern versehen ist, wird ein Röntgenbild der interessierenden Skelettanatomie erstellt. In Fig. 7 wird beispielhaft ein fluoroskopischer Lokalisator dargestellt. Der Lokalisator 136 umfaßt eine Röntgenstrahlenemittierende Vorrichtung, wie beispielsweise eine Röhre 138, sowie einen Röntgenstrahl-empfindlichen Schirm 140, der ein Bild erzeugt, wenn von Röntgenstrahlen durchstrahlt wird. Dieser Schirm wird als fluoroskopische Platte bezeichnet. Die Emitter 14 2 können auf der Röhre 13 8, auf der fluoroskopischen Platte 140 oder auf beiden vorgesehen sein. Bei Vorrichtungen, bei denen die Röhre 138 fest mit der

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Platte 14 0 verbunden ist, brauchen die Emitter nur entweder auf der Röhre oder auf der Platte vorgesehen werden. Alternativ kann die Referenzanordnung 110 an der Röhre oder der Platte befestigt sein, wodurch Emitter auf diesem Element nicht erforderlich sind. Indem Röntgenstrahlen durch das interessierende Skelettelement 141 dringen, wird ein auf der Knochendichte basierendes zwei-dimensionales Bild erzeugt und durch die Platte aufgezeichnet. Das durch den fluoroskopischen Lokalisator 136 erzeugte Bild wird durch den Winkel der Röhre 138 in Bezug auf die Platte 140 und die Position der dazwischenliegenden Skelettelemente bestimmt und kann in Bezug auf die Operationskoordinaten (Operationsgebiet) definiert werden. Der fluoroskopische Lokalisator 13 6 weist eine Recheneinheit auf, die das Bild auf der Platte 140 digitalisiert und das digitalisierte Bild zur Recheneinheit 104 für mögliche Weiterverarbeitung und nachfolgende Speicherung im intra-operativen Geometriedatenspeicher 121 weiterleitet. Die Recheneinheit 104 kann die Erzeugung dieses zwei-dimensionalen Röntgenbilder simulieren, indem eine Reihe 0 zwei-dimensionaler Projektionen der drei-dimensionalen Skelettelemente erzeugt wird, die im im Speicher 106 abgelegten Bilddatensatz diskriminiert worden sind. Jede zwei-dimensionale Projektion repräsentiert den Durchgang eines Röntgenstrahl durch den Körper bei spezifischem Winkel 5 und Entfernung. Um den verschobenen Datensatz zu formen und so Registrierung zu erhalten, wird ein sich wiederholender Vorgang verwendet, der eine zwei-dimensionale Projektion durch den verschobenen Datensatz, der am besten zu dem (den) im Speicher 121 gespeicherten aktuellen radiographischen Bild(ern) paßt, auswählt. Der beschriebene Vorgang kann mehr als ein radiographisches Bild benutzen. Da der Recheneinheit 104 die Position des fluoroskopischen Lokalisators aufgrund der darauf befestigten Emitter 142, die in Kommunikation mit dem Lokalisator 128 stehen, bekannt ist, wird die exakte Position des Skelettelements während der Operation bestimmt.

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Wie oben erwähnt, kann das operative Referenzsystem oder der Operationsraum für den Körper durch Anbringen von Emittern an eine Vorrichtung eingerichtet werden, die fähig ist, eines der Körperelemente zu detektieren und zu verfolgen, d.h. zu identifizieren, wobei sie eine bekannte Relation mit dem Körperelement bildet. Beispielsweise bilden die Sender 130 zusammen mit oder ohne die drei Emitter auf dem Körper des Patienten eine Art Referenzrahmen 116, wie in Fig. 6 wiedergegeben, der im wesentlichen am Körperelement 10 angebracht werden kann, indem man kontinuierlich oder periodisch die in dem intra-operativen Geometriedatenspeicher 121 gespeicherte Ultraschallkontur des Körperelements 10 auf den neuesten Stand bringt, was die Recheneinheit 104 dann verwendet, um der im prä-operativen Speicher 106 gespeicherten Kontur des Körperelements 10 zu entsprechen, wobei der im Speicher 122 gespeicherte verschobene Bilddatensatz kontinuierlich oder periodisch auf den neuesten Stand gebracht wird, so daß die Registrierung mit der Operationsposition der Körperelemente aufrechterhalten wird. Es wird erwogen, daß ein tatsächlicher Referenzrahmen ausgeführt werden kann, der jegliche Anzahl an Vorrichtungen verwendet, die ein Körperelement detektieren oder verfolgen können, wie beispielsweise radiographische Vorrichtungen (Fluoroskop), Endoskope oder Konturscanner.

Die obigen Lösungen erreichen Registrierung durch die Formation eines im Speicher 122 gespeicherten verschobenen Bilddatensatzes, der der Verschiebung des Skelettelements zum Zeitpunkt der Operation entspricht. Eine alternative Technik zum Erreichen der Registrierung liegt darin, daß sichergestellt wird, daß die Positionen der Skelettelemente während der Operation identisch mit denen zum Zeitpunkt der Bilderzeugung sind. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Rahmen verwendet wird, der die Position des Patienten einstellt und immobilisiert. Bei dieser Technik werden vor 5 der Bilderzeugung mindestens drei Markierungen auf der Haut angebracht. Diese Markierungen müssen durch die eingesetzte

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Bilderzeugungstechnik detektierbar sein und werden als "Fiducials" bezeichnet. Eine Vielzahl von Fiducials ist zur Erhöhung der Genauigkeit wünschenswert.

Während der Operation wird der Körper des Patienten auf einem eine präzise Positionierung ermöglichenden Rahmen plaziert. Derartige Rahmen werden für die Spinalchirurgie üblicherweise verwendet und können modifiziert werden, um sie während der Bilderzeugung zu verwenden, und sie könnten zur Repositionierung des Patienten während der Operation verwendet werden. Diese Rahmen können mit Antriebsmechanismen versehen werden, die ein langsames Verschieben des Körpers durch eine Vielzahl von Positionen ermöglichen. Die zum Zeitpunkt der Bilderzeugung aufgebrachten Fiducials werden durch Emitter ersetzt.

Indem der Antriebsmechanismus des Rahmens betätigt wird, kann die exakte Position der Emitter während der Operation bestimmt werden und mit der Position der Fiducials in dem prä-operativen Bilddatensatz, der im Speicher 106 gespeichert ist, verglichen werden. Wenn die Emitter eine der Geometrie der Fiducials des Bilddatensatzes identische Geometrie annehmen, kann angenommen werden, daß die Skelettelemente sich in einer geometrischen Beziehung befinden, die identisch der Position während des prä-operativen Scans ist, und das Verfahren kann unter Verwendung des ungeänderten, im Speicher 106 abgelegten Bilddatensatzes durchgeführt werden.

Im allgemeinen sind die bei Operationen am Skelett eingesetzten Instrumente etwas unterschiedlich von denen, die für craniale Anwendungen verwendet werden. Anstatt sich mit 0 der gegenwärtigen Position zu beschäftigen, umfaßt die Chirurgie am Skelett üblicherweise die Einbringung von "Hardware" durch Knochen, die Entnahme einer Biopsie durch den Knochen oder die Entfernung von Fragmenten. Daher müssen die Instrumente für diese Anwendung angepaßt werden.

Ein üblicherweise verwendetes Instrument ist ein Bohrer.

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Indem Emitter auf einem chirurgischen Bohrer vorgesehen werden und eine feste Beziehung zwischen dem Körper des Bohrers und seiner Spitze (üblicherweise eine Bohrkrone) geschaffen wird, kann die Richtung und die Position der Bohrkrone bestimmt werden. Es sind mindestens drei Emitter auf dem Bohrer erforderlich, da die meisten Bohrer eine komplexe drei-dimensionale Form haben. Alternativ können Emitter auf einer Bohrer-Führungsröhre 800 mit Emittern vorgesehen werden, und die Richtung 804 der positionierten Schraube oder des erzeugten Lochs kann durch den Digitalisierer bestimmt und im Bilddatensatz gezeigt werden (siehe Fig. 8). Das Skelettelement 806 trägt ebenfalls Emitter, um seine Position anzuzeigen.

Abgesehen von der Modifikation gegebener Instrumente sind neue Instrumente erforderlich, um ein wie oben diskutiertes chirurgisches Referenzsystem zu schaffen. Diese Referenzrahmen, die jeweils mit mindestens drei Emittern versehen sind, erfordern eine Fixierung am Knochen, die eine Verschiebung oder eine Rotation ausschließt.

Für offene chirurgische Eingriffe kann eine klammerartige Anordnung, wie in Fig. 9 wiedergegeben, verwendet werden. Eine Klammer 900 ist mit mindestens zwei Punkten 902, 904, 906, 908 versehen, die eine Fixierung zu einem Fortsatz eines Skelettelementes schaffen. Bei Anwendung mindestens einer Zweipunkt-Fixierung wird sich die Klammer 900, die als Referenzrahmen dient, bezüglich der Skelettelemente nicht drehen. Die Klammer schließt Emitter 912, 914, 916 ein, die mit der Anordnung kommunizieren, um die Position des Skelettelementes bei dessen Verschiebung während der Operation anzugeben.

Viele Operationen betreffen Knochenfragmente 94 0, die während des chirurgischen Eingriffes nicht betroffen sind, sondern einfach mit Drähten oder Schrauben 950, 952, die durch die

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Haut 954 eingeführt werden, fixiert werden. Fig. 10 zeigt eine Referenzplattform 956, die an solchen durch die Haut 954 herausstehenden Drähten oder Schrauben 950, 952 befestigt ist. Die Plattform 956 schließt eine Vielzahl an Emittern 958, 960, 962, 964 ein, die mit der Anordnung kommunizieren, um die Position des Knochenfragmentes 940 bei seiner Bewegung während der Operation anzugeben.

Der Referenzrahmen kann über die herausstehenden Schrauben oder Drähte gezogen oder an diesen befestigt sein, um ein Referenzsystem zu schaffen. Alternativ kann der Rahmen an nur einem Draht befestigt sein, solange die Art der Befestigung des Rahmens an der Schraube oder dem Draht eine Rotation verhindert und auch verhindert wird, daß der Draht oder die Schraube sich innerhalb des befestigten Skelettelementes verdrehen.

REFERENZ- UND LOKALISATIONSRAHMEN

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen cranialen chirurgischen Navigationssystems. Der tragbare Systemschrank 102 schließt eine chirurgische Workstation 104 ein, die so getragen wird, daß sie von dem das System verwendenden Chirurgen oder Techniker eingesehen werden kann. Die Workstation 104 schließt einen Schirm 106 für die Darstellung der verschiedenen Scans ein und ist an einen Personal Computer 108 angeschlossen, der den Monitor 106 steuert. Das System schließt auch einen optischen Digitalisierer ein, der eine Kameraanordnung 110 einschließt, einen Kameraständer 112 zum Tragen der Anordnung in Sichtlinie mit dem Patienten und von dieser entfernt, eine Digitalisierer-Kontrolleinheit 114 auf dem tragbaren Systemschrank 102, die mit dem Computer 108 verbunden ist, einen Fußschalter 116 für die Betriebskontrolle des Systems sowie eine Verteilerdose 118 für die Verbindung des Fußschalters 116 mit der

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Digitalisierer-Kontrolleinheit 114.

Über die Verteilerdose 118 ist auch eine Referenzrahmenanordnung 120 angeschlossen, die einen Referenzrahmen 122 mit einem an die Verteilerdose 118 angeschlossenen Kabel, eine vertikale Trageanordnung 124, eine Kopfklammeranordnung 126 und eine horizontale Trageanordnung 128 einschließt. Die optische Sonde 130 (die einen Lokalisationsrahmen darstellt) ist ebenfalls über Kabel und die Verteilerdose 118 an die Digitalisierer-Kontrolleinheit 114 angeschlossen.

Bei der Operation wird der Kopf eines Patienten (oder ein anderes "starres" Körperelement) an der Kopfklammeranordnung 126 befestigt. Um die Position der optischen Sonde 130 bezüglich des Kopfes innerhalb der Kopfklammeranordnung 126 zu bestimmen, tritt der Chirurg auf das Pedal 116, um die Emitter des Referenzrahmens 122 anzuregen. Die Emitter erzeugen ein Lichtsignal, das durch die Kameraanordnung 110 aufgenommen und zur Bestimmung der Position des Kopfes einer Triangulation unterzogen wird. Die Emitter der optischen Sonde 13 0 werden ebenfalls zur Abgabe von Lichtsignalen angeregt, die durch die Kameraanordnung aufgenommen werden, um die Position der optischen Sonde 130 zu bestimmen. Basierend auf der relativen Position des Kopfes und der Sonde 130 erstellt die Kontrolleinheit 114 einen prä-operativen Scan auf dem Bildschirm des Monitors 106, der die Position der Sonde relativ zum und/oder innerhalb des Kopfes angibt.

Fig. HA ist eine Draufsicht einer bevorzugten 0 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen bogenförmigen cranialen Referenzrahmens. Referenzrahmen 122 ist für die Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem vorgesehen, wie beispielsweise dem in Fig. 11 dargestellten, das eine Sensoranordnung, beispielsweise eine Kameraanordnung 5 110, aufweist, die mit dem Referenzrahmen 122 kommuniziert, um dessen Position zu identifizieren. Der Referenzrahmen

schließt ein Grundelement 132 mit einer oberen Basis 134 und einer Grundplatte 136 ein, die jeweils halbkreisförmig sind und mittels Schrauben 138 miteinander verbunden sind, um eine Aushöhlung 140 zu bilden. Die Basis und die Platte können aus anodisch oxidiertem Aluminium oder anderem autoclavierbarem Material bestehen. Die Oberseite der oberen Basis kann mit einer oder mehreren Federklammern 142 versehen sein, die mit einem Leyla-Retraktorarm in Eingriff gebracht werden können. Wie in Fig. HA gezeigt, ist die obere Basis mit fünf Federklammern 142 versehen.

Jedes oder beide Enden des Referenzrahmens 122 können mit einem Bajonett-Anschluß 144 versehen sein, um eine Klammer aufzunehmen, die ebenfalls in Eingriff mit einem Leyla-Retraktor steht. Mindestens ein Ende des Referenzrahmens 122 ist als radialer Fortsatz 146 ausgebildet, um eine Schraube 148 tragen zu können, und der Handgriff 150 wird verwendet, um den Referenzrahmen an einer Kopfklammer, beispielsweise der in Fig. 11 gezeigten Kopfklammer 126, oder einer Mayfield 0 Klammer zu befestigen. Dies ermöglicht es, den Referenzrahmen

122 in einer festen Position in Bezug zum Kopf zu positionieren, so daß jede Bewegung des Kopfes auch eine entsprechende Bewegung des Referenzrahmens 122 einschließen würde.
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Der radiale Fortsatz 146, die Schraube 148 und der Griff bilden eine Kupplung auf dem Grundelement 132, die in Eingriff mit einer an einem Körperteil (auf dem Kopf) befestigten Struktur gebracht werden kann, wodurch eine feste 0 Referenz bezüglich des Kopfes geschaffen wird, um das Grundelement 13 2 in einer festen Relation zum Kopf zu halten.

Gleichmäßig über den Referenzrahmen 122 verteilt ist eine Vielzahl von LEDs 152, die mit der Kameraanordnung 110 kommuniziert. Die LEDs 152 sind in in der oberen Basis 134 vorgesehenen Löchern befestigt, wobei die Löcher 154 in

Verbindung mit der Aushöhlung 14 0 sind. An jedem Anschluß der LEDs 152 sind Kabel 156 angeschlossen, die sich innerhalb der Aushöhlung 140 befinden. Die anderen Enden der Kabel sind an eine Verbindung 158 angeschlossen, die ein an dem Digitalisierer 114 des chirurgischen Navigationssystems angeschlossenes Kabel aufnehmen kann. Das Kabel überträgt Signale für die Aktivierung der LEDs 152. Die Verbindung ist auf einem Trägerfortsatz 160 befestigt, der sich von der Basisplatte 136 erstreckt. Dieser Trägerfortsatz 160 weist einen Kanal auf, der den Anschluß der Kabel an die Verbindung 158 ermöglicht. Fig. HA ist ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Referenzrahmens 122. Wie in Fig. HC gezeigt, ist jeder LED-Anschluß an einen separaten Pin der Verbindung 158 angeschlossen. Wenngleich die Erfindung so dargestellt wird, daß eine Verbindung für die Aufnahme des Kabels vorgesehen ist, ist es auch vorgesehen, daß der Referenzrahmen 122 batteriebetrieben werden kann, so daß kein Kabel erforderlich ist.

Der Referenzrahmen 122 ist im wesentlichen ein halbkreisförmiger Bogen, so daß er um den Kopf des Patienten herum angeordnet werden kann, um eine Kommunikation der Vielzahl an LEDs 152 auf dem Referenzrahmen 122 mit der Kameraanordnung 110 zu ermöglichen. Die Vielzahl an LEDs 152 auf dem 5 Referenzrahmen 122 ist in einer genau bekannten geometrischen Anordnung angeordnet, so daß die Kalibrierung der Kameraanordnung 110 kontinuierlich überprüft werden kann, indem die durch den Digitalisierer 114 berechneten geometrischen Positionen der LEDs mit diesen genau bekannten 0 geometrischen Positionen verglichen werden. Fehlende Übereinstimmung zwischen diesen Informationen zeigen an, daß es erforderlich ist, das System erneut zu kalibrieren oder den Referenzrahmen 122 zu repositionieren, so daß er besser mit der Kameraanordnung 110 kommunizieren kann. Der Rahmen 122 schließt auch eine Kalibrierungsvertiefung 162 ein.

Insbesondere ist die Kalibrierungsvertiefung 162 eine exakt

positionierte Vertiefung innerhalb der oberen Basis 134 und wird zur Kalibrierung oder zur Überprüfung der Kalibrierung der Position der Sondenspitze während des medizinischen oder chirurgischen Verfahrens verwendet. Die genaue Position jedes LEDs 152 in Bezug zur Kalibrierungsvertiefung 162 ist bekannt. Daher erlaubt die Positionierung einer Spitze einer Lokalisationsrahmen-Sonde in der Kalibrierungsvertiefung 162 die Kalibrierung oder die Überprüfung der Kalibrierung der Sonden in der folgenden Weise. Die Spitze der Sonde wird in der Kalibrierungsvertiefung 162 positioniert und die LEDs auf der Sonde werden angeregt, um Lichtsignale an die Kameraanordnung 110 abzugeben. Die LEDs auf dem Referenzrahmen 122 werden ebenfalls angeregt, um mit der Kameraanordnung 110 zu kommunizieren. Unter Verwendung der bekannten Position der Vertiefung 162 bezüglich der durch den Digitalisierer 114 berechneten Position jedes der LEDs wird die Position der Kalibrierungsvertiefung 162 mit der Position der Sondenspitze verglichen, die durch den Digitalisierer unter Verwendung der LEDs auf der Sonde berechnet wird, um zu bestätigen, daß keine Beeinträchtigung der Sondenspitze in Bezug zur Vertiefung 162 auftritt. Eine Verzerrung der Sondenspitze zeigt an, daß es erforderlich ist, die Sonde zu rekalibrieren, so daß sie präziser mit der Kameraanordnung 110 kommunizieren kann, oder die Sonde zu ersetzen.

Figuren 12A, 12B und 12C veranschaulichen eine andere bevorzugte Ausführungsform des Referenzrahmens in Form eines spinalen bogenförmigen Referenzrahmens 200. Wie der Referenzrahmen 122 hat der spinale bogenförmige Referenzrahmen 200 eine obere Basis 202, die in Eingriff mit einer Grundplatte 204 steht, um eine dazwischenliegende Aushöhlung 206 zu bilden. Wie in Fig. 12A gezeigt, hat der spinale bogenförmige Referenzrahmen 2 00 im wesentlichen eine U-förmige Konfiguration, wobei LEDs 208 an den Enden der Beine 209 des U-förmigen Elementes und an dem Übergangsbereich der Beine und der Basis 211 des

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U-förmigen Elementes vorgesehen sind. Seitlich von der Basis 211 erstreckt sich eine Kupplung 210, die mit einem Thorako-Lumbal-Instrument 212, wie in den Figuren 12D, 12E und 12F dargestellt, in Eingriff gebracht werden kann. Auf der Basis 211 ist auch eine Kalibrierungsvertiefung 214 vorgesehen, die denselben Zwecken wie die Kalibrierungsvertiefung 162 des Referenzrahmens 122 dienende Vertiefung ist. Die Kupplung weist 24 gleichmäßig beabstandete Zähne 216 auf, die in kreisförmiger Form angeordnet sind, um die 24 gleichmäßig beabstandeten Zähne 218 des Thorako-Lumbai-Instrumentes in Eingriff zu bringen. Dies ermöglicht es, daß der spinale bogenförmige Referenzrahmen 200 so positioniert werden kann, daß er verschiedene Winkel relativ zum Instrument 212 einnimmt. Es ist vorgesehen, daß jede andere Verbindung zum Verbinden des spinalen bogenförmigen Referenzrahmens 2 00 und des Instrumentes 212 verwendet werden kann, die variable Positionierungen ermöglicht. Die Grundplatte 204 weist eine Öffnung auf, die mit einer Verbindung 220 in Eingriff gebracht werden kann, um ein zur Digitalisierer-Kontrolleinheit 114 führendes Kabel aufzunehmen. Die LEDs sind an die Verbindung 220 mittels Drähten 222 angeschlossen, wie im Schaltbild gemäß Fig. 12G gezeigt.

Bezugnehmend auf die Figuren 12D, 12E und 12F umfaßt das Thorako-Lumbai-Instrument 212 einen Klammerschaft 224, der mit einer axialen Bohrung versehen ist, innerhalb derer ein Betätigungsschaft 226 vorgesehen ist, der mit einem sich hinter das Ende des Klammerschaftes 224 erstreckenden Betätigungsknopf 228 verbunden ist. Das Ende des 0 Betätigungsschafts 226 hat dem Betätigungsknopf 22 8 gegenüberliegend eine innere Gewindebohrung 230, die in Eingriff mit dem externen Gewinde einer Betätigungsschraube 232 steht. Ein U-förmiger Kopf 234 auf der Schraube 232 trägt einen Drehzapfen 236 zwischen seinen Schenkeln. Der 5 Drehzapfen erstreckt sich durch die Kelmmbacken 23 8, so daß die Klemmbacken 238 sich um den Drehzapfen 236 drehen und

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sich relativ zueinander bewegen, wodurch ein Aufnahmebereich 240 definiert wird, in dem ein Spinalknochen oder ein anderer Körperteil festgeklemmt werden kann. Die Klemmbacken 23 8 weisen Zähne 23 9 für das Festhalten eines Spinalknochens oder eines anderen Körperteils auf und sind federbelastet und werden mittels der Federn 242 in ihrer offenen Position gehalten. Wenn der Betätigungsknopf 228 gedreht wird, um in Eingriff mit dem Gewinde der Betätigungsschraube 232 zu kommen, wird die Schraube 232 in die Bohrung 230 gezogen, wobei die Klemmbacken ebenfalls in ein Gehäuse 246 gezogen werden. Dies führt dazu, daß die Schulterflächen 244 des Gehäuses 24 6 mit den Backenoberflächen 24 8 der Klemmbacken 23 8 in Eingriff kommen und die Klemmbacken und der Aufnahmebereich 240 geschlossen werden, wenn die Klemmbacken in das Gehäuse gezogen werden.

Das andere Ende des Klemmschaftes 224 hat einen senkrechten Fortsatz 250, der die Zähne 218, die mit den Zähnen 216 der Kopplung 210 des bogenförmigen spinalen Referenzrahmens 200 in Eingriff gebracht werden, trägt. Eine Schraube 252 des bogenförmigen spinalen Referenzrahmens läuft durch die Anordnung der Zähne 218 und ist in Eingriff mit einer mit einem Gewinde versehenen Öffnung 254 in der Kopplung 210 des Rahmens 200. Die Schraube 252 ist in Eingriff mit der Öffnung 254 und klemmt die Zähne 216 und die Zähne 218 zusammen, um den Winkel zwischen dem bogenförmigen spinalen Referenzrahmen 200 und dem Thorako-Lumbai-Instrument 212 zu fixieren. Wenn das Instrument 212 mit einem Knochen verbunden wird, indem der Knochen in dem Aufnahmebereich 240 positioniert und der 0 Betätigungsknopf 228 gedreht wird, um die Klemmbacken 23 8 und den Aufnahmebereich zu schließen, befindet sich der Rahmen 200 infolgedessen in einer festen Position in Bezug zu dem Knochen, der durch die Klemmbacken festgehalten wird. Jede Bewegung des Knochens resultiert in einer Bewegung des Rahmens 200, die durch die Kameraanordnung 110 detektiert werden kann.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 13A, 13B und 13C wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Lokalisations-Biopsieführungsrahmens 3 00 veranschaulicht. Im allgemeinen schließt der Rahmen 300 einen Lokalisationsrahmen 302 ein, der eine Biopsieführung 304 sowie einen Haltestift 306 trägt. Der Lokalisationsrahmen 302 umfaßt eine obere Basis 308 und eine Grundplatte 310, die miteinander verbunden sind, um eine Aushöhlung oder synonym: Ausnehmung 312 zu bilden, innerhalb der die an die LEDs 316 angeschlossenen Drählte 314 vorgesehen sind. Wie in Fig. 13A gezeigt, umfaßt der Lokalisationsrahmen einen verlängerten Bereich 318 und einen im wesentlichen V-förmigen Bereich 320 mit Schenkeln 322 und 324. Eine LED 316 ist am Ende jedes Schenkels 322 vorgesehen und eine LED 316 ist auch am Ende des verlängerten Bereiches 318 vorgesehen. Folglich bilden die vier LEDs 316 eine rechtwinklige Anordnung. Der darunterliegende Lokalisationsrahmen 302 hat jedoch keine rechtwinklige Konfiguration, so daß er für andere Anwendungen angepaßt werden kann, beispielsweise für eine Bohrführungsanordnung, die im folgenden unter Bezugnahme auf Figuren 13D und 13E veranschaulicht und beschrieben wird. Der V-förmige Bereich 322 erstreckt sich im wesentlichen seitlich von dem verlängerten Bereich 318, um die rechtwinklige Konfiguration der LEDs 316 zu ermöglichen. Es ist zu beachten, daß die rechtwinklige Konfiguration der LEDs 316 nicht erforderlich ist, und eine trapezförmige Konfiguration der LEDs 316 vorteilhaft sein kann, um die Ausrichtung des Lokalisationsrahmens 3 02 eindeutig erkennen zu können. Der Haltestift 306 verläuft durch die obere Basis 308 und ist im wesentlichen parallel zu einer durch den verlängerten Bereich 318 definierten geradlinigen Achse. Der Haltestift 306 dient dazu, die Klammern in Eingriff zu bringen, so daß der Lokalisations-Biopsieführungsrahmen 300 in einer bestimmten Position relativ zu einem Körperteil positioniert werden kann, um eine Biopsienadel zu führen.

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Zur Führung einer Biopsienadel wird der Lokalisationsrahmen 3 02 mit einer Biopsieführung 3 04 zusammengefügt, die an der Oberseite der oberen Basis 308 befestigt und durch eine Klammer 328 festgehalten wird, die mittels vier Schrauben in Eingriff mit der oberen Basis 308 ist. Die obere Basis weist auch einen halbkreisförmigen Kanal 332 auf, der eine Aufnahme zum Aufnehmen der Biopsieführung 326 bildet. Die Führung 304 umfaßt ein hohles Rohr 334 mit einem Kragen 336 an einem seiner Enden, der eine mit einem Gewinde versehenen kreisförmige Öffnung zur Aufnahme der Feststellschraube 338 aufweist.

Die Grundplatte 310 ist mit einer Verbindung 340 versehen, die ein an den Digitalisierer 114 angeschlossenes Kabel zur Übertragung von Signalen zur Anregung der LEDs 316 aufnehmen kann. Fig. 12G veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltung, die die Verbindung 340 und vier LEDs miteinander verbindet.

0 Der Lokalisationsrahmen 3 02 besteht aus demselben Material wie der Referenzrahmen 122, d.h. dem autoclavierbaren ULTEM 1000 black. Die Biopsieführung 304 kann aus Edelstahl oder jedem anderen autoclavierbaren Metall oder Kunststoff bestehen. Wie der Referenzrahmen kann der Lokalisationsrahmen batteriebetrieben sein, wodurch ein Kabel oder eine Verbindung zur Aufnahme des Kabels nicht erforderlich sind.

Figuren 13D und 13E veranschaulichen eine andere Lokalisationsvorrichtung in Form einer Lokalisations-Bohrführungsanordnung 350. Die Anordnung 350 schließt einen Lokalisationsrahmen 302 ein, der dem bei dem Lokalisations-Biopsieführungsrahmen 300 verwendeten Rahmen entspricht, mit der Ausnahme, daß er keinen Haltestift 306 aufweist. Er weist einen halbkreisförmigen Kanal 332 in der oberen Basis 308 auf, der eine Griff- und Bohrführungsanordnung 354 anstelle der Biospieführungsrohranordnung 3 04 aufnimmt. Die Anordnung

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354 schließt einen Griff 356 ein, der von dem die Operation durchführenden Chirurgen, Arzt, Techniker oder Krankenschwester verwendet wird. Der Griff 356 weist eine Bohrung 358 zur Aufnahme eines Schafts 360 auf, der innerhalb des halbkreisförmigen Kanals 332 sitzt. Der Schaft endet in einem integralen Kragen 3 62, der eine Bohrführungsröhre 3 64 trägt. Die Achse der Bohrführungsröhre 364 befindet sich dabei in einem Winkel bezüglich der Achse des Schaftes 360, um die Ausrichtung der Bohrführungsröhre 3 64 bezüglich dem Punkt, an dem die Bohrkrone in den Patientenkörper eindringen wird, zu erleichtern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Griff- und Bohrführungsanordnung 354 ein handelsübliches Instrument, das in dem Kanal 332 des Lokalisationsrahmens 3 02 befestigt wird. Die Griff- und Bohrführungsan-Ordnung 3 54 kann beispielsweise ein Sofamor Danek Part 870-705 sein. Schrauben 366 (deren Köpfe mit Hochtemperatur RTV-Masse isoliert sind) befestigen den Schaft 360 an der oberen Basis 3 08 des Lokalisationsrahmens 3 02 und befestigen den Schaft 3 60 innerhalb des Kanals 332. Wie oben ausgeführt, bildet der

V-förmige Bereich 320 des Lokalisationsrahmens 302 eine Öffnung 368 zwischen den Schenkeln 322 und 324, so daß die Bohrführungsröhre 3 64 dazwischenliegend angeordnet werden kann und sich abwärts von der durch den Lokalisationsrahmen 3 02 definierten Ebene erstreckt. Dies ermöglicht es dem Chirurgen, die Position der Bohrführungsröhre 3 64 einzusehen, indem er durch die Röhre sieht. Die Verbindung 370 ist der Verbindung 340 ähnlich, mit der Ausnahme, daß sie winklig mit dem Kabel in Eingriff gebracht werden kann, wodurch der Lokalisations-Bohrführungsanordnung 350 eine größere Bewegungsfreiheit verliehen wird. Wie der oben beschriebene Lokalisationsrahmen besteht der Rahmen selbst aus autoclavierbarem ULTEM 1000. Der Griff kann aus Holz, Plastik oder jedem anderen autoclavierbaren Material und der Schaft, der Kragen und die Bohrführung können aus Metall, Plastik oder anderem autoclavierbarem Material, beispielsweise

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Edelstahl, bestehen. Figur 13K veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltung für die Lokalisations-Bohrführungsanordnung 350.

Figuren 13F und 13G veranschaulichen eine andere Lokalisationsvorrichtung in Form eines Bohrbügel-Lokalisationsrahmens 400. Dieser Rahmen 400 schließt einen Lokalisationsrahmen 302 ein, der die gleiche Konfiguration wie die Lokalisationsrahmen für den Lokalisations-Biopsieführungsrahmen 3 00 und die Lokalisations-Bohrführungsanordnung 3 50 hat. Von der Unterseite der Grundplatte 310 erstreckt sich ein Halteelement 402, das einen Bohrbügel 4 04 in einer Ebene hält, die im wesentlichen senkrecht zu der durch den Lokalisationsrahmen 302 definierten Ebene ist. Der Bügel 404 ist im wesentlichen ein Kragen, der über das Gehäuse eines Rex-Bohrers paßt und an diesem durch eine Feststellschraube 406 fest befestigt ist. Der Bohrbügel-Lokalisationsrahmen 400 ermöglicht es, daß das Bohrgehäuse für den Einsatz während eines chirurgischen 0 Eingriffes genau positioniert werden kann.

Das Halteelement 402 trägt auch eine Verbindung 408 zur Aufnahme eines Kabels, das an die Digitalisierer-Kontrolleinheit 114 angeschlossen ist. Das Halteelement 402 weist einen hohlen Kanal auf, so daß die Verbindung 408 an die Drähte 410 angeschlossen werden kann, die an die LEDs 316 angeschlossen sind. Figur 13J veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Verdrahtung zwischen den LEDs 316 und der Verbindung 4 08.

Figuren 13H und 13 I veranschaulichen eine andere Lokalisationsvorrichtung in Form einer Ventrikulotomie-Sonde 500. Die Sonde 500 schließt einen Griff 502 ein, der eine Bohrung 504 zur Aufnahme eines Trägerschafts 506 aufweist, der eine Katheterführungsröhre 508 entlang einer Achse trägt, die parallel zur Achse des Griffes 502 ist. Der Griff

schließt drei LEDs 510 ein, die entlang seiner oberen Fläche angeordnet sind, um mit der Kameraanordnung 110 zu kommunizieren. Der Griff 502 weist einen hohlen Kanal auf, der in einer Bohrung 512 zur Aufnahme einer Verbindung 514 endet. Die Verbindung 514 ist mit Drähten 516 verbunden, die an die Anschlüsse der LEDs 510 angeschlossen sind. Figur 13J veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltung für die Verbindung der Verbindung 514 mit den LEDs 510. Im Betrieb wird die Röhre 508 innerhalb des Körpers, beispielsweise dem Gehirn, positioniert, so daß ein Katheter in den Körper eingesetzt werden kann. Die Röhre 508 schließt einen oberen Schlitz 518 ein, durch den ein Katheter eingesetzt werden kann. Vorzugsweise ist das Zentrum der Röhrenspitze colinear mit der Höhe der drei LEDs 510, so daß dazwischen eine gerade Achse definiert wird. Basierend auf dieser geraden Achse und der zuvor gewonnenen Kenntnis des Abstandes zwischen der Spitze und den LEDs 510, können die Kameraanordnung 110 und der Digitalisierer 114 die Position der Spitze zu jedem Zeitpunkt während eines chirurgischen oder medizinischen Eingriffes bestimmen.

Das erfindungsgemäße System kann in der folgenden Weise verwendet werden. Ein Referenzrahmen wird an einem Körperteil befestigt. Beispielsweise kann der bogenförmige craniale Referenzrahmen 122 über eine Kopfklammer, wie beispielsweise eine Mayfield-Klammer, direkt an einem Kopf oder der bogenförmige spinale Referenzrahmen 200 über das Thorako-Lumbal-Instrument 212 direkt an einem Spinalknochen befestigt werden. Danach führt eine Bewegung des Körperteils zu einer 0 entsprechenden Bewegung des angebrachten Referenzrahmens. Die Position des Körperteils kann verfolgt werden, indem die LEDs des Referenzrahmens angeregt werden, ein Signal an die Kameraanordnung 110 abzugeben, so daß die Anordnung die Position des Referenzrahmens und damit die Position des Körperteils bestimmen und verfolgen kann.

Ein Lokalisationsrahmen wird verwendet, um ein Instrument bezüglich des Körperteils genau zu positionieren. Beispielsweise kann ein Lokalisations-Biopsieführungsrahmen 300 verwendet werden, um eine Biopsienadel in Bezug auf den Körperteil zu positionieren. Alternativ kann eine Lokalisations -Bohrführungsanordnung 350 verwendet werden, um eine Bohrkrone bezüglich dem Körperteil zu positionieren. Alternativ kann ein Bohrbügel-Lokalisationsrahmen 400 verwendet werden, um einen Bohrer in Bezug auf den Körperteil zu positionieren. Alternativ kann eine Ventrikulotomie-Sonde 50 0 verwendet werden, um einen Katheter in Bezug auf ein Körperteil zu positionieren. Die Position des Instrumentes kann verfolgt werden, indem die LEDs des Lokalisationsrahmens zur Abgabe eines Signals an die Kameraanordnung 110 angeregt werden, so daß die Anordnung die Position des Lokalisationsrahmens und folglich die Position des Instrumentes bestimmen und verfolgen kann.

Während der Kalibrierung des Systems wird die Position des Referenzrahmens bezüglich dem Körperteil bestimmt. Beim präoperativen Scanen verwendete Markierungen werden in den Koordinaten des durch den Referenzrahmen definierten Operationsgebietes angegeben. Es ist zu beachten, daß anatomische Kennungsmarken als Markierungen verwendet werden können. Dadurch wird eine Beziehung zwischen dem Gebiet des prä-operativen Scans und dem Operationsgebiet hergestellt. Wenn die Beziehung hergestellt ist, kennt das System die Position der prä-operativen Scans in Bezug zum Referenzrahmen und kann somit Scans erzeugen, die die Position des 0 Lokalisationsrahmens und des Instruments relativ zum Körperteil wiedergeben. Mit anderen Worten wird durch das System eine bildgeführte Chirurgie erreicht. Das System ist ideal dafür geeignet, kleine, tief sitzende Gefäßläsionen und Tumore zu lokalisieren und das Ausmaß der mikrochirurgischen Sektion zu vermindern. Es ist auch zur Identifizierung von Grenzgebieten geeignet. Beispielsweise könnte ein Chirurg

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versuchen, ein Grenzgebiet zwischen normalem Hirngewebe und großen supratentorialen Gliomen zu identifizieren, das vielleicht deutlich in den prä-operativen Scans dargestellt wird, im Operationssaal während der Operation jedoch nur schwer visuell zu orten ist. Der Chirurg kann dann eine Lokalisationssonde nehmen und sie nahe des Grenzgebietes positionieren. Die LEDs des Referenzrahmens und der Lokalisationssonde werden durch Betätigung des Fußschalters 116 aktiviert. Infolgedessen wird der Monitor 106 ein Bild der Position der Sonde relativ zu einem prä-operativen Scan ausgeben. Durch Beobachtung des Monitors kann der Chirurg nun die Richtung bestimmen, in die die Sonde bewegt werden muß, um das Grenzgebiet präziser zu lokalisieren. Wenn das Grenzgebiet lokalisiert ist, können kleine baumwollartige Markierungen (englisch: microcottonoid markers) an dem auf dem Monitor angezeigten Grenzgebiet des Tumors positioniert werden, bevor mit der Resektion begonnen wird. Auch das Plazieren ventrikularer Katheter für Shunts oder für die Ventrikulotomie sowie von Behältern wird unter Verwendung des Systems erleichtert, insbesondere bei Patienten, die kleine Ventrikel haben oder einer Coagulopathie (beispielsweise Leberstörungen, AIDS) unterliegen, bei denen ein einzelner Eingriff wünschenswert ist. Das System ist auch für die Durchführung stereotaktischer Biopsien geeignet. Für weitere, das System betreffende Informationen wird auf die folgenden Artikel verwiesen, die hierin in gesamtem Umfang unter Bezugnahme aufgenommen werden:

Germano, Isabelle M., The NeuroStation System for Image-0 Guided, Frameless Stereotaxy, Neurosurgery, Bank 37, Nr. 2, August 1995.

Smith et al., The Neurostation ™ - A Highly accurate, Minimally Invasive Solution to Frameless Stereotactic Neurosurgery, Computerized Medical Imaging and Graphics, Band 18, Nr. 4, Seiten 247-256, 1994.

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In Anbetracht der obigen Beschreibung wird deutlich, daß die verschiedenen Aufgaben der Erfindung gelöst und andere Vorteile erreicht werden.

Da die obigen Konstruktionen, Produkte und Verfahren vielfach gewandelt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, ist der gesamte Inhalt der obigen Beschreibung und der beigefügten Abbildungen lediglich als veranschaulichend und nicht als begrenzend anzusehen. 10 In Anbetracht der obigen Beschreibung wird deutlich, daß die verschiedenen Aufgaben der Erfindung gelöst und andere Vorteile erreicht werden.

Da die obigen Konstruktionen, Produkte und Verfahren vielfach gewandelt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, ist der gesamte Inhalt der obigen Beschreibung und der beigefügten Abbildungen lediglich als veranschaulichend und nicht als begrenzend anzusehen.

Bezugszeichenliste:

FIGUR 2 A (a): FIGUR 2 A (b):

FIGUR 2 A (c): FIGUR 2 A (d): FIGUR 2 A (e):

PRÄ-OPERATIVER BILDDATENSATZ DEFORMATION REPOSITIONIERUNG VERSCHOBENER DATENSATZ REGISTRIERUNG INTRA-OPERATIVE POSITION

Bezugszeichenliste;

FIGUR 1 A: PRÄ-OPERATIVE SCANS

(BILDDATENSATZ)

FIGUR 1 B: REGISTRIERUNG FIGUR 1 C: POSITION WÄHREND DES

CHIRURGISCHEN EINGRIFFS

Bezugszeichenliste:

FIGUR 5 A: ZUM LOKALISATOR FIGUR 5 B: ZUM LOKALISATOR FIGUR 5 C: ZUM LOKALISATOR

Claims (42)

- 49 - ANSPRUCHE

1. Vorrichtung zur Anwendung während eines medizinischen oder chirurgischen Eingriffs an einem Körper, wobei die Vorrichtung eine die Position mindestens eines Körperelementes während des Eingriffs repräsentierende Darstellung erzeugt, basierend auf Scans des Körpers, die durch einen Scanner vor dem Eingriff aufgenommen worden sind, wobei der Scan Bezugspunkte für jedes Körperelement aufweist, und die Bezugspunkte eines bestimmten Körperelementes eine bekannte räumliche Beziehung zu dem bestimmten Körperelement aufweisen, wobei das System umfaßt:

Einrichtungen für die Identifizierung der Position der Bezugspunkte für jedes darzustellende Körperelement während des Eingriffs;

eine Recheneinheit, die den Bilddatensatz gemäß der durch die Identifizierungseinrichtung identifizierten Position der Bezugspunkte während des Verfahrens modifiziert, wobei die Recheneinheit einen verschobenen Bilddatensatz erzeugt, der die Position und Geometrie des Körperelementes bzw. der Körperelemente während des Eingriffs repräsentiert; und

ein Display, das unter Verwendung des durch die Recheneinheit erzeugten verschobenen Bilddatensatzes die Position und die Geometrie des Körperelementes bzw. der Körperelemente während des Eingriffs darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die Bezugspunkte in Bezug zu den Körperelementen befinden, weiter umfassend:

ein(e) medizinische(s) oder chirurgische(s) Instrument, Sonde oder strahlungslieferndes System;

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Einrichtungen zur Identifizierung der Position des medizinischen oder chirurgischen Instrumentes bezüglich mindestens einem Körperelement während des Eingriffs;

wobei das Display auf die Einrichtung zur Identifizierung des medizinischen oder chirurgischen Instrumentes anspricht, um während des Verfahrens die relative Position der Körperelemente in Bezug zum medizinischen oder chirurgischen Instrument oder zu dessen Focuspunkt darzustellen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Einrichtung zur Identifzierung der Position des medizinischen oder chirurgischen Instrumentes die Ausrichtung des medizinischen oder chirurgischen Instrumentes in Bezug auf die Körperelemente bestimmt und wobei das Display die Orientierung des medizinischen oder chirurgischen Instrumentes relativ zu den Körperelementen darstellt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Identifizierungseinrichtung umfaßt:

eine außerhalb des Körpers angeordnete

Referenzanordnung zur Bildung einer Referenz bzw. eines Bezugssystems; und

Einrichtungen zur Bestimmung der Position der Bezugspunkte auf den darzustellenden Körperelementen in Bezug auf die Referenzanordnung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter umfassend eine Registrierungssonde, die mit der Referenzanordnung kommuniziert, wobei die Bestimmungseinrichtung angepaßt ist, um die Position einer Spitze der Registrierungssonde in Bezug zu der Referenzanordnung zu bestimmen, wobei die Position der Bezugspunkte auf den Körperelementen bestimmt werden kann,

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indem die Spitze der Registrierungssonde an jedem der Bezugspunkte positioniert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die

Referenzanordnung Sensoren einschließt und die Registrierungssonde Emitter einschließt, die mit den Sensoren der Referenzanordnung kommunizieren, um die Position der Registrierungssonde in Bezug auf die Referenzanordnung anzugeben.
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7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Registrierungssonde Sensoren einschließt und die Referenzanordnung Emitter einschließt, die mit den Sensoren der Registrierungssonde kommunizieren, um die Position der Registrierungssonde in Bezug auf die Referenzanordnung anzugeben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, des weiteren umfassend einen Referenzrahmen mit einer in Bezug auf eines der Körperelemente bekannten Position, wobei der Referenzrahmen mit der Referenzanordnung kommuniziert, und weiter umfassend Einrichtungen zur Bestimmung der Position des Referenzrahmens in Bezug auf die Referenzanordnung, wobei der Körper während des Eingriffs bewegt werden darf, solange die Körperelemente in fester Relation zueinander und zum Referenzrahmen verbleiben, so daß das System die Position jedes der Körperelemente nach der Bewegung bestimmen kann, ohne die relative Position jedes der Bezugspunkte auf jedem Körperelement erneut zu identifizieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die

Referenzanordnung Sensoren einschließt und der Referenzrahmen an einem der Körperelemente befestigt ist und Emitter einschließt, die mit den Sensoren der Referenzanordnung kommunizieren, um die Position des Referenzrahmens in Bezug auf die Referenzanordnung anzugeben.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Referenzrahmen Sensoren einschließt und die Referenzanordnung an einem der Körperelemente befestigt ist und Emitter einschließt, die mit den Sensoren des Referenzrahmens kommunizieren, um die Position des Referenzrahmens in Bezug auf die Referenzanordnung anzugeben.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, desweiteren umfassend Einrichtungen für die Diskriminierung der Körperelemente des Bilddatensatzes durch Erzeugung eines Sub-Bilddatensatzes, der jedes der Körperelemente definiert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Recheneinheit jeden der Sub-Bilddatensätze von der Position der Körperelemente vor dem Eingriff auf die Position der Körperelemente während des Eingriffs überträgt, wobei der verschobene Datensatz aus den übertragenen Sub-Bilddatensätzen besteht.

0 13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Identifizierungseinrichtung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Kontur jedes der Körperelemente während des Eingriffs umfaßt und wobei die Recheneinheit die durch die Vorrichtung bestimmte Position der Kontur jedes der Körperelemente während des Verfahrens mit der durch den Sub-Bilddatensatz repräsentierten Position der Kontur jedes der Körperelemente vor dem Eingriff vergleicht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Identifizierungseinrichtung eine Ultraschallsonde zur Bestimmung der Position einer Kontur jedes der Körperelemente während des Eingriffs umfaßt und wobei die Recheneinheit die durch die Vorrichtung bestimmte Position der Kontur jedes der Körperelemente während des Eingriffs mit der durch den Sub-Bilddatensatz repräsentierten Position der Kontur jedes der Körperelemente vor dem Eingriff vergleicht, wobei die Kontur

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der Körperelemente bestimmt werden kann, ohne daß die Körperelemente exponiert werden müssen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die

Identifizierungseinrichtung einen Scanner zur Bestimmung der Position einer Kontur jedes der Körperelemente während des Eingriffs umfaßt und wobei die Recheneinheit die durch die Vorrichtung bestimmte Position der Kontur jedes der Körperelemente während des Eingriffs mit der durch den Sub-Bilddatensatz repräsentierten Position der Kontur jedes der Körperelemente vor dem Eingriff vergleicht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Ultraschallsonde Emitter aufweist, die mit der Referenzanordnung kommunizieren und wobei die Bestimmungseinheit zur Bestimmung der Position der Ultraschallsonde in Bezug auf die Referenzanordnung angepaßt ist, wobei die Position der Kontur jedes Körperelementes bestimmt werden kann.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Referenzanordnung Emitter aufweist, die mit der Ultraschallsonde kommunizieren und wobei die Bestimmungseinheit zur Bestimmung der Position der Ultraschallsonde in Bezug auf die Referenzanordnung angepaßt ist, wobei die Position der Kontur jedes Körperelementes bestimmt werden kann.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Scanner Emitter umfaßt, die mit der Referenzanordnung kommunizieren und wobei 0 die Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Position des Scanners in Bezug auf die Referenzanordnung angepaßt ist, wobei die Position der Kontur jedes Körperelementes bestimmt werden kann.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Referenzanordnung Emitter umfaßt, die mit dem Scanner

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kommunizieren und wobei die Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Position des Scanners in Bezug auf die Referenzanordnung angepaßt ist, wobei die Position der Kontur jedes Körperelementes bestimmt werden kann. 5

20. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Identifizierungseinrichtung eine fluoroskopische Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Fortsatzes jedes der Körperelemente während des Verfahrens umfaßt und wobei die Recheneinheit die Position des Fortsatzes jedes der Körperelemente während des Eingriffs mit der Position des Fortsatzes jedes der Körperelemente vor dem Eingriff vergleicht.

21. Vorrichtung nach Anspruch 2O₇ wobei die fluoroskopische Vorrichtung eine fluoroskopische Röhre in fester Beziehung zu einer fluoroskopischen Platte umfaßt, zwischen denen die Körperelemente zur Bestimmung der Position eines Fortsatzes jedes der Körperelemente während des Eingriffs angeordnet werden und wobei die Recheneinheit die Position des Fortsatzes jedes der Körperelemente während des Eingriffs mit der Position des Fortsatzes jedes der Körperelemente vor dem Eingriff vergleicht.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die fluoroskopische Röhre oder die fluoroskopische Platte jeweils Emitter aufweisen, die mit der Referenzanordnung kommunizieren und wobei die Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Position der Röhre und der Platte in Bezug auf die Referenzanordnung 0 angepaßt ist, wobei die Position des Fortsatzes jedes Körperelementes bestimmt werden kann.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Referenzanordnung Emitter umfaßt, die mit der 5 fluoroskopischen Röhre oder der fluoroskopischen Platte kommunizieren und wobei die Bestimmungseinrichtung zur

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Bestimmung der Position der Röhre oder der Platte in Bezug auf die Referenzanordnung angepaßt ist, wobei die Position des Fortsatzes jedes Körperelementes bestimmt werden kann.

24. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Referenzanordnung Sensoren einschließt und der Referenzrahmen von einer Vorrichtung gebildet wird, die kontinuierlich oder periodisch mindestens ein Körperelement detektieren und verfolgen kann, und Emitter einschließt, die mit den Sensoren der Referenzanordnung kommunizieren, um die Position des Referenzrahmens in Bezug auf die Referenzanordnung anzugeben.

25. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Recheneinheit jeden die Position und Form der Körperelemente vor dem Eingriff repräsentierenden Sub-Bilddatensatz transformiert, um die Position und Form der Körperelemente während des Eingriffs zu repräsentieren, wobei der verschobene Bilddatensatz aus den transformierten Sub-Bilddatensätzen besteht.

26. Vorichtung nach Anspruch 2, wobei die Recheneinheit die Position des Instrumentes, der Sonde oder des strahlungsliefernden Systems überwacht und das Instrument deaktiviert, wenn die überwachte Position angibt, daß es sich außerhalb einer vorbestimmten Sicherheitszone befindet.

27. Vorrichtung nach Anspruch 2, des weiteren umfassend Roboter zur Steuerung der Position des Instrumentes, der Sonde oder des strahlungsliefernden Systems umfassend, wobei die Recheneinheit die Position des Instrumentes überwacht und die Roboter anweist, diese in einer vorbestimmten Weise zu steuern.

28. Vorrichtung zur Verwendung mit einer chirurgischen Navigationsvorrichtung, das eine Sensoranordnung aufweist, die mit der Vorrichtung kommuniziert, um deren Position zu

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bestimmen, umfassend:

ein Grundelement mit einer darin vorgesehenen Ausnehmung;
5

eine Vielzahl lichtemittierender Dioden auf dem Grundelement, wobei die Dioden, wenn sie aktiviert werden, Licht abgeben, um mit der Sensoranordnung des chirurgischen Navigationssystems zu kommunizieren;
10

einen an die Dioden angeschlossenen Aktivierungsschaltkreis zur Erzeugung von die Dioden aktivierenden Signalen; und

in der Ausnehmung des Grundelements vorgesehene Drähte, die die Stromquelle und die lichtemittierenden Dioden elektrisch miteinander verbinden und die Signale zur Aktivierung der Dioden übertragen.

0

29. Vorrichtung zur Verwendung mit einer chirurgischen Navigationsvorrichtung mit einer Sensoranordnung, die mit der Vorrichtung zur Identifizierung ihrer Position, der Vorrichtung zur Aufnahme eines Instrumentes oder einer daran befestigten Struktur in bekannter Relation zu einem Körperteil, wodurch eine bekannte Referenz in Bezug auf den Körperteil geschaffen wird, der Vorrichtung mit einer Verbindung zur Aufnahme eines an das chirurgische Navigationssystem angeschlossenen Kabels sowie dem Kabel zur Übertragung von die Vorrichtung aktivierenden Signalen kommuniziert, wobei die Vorrichtung umfaßt:

ein eine Ausnehmung aufweisendes Grundelement;

eine Kupplung auf dem Grundelement zum Einkuppeln der Struktur, um das Grundelement in fester Beziehung zum Körperteil zu halten, wodurch die feste Referenz gebildet

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wird;

eine Vielzahl lichtemittierender Dioden auf dem Grundelement, wobei die Dioden, wenn sie aktiviert werden, Licht emittieren, um mit der Sensoranordnung der chirurgischen Navigationsvorrichtung zu kommunizieren;

eine an dem Grundelement angebrachte und zur Aufnahme des an die chirurgische Navigationsvorrichtung angeschlossenen Kabels angepaßte Verbindung, wobei die Verbindung die Signale zur Aktivierung der Dioden empfängt; und

in der Ausnehmung des Grundelementes vorgesehene Drähte, die die Verbindung und die lichtemittierenden Dioden elektrisch miteinander verbinden und die durch die Verbindung empfangenen Signale an die Dioden übertragen, um diese zu aktivieren.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei das Grundelement ein bogenförmiges Element umfaßt und die Kupplung ein Anschlußstück zur Aufnahme einer Kopfklammer, beispielsweise einer für das Einklemmen eines Kopfes eines Patienten angepaßten Mayfield-Klammer, umfaßt.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, weiter umfassend auf dem bogenförmigen Element vorgesehene Federklammern zur Aufnahme eines Retraktorarms zur Aufnahme des Kopfes und zur Hilfestellung bei einem chirurgischen oder medizinischen Eingriff, der am Kopf durchzuführen ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 29 zum Einkuppeln eines Thorako-Lumbai-Instrumentes, das angepaßt ist, in Eingriff mit einem Spinalknochen eines Patienten gebracht zu werden, wobei das Grundelement ein im wesentlichen U-förmiges Element umfaßt und wobei die Kupplung eine einstellbare Verbindung

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zur Aufnahme des Thorako-Lumbai-Instrumentes umfaßt, so daß das

U-förmige Element so positioniert werden kann, daß es verschiedene Winkel in Bezug auf das Instrument einnehmen kann.

33. Vorrichtung zur Verwendung mit einer chirurgischen Navigationsvorrichtung mit einer Sensoranordnung, die mit der Vorrichtung zur Identifizierung deren Position, der Vorrichtung zur Führung eines Instrumentes zur Aufnahme eines Körperteils und somit zum Positionieren des Instrumentes an einer bekannten Position in Bezug auf den Körperteil, der eine Verbindung zur Aufnahme eines an die chirurgische Navigationsvorrichtung angeschlossenen Kabels aufweisenden Vorrichtung sowie dem Kabel zur Übertragung von die Vorrichtung aktivierenden Signalen kommuniziert, umfassend:

ein eine Ausnehmung aufweisendes Gehäuse;

eine auf dem Gehäuse vorgesehene Struktur zur Führung des Instrumentes, um das Instrument in einer Beziehung bezüglich dem Gehäuse zu halten;

eine Vielzahl lichtemittierender Dioden auf dem Gehäuse, wobei die Dioden, wenn sie aktiviert werden, Licht emittieren, um mit der Sensoranordnung des chirurgischen Navigationssystems zu kommunizieren;

eine an dem Gehäuse angebrachte und zur Aufnahme des an 0 die chirurgische Navigationsvorrichtung angeschlossenen Kabels angepaßte Verbindung, wobei die Verbindung die Signale zur Aktivierung der Dioden empfängt; und

in der Ausnehmung des Gehäuses vorgesehene Drähte, die die Verbindung und die lichtemittierenden Dioden elektrisch miteinander verbinden und die von der Verbindung empfangenen

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Signale an die Dioden weiterleiten, um diese zu aktivieren.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, weiter umfassend eine an dem Gehäuse angebrachte Führungsröhre zur Aufnahme eines Biopsieinstrumentes sowie ein sich aus dem Gehäuse erstreckendes Trageelement zur Aufnahme einer Klammer, die das Gehäuse in einer relativ festen Position hält.

35. Vorrichtung nach Anspruch 33, weiter umfassend einen an dem Gehäuse befestigten Griff sowie ein mit einer Öffnung zur Aufnahme einer Bohrkrone versehenes Führungselement.

36. Vorrichtung nach Anspruch 33, weiter umfassend einen an dem Gehäuse angebrachten Bügel mit einer zur Aufnahme einer Bohrkrone vorgesehenen Öffnung.

37. Vorrichtung nach Anspruch 33, weiter umfassend eine an dem Gehäuse angebrachte Führungsröhre, die eine Öffnung zur Aufnahme eines Katheters aufweist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 33, weiter umfassend eine Vertiefung in dem Gehäuse zur Aufnahme einer Sonde, die gemeinsam mit dem chirurgischen Navigationssystem zur Kalibrierung des Systems und der Vorrichtung verwendet wird.

39. Vorrichtung zur Verwendung mit einer chirurgischen Navigationsvorrichtung mit einer Sensoranordnung, die mit der Vorrichtung zur Identifizierung ihrer Position, der Vorrichtung zur Führung eines Katheters, der Vorrichtung zur Aufnahme eines an die chirurgische Navigationsvorrichtung angeschlossenen Kabels sowie dem Kabel zur Übertragung von die Vorrichtung aktivierenden Signalen kommuniziert, umfassend:

einen Griff mit einer darin vorgesehenen Ausnehmung;

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eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden auf dem Griff, wobei die Dioden, wenn sie aktiviert werden, Licht emittieren, um mit der Sensoranordnung der chirurgischen Navigationsvorrichtung zu kommunizieren; 5

eine an dem Griff angebrachte und zur Aufnahme des an die chirurgische Navigationsvorrichtung angeschlossenen Kabels angepaßte Verbindung, wobei die Verbindung die die Dioden aktivierenden Signale empfängt; 10

an der Aushöhlung des Griffes vorgesehene Drähte, die die Verbindung und die lichtemittierenden Dioden elektrisch verbinden und die von der Verbindung empfangenen Signale an die Dioden übertragen; und
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ein mit dem Griff verbundenes Führungselement zur Führung des Katheters.

40. Eine chirurgische Navigationsvorrichtung, umfassend: 20

eine Steuereinheit;

eine Sensoranordnung;

einen Referenzrahmen, der mit der Anordnung kommuniziert, um dessen Position zu identifizieren; und

einen Lokalisationsrahmen, der mit der Anordnung kommuniziert, um die Position des Lokalisationsrahmens zu identifizieren, den Lokalisationsrahmen zur Führung des Instrumentes, das mit dem Körperteil in Eingriff gebracht werden soll, wobei das Instrument an einer bekannten Position in Bezug zum Körperteil positioniert wird, sowie den Lokalisationsrahmen, der an die Steuereinheit angeschlossen ist, die Signale zur Aktivierung des Lokalisationsrahmens liefert.

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41. System nach Anspruch 40, wobei der Referenzrahmen umfaßt:

ein eine Ausnehmung aufweisendes Grundelement; 5

eine Vielzahl von auf dem Grundelement vorgesehenen lichtemittierenden Dioden, wobei die Dioden, wenn sie aktiviert werden, Licht emittieren, um mit der Sensoranordnung der chirurgischen Navigationsvorrichtung zu kommunizieren;

einen an die Dioden angeschlossenen Aktivierungsschaltkreis zur Lieferung von Signalen zur Aktivierung der Dioden; und
15

in der Ausnehmung des Grundelementes vorgesehene Drähte, die die Stromquelle und die lichtemittierenden Dioden elektrisch miteinander verbinden und die die Dioden aktivierenden Signale übertragen.
20

42. Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei der Lokalisationsrahmen umfaßt:

ein eine Ausnehmung aufweisendes Gehäuse; 25

eine auf dem Gehäuse vorgesehene Struktur zur Führung des Instrumentes, um das Instrument in einer Beziehung zum Gehäuse zu halten;

0 eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden auf dem Gehäuse, wobei die Dioden, wenn sie aktiviert werden, Licht emittieren, um mit der Sensoranordnung der chirurgischen Navigationsvorichtung zu kommunizieren;

eine an dem Gehäuse angebrachte und zur Aufnahme des an die chirurgische Navigationsvorrichtung angeschlossenen

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Kabels angepaßte Verbindung, wobei die Verbindung die Signale zur Aktivierung der Dioden empfängt; und

in der Ausnehmung des Gehäuses vorgesehene Drähte, die die Verbindung und die lichtemittierenden Dioden elektrisch miteinander verbinden und die von der Verbindung empfangenen Signale an die Dioden übertragen, um diese zu aktivieren.