DE69026196T2

DE69026196T2 - Mechanischer Arm für ein interaktives, bildgesteuertes, chirurgisches System

Info

Publication number: DE69026196T2
Application number: DE69026196T
Authority: DE
Inventors: George S Allen; Ii Charles A Edwards; Jun Robert L Galloway; Robert J Maciunas; Martin R Zink
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2010-10-20
Also published as: BR9005637A; US5230338A; AU2745192A; DE69026196D1; EP0427358A1; EP0647428A3; ES2085885T3; CA2029401A1; JPH03168139A; AU632633B2; US5142930A; EP0427358B1; AU664863B2; EP0647428A2; AU6590790A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bedienbaren mechanischen Arm gemäß dern Oberbegriff des Anspruches 1 für ein System, das dazu dient, einen Chirurgen interaktiv durch einen chirurgischen Vorgang bzw. ein Verfahren zu führen, und insbesondere auf ein integriertes Hardware- und Softwaresystem, das die intuitive Verwendung von aus einer Bilderzeugung abgeleiteten Daten bezüglich der Anatomie des Patienten ermöglicht, um einen Chirurgen durch ein chirurgisches Verfahren zu führen. Da der Arm Positionskodierer trägt, ist die Positionierung des chirurgischen Werkzeugs, das an dern Arm befestigt ist, hinsichtlich des internen Koordinatensystems bei einer Bewegung des Arms stets bekannt.
Es existiert eine Anzahl bekannter diagnostischer Bilderzeugungstechniken, die es einem Arzt ermöglichen, Ansichten des menschlichen Körpers mit großer Genauigkeit zu erhalten. Bilderzeugungssysteme, die Querschnitts- bzw. tomographische Ansichten von anatomischen Strukturen bereitstellen, ohne in den Körper einzudringen, sind z.B. Computertomographie (CT), Röntgenbilderzeuger und Bilderzeuger durch magnetische Resonanz (MR).
Ein mit den Abtasttechniken zusammenhängendes Problem besteht darin, daß jeder Bilderzeugungsvorgang empfindlich in bezug auf die Position des Patienten innerhalb der Bilderzeugungsvorrichtung ist. Daher hat jeder Satz von Bildern eine ganz bestimmte, nur einmal vorkommende Orientierung. Aus diesem Grunde können Bilder, die zu unterschiedlichen Zeiten mit dem gleichen Verfahren, und Bilder, die im wesentlichen gleichzeitig, aber mit unterschiedlichen Bilderzeugungsverfahren (beispielsweise CT und MRI) hergestellt worden sind, nicht punktweise miteinander verglichen werden. Dies macht einen genauen Vergleich von Gebieten innerhalb der Bilder unmöglich.
Ein Chirurg befaßt sich auch mit Orientierungsunterschieden bezüglich des Abbildungsraums. Es kann beispielsweise sein, daß ein Gehirnchirurg, obwohl er weiß, wo sich sein chirurgisches Werkzeug in bezug auf bestimmte anatomische Bezugspunkte befindet, nicht mit der gewünschten Genauigkeit weiß, wo das Werkzeug in bezug auf die in den Bildern sichtbare Verletzung ist. Es hat Versuche gegeben, dieses Problemd durch zeitweilige Befestigung eines relativ großen armartigen Aufbaus zu lösen, der chirurgisch an Teilen des Körpers, etwa am Kopf, befestigt wird. Durch Orientierung eines chirurgischen Werkzeugs in bezug auf diesen Aufbau und durch Kenntnis der Position der inneren anatomischen Gebiete, die von Interesse sind, in bezug auf den genannten Aufbau ist die Position des chirurgischen Werkzeugs in bezug auf diese anatomischen Gebiete bekannt.
Ein mit solchen Aufbauten verbundenes Problem ist ihre Größe und die Tatsache, daß sie normale alltägliche Tätigkeiten, wie beispielsweise Schlafen, stören. Diese Konstruktionen werden daher nicht über eine längere Zeitspanne verwendet (z.B. während mehr als 12 Stunden), so daß ein Vergleich von Bildern oder der Position eines bestimmten Punkts innerhalb der Anatomie während eines größeren Zeitraums nicht praktikabel ist.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem interaktiven System, das einen Chirurgen bei der Handhabung eines chirurgischen Werkzeugs an einen exakten Ort führt, der durch ein Bilderzeugungssystem spezifiziert wird.
Diese und weitere Bedürfnisse werden durch ein interaktives, bildgeführtes chirurgisches System befriedigt, das ein inneres Koordinatensystem innerhalb der Anatomie eines Patienten festlegt. Das innere Koordinatensystem wird in bezug auf ein äußeres Koordinatensystem örtlich festgelegt, indem beispielsweise die Endspitze eines chirurgischen Werkzeugs auf einen bekannten Bezugspunkt im inneren Koordinatensystem positioniert wird. Sobald die Position des inneren Koordinatensystems in bezug auf das äußere Koordinatensystem bekannt ist, kann das chirurgische Werkzeug an jeden beliebigen Ort innerhalb des äußeren oder inneren Koordinatensystems bewegt werden, wobei sein Ort ist mit hoher Genauigkeit bekannt ist.
Die WO 88/09151 zeigt einen mechanischen Arm für ein chirurgisches System, bei dern mehrere Armstücke miteinander verbunden sind, um den Arm zu bilden. Die Armstücke haben unterschiedliche Größe und Aufbau, so daß auch die an den Enden der Armstücke vorhandenen Gelenke unterschiedlicher Art und unterschiedlich aufgebaut sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten mechanischen Arm bereitzustellen, der dazu bestimmt ist, durch eine menschliche Bedienungsperson in einem wie vorstehend beschriebenen System verwendet zu werden, und die erfindungsgemäße Lösung wird daher durch die Nerkmale von Anspruch 1 beschrieben, wobei bevorzugte Ausführungsformen Gegenstände der Unteransprüche sind.
Fig. 1A und 1B zeigen unterschiedliche Ansichten eines Kopfes, in dern Bezugsimplantate angeordnet sind.
Fig. 2 zeigt eine Operationsanordnung.
Fig. 3 zeigt einen mechanischen Arm, der gemäß einer Ausführungsforn der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Zahnradeingriffs für einen optischen Codierer, der mit dern Arm nach Fig. 3 verwendet wird.
Fig. 5 ist ein Fließschema für ein interaktives, bildgeführtes chirurgisches System.
Fig. 6 ist ein Fließschema der präoperativen&sub1; d.h. vor einer Operation relevanten Software.
Fig. 7 ist ein Fließschema der ersten Funktion der präoperativen Software.
Fig. 8 ist ein Fließschema der zweiten Funktion der präoperativen Software.
Fig. 9 ist ein Fließschema einer dritten Funktion der präoperativen Software.
Fig. 10 ist ein Fließschema der vierten und fünften Funktion der präoperativen Software.
Fig. 11 ist ein Fließschema der sechsten Funktion der präoperativen Software.
Fig. 12 ist ein Fließschema, das die Auswahl von Funktionen in der intraoperativen, d.h. während der Operation relevanten Software zeigt.
Fig. 13 ist ein Fließschema der ersten Funktion der intraoperativen Software.
Fig. 14 ist ein Fließschema der zweiten Funktion der intraoperativen Software.
Fig. 15 ist ein Fließschema der vierten Funktion der intraoperativen Software.
Fig. 16 ist ein Fließschema der fünften Funktion der intraoperativen Software.
Das vorliegende System legt ein dreidimensionales inneres Koordinatensystem fest, das innerhalb der menschlichen Anatomie fixiert ist. Das innere Koordinatensystem wird innerhalb der Anatomie unter Verwendung der vorliegenden Erfindung festgelegt, indem drei oder mehr Bezugsimplantate an Abschnitten der Anatomie fixiert werden. Die Bezugsimplantate werden an Punkten fixiert, die ihre räumliche Beziehung zueinander während einer relativ langen Zeitspanne, beispielsweise während einiger Monate, nicht ändern.
Ein Beispiel für die Anordnung von Bezugsimplantaten in der Anatomie ist in Fig. 1A und 1B gezeigt. In diesen Darstellungen sind Bezugsimplantate 10A, 108, 10C an drei getrennten, einen gegenseitigen Abstand aufweisenden Stellen innerhalb eines Schädels 18 implantiert.
Da diese drei Bezugsimplantate 10A-C so angeordnet sind, daß sie nicht kollinear liegen, wird eine Ebene gebildet, die diese drei Bezugsimplantate 10A-C enthält. Sobald eine Ebene festgelegt ist, ist auch ein dreidimensionales Koordinatensystem festgelegt, und jedei Punkt innerhalb des Körpers liegt innerhalb dieses inneren Koordinatensystems.
Wenn auch Bezugsimplantate dargestellt sind, können drei beliebige Punkte, die in bezug auf das interessierende Gebiet fixiert sind, die drei Punkte bilden, die zur Festlegung des inneren Koordinatensystems verwendet werden. Bezugsimplantate 10A-C, die durch unterschiedliche Bilderzeugungssysteme, wie beispielsweise CT- und MRI-Bilderzeuger identifizierbar und meßbar sind, werden bevorzugt. Die Bezugsimplantate 10A-C können relativ klein und unauffällig sein, so daß der Patient keine Unannehmlichkeit spürt oder sich der Implantate bewußt ist, selbst wenn der Patient die Implantate 10A-C während einer relativ langen Zeitspanne in sich trägt.
Eine Abtastung, wobei eine bekannte Bilderzeugungstechnik verwendet wird, wird ausgeführt, sobald die drei Bezugsimplantate 10A-C beim Patienten implantiert sind. Anschließend wird ein inneres Koordinatensystem in bezug auf diese drei Bezugsimplantate 10A-C festgelegt. Während aufeinanderfolgender Abtastungen, entweder nach ein paar Minuten oder nach ein paar Monaten, kann sich die Orientierung des Patienten relativ zu der Bilderzeugungsvorrichtung ändern. Unter Verwendung des vorliegenden System kann diese neue Orientierung allerdings gemessen werden, indem der Ort der Bezugsimplantate 10A-C in bezug auf die Bilderzeugungsvorrichtung gemessen wird und der Ort mit den zuvor aufgezeichneten Positionen verglichen wird. Diese Vergleichstechnik ermöglicht eine Neuorientierung der Bilder von aufeinanderfolgenden Abtastungen zu einer Position, die der zuvor aufgezeichneten entspricht, so daß gleichwertige Bildschnitte miteinander verglichen werden können.
Unabhängig davon, weshalb der Patient anders orientiert ist, kann unter Ausnutzung des feststehenden, vollständig definierten inneren Koordinatensystems in der Anatomie der Ort und die Richtung der durch die drei Bezugsimplantate 10A-C in der ersten Bilderzeugungssitzung festgelegten Ebene mit dern Ort und der Richtung der gleichen, durch die drei Bezugsimplantate festgelegten Ebene zum Zeitpunkt der zweiten Bilderzeugungssitzung verglichen werden. Die kartesischen Systeme werden durch drei unabhängige Drehungen in Ausrichtung gebracht. Die Überführung eines kartesischen Koordinatensystems in ein anderes ist eine bekannte Technik und kann durch moderne Computer problemlos ausgeführt werden.
Sobald das innere Koordinatensystem festliegt, wird dadurch auch das äußere Koordinatensystem mittels der drei nicht kollinearen Bezugsimplantate 10A-C festgelegt. Um einen sich bewegenden Punkt sowohl im inneren als im äußeren Koordinatensystem zu verfolgen, braucht das System lediglich anfänglich den Ort dieses Punkts in bezug auf einen Punkt im inneren Koordinatensystem festzustellen und dann der Bewegung des Punkts im äußeren Koordinatensystem kontinuierlich zu folgen. Als Beispiel sei angenommen, daß der Punkt im äußeren Koordinatensystem die Endspitze eines Lasers ist. Um den Ort dieser Endspitze sowohl in äußeren als auch im inneren Koordinatensystem zu verfolgen, wird die Endspitze des Lasers zunächst in eine bekannte Beziehung mit einem der Bezugsimplantate 10A-C gebracht, beispielsweise durch Berührung mit dem Implantat, wobei der Computer diesen Anfangszustand speichert. Der zusammen mit dem Bilderzeugungssystem verwendete Computer folgt dann dern Ort der Endspitze, wenn sich der Laser an irgendeine Stelle innerhalb des inneren und äußeren Koordinatensystems bewegt. Ein Positionscodierer verfolgt die Position der Endspitze und leitet die Signale, die sich auf die Bewegung der Endspitze innerhalb der Koordinatensysteme beziehen, an den Computer weiter. Da die Ausgangsposition der Endspitze (d.h. die Anlage gegen das Bezugsimplantat 10A-C) bekannt ist und seine Bewegungen fortlaufend verfolgt und an den Computer weitergeleitet worden sind, da die Ausgangsstellung der Endspitze in den Computer eingegeben worden war, ist die Position der Endspitze sowohl im inneren als auch im äußeren Koordinatensystem zu jedem Zeitpunkt bekannt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Erläuterung eines Operationsbereichs. Wie die Abbildung zeigt, sind dern Patienten Bezugsimplantate 10A-C im Kopf 18 implantiert. Ein Bilderzeugungsgerät 102 arbeitet wie vorstehend beschrieben zusammen mit einem programmierbaren Computer 104. Ein Bedienungssteuerpult 110 und eine Anzeige 108, die eine Zielobjektanzeige 112 beinhaltet, welche die Koordinaten eines Zielobjekts anzeigt (in Anwendungen der Strahlungstherapie verwendet), ist an den programmierbaren Computer 104 angeschlossen.
Ein äußerer Arm 34 ist an einem Sockel 36 fixiert. Der Arm 34 trägt ein Werkzeug 38, das ausgetauscht werden kann und beispielsweise ein Laser oder ein chirurgisches Werkzeug sein kann, wie etwa ein Nadelinstrument, eine Ultraschalleinheit, eine Biopsiesonde, ein Strahlungskollimator etc. Der Arm 34 hat eine Anzahl von Gelenken 42, wobei zu Darstellungszwecken in Fig. 2 eines gezeigt ist. Die Bewegung des Arms 34 wird durch den Computer 104 verfolgt, so daß die Stellung des Werkzeugs 38 relativ zum Sockel 36 des Arms 34 stets bekannt ist. Die Bewegung des Werkzeugs 38 durch das äußere und innere Koordinatensystem (in bezug auf den Sockel 36 des äußeren Koordinatensystems) ist durch Verwendung des folgenden Verfahrens genau bekannt.
An der Endspitze 39 des Werkzeugs 38 kann sich ein Sensor 40 befinden. Der Sensor 40 kann ein Metalldetektor, ein Ultraschalldetektor oder irgendein anderes Instrument sein, das die Position eines Bezugsimplantats 10A-C im Patienten erfassen kann. Wenn die Bezugsimplantate 10A-C im Schädel 18 angeordnet sind, wird der Sensor 40 an der Endspitze 39 des Werkzeugs 38 durch den Arm 34 unter Führung des Chirurgen bewegt, bis er auf ein Bezugsimplantat 10 in Schädel 18 trifft. Dieser Kontakt der Endspitze 39 mit den Bezugsimplantat 10 wird durch den Computer gespeichert, so daß die Anfangsstellung der Endspitze 39 bezüglich des inneren Koordinatensystems bekannt ist. Da die Position der Endspitze 39 bezüglich des Sockels 36 im äußeren Koordinatenssystem ebenfalls stets verfolgt wird und bekannt ist, kann darüber hinaus die Position der Endspitze 39 nach der Initialisierung durch Plazieren der Endspitze 39 in Kontakt mit dern Bezugsimplantat 10 sowohl durch das äußere als auch durch das innere Koordinatensystem verfolgt werden.
Die Vorrichtungen zur Verfolgung der Bewegungen des Arms 34 sind bekannt und werden durch Sensoren (in Fig. 2 nicht dargestellt) an unterschiedlichen Positionen des Arms 34 gebildet, wobei sowohl eine Rotation als auch eine Bewegung der Gelenke 42 des Arms 34 erfaßt werden kann.
In der Chirurgie ermöglicht das innere Koordinatensystem, das durch die drei Bezugsimplantate 10A-C festgelegt ist, beispielsweise einen Laser zu verfolgen, wenn er durch Gewebe zu einem Tumor schneidet. Das bei der Bildverarbeitung verwendete Bilderzeugungssystem 102 wird so positioniert, daß es ständig Bilderzeugungsdaten aufnimmt, die an den Computer 104 und die Anzeige 108 weitergegeben werden, um den Chirurgen zu führen, der den Arm 34 und den als chirurgisches Werkzeug 38 eingesetzten Laser manipuliert. Wenn der Laser durch Gewebe hindurchschneidet, wird die Veränderung im Gewebe auf der Anzeige 108 des Bilderzeugungssystems sichtbar und kann in bezug auf das feststehende innere Koordinatensystem verfolgt werden.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines mechanischen Arms gemäß der vorliegenden Erfindung, dessen Bewegungen verfolgt werden können und der eine Vielfalt von chirurgischen Werkzeugen 38 halten kann. Der Sockel 36 des Arms 34 ist beweglich an einer geeigneten Stelle befestigt. Der Arm 34 hat zwei Armstücke 40A, 4D8. Das erste Armstück 40A ist über zwei Kardangelenke 42 mit dem Sockel verbunden. Das erste Armstück 40A hat daher zwei Freiheitsgrade, die durch die beiden Kardangelenke 42 bereitgestellt werden.
Ein zweites Armstück 40B ist an das erste Arnstück 40A über ein zweites Paar Kardangelenke 42 angelenkt. Dieses zweite Paar Kardangelenke 42 verleiht dem zweiten Armstück 40B zwei weitere Freiheitsgrade. Bezüglich des Sockels 36 des Arms 34 besitzt das zweite Armstück 40B somit vier Freiheitsgrade.
Ein Werkzeughalter 44 ist über ein Paar Kardangelenke 42 mit dem zweiten Armstück 40B verbunden. Der Werkzeughalter 44 kann unterschiedliche Werkzeuge aufnehmen, beispielsweise ein Nadelinstrument, eine Ultraschalleinheit, einen chirurgischen Laser, eine Biopsiesonde oder einen Strahlungskollimator. Das dritte Paar Kardangelenke 42 verleiht dern Werkzeug 38 zwei weitere Freiheitsgrade, so daß das Werkzeug 38 bezüglich des Sockels 36 sechs Freiheitsgrade besitzt.
Die genaue Position des Werkzeugs 38 bezüglich des Sockels 36 wird durch optische Kodierer 46 verfolgt. Jedem Kardangelenk 42 ist ein optischer Kodierer 46 zugeordnet. Da ein einzelnes Kardangelenk 42 jeweils um seinen Zapfen gedreht wird, bestimmt der optische Kodierer 46 den genauen Betrag der Drehung des Kardangelenks 42 um seine Zapfen. Die Information von jedem der sechs optischen Kodierer 46 wird an den programmierbaren Computer 104 weitergeleitet, der auf dieser Grundlage die Bewegung des Werkzeugs 38 bezüglich des Sockels 36 genau verfolgen kann, indem er die einzelnen Drehungen der Kardangelenke 42 um ihre Zapfen verfolgt.
Wie aus der Ausführungsform nach Fig. 3 hervorgeht, haben die optischen Kodierer 46 eine solche Größe, daß sie innerhalb des Kardangelenks 42 untergebracht werden können. Dies schafft einen sehr kompakten Armaufbau und eine genaue Kodierung der Position der Kardangelenke 42. Der gesamte Armaufbau 34 ist sterilisierbar und kann beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen. Weiterhin ist der Arm 34 in üblicher Weise ausbalanciert, um Handhabbarkeit und Verwendung zu erleichtern.
Obwohl andere Einrichtungen zum Messen und Rückführen der In formation bezüglich des Schwenkens bzw. Kippens der Kardangelenke 42 verwendet werden können, sind optische Kodierer geeignet, wie sie von Heidenhain oder ITEK hergestellt werden und darüber kommerziell verfügbar sind. Wie oben erwähnt, ist es von Vorteil, wenn die optischen Kodierer 46 eine solche Größe haben, daß sie innerhalb der Kardangelenke untergebracht werden können.
Eine Einzelheit der Anbringung eines optischen Kodierers 46 ist in Fig. 4 dargestellt. Ein Zahnrad 50, das an das Kardangelenk 42 angeschlossen ist, greift unter einem Winkel von etwa 60 in das Zahnrad 52 ein, das den optischen Kodierer 46 antreibt. Dieses Eingreifen unter einem Winkel verhindert ein Spiel der Zahnräder, so daß die Ablesegenauigkeit des optischen Kodierers verbessert wird.
Während einer Operation werden drei getrennte Rasterbilder und ein graphisches Bild gleichzeitig auf der Videoanzeige 108 dargestellt, um dern Chirurgen eine genaue räumliche Orientierung zu ermöglichen. Jedes unterschiedliche Rasterbild kann durch eine unterschiedliche Art der Bilderzeugungstechnik geliefert werden. Beispielsweise können die drei unterschiedlichen, gleichzeitig auf dern Videoanzeigebildschirm 108 dargestellten Rasterbilder von drei unterschiedlichen Bilderzeugungsarten stammen, wie etwa CT, MRI, usw. Alternativ können mehrere Bildschnitte, die durch eine einzige Bilderzeugungstechnik gewonnen wurden, gleichzeitig dargestellt werden, anstatt daß ein und derselbe Bildschnitt von unterschiedlichen Bilderzeugungstechniken stammt. Die Anzeige der Bilder erfolgt in Realzeit, so daß sich die Bildschnitte verändern, während der Chirurg bei einer Arbeit den Arm 34 bewegt.
Obwohl der Arm 34 zur Verwendung mit den Bezugsimplantaten 10A-C beschrieben worden ist, kann der Arm auch mit anderen existierenden stereotaktischen Lokalisierungssystemen undrahmen verwendet werden, sofern ein innerer Bezugspunkt identifiziert werden kann. Wie bereits erwähnt, wird ein identifizierbarer innerer Bezugspunkt verwendet, um den Arm 34 im inneren und äußeren Koordinatensystem zu orientieren.
Fig. 5 bis 16 zeigen unterschiedliche Ablaufpläne für die Software, die in einem System verwendet wird, welches den Arm gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt. Der erste Software- Ablaufplan ist in Fig. 5 dargestellt und beschreibt ein interaktives, bildgeführtes Hauptprogramm eines chirurgischen Systems. Das Hauptprogramm beginnt beim Start 2D0, und die Graphiktafel wird in Schritt 201 initialisiert. Die Maus wird in Schritt 202 initialisiert, und die Systemdefaultwerte werden in Schritt 203 gesetzt. Die Patienteninformation wird in Schritt 204 auf einem Bildschirm angezeigt, und in Schritt 205 werden Eingaben in bezug auf den Patienten vorgenommen, einschließlich des Namens und der ID-Nummer des Patienten.
Im Entscheidungsschritt 206 wird festgestellt, ob der Patient in der lokalen Datenbank vorhanden ist. Wenn dies der Fall ist, werden die Patienteninformationen und verfügbare Abbildungssätze im Schritt 207 angezeigt. An dieser Stelle wird festgelegt (Schritt 208), ob es sich um ein präoperatives oder intraoperatives Verfahren handelt. Wenn es sich um ein intraoperatives Verfahren handelt, wird in Schritt 209 die intraoperative Software verwendet.
Wenn sich der Patient nicht in der lokalen Datenbank befindet, wird in Entscheidungsschritt 210 festgestellt, ob es sich um eine neue Sitzung handelt oder nicht. Wenn es sich um eine neue Sitzung handelt, wird die Patienteninfornation aufgenommen (Schritt 211), und die präoperative Software wird in Schritt 212 verwendet. Wenn es sich nicht um eine neue Sitzung handelt, wird archivierte Information in Schritt 213 eingegeben, und die archivierte Information wird in eine lokale Datenbank kopiert. Das Programm geht von Schritt 207 weiter, wobei die Patienteninformationen und die verfügbaren Abbildungssätze angezeigt werden. Über die präoperative Software 212 und die intraoperative Software 209 kommt man zu einem Entscheidungsschritt 214, in den zu entscheiden ist, ob ein weiterer Patient behandelt werden soll oder nicht. Wenn die gegenwärtige Sitzung beendet werden soll, folgt Schritt 215 zum Beenden der Sitzung. Wenn ein weiterer Patient behandelt werden soll, geht das Programm zurück, um die Systemdefaultwerte in Schritt 203 zu setzen.
Die präoperative Software in Schritt 212 umfaßt sechs Hauptfunktionen. Bildschnitte, die einen interessanten chirurgischen Bereich bilden, werden auf die Festplatte des Systems übertragen. Dies geschieht entweder unmittelbar durch Lesen der Bilder von den Speichermedien oder durch übertragung mittels Software. Eine weitere Funktion ist die Anzeige der Rasterbilder auf der Anzeige 108. Die dritte Funktion ist die positionsweise Durchsicht der Rasterdaten, um getrennte Schwellen- und Kontrastwerte für alle Rasterbilder einzustellen. Sobald sich die Rasterdaten an Ort und Stelle befinden, wird in der vierten Funktion eine graphische Darstellung der Rasterdaten erzeugt. Diese Darstellung kann Umrandungen aufweisen und/oder flächenschattiert sein. Die fünfte Funktion der präoperativen Software ist das Editieren der graphischen Darstellung des Rastergebiets. Schließlich kann der Arzt in der sechsten Funktion wahlweise interessante Gebiete auf den Rasterbildern auswählen. Diese Gebiete werden dann in den graphischen Abbildungssatz übertragen. Die Flußpläne, die sich auf diese sechs Funktionen beziehen, sind in Fig. 6 bis 11 dargestellt.
Fig. 6 zeigt den Gesamtflußplan der präoperativen Software 212, Der erste Schritt der präoperativen Software 212 ist die Anzeige des präoperativen Menüs. Die I/O-Quelle wird in Schritt 215 gewählt, und zwar zwischen der Verwendung einer Maus oder der Tasten. Vom Menü aus wird eine der sechs Funktionen 216-221 ausgewählt und durchgeführt, oder es wird von Menü aus der Ausgang 222 gewählt. Nach dern Ausgang 222 aus dem Menü wird im Entscheidungsschritt 223 bestimmt, ob ein graphisches Modell angefertigt worden ist. Wenn ja, erfolgt die Rückkehr 224 zur Patienteninformationsmaske auf der Anzeige 108. Wenn kein graphisches Modell angefertigt worden ist, wird als nächstes im Entscheidungsschritt 225 bestimmt, ob sich aktuelle Abtastungen auf der Platte befinden. Wenn nicht, wird der Abbildungssatz in Schritt 226 übertragen. Wenn sich die aktuellen Abtastungen auf der Platte befinden, wird in Schritt 227 ein graphisches Modell erstellt, und es erfolgt die Rückkehr zur Patienteninformationsmaske.
Fig. 7 erläutert den Flußplan für die erste Funktion, nämlich den Schritt der Hinzufügung von Abbildungssätzen 216. In Schritt 228 werden die Abbildungsdaten übertragen. Im Entscheidungsschritt 230 wird bestimmt, ob die Bilder registriert sind. Wenn sie nicht registriert sind, wird ein Speicherband geladen (Schritt 232). Wenn die Bilder registriert sind, wird in Schritt 234 ein Netztransfer ausgeführt. Entweder nach Schritt 232 oder nach Schritt 234 wird in Schritt 236 ein Kopfteil des Bildes abgetastet, um den Bildtyp, die Nummer, Orientierung usw. zu bestimmen. Die Information des Kopfteils wird auf der Anzeige 108 in Schritt 238 angezeigt. In Schritt 239 wird die I/O-Quelle zwischen Maus oder Tasten ausgewählt. In Schritt 240 werden die abgetasteten Daten für das neue Kopfteil entnommen. Die Abtastdatensätze werden in Schritt 241 entnommen, wobei diese Sätze von abgetasteten Daten in Schritt 242 geordnet werden. Die Abtastdatensätze werden in Schritt 243 auf Bytebreite komprimiert und in Schritt 244 in einer lokalen Datenbank gespeichert. In Schritt 245 wird eine Entscheidung getroffen, ob ein weiterer Abbildungssatz bearbeitet werden soll, wobei dann die erste Funktion 216 entweder bei 246 verlassen wird oder eine Rückkehr zurück zum Schritt 228 stattfindet.
Fig. 8 zeigt die zweite Funktion der präoperativen Software, nämlich die Abbildungssetz-Anzeigefunktion 217. Der erste Schritt dieser zweiten Funktion besteht darin, daß das Menü zur Anzeige von Bildern in Schritt 248 bereitgestellt wird. In Schritt 249 wird die I/O-Quelle ausgewählt. Der gesamte Abbildungssatz kann in Schritt 250 über die Eingabe 251 angezeigt werden, wobei die Anzahl der Bilder und die Größe der Bilder in Schritt 252 bestimmt wird. In Schritt 253 wird eine Anzeige mit einem 256 x 256-Bild angezeigt. Anstelle der Anzeige des gesamten Abbildungssatzes in Schritt 250 kann der Abbildungssatz alternativ in einem Fenster in Schritt 254 angezeigt werden. Auf der Grundlage der Eingabe in Schritt 255 wird die Größe der Bilder in Schritt 256 bestimmt, und in Schritt 257 kann in einem angeforderten Fenster eine 512 x 512-Anzeige erfolgen. Die zweite Funktion zur Anzeige von Abbildungssätzen 217 wird in Schritt 258 verlassen.
Fig. 9 zeigt einen Flußplan der dritten Funktion, nämlich der Bildanzeige-Einstellfunktion 218. Schritt 216 zeigt das Bildeinstellmenü an, und Schritt 261 wählt die I/O-Quelle aus. Ausgehend von dern Menü kann das Niveau, die Breite, das Minimum und das Maximum der Grauskala in Schritten 262-265 eingestellt werden. Nach der Einstellung werden die Maßzahlen in Schritt 266 auf den neuesten Stand gebracht, und der Bildschirm wird in Schritt 267 mit einer Rückkehr zum Menü auf den neuesten Stand gebracht. Ebenfalls vom Menü aus gibt es einen Rücksetzschritt 268, der gewählt werden kann, um die Defaultwerte in Schritt 269 wiederherzustellen. Schließlich gibt es von Menü aus einen Ausgang 270 aus der Bildanzeige-Einstellfunktion 218.
Fig. 10 erläutert einen Flußplan für die vierte und fünfte Funktion, nämlich das Erstellen und Editieren des graphischen Modells. In Schritt 218 wird ein Abbildungssatz eingegeben. In Schritt 281 wird bestimmt, ob der Abbildungssatz axial ist oder nicht. Wenn nicht, gibt es eine Schleife, bis der Abbildungssatz axial ist. Wenn der Abbildungssatz axial ist, wird die Gradientendifferenz zur Bestimmung der Grenze der interessierenden Anatomie verwendet, beispielsweise des Kopf 5 des Patienten. Im Entscheidungsschritt 283 wird bestimmt, ob Scheitelpunkte für das Bildende akzeptiert werden sollen. Wenn Scheitelpunkte nicht akzeptiert werden, wird in Schritt 284 ein Scheitelpunkt gewählt und modifiziert, andernfalls wird dieser Schritt 284 übergangen und man kommt zum Entscheidungsschritt 285, in dem alle Bilder geprüft werden. Die Bildzahl wird dann auf N = N + 1 erhöht, und der Ablauf kommt zurück zur Eingabe des Entscheidungsschritts 283, wenn nicht alle Bilder geprüft worden sind. Andernfalls, wenn alle Bilder geprüft worden sind&sub1; wie im Entscheidungsschritt 285 bestimmt, wird die vierte und fünfte Funktion 219, 220 in Schritt 286 verlassen.
Die sechste Funktion, das Markieren eines Gebiets 221, ist als Flußplan in Fig. 11 dargestellt. Bei 290 ist der Start für ein festes Zielobjekt. Schritt 291 beinhaltet die Auswahl eines Fensters als ein Eingabe in die Software. In Schritt 292 wird der Vorgang mit dern ausgewählten Fenster verknüpft, und in Schritt 293 wird mit der Maus eine Linie gezogen. Die Linie wird in Schritt 294 codiert, wobei alle Fenster äquivalente Bildschnitte haben. Der Status der Knöpfe der Eingabemaus wird in Schritt 295 bestimmt. Wenn der linke Knopf angewählt ist, erfolgt ein Rücksprung zum Entscheidungsschritt 293. Wenn der mittlere Knopf angewählt ist, erfolgt ein Rücksprung zum Eingabeschritt 292. Wenn schließlich der rechte Knopf angewählt ist, wird die Beschreibung in Schritt 297 abgeschlossen, und der Zielkörper wird in Schritt 298 eingeschlossen. In Schritt 299 wird bestimmt, ob der Zielkörper beendet ist, wobei dann der Körper in Schritt 200 bezeichnet wird und der Vorgang in Schritt 301 verlassen wird.
Die vorstehenden Vorgehensweisen und Flußpläne in Fig. 6 bis 11 beschreiben die präoperative Software 212. Die folgenden Flußpläne beschreiben die intraoperative Software 209. Die operative Software 209 erledigt mehrere intraoperative Aufgaben sowie eine tatsächlich innerhalb eines Vorgangs bzw. zwischen mehreren Vorgängen stattfindende Aufgabe. Die intraoperativen Aufgaben beinhalten das Bestätigen der Patientendaten und das Einrichten von Computer und chirurgischer Vorrichtung für einen speziellen chirurgischen Vorgang. Die Software wird auf Rückstellungen der optischen Kodierer nach dern Start überprüft. Dies gewährleistet eine genaue Winkelbestimmung und Positionierung des Endpunkts des chirurgischen Werkzeugs. Die Einstellung der Systemanzeige hinsichtlich Helligkeit und Kontrast wird geändert, um die Bildwahrnehmung innerhalb des Operationsraums zu optimieren. Die graphische Anzeigeposition kann bis in die Position gedreht werden, die für den Chirurgen am günstigsten ist. Das Werkzeug wird weiterhin mit einer Reihe von Punkten auf einer Kalibrierungsvorrichtung in Berührung gebracht, um die Winkelfehler in jedem Freiheitsgrad zu bestimmen.
Das System führt während der Operation folgende Aufgaben aus. Nachdem der Patient positioniert ist, werden nacheinander die gemeinsamen Punkte zwischen dern physikalischen Raum und dem auf der Anzeige 108 sichtbaren Bildraurn lokalisiert. Es wird eine Rotationsmatrix zwischen dem physikalischen Raum und dem Bildraum berechnet. Der Zeiger wird dann zu einer beliebigen, interessierenden Position innerhalb des chirurgischen Raums bewegt. Der Wert eines jeden Winkelkodierers wird vom Computer 104 erfaßt und die Position des Endpunkts 39 des chirurgischen Werkzeugs 38 wird im physikalischen Raum berechnet und anschließend über die Rotationsmatrix in die äquivalente Position im Bildraum transformiert. Dieser Punkt wird gleichzeitig auf allen Rasterbildern und im graphischen Fenster dargestellt. Zusätzlich wird die Position des distalen Gelenks berechnet und auf den graphischen Fenstern dargestellt, um dem Chirurgen die Orientierung zu erleichtern. Schließlich kann der Chirurg zu einer Anzeige des Wegverlaufs des Werkzeugs 38 umschalten. Dies ermöglicht dern Chirurgen, einen optimalen Weg zu einem Punkt von Bedeutung innerhalb des chirurgischen oder Bildraums zu bestimmen.
Die Flußpläne für die intraoperative Software 209 sind in Fig. 12 bis 16 erläutert. Der Gesamtflußplan der intraoperativen Software 209 ist in Fig. 12 dargestellt. Der erste Schritt ist die Anzeige des intraoperativen Menüs in Schritt 310. Die I/O- Quelle wird in Schritt 311 ausgewählt. Fünf verschiedene Funktionen des intraoperativen Menüs können ausgewählt werden. Die erste Funktion ist die Bildschirmeinrichtung 312, die zweite ist die Armeinrichtung 313, die dritte die Bildanzeige-Einstellfunktion 314, die vierte die Orientierung des graphischen Modells 315, und die fünfte die Armanwendungsfunktion 316. Die intraoperative Software wird in Schritt 317 verlassen.
Fig. 13 zeigt die erste Funktion der intraoperativen Software, nämlich die Einrichtung der Maske 312. Der erste Schritt 320 ist die Anzeige der verfügbaren Abbildungssätze und Fensterzuordnungen. Die Zuordnungen der Raster- und graphischen Fenster werden in Schritt 321 eingegeben. Ausgehend von hier wird die Information in den Fenstern auf den neuesten Stand gebracht, oder aber die Einrichtung der Maske in Funktion 312 wird in Schritt 323 verlassen.
Fig. 14 zeigt einen Flußplan der zweiten Funktion, nämlich der Armeinrichtung 313. In Schritt 325 wird die Arminformationsmaske auf der Anzeige 108 angezeigt. Parameter des Arms einschließlich Länge und Typ des chirurgischen Werkzeugs, Anzahl der Bezugspunkte usw. werden in Schritt 326 eingegeben. Die Information wird in Schritt 327 auf den neuesten Stand gebracht, und im Entscheidungsschritt 328 wird eine Entscheidung bezüglich des Ausgangs getroffen. Wenn entschieden wird, nicht herauszugehen, geht die Software zur Eingabe im Schritt 327 zurück, in dern die Information auf den neuesten Stand gebracht wird. Andernfalls wird die zweite Funktion 313 in Schritt 329 verlassen.
Der Flußplan für die dritte Funktion, nämlich die Bildanzeige- Einstellfunktion 314, stimmt mit der nach Fig. 9 überein.
Der Flußplan nach Fig. 15 zeigt die vierte Funktion, nämlich für die Bildschirmanzeige-Einstellfunktion 315. Im ersten Schritt 330 wird das Menü für diese Funktion, nämlich das Menü zum Orientieren des graphischen Modells, angezeigt. Die I/O- Quelle wird in Schritt 331 ausgewählt. Anschließend erfolgt die Auswahl der zu rotierenden Achse, wobei jede der X-, Y-, Z-Achsen in Schritt 332, 333, 334 gedreht werden kann. Das Ausmaß der Drehung wird in Schritt 335 eingegeben, und die Orientierung des graphischen Modells wird in Schritt 336 auf den neuesten Stand gebracht. Ausgehend von der Anzeige des Menüs auf der Anzeige 108 wird die Funktion 314 zur Orientierung des graphischen Modells in Schritt 337 verlassen.
Der Flußplan nach Fig. 16 beschreibt die Armanwendungsfunktion 316. Der erste Schritt besteht in der Anzeige der Arminformationsmaske 340. Die Hardware des Arms wird in Schritt 341 initialisiert. Die Kodierer werden in Schritt 342 auf Null gesetzt. Die Kodierer werden in ihre Nullstellung bewegt, was in Schritt 343 eingegeben wird. Im Entscheidungsschritt 344 wird bestimmt, ob alle Kodierer auf Null gesetzt sind, wobei bei negativem Ergebnis ein Rücksprung zu Schritt 342 erfolgt. Wenn alle Kodierer auf Null gesetzt sind, wird Schritt 345 zur Kalibrierung der Kodierer ausgeführt. Die Position der Bezugsimplantate im physikalischen Raum, d.h. im inneren Koordinatensystem, wird in Schritt 346 gespeichert. Im Entscheidungs schritt 347 wird bestimmt, ob alle Bezugsimplantate 10A-C lokalisiert sind. Wenn nicht, werden die Bezugsimplantate mit dern Werkzeug 38 lokalisiert, und diese Information wird in Schritt 348 eingegeben.
Wenn alle Bezugsimplantate 10A-C gefunden worden sind, wird in Schritt 349 die Rotationsmatrix berechnet. Die Position der Endspitze 39 des Werkzeugs 38 wird in Schritt 350 berechnet. Schritt 351 ermöglicht eine Eingabe an Schritt 349 (die Berechnung der Rotationsmatrix), wobei das Werkzeug 38 bewegt wird. Nachdem in Schritt 350 die Position der Endspitze 31 berechnet worden ist, wird die Position des Werkzeugs 38 in Schritt 352 auf dern besten Rasterbildschnitt und auf dern graphischen Modell dargestellt. Anschließend wird im Entscheidungsschritt 343 bestimmt, ob der Wegverlaufsmodus eingeschaltet ist oder nicht. Wenn nicht, wird im Entscheidungsschritt 344 bestimmt, ob die Funktion 316 verlassen werden soll oder nicht. Wenn der Wegverlaufsmodus eingeschaltet ist, wird in Schritt 355 im graphischen Modell ein Wegverlaufsvektor gezeichnet. Sobald der Wegverlaufsvektor auf dem graphischen Modell gezeichnet ist, wird nochmals bestimmt, ob die Funktion 316 verlassen werden soll oder nicht. Wenn die Funktion verlassen werden soll, wird anschließend der Ausgangsschritt 356 ausgeführt. Wenn nicht, geht das Programm zurück zu Schritt 349, um eine Rotationsmatrix zu berechnen.
Die vorstehend beschriebenen Flußpläne in Fig. 5 bis 16 beschreiben eine Ausführungsform einer Software, die eingesetzt werden kann, wenn der erfindungsgemäße Arm verwendet wird. Allerdings können auch andere Ausführungsformen des Programms für den Einsatz des Arms 34 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Weiterhin kann der Arm 34 in Verbindung mit einem beliebigen System eingesetzt werden, bei dern innere Bezugspunkte bereitgestellt werden, obwohl der erfindungsgemäße Arm 34 in Zusammenhang mit der Verwendung der Bezugsimplantate 10A-C beschrieben wurde.

Claims

1. Mechanischer Arm (34), der durch eine menschliche Bedienungsperson bedienbar ist, wobei die Bewegung des Arms (34) von einem an den Arm (34) angeschlossenen Computer (104) verfolgt werden kann, mit einem Sockel (36), der an einer Oberfläche fixiert werden kann; mit:

einem ersten, an den Sockel (36) angeschlossenen Gelenkpaar (42);

einen ersten Armstück (40A), das an einen ersten Endabschnitt an das erste Gelenkpaar (42) angeschlossen ist und zwei Freiheitsgrade besitzt, die dieses erstes Gelenkpaar bereitstellt;

einem zweiten Gelenkpaar (42), das an einen zweiten Endabschnitt des ersten Armstücks (40A) angeschlossen ist, wobei eines der Gelenke des zweiten Gelenkpaars ein Kardangelenk ist;

einem zweiten Armstück (4D8), das an einem ersten Endabschnitt an das zweite Gelenkpaar (42) angeschlossen ist und vier Freiheitsgrade besitzt, die durch das erste und das zweite Gelenkpaar (42) bereitgestellt werden;

einem dritten Gelenkpaar (42), das an einen zweiten Endabschnitt des zweiten Armstücks (40B) angeschlossen ist, wobei eines der Gelenke des dritten Gelenkpaars ein Kardangelenk ist;

einem Werkzeughalter (44), der an das dritte Gelenkpaar (42) angeschlossen ist und sechs Freiheitsgrade aufweist, die durch das erste, das zweite und das dritte Gelenkpaar (42) bereitgestellt werden; und

einem separaten Kodierer (46), der an jedes einzelne Gelenk (42) angeschlossen ist und die Bewegung eines Gelenks (42) relativ zu einem anderen Gelenk (42) elektrisch kodiert und Signale erzeugt, die die Größe und Richtung der Bewegung des Gelenks (42) angeben,

dadurch gekennzeichnet, daß alle Gelenke (42) Kardangelenke sind.

2. Mechanischer Arm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodierer (46) optischer Kodierer sind.

3. Mechanischer Arm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Kodierer (46) innerhalb der Kardangelenke angebracht sind.

4. Mechanischer Arm nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder optischer Codierer (46) ein Zahnrad (52) aufweist, das den optischen Kodierer antreibt, und daß jedes Kardangelenk (42) ein Zahnrad (50) aufweist, das an das Kardangelenk (42) angeschlossen ist und das Zahnrad des optischen Codierers (52) antreibt, wobei das Zahnrad (50) des Kardangelenks und das Zahnrad (52) des optischen Kodierers unter einen Winkel ineinandergreifen, so daß ein Spiel vermieden wird.

5. Mechanischer Arm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder (50, 52) Stimräder mit Viertelteilung sind.

6. Mechanischer Arm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kardangelenke (42) und das erste und zweite Armstück (40A, 40B) aus rostfreiem Stahl bestehen.

7. Mechanischer Arm nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (33) sterilisierbar ist.

8. Mechanischer Arm nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeughalter (44) zum Halten unterschiedlicher Arten chirurgischer Werkzeuge (38) ausgebildet ist.