DE69132412T2

DE69132412T2 - Lokalisierungssystem für eine chirurgische sonde zur anwendung am kopf

Info

Publication number: DE69132412T2
Application number: DE69132412T
Authority: DE
Inventors: D. Bucholz
Original assignee: St Louis University
Current assignee: St Louis University
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2011-10-18
Also published as: EP0553246A4; SE9301262D0; DE69132412D1; EP1210916A2; EP0553246B1; ATE405223T1; US5851183A; DE69133634D1; EP0931516A1; EP0553246A1; ATE196234T1; US20020183615A1; EP1690511B1; SE9301262L; EP1690511A1; EP0931516B1; DE69133548T2; AU8876391A; CA2094251A1; EP1210916A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die präzise Positionslokalisierung war immer schon kritisch in der Neurochirurgie. Die Kenntnis der Anatomie des Gehirns und spezifischer Funktionen, die lokalen Gebieten des Gehirns zugeschrieben werden, sind kritisch bei der Planung jeglicher neurochirurgischer Verfahren. Neue diagnostische Fortschritte, wie Computer-Tomographie (CT)-Scans, Kernspintomographie ("magnetic resonance imaging", MRI)-Scanning und Positronenemissionstomographie (PET)-Scanning haben die präoperative Diagnose und die chirurgische Planung außerordentlich erleichtert. Die Präzision und Genauigkeit der Scantechnologien sind für den Neurochirurgen im Operationssaal jedoch nicht vollständig verfügbar. Das in Beziehung bringen von spezifischen Strukturen und Stellen innerhalb des Gehirns zu den präoperativen Scantechnologien während des operativen Eingriffs war früher schwierig, wenn nicht unmöglich.
Die stereotaktische Chirurgie, die zuerst vor 100 Jahren entwickelt wurde, besteht aus der Verwendung einer Führungsvorrichtung, die die Chirurgie durch spezifische Teile des Gehirns lenkt, nachdem sie durch präoperative radiographische Techniken lokalisiert wurden. Die stereotaktische Chirurgie war vor dem Aufkommen der modernen Scantechnologien nicht weitverbreitet, da das Injizieren von Luft in das Gehirn erforderlich war, um die Ventrikel, Flüssigkeit enthaltende Kammern innerhalb des Gehirns, zu lokalisieren. Die Ventrikulographie brachte eine signifikante Komplikationsrate mit sich und die Genauigkeit der Lokalisierung war marginal.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Darstellung von chirurgischen Operationen wird in WO-A-88/09151 offenbart. Tomogramme, die mit mindestens drei Meßpunkten auf dem Patienten versehen sind, werden in einem Computer gespeichert und können auf einem Bildschirm angezeigt werden. Zusätzlich werden die Positionen der drei Meßpunkte vor und nach dem Einfügen durch eine Koordinatenmeßvorrichtung bestimmt. Diese Positionen werden in den entsprechenden Tomographen auf dem Bildschirm übereinandergelagert und in einem Datenspeicher gespeichert.
In einem Artikel mit dem Titel "A Frameless Stereotaxic Operating Microscope for Neurosurgery" von Eric M. Fleits et al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 36, Nr. 8, Juni 1989, Seiten 608 bis 617, wird ein Computer-basiertes System beschrieben, wobei Bilderzeugungsdaten stereotaxisch in das operative Verfahren integriert werden können, und zwar durch die Überlagerung der Tumorkonturen und anderer einschlägiger radiologischer Information darüber, was als korrekte Position, Maßstab und Orientierung gefordert wird, durch das Operationsmikroskop. Das System verwendet einen nicht-bilderzeugenden Ultraschall- Distanzmesser zur Navigation innerhalb des Koordinatenraums des Operationssaals. Ein Miniatur-CRT und Strahlteiler projiziert die radiologische Information durch das Operationsmikroskop. Ein konventioneller stereotaxischer Rahmen, der am Kopf des Patienten angebracht ist, ist unnötig.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein System bereitzustellen, das die Position einer Sonde innerhalb eines Kopfes bestimmen und ein Bild, das der bestimmten Position entspricht, anzeigen kann.
Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Angabe einer Position einer Spitze einer Sonde mit Emittern, die innerhalb eines Objekts, auf Querschnittsbildern des Objekts, liegt, in dem Referenzpunkte Energie abstrahlen und in fester Beziehung zu dem Objekt liegen, wobei das genannte Verfahren die Schritte umfaßt von:
Detektion von Strahlung von den Emittern;
Bestimmung der Position der Spitze der Sonde relativ zu einem Referenz- Hilfsmittel, das außerhalb des Objekts lokalisiert ist, basierend auf von den Emittern detektierter Strahlung;
Detektion von Strahlung von den Referenzpunkten;
Bestimmung der Position der Referenzpunkte des Objekts relativ zu dem Referenz-Hilfsmittel, basierend auf von den Referenzpunkten detektierter Strahlung, so daß die Position der Spitze relativ zu den Referenzpunkten des Objekts eine bekannte Position ist;
Übertragung der bekannten Position der Spitze der Sonde mit Hilfe einer geeigneten Computersoftware zur Bereitstellung einer in ein Koordinatensystem übertragenen Position, die den Querschnittsbildern des Objekts entspricht; und
Anzeige eines Querschnitts eines Bildes des Objekts, wobei der genannte Querschnitt der übertragenen Position der Spitze der Sonde entspricht und dabei die Position der Spitze der Sonde innerhalb der Bilder des Objekts anzeigt.
Die Sonde kann eine chirurgische Sonde sein und der Anzeigeschritt kann den Schritt umfassen von:
Anzeige eines Bildes, das die Spitze der chirurgischen Sonde auf dem entsprechenden Querschnittsbild des Objekts darstellt, welches z. B. der Kopf eines Körpers eines Patienten sein kann.
Vorzugsweise umfaßt das Referenz-Hilfsmittel eine Anordnung mit Sensoren und der Schritt der Bestimmung der Position der Referenzpunkte des Objekts relativ zu dem Referenz- Hilfsmittel umfaßt die Schritte des Anbringens einer Basis auf dem Objekt in einer Position mit festgelegter räumlicher Beziehung zu den Referenzpunkten des Objekts und das Messen der Position der Basis hinsichtlich der Anordnung. Ein Verfahren, das ein solches Referenz- Hilfsmittel verwendet, umfaßt vorzugsweise weiterhin den Schritt der Strahlungsemission von der Basis zu der Anordnung zur Angabe der Position der Basis.
Das Verfahren der Erfindung umfaßt vorzugsweise weiterhin den Schritt der Kompensation von Temperaturveränderungen, welche den Prozeß der ersten und zweiten bestimmenden Schritte beeinflußt.
Die Erfindung umfaßt auch ein System zur Angabe einer Position innerhalb eines Objekts, wobei das genannte System umfaßt:
Referenzpunkt-Hilfsmittel mit einer Position in fester Beziehung zu dem Objekt zur Bereitstellung von Referenzpunkten, die Energie abstrahlen;
Hilfsmittel zur Erzeugung von Querschnittsbildern des Objekts, wobei die genannten Querschnittsbilder Referenzbilder einschließen, die dem Referenzpunkt- Hilfsmittel entsprechen;
Referenz-Hilfsmittel, die außerhalb des Objekts angebracht sind zur Bereitstellung einer Referenz;
eine Sonde einschließlich einer Spitze;
Emitter, die auf der Sonde angebracht sind;
einen Detektor zur Detektion von Strahlungsabgabe durch die Emitter und zur Detektion von Strahlung von den Referenzpunkten;
erste Hilfsmittel zur Bestimmung der Position der Spitze der Sonde relativ zu dem Referenz-Hilfsmittel, basierend auf der detektierten Strahlung;
zweite Hilfsmittel zur Messung der Position der Referenzpunkt-Hilfsmittel des Objekts relativ zu dem Referenz-Hilfsmittel, wobei die Position der Spitze relativ zu den Referenzpunkt-Hilfsmitteln des Objekts eine bekannte Position ist;
Hilfsmittel zur Übertragung der bekannten Position der Spitze der Sonde in ein Koordinatensystem, das den Bildern des Objekts entspricht; und
Hilfsmittel zur Anzeige eines Bildes des Objekts, welches der übertragenen Position der Spitze der Sonde entspricht.
In einem solchen System kann die Sonde eine chirurgische Sonde sein und das Objekt der Kopf eines Körpers eines Patienten, während das Anzeigehilfsmittel umfaßt:
Hilfsmittel zur Anzeige eines Bildes, das die Spitze der Sonde auf dem angezeigten Bild des Kopfes darstellt.
In einem bevorzugten System umfaßt das zweite Hilfsmittel:
eine Basis, die so angepaßt ist, daß sie auf dem Kopf in einem festgelegten Verhältnis zu den Referenzpunkt-Hilfsmitteln des Kopfes angebracht werden kann; und
Hilfsmittel zur Messung der Position der Basis hinsichtlich des Referenz-Hilfsmittels. Überdies kann das Referenz-Hilfsmittel eine Anordnung mit Sensoren umfassen, und die Sonde kann eine Bayonett-Zange mit Emittern, die in einer Linie mit der Spitze der Zange und unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen liegen, wenn er die Zange bedient, umfassen, wobei die genannten Emitter zur Kommunikation mit den Sensoren der Anordnung so angepaßt sind, daß sie die Position der Sonde relativ zu der Anordnung angeben.
Typischerweise weist die Zange zwei auf ihr angebrachte Emitter auf.
Das System kann auf der Basis weiterhin zusätzliche Emitter zur Kommunikation mit den Sensoren der Anordnung umfassen, zur Angabe der Position der Basis relativ zu der Anordnung.
Zusätzlich kann das erfindungsgemäße System weiterhin einen dreidimensionalen Digitalisierer zur Digitalisierung der Signale, die von den Sensoren als Antwort auf die Signale der Emitter erzeugt worden sind, umfassen.
Das Übertragungs-Hilfsmittel umfaßt vorzugsweise einen Computer, der zwischen dem zweiten Hilfsmittel und den Anzeigehilfsmitteln angeschlossen ist, und eine Übertragungs- Software zur Kontrolle des Betriebs des Computers, so daß die durch die zweiten Hilfsmittel dem Computer gelieferten Koordinaten in die entsprechenden, den Anzeigehilfsmitteln gelieferten Koordinaten umgewandelt werden.
Das Objekt kann der Kopf eines Körpers eines Patienten sein und das Anzeigehilfsmittel kann ein Bilderzeugungssystem umfassen.
Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes System umfaßt weiterhin Hilfsmittel zur Kompensation von Temperaturschwankungen, die den Betrieb der ersten und zweiten Bestimmungs-Hilfsmittel beeinflussen.
Wenn das Objekt der Kopf eines Körpers eines Patienten ist, kann das Anzeigehilfsmittel ein Hilfsmittel zur Anzeige eines die Spitze der Sonde darstellenden Cursors auf dem entsprechenden Bild des Kopfes umfassen.
Vorzugsweise definieren die Referenzpunkt-Hilfsmittel eine Referenzfläche und das Koordinatensystem der Bilder schließt eine X-Y-Fläche parallel zur der Referenzfläche ein.
Wenn das Objekt der Kopf eines Körpers eines Patienten ist, kann das System weiterhin strahlendurchlässige Nadeln mit strahlenundurchlässigen Spitzen umfassen, die im Kopf lokalisiert sind, um die Referenzpunkt-Hilfsmittel zu definieren.
Wenn das System derart verwendet werden soll, daß das Objekt der Kopf eines Körpers eines Patienten ist, kann das Anzeigehilfsmittel umfassen:
Hilfsmittel zur Anzeige einer Vielzahl von Bildern, die von einer Vielzahl von Scan- Techniken erzeugt werden, in dem die angezeigten Bilder der Position der Spitze der Sonde im Kopf entsprechen. In einem derartigen System kann das Referenzpunkt-Hilfsmittel den Umriß der Stirn des Patienten umfassen, während die gescannten Bilder gescannte Bilder des Kopfes umfassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist eine perspektivische Abbildung einer zylindrischen Rahmenstruktur, die während des Scan-Prozesses um den Kopf des Patienten angebracht wird.
Fig. 1B ist ein Grundriß der Stäbe der zylindrischen Rahmenstruktur der Fig. 1A entlang einer Fläche, die in der Mitte zwischen den oberen und unteren Ringen liegt.
Fig. 1C ist eine perspektivische Abbildung eines Referenzrings, der durch aufrechte Stäbe an dem Kopf eines Patienten angebracht ist, um die zylindrische Rahmenstruktur der Fig. 1A zu unterstützen.
Fig. 1D ist eine perspektivische Abbildung des Koordinatensystems eines dreidimensional gescannten Bildes.
Fig. 2A ist eine perspektivische Ansicht des Greifzirkelrahmens, der im Stand der Technik zur Bestimmung der relativen Position zwischen einer Position im Kopf und der Phantombasis verwendet wird.
Fig. 2B ist eine perspektivische Ansicht des Greifzirkelrahmens des Stands der Technik in Fig. 2A, die dessen Einstellungswinkel veranschaulicht.
Fig. 2C ist ein Blockdiagramm der Schritte, die das Verfahren des Stands der Technik zur Bestimmung der Position einer chirurgischen Sonde relativ zu den gescannten Bildern betreffen, so daß das Bild, das der Sondenposition entspricht, identifiziert und von dem Chirurgen angesehen werden kann.
Fig. 2D ist eine perspektivische Abbildung eines dreidimensionalen Koordinatensystems einer chirurgischen Sonde.
Fig. 3A ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems zur Anzeige der Position einer chirurgischen Sonde innerhalb eines Kopfes auf einem Bild des Kopfes.
Fig. 3B ist ein perspektivisches schematisches Diagramm der erfindungsgemäßen Mikrophonanordnung, der erfindunsgemäßen chirurgischen Sonde und des erfindungsgemäßen Basisrings.
Fig. 3C ist ein Blockdiagramm der Schritte, die das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Position einer chirurgischen Sonde relativ zu den gescannten Bildern betreffen, so daß das Bild, das der Sondenposition entspricht, identifiziert und durch den Chirurgen angesehen werden kann.
Fig. 3D ist ein perspektivisches schematisches Diagramm eines optischen Scanners, der in Kombination mit einem Träger verwendet wird.
Fig. 3E ist ein perspektivisches schematisches Diagramm der erfindungsgemäßen Mikrophonanordnung, der erfindunsgemäßen chirurgischen Sonde, des erfindungsgemäßen Basisrings und des erfindungsgemäßen optischen Scanners.
Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm der Übertragungs-Software zur Übertragung der Koordinaten des Koordinatensystems der chirurgischen Sonde in das erfindungsgemäße Koordinatensystem des gescannten Bildes.
Die entsprechenden Bezugszeichen zeigen die entsprechenden Teile in allen verschiedenen Ansichten der Zeichnungen an.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Mit dem Aufkommen moderner Scanausrüstung und -techniken wurden verschiedene stereotaktische Systeme entwickelt und sind gegenwärtig erhältlich. Diese stereotaktischen Systeme ermöglichen es einem Chirurgen, spezifische Punkte, die auf vorher erzeugten CT-, MRI- oder PET-Scans detektiert wurden, zu lokalisieren, bevor das chirurgische Verfahren ausgeführt wird. Die stereotaktischen Systeme ermöglichen insbesondere die Auswahl spezifischer, in den Scans detektierter Punkte, die der Chirurg im Gehirn während des chirurgischen Eingriffs durch die Verwendung einer mechanischen Vorrichtung lokalisieren soll.
Vor dem operativen Eingriff wird zunächst eine Art Lokalisierungsvorrichtung, wie ein Rahmen, mit scharfen Nadeln an dem Schädel des Patienten befestigt. Der einzelne Scan oder die Scans, die durchgeführt werden sollen, werden dann mit dem durch den Rahmen umgebenen Kopf des Patienten erzeugt. Der Rahmen kann z. B. von einer zylindrischen Struktur 100, wie perspektivisch in Fig. 1A abgebildet, umfaßt werden. Struktur 100 beinhaltet einen oberen kreisförmigen Ring 102 und einen unteren kreisförmigen Ring 104, die über sechs vertikale Stäbe 106 und drei diagonale Stäbe 108 miteinander verbunden sind. Die drei diagonalen Stäbe 108 verbinden die Ringe 102 und 104 diagonal miteinander, so daß jede Fläche, die durch die zylindrische Struktur 100 hindurchgeht und ihre Achse 110 orthogonal schneidet, jeden der diagonalen Stäbe 108 an einem bestimmten Punkt schneidet. Der resultierende Abstand zwischen den diagonalen und aufrechten Stäben definiert eine einmalige Fläche innerhalb der zylindrischen Struktur 100. Wie in Fig. 1B gezeigt, würde z. B. ein Scan in einer bestimmten Fläche ein Muster von sechs Querschnittsansichten der Stäbe 106 und drei Querschnittsansichten der Stäbe 108 zeigen. Der einmalige Abstand dieser Stabansichten, wie in Fläche 112 der Fig. 1B gezeigt, würde notwendigerweise anzeigen, daß die Position der Scanfläche 112 parallel zu und in der Mitte zwischen den Ringen 102 und 104 der zylindrischen Struktur 100 liegt.
Als ein Ergebnis des Scanverfahrens werden die erhaltenen Bilder analysiert und die Position der spezifischen Markierungsstäbe 106 und 108, die Fluidzellen genannt werden, innerhalb der Bilder identifiziert und gemessen. Durch die Kenntnis der Positionen der Stäbe 106 und 108 kann die spezifische Stelle eines Scans bezüglich einer Basisfläche identifiziert werden. Im allgemeinen wird der untere Ring 104 der zylindrischen Struktur 100 an einem Referenzring 120 (auch bekannt als ein BRW-Kopfring) angebracht, wie in Fig. 1C abgebildet. Wie oben erwähnt, wird dieser Ring 120 auf dem Kopf des Patienten über aufrechte Stäbe 122 unterstützt, die am Kopf durch Verwendung von scharfen Nadeln 124 befestigt sind, so daß der Ring 120 in einer festen Stellung bezüglich des Kopfes gehalten wird. Der untere Ring 104 der zylindrischen Struktur 100 wird an dem Referenzring 120 angebracht, der am Kopf des Patienten befestigt ist, so daß diese zwei Ringe in parallelen Flächen liegen.
Wie in Fig. 1D gezeigt, hat das Scan-System (z. B. CT, MRI, PET), das das Scannen ausführt, ein gescanntes Bild-Koordinatensystem (X&sub0;, Y&sub0;, Z&sub0;), innerhalb dem eine Referenzfläche RP durch mindestens drei Referenzpunkte RP&sub1;, RP&sub2; und RP&sub3;, die auf dem Kopf des Patienten lokalisiert sind, definiert werden kann. Dann wird ein Computer verwendet, um eine spezifische Position innerhalb des Gehirns zu berechnen, und ein Target, das auf dem spezifischen Bild ausgewählt wird, kann mit einem angemessenen Genauigkeitsgrad während des chirurgischen Eingriffs angesteuert werden.
Obwohl die stereotaktische Chirurgie es einem Chirurgen ermöglicht, mit Genauigkeit zu einem spezifischen Punkt geführt zu werden, war sie nicht besonders nützlich dabei, dem Chirurgen die Identifizierung der einzelnen Position einer chirurgischen Sonde innerhalb des Gehirns an jedem Punkt während des chirurgischen Eingriffs zu ermöglichen. Vielfach sind in der Neurochirurgie Gehirntumore oder andere Zielpunkte innerhalb des Gehirns nicht vom umgebenden normalen Gewebe zu unterscheiden und können nicht detektiert werden, auch unter Gebrauch von gefrorenen Schnitten. Überdies ist es bei modernen mikrochirurgischen Techniken wesentlich, daß der Neurochirurg spezifische Strukturen innerhalb des Gehirns, die eine kritische funktionale Wichtigkeit für den Patienten aufweisen, identifiziert. Zusätzlich müssen die Grenzen dieser Strukturen genau definiert werden und dem Chirurgen während des chirurgischen Eingriffs präzise bekannt sein. Auf diese Weise wird dieses Gewebe nicht beeinträchtigt oder andererseits während des chirurgischen Eingriffs zerstört, was in einer Verletzung des Patienten resultiert.
In der Vergangenheit war der Chirurg in der Lage, das stereotaktische System umgekehrt zu verwenden, so daß die Positionsbestimmung einer chirurgischen Sonde relativ zu den gescannten Bildern möglich war, so daß das Bild, das der Sondenposition entspricht, identifiziert und angesehen werden kann. Das Verfahren, rückwärts von dem Gehirn des Patienten zurückzugehen, um die Position der chirurgischen Sonde relativ zu dem Scan zu finden, ist jedoch beschwerlich und zeitaufwendig. Für gewöhnlich muß ein speziell gestalteter Greifzirkelrahmen 200, wie in Fig. 2A abgebildet, an dem Ring 120, der an dem Kopf des Patienten befestigt ist, angebracht werden, um die Position der chirurgischen Sonde im Kopf zu bestimmen. Angenommen, der Chirurg möchte z. B. die Position einer Spitze 201 einer Sonde 202 in dem Kopf des Patienten wissen. Zuerst wird der Greifzirkelrahmen 200 an dem Referenzring 120, der am Kopf des Patienten fixiert ist, angepaßt. Dann wird die Position der Sonde 202 auf dem Bogen 206 festgelegt und der Rahmen 200 wird eingestellt, um die Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Winkel auf den Skalen 208, 210, 212 und 214 festzulegen, die die Sonde 202 im Hinblick auf den Rahmen 200 definiert, wie in Fig. 2B gezeigt. Als nächstes wird der Abstand 216 der Spitze der Sonde 202 zu dem Bogen 206 bestimmt.
Der Greifzirkelrahmen 200 wird dann übertragen und an einer Phantombasis 250 auf eine Weise wie in Fig. 2A abgebildet angebracht. Die Phantombasis 216 hat ein Koordinatensystem (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;). Im allgemeinen identifiziert der Greifzirkelrahmen 200 einen Punkt 201 über der Phantombasis 250. Ein Zeigergerät 252 ist so positioniert, daß seine Spitze 254 am Punkt 201 liegt. Die X&sub1;-Y&sub1;-Fläche der Phantombasis 200 entspricht einer Fläche parallel zu der Fläche, in der die Referenzpunkte RP&sub1;, RP&sub2; und RP&sub3; liegen. Die (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;) Koordinaten definieren die Position des Punktes 201. Als Ergebnis ist die Position des Punktes 254 im Hinblick auf die X&sub1;- Y&sub1;-Fläche und daher im Hinblick auf die Referenzfläche RP nun bekannt. Nun kann ein Computer zur Berechnung der spezifischen Position innerhalb des Gehirns verwendet werden und auf den einzelnen Scan, der der berechneten Position entspricht, zugegriffen werden und auf einem Scan-System angesehen werden.
Zusammenfassend identifiziert dieses Verfahren des Stands der Technik, wie in Fig. 2C gezeigt, den Ort der Spitze 201 der chirurgischen Sonde 202 für den Chirurgen. Zunächst positioniert der Chirurg die Sonde 202 auf dem Greifzirkelrahmen 200, der an dem Kopf angebracht ist, an der Stelle, die innerhalb des Kopfs gewünscht ist. Der Greifzirkelrahmen 200 wird dann von dem Kopf des Patienten entfernt und auf die Phantombasis 250 übertragen. Das Zeigergerät 252 wird dann auf den Punkt 254 eingestellt, der im wesentlichen coaxial mit dem Punkt 201 der Spitze der Sonde ist. Das Zeigergerät 252 zeigt dann die Position der Spitze der Sonde in dem Phantombasis-Koordinatensystem (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;) an. Schließlich werden diese Koordinaten zur Bestimmung der Koordinaten (X&sub0;, Y&sub0;, Z&sub0;) des gescannten Bildes verwendet, so daß das Bild, das der Sondenposition entspricht, angezeigt werden kann.
Nach diesem beschwerlichen und zeitaufwendigen Verfahren hat der Chirurg nun die Position der Spitze 201 der Sonde 202 im Hinblick auf die gescannten Bilder bestimmt und kann nun das Bild sehen, das der Sondenposition entspricht, um den nächsten Schritt in dem chirurgischen Eingriff zu entscheiden. Dieses gesamte Verfahren dauert annähernd zehn bis fünfzehn Minuten und erhöht die Risiken einer intraoperativen Kontaminierung, nachdem die Basen der Greifzirkel nicht steril sind. Aufgrund dieser Betrachtungen wird die stereotaktische Chirurgie im allgemeinen in den meisten Eingriffen nicht angewendet. Weiterhin ist die minimale Genauigkeit, die sie erbringt, im allgemeinen ungenügend für moderne mikrochirurgische Techniken. Folglich ist die stereotaktische Chirurgie nicht allgemein verfügbar für die Mehrzahl von bestimmten Patienten, die sich einem chirurgischen Eingriff unterziehen müssen.
Vergleicht man die Fig. 1D und 2A, kann man sehen, daß es für den Chirurgen notwendig ist, die spezifische Position der Spitze 201 der chirurgischen Sonde 202 im Hinblick auf das Koordinatensystem (X&sub0;, Y&sub0;, Z&sub0;) des gescannten Bildes der einzelnen Scans, die präoperativ durchgeführt wurden, zu kennen. Mit anderen Worten besitzt die chirurgische Sonde 202 ein spezielles Koordinatensystem (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;), welches in Fig. 2D abgebildet ist. Idealerweise muß das Koordinatensystem der chirurgischen Sonde (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;) mit dem Koordinatensystem (X&sub0;, Y&sub0;, Z&sub0;) des gescannten Bildes in Beziehung gesetzt werden. Im Stand der Technik, wie in Fig. 2B abgebildet, wird vorgeschlagen, diese Koordinatensysteme über das Koordinatensystem (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;) der Phantombasis miteinander in Beziehung zu setzen. Wie jedoch oben festgestellt, ist dieses Bezugsverfahren ungenau, zeitaufwendig und beschwerlich. Die Erfindung verwendet ein 3D-Digitalisiersystem zur Lokalisierung der Position der Spitze 201 der chirurgischen Sonde 202 und zum direkten in Bezug setzen des Koordinatensystems (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;) der chirurgischen Sonde zu dem Koordinatensystem (X&sub0;, Y&sub0;, Z&sub0;) des gescannten Bildes.
Es wird insbesondere ein serienmäßiger, dreidimensionaler Schalldigitalisierer, wie das Modell GP-8-3D, hergestellt von Scientific Accessories Corporation, verwendet, um die Position der Sonde zu bestimmen. Wie in Fig. 3A gezeigt, beinhaltet das 3D-Digitalisiersystem eine Mikrophonanordnung 300, die im allgemeinen im Operationssaal an der Decke oder in einer anderen Position angebracht ist, so daß sie in Sichtlinie mit der verwendeten chirurgischen Sonde 302 liegt. Wie unten detaillierter beschrieben beinhaltet die Sonde 302 Transmitter wie Schallemitter, die mit der Mikrophonanordnung 300 wechselwirken, so daß die Position der Spitze der chirurgischen Sonde 302 zu jedem einzelnen Zeitpunkt bekannt ist. Das 3D- Digitalisiersystem beinhaltet ebenfalls einen Temperaturkompensationsemitter 304, der mit der Mikrophonanordnung 300 verbunden ist. Weiterhin ist an dem Ring 120 (Fig. 1C), der an dem Kopf des Patienten befestigt ist, ein Basisring 306 angebracht, der coaxial und parallel zu der Fläche ist, die durch den Referenzring 120 definiert ist. Dieser Basisring 306 beinhaltet eine Vielzahl von Transmittern, wie sie unten beschrieben werden, die mit der Mikrophonanordnung 300 wechselwirken, so daß die relative Position des Basisrings 306 zu jedem einzelnen Zeitpunkt bestimmt werden kann. Der Signalgenerator 308 erzeugt ein Signal, welches durch einen Multiplexer 310 an den Temperaturkompensationsemitter 304, die chirurgische Sonde 302 und den Basisring 306 geliefert wird. Gewöhnlich wird der Temperaturkompensationsemitter 304 durch den Signalgenerator 308 über den Multiplexer 310 aktiviert, um ein Signal auszusenden, das durch die Mikrophonanordnung 300 empfangen wird. Jedes der Signale, das durch jedes der Mikrophone der Anordnung 300 empfangen wird, wird an einen Digitalisierer 312 geliefert, der die Signale digitalisiert und die digitalisierten Signale an einen Computer 314 liefert, der ein räumliches Erfassungs- und Aufnahme- ("spatial acquisition and recording", SAR) Programm 316 beinhaltet, welches räumliche Koordinaten erfaßt und aufnimmt, die auf den digitalisierten Signalen basieren. Das Programm 316 kann z. B. das SACDAC-Programm, lizensiert durch PIXSYS von Boulder, Colorado, sein. Dieses Programm evaluiert die digitalisierten Signale, die durch den Temperaturkompensationsemitter 304 emittiert wurden, um die Referenzstandards, wie z. B. die Strahlungsgeschwindigkeit durch die Luft, zu bestimmen. So wird z. B., abhängig von der Lufttemperatur im Operationssaal, die Zeitspanne, die von dem Moment an benötigt wird, in dem der Temperaturkompensationsemitter 304 zur Sendung eines Signals aktiviert wird, bis zu dem Moment, in dem jedes der Mikrophone der Anordnung 300 dieses emittierte Signal empfängt, variieren. Das SAR-Programm 316 kennt durch Kalibrierung den Abstand zwischen dem Temperaturkompensationsemitter 304 und jedem der Mikrophone der Anordnung 300. Daher kann das SAR-Programm 316 sofort die Geschwindigkeit der übertragenen Signale berechnen. Diese Geschwindigkeit bestimmt eine Referenz zur Bestimmung der Position der chirurgischen Sonde 302 und des Basisrings 306.
Als nächstes werden die Emitter des Basisrings 306 aktiviert, so daß die Position des Basisrings 306 bestimmt werden kann. An diesem Punkt werden die Emitter des Basisrings 306 fortlaufend aktiviert und die durch diese Emitter übertragene Strahlung durch die Mikrophonanordnung 300 detektiert. Das durch die Mikrophone aus dieser Strahlung erzeugte Signal wird digitalisiert und durch das SAR-Programm 316 evaluiert, um die Position jedes der Emitter des Basisrings 306 zu bestimmen. Sind die Positionen der Basisringemitter einmal durch das SAR-Programm 316 bestimmt, werden Standardgeometrieberechnungen durch das SAR- Programm durchgeführt, um die Fläche, die durch den Basisring 306 im Hinblick auf die Mikrophonanordnung 300 definiert wird, zu bestimmen.
Der Digitalisierer 312 signalisiert dann dem Multiplexer 310, das Signal, das durch den Signalgenerator 308 erzeugt wurde, an die chirurgische Sonde 302 zu liefern. An diesem Punkt werden die Emitter der chirurgischen Sonde 302 fortlaufend aktiviert und die Strahlung, die durch diese Emitter übertragen wurde, wird durch die Mikrophonanordnung 300 detektiert. Das Signal, das durch die Mikrophone aufgrund dieser Strahlung erzeugt wird, wird digitalisiert und durch das SAR-Programm 316 evaluiert, um die Position eines jeden Emitters der chirurgischen Sonde 302 zu bestimmen. Sind die Positionen der chirurgischen Sonde einmal durch das SAR- Programm 316 bestimmt, wird eine Standardgeometrietriangulierung durch das SAR-Programm durchgeführt, um die Position der Spitze der chirurgischen Sonde im Hinblick auf die Mikrophonanordnung 300 zu bestimmen.
Daher kann durch die Verwendung des 3D-Digitalisiersystems die Position des Basisrings 306 und die Position der chirurgischen Sonde 302 relativ zu dem Basisring 306 durch das SAR-Programm 316 bestimmt werden. Wie oben festgestellt, wird der Basisring 306 an dem Referenzring 120 (Fig. 1C) angebracht und ist im wesentlichen coplanar mit ihm, so daß der Basisring 306 die Referenzfläche RP des Koordinatensystems des gescannten Bildes, wie in Fig. 1D abgebildet, definiert.
Der Computer 314 beinhaltet eine Übertragungs-Software 318, die dann die Koordinaten des Koordinatensystems der chirurgischen Sonde, wie in Fig. 2D abgebildet, in das Koordinatenystem des gescannten Bildes, wie in Fig. 1D abgebildet, überträgt. Als Ergebnis dieser Übertragung hat der Computer 314 nun das einzelne gescannte Bild des präoperativen Scans, auf dem die Spitze der chirurgischen Sonde 302 lokalisiert wäre, bestimmt. Das System beinhaltet ein Bandlaufwerk 320, das durch ein Local Area Network (LAN) 321 erreicht wird, in dem jedes der Bilder des präoperativen Scans gespeichert ist. Die übertragenen Koordinaten, die durch die Übertragungs-Software 318 erzeugt wurden, werden an die stereotaxische Bildanzeige-Software 322 geliefert, die sich ebenfalls innerhalb des Computers 314 befindet, und identifizieren das einzelne gescannte Bild, welches der Chirurg sehen soll. Das identifizierte Bild wird durch das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 ausgewählt, welches das Bild aus den Daten, die im Bandlaufwerk 320 gespeichert sind, wiederherstellt und es auf einem hochaufgelösten Bildschirm 326 anzeigt. Die stereotaktische Bildanzeige-Software 322 und das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 können jedes Standardsystem sein, wie die von Stereotactic Image Systems, Inc. aus Salt Lake City, Utah, hergestellten.
Bezüglich Fig. 3B wird eine perspektivische Abbildung der Mikrophonanordnung 300, des Temperaturkompensationsemitters 304, der chirurgischen Sonde 302 und des Basisrings 306 dargestellt. Die Mikrophonanordnung 300 beinhaltet eine Vielzahl von Mikrophonen 350, deren Ausgänge mit dem 3D-Digitalisierer 312 verbunden sind. Der Mikrophonanordnung 300 benachbart ist ein Temperaturkompensationsemitter 304, der selektiv Signale emittiert, die von dem SAR-Programm bei der Kalibrierung zur Bestimmung der Sendegeschwindigkeit verwendet werden. Bei dem Scientific Accessories Corporation Modell GP-8-3D wird z. B. ein Schalldigitalisierer verwendet. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit des Schalls, der von dem Temperaturkompensationsemitter 304 zu den Mikrophonen 350 übertragen wird, durch das SAR-Programm berechnet, um die Geschwindigkeit, bei der der Schall durch die Luft übertragen wird, zu bestimmen. Nachdem dieses System sehr genau ist und die Geschwindigkeit des Schalls ziemlich deutlich im Hinblick auf die Temperatur der Luft variiert, ermöglicht es der Temperaturkompensationsemitter 304 dem 3D-Digitalisiersystem, Veränderungen in der Lufttemperatur im Operationssaal auszugleichen. Die chirurgische Sonde 302 umfaßt eine chirurgische Bayonett-Zange, die so verändert wurde, daß sie mindestens zwei Schallemitter 360 trägt, welche im wesentlichen coaxial mit der Spitze der Zange auf der Achse 362 liegen. Die Emitter liegen auf einer Linie und unmittelbar unter der Sichtlinie des Chirurgen durch die Zange, so daß die Sichtlinie nicht blockiert wird. Im allgemeinen wird die Mikrophonanordnung 300 an dem Operationslicht über dem Kopf des Patienten angebracht, so daß sie in direkter Sichtlinie mit der Zange liegt, wenn sie durch den Chirurgen verwendet wird. Die Mikrophone 350 empfangen den Schall, der von der sequentiellen Aktivierung der Emitter 360 auf der Zange ausgeht. Die SAR-Software 316 mißt die Übertragungszeit jedes Schallemitters 360 auf der Zange an die Mikrophone 350. Durch den Vergleich dieser Zeiten kann die Position beider Emitter 360 und daher der Spitze der Zange durch das SAR-Programm 316 berechnet werden.
Der Basisring 306 ist an dem Referenzring 120 befestigt, der an dem Kopf des Patienten angebracht ist, und ist im wesentlichen coplanar mit den Referenzpunkten RP&sub1;, RP&sub2; und RP&sub3;. Der Basisring 306 beinhaltet eine Vielzahl von Emittern 370, die mit dem Multiplexer 310 verbunden sind und durch den Signalgenerator 308 aktiviert werden. Jeder dieser Emitter 370 wird aufeinanderfolgend aktiviert, so daß der Strahlungsemitter dadurch von den Mikrophonen 350 der Anordnung 300 empfangen wird. Die Emitter 370 werden bevorzugt 90º von dem Zentralemitter, der sich auf der Vorderseite des Kopfs befindet, angeordnet. Dadurch kann der Basisring 306 um den Kopf herum angebracht werden, so daß alle drei Emitter in Sichtlinie mit der Anordnung liegen. Die resultierenden Signale werden durch den Digitalisierer 312 digitalisiert, so daß das SAR-Programm 316 in der Lage ist, die Fläche, in der sich die Emitter 370 befinden, zu bestimmen. Diese Fläche definiert im wesentlichen die Referenzfläche, weil sie coplanar mit den Referenzpunkten RP&sub1;, RP&sub2; und RP&sub3; ist. Durch die Bestimmung der Position der Referenzfläche ist die Übertragungs-Software 318 nun in der Lage, die Koordinatenposition der Sonde 302 aufzunehmen und sie von dem Koordinatensysten der chirurgischen Sonde der Fig. 2D in das Koordinatensystem des gescannten Bildes, wie in Fig. 1D dargestellt, zu übertragen. Als Ergebnis kann das einzelne gescannte Bild, welches der Position der Sonde entspricht, identifiziert und zum Ansehen durch den Chirurgen angezeigt werden.
Die chirurgische Sonde 302 ist im allgemeinen eine Bayonett-Kauterisationsvorrichtung, an der ein Kabelstrang 364 angebracht ist. Daher sind die Kabel, die zur Verbindung des Emitters 360 mit dem Multiplexer 310 erforderlich sind, Teile des Kabelstrangs 364, welcher die Zange mit ihrer elektrischen Energiequelle verbindet, und der Chirurg ist mit dem Umgang einer solchen Zange, die mit einem Kabelstrang verbunden ist, vertraut. Daher ist es für den Chirurgen nicht störend, eine solche Sonde zu verwenden, und der Chirurg ist damit vertraut, mit einer solchen Zange, die mit einem Kabelstrang verbunden ist, umzugehen.
Der Basisring 306 ist ein Apparat zur Bestimmung und Positionierung der Referenzpunkte RP&sub1;, RP&sub2; uns RP&sub3; im Hinblick auf die Mikrophonanordnung 300. Ein Vorteil des Basisrings 306 ist, daß jedesmal, wenn der Kopf des Patienten bewegt wird, der Basisring 306 aktiviert wird, um die Referenzfläche zu definieren. Dies gestattet es dem Chirurgen, den Kopf des Patienten während des operativen Eingriffs zu bewegen. Alternativ, aber nicht zu irgendeinem der Ausführungsbeispiele der gegenwärtig beanspruchten Erfindung gehörend, können die Referenzpunkte RP&sub1;, RP&sub2; und RP&sub3; durch die Verwendung einer Referenzbetriebsart des 3D-Digitalisierer 312 festgelegt werden. Insbesondere wird die Spitze der Sonde 302 auf jedem der Referenzpunkte RP&sub1;, RP&sub2; und RP&sub3; positioniert und zur Aussendung eines Signals an die Mikrophonanordnung 300 ausgelöst, so daß die Position der Spitze an jedem dieser Punkte bestimmt werden kann. Dies wird während einer Referenzbetriebsart des 3D-Digitalisierers 312 durchgeführt, so daß das SAR-Programm 316 am Ende der Ausführung dieser Betriebsart die Position der Referenzpunkte RP&sub1;, RP&sub2; und RP&sub3; berechnet. Dies erfordert, daß die Referenzpunkte neu eingerichtet werden müssen, bevor die Position der chirurgischen Sonde bestimmt wird, um Veränderungen in der Referenzfläche aufgrund von Bewegungen des Kopfes zu vermeiden. Andererseits ist es ein Vorteil dieser Methode, daß die Verwendung des Referenzrings 120 wegfallen kann. Insbesondere ist es möglich, daß die Referenznadeln 124 fortwährend am Schädel des Patienten befestigt sein können. Diese Nadeln können z. B. strahlungsdurchlässige chirurgische Schrauben sein, die in dem Schädel des Patienten eingebettet sind und strahlungsundurchlässige Spitzen haben. Diese Schrauben würden vor der Operation und vor dem präoperativen Scan an dem Schädel des Patienten befestigt werden, so daß die strahlungsundurchlässigen Spitzen für eine konstante Referenz während des Scannens und während des stereotaktischen chirurgischen Eingriffs hindurch sorgen würden. Während der tatsächlichen Operation würde die Sonde dazu verwendet werden, die Position jeder der strahlungsundurchlässigen Spitzen anzuzeigen, bevor die Sondenposition bestimmt wird. Durch das Beseitigen der Notwendigkeit von Referenzring 120 werden auch andere Vorteile erzielt. Das präoperative Scannen muß z. B. im allgemeinen unter Anästhesie durchgeführt werden, weil der Referenzring 120 die Intubation behindert. Daher muß die Intubation stattfinden, bevor der Referenzring am Schädel befestigt wird. Durch das Beseitigen der Notwendigkeit des Referenzrings 120 und durch die Verwendung chirurgischer Schrauben zur Identifizierung der Referenzpunkte RP&sub1;, RP&sub2; und RP&sub3; kann das präoperative Scannen ohne die Notwendigkeit einer Intubation und der damit verbundenen Anästhesie durchgeführt werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird darüber nachgedacht, daß jeder der Emitter 370 einzeln an einer Schraube oder anderen fixierten Struktur, die an einem der Referenzpunkte lokalisiert ist, angebracht wird.
Zusammenfassend wird dieses erfindungsgemäße Verfahren in Fig. 3C dargestellt und identifiziert den Ort der Spitze der chirurgischen Sonde 302 für den Chirurgen. Zunächst wird die Referenzfläche durch das Aktivieren des Basisrings 306 oder, was nicht zu einem der Ausführungsbeispiele der gegenwärtig beanspruchten Erfindung gehört, durch Positionieren der Sonde 302 an den Referenzpunkten (wie hier beschrieben) bestimmt. Als nächstes bringt der Chirurg die Sonde in die Position, die innerhalb des Kopfes gewünscht ist. Die Emitter der Sonde werden dann aktiviert, so daß die Sondenposition gemessen und im Koordinatensystem der chirurgischen Sonde (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;) bestimmt wird. Dann konvertiert die Übertragungs- Software 318 das Koordinatensystem der chirurgischen Sonde in das Koordinatensystem des gescannten Bildes (X&sub0;, Y&sub0;, Z&sub0;), so daß das Bild, das der Sondenposition entspricht, angezeigt werden kann.
Bezüglich Fig. 3D wird eine perspektivische Abbildung des Kopfes eines Patienten 390 in einem Träger 392 während des Scan-Verfahrens gezeigt. Wie unten beschrieben wird, wird der optische Scanner 380 mit Emittern 381 verwendet, um die Position des Kopfes 390 relativ zu dem Träger 392, der an dem Kopf positioniert ist, zu bestimmen.
Bezüglich Fig. 3E, die eine perspektivische Abbildung ist, werden die Mikrophonanordnung 300, der Temperaturkompensationsemitter 304, die chirurgische Sonde 302 und der optische Scanner 380 abgebildet. Die Mikrophonanordnung 300 beinhaltet eine Vielzahl von Mikrophonen 350, deren Ausgänge mit dem 3D-Digitalisierer 312 verbunden sind. Die Mikrophonanordnung 300 weist einen fixierten Rahmen auf, bezüglich dem die Position der Sonde 302 gemessen wird und bezüglich dem die Position des Kopfes 390 relativ zu dem Träger 392 gemessen wird. Als ein Ergebnis kann die Position der Sonde 302 relativ zu dem Kopf 390 zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden.
Der Mikrophonanordnung 300 benachbart ist ein Temperaturkompensationsemitter 304, der selektiv Signale aussendet, die durch das SAR-Programm bei der Kalibrierung zur Bestimmung der Sendegeschwindigkeit verwendet werden. In dem Scientific Accessories Corporation Modell GP-8-3D z. B. wird ein Schalldigitalisierer verwendet. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit des Schalls, die von dem Temperaturkompensationsemitter 304 an die Mikrophone 350 übertragen wird, durch das SAR-Programm berechnet, um die Geschwindigkeit, mit der der Schall durch die Luft übertragen wird, zu bestimmen. Nachdem dieses System sehr genau ist und die Geschwindigkeit des Schalls ziemlich deutlich im Hinblick auf die Temperatur der Luft variiert, gestattet es der Temperaturkompensationsemitter 304 dem 3D-Digitalisiersystem, Veränderungen in der Lufttemperatur im Operationssaal zu kompensieren.
Die chirurgische Sonde 302 umfaßt eine chirurgische Bayonett-Zange, die so modifiziert ist, daß sie mindestens zwei Schallemitter 360 trägt, die im wesentlichen coaxial auf der Achse 362 mit der Spitze der Zange sind. Die Emitter liegen in einer Linie und unmittelbar unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen durch die Zange, so daß die Sichtlinie nicht blockiert wird. Im allgemeinen wird die Mikrophonanordnung 350 am Licht des Operationssaals oberhalb des Kopfs des Patienten angebracht, so daß sie in direkter Sichtlinie mit der Zange liegt, wenn sie von dem Chirurgen verwendet wird. Die Mikrophone 350 nehmen den Schall, der von der aufeinanderfolgenden Aktivierung der Emitter 360 auf der Zange ausgesendet wird, auf. Die SAR-Software 316 mißt die Zeit der Übertragung von jedem der Schallemitter 360 auf der Zange zu den Mikrophonen 350. Durch den Vergleich dieser Zeiten kann die Position beider Emitter 360 und daher der Spitze der Zange durch das SAR-Programm 316 berechnet werden.
Der optische Scanner 380 ist im allgemeinen oberhalb des Kopfs des Patienten 390 angebracht und wird während des Scannens dazu verwendet, die Position des Kopfs 390 relativ zu dem Träger 392 einzurichten und dabei den Referenzrahmen der Querschnittscans zu der Stirn 394 in Beziehung zu setzen. Der Scanner 380 wird ebenfalls dazu verwendet, während der Operation die Position des Kopfs 390 relativ zu dem Träger 392 einzurichten und dadurch den Referenzrahmen der Sonde 302 zu der Stirn 394 in Beziehung zu setzen.
Während des präoperativen Scan-Verfahrens, wie in Fig. 3D gezeigt, liegt der Kopf des Patienten zeitweise im Träger 392, wenn die Querschnittsbilder des Kopfes erzeugt werden. Der Träger beinhaltet einen Bogen 393 aus strahlungsundurchlässigem Material, so daß er zumindest in einigen der Querschnittscans erscheint. Als ein Ergebnis definiert der Bogen 393 eine Fläche relativ zu dem Kopf 390. Während des Scans kann diese Fläche nützlicherweise als die 0,0,0 Fläche definiert werden. Nachdem der Kopf in dem Träger plaziert ist, wird der optische Scanner 380 dazu verwendet, die Position des Trägers 392 und seines an ihm angebrachten Bogens 393 relativ zu der Stirn 394 einzurichten. Insbesondere scant der optische Scanner 380 sowohl die Stirn als auch den Bogen 393 des Trägers 392 und bestimmt über einen Computer 396, der eine Stirnanpaß-Software 398 verwendet, die Position des Bogens 393 des Trägers 392 relativ zu der Stirn 394. Die Stirnanpaß-Software kann jede Standard- oder Maß-Software sein, die einen Satz von Punkten graphisch darstellt, so daß eine Kurve, die die Kontur der Stirn definiert, eine Kurve, die den Bogen definiert und eine Kurve, die die relative Position der Stirn und des Bogens definiert, berechnet werden kann. Nachdem die Position der Querschnittscans relativ zu dem strahlungsundurchlässigen Bogen 393 bekannt ist (weil der Trägerbogen die 0,0,0 Fläche definiert) und nachdem die Position des Bogens 393 des Trägers 392 relativ zu der Stirn 394 bekannt ist (aufgrund des Scannens des optischen Scanners), ist auch die Position des Querschnittscans relativ zu der Stirn bekannt und kann durch die Übertragungs-Software 316 berechnet werden.
Während der Operation wird ein Basisring 306 fest an dem Kopf befestigt. Der Basisring 306 muß nicht an der selben Stelle relativ zu dem Kopf angebracht werden, wie es der Bogen während des Scanverfahrens war, als die Querschnittsbilder erzeugt wurden. Der Basisring 306, der während der Operation verwendet wird, beinhaltet Emitter 370, welche mit der Anordnung 300 kommunizieren, um die Position des Basisrings 306 festzulegen. Als ein Ergebnis definiert der Basisring 306 eine Fläche relativ zum Kopf 390. Nach dem Anbringen des Basisrings am Kopf wird der optische Scanner 380 vor oder während der Operation dazu verwendet, die Position des Basisrings 306 relativ zur Stirn 394 festzulegen. Insbesondere scannt der optische Scanner 380 sowohl die Stirn als auch den Basisring 306 und bestimmt über den Computer 396, der eine Stirnanpaß-Software 398 verwendet, die Position des Basisrings 306 relativ zu der Stirn 392. Nachdem die Position der Sonde relativ zu dem Basisring bekannt ist (aufgrund der Kommunikation über die Anordnung) und nachdem die Position des Basisrings relativ zur Stirn bekannt ist (aufgrund des Scans durch den optischen Scanner), ist auch die Position der Sonde relativ zur Stirn bekannt und kann durch die Übertragungs-Software 316 berechnet werden. Nachdem die Position der Querschnittsbilder relativ zu der Stirn ebenfalls bekannt ist (aus dem präoperativen Scanverfahren), ist das Endergebnis, daß die Position der Sonde relativ zu den Querschnittsbildern bekannt ist, so daß die Position der Spitze der Sonde auf dem nächsten Querschnittsbild angezeigt werden kann.
Der optische Scanner 380 und der Computer 396 sind Standardscanner, die dazu verwendet werden, ein Objekt zu scannen, um seinen dreidimensionalen Umriß zu bestimmen. Es kann z. B. ein Gliedmaßenscanner, wie der Optische Scanner PIXSYS benutzt werden, der dazu verwendet wird, dreidimensionale Modelle für künstliche Gliedmaßen zu entwickeln. Der Scanner 380 sendet einen Laserstrahl oder einen anderen optischen Strahl in Richtung des Bogens 393 und der Stirn 394 aus und empfängt das dort reflektierte Licht durch eine Anordnung von linearen Chip-Kameras, wie CCD ("charge coupled device")-Kameras. Durch die Evaluierung der Position des reflektierten Lichts unter Benutzung der Kameraanordnung bestimmt der optische Scanner 380, der einen Computer 396 beinhaltet, den Umriß und so auch die Kontur der Stirn 394, den Umriß des Bogens 393 des Trägers 392 und die relative Position der Stirn und des Bogens 393.
Der Computer 396 zeigt der Übertragungs-Software 316 des Computers 314, der ein Teil des Systems ist, wie in Fig. 3A abgebildet, die Position der Sonde 302 relativ zur Stirn 392 an. Die Übertragungs-Software 316 wandelt dann diese angezeigte Position in das Koordinatensystem der gescannten Querschnittsbilder um. Als ein Ergebnis kann das einzelne gescannte Bild, welches der Position der Sonde entspricht, identifiziert und auf dem Bildschirm 326 (Fig. 3A) angezeigt werden, damit es von dem Chirurgen angesehen werden kann.
Die chirurgische Sonde 302 ist im allgemeinen eine Bayonett-Kauterisationsvorrichtung, welche einen Kabelstrang 364, der an ihr angebracht ist, besitzt. Daher sind die Kabel, die zur Verbindung der Emitter 360 mit dem Multiplexer 310 erforderlich sind, Teil des Kabelstrangs 364, der die Zange mit seiner elektrischen Energiequelle verbindet. Chirurgen sind im allgemeinen vertraut mit dem Umgang solcher Zangen, die mit einem Kabelstrang verbunden sind. Daher ist es für den Chirurgen nicht störend, eine solche Sonde zu verwenden, und der Chirurg ist mit dem Umgang einer solchen Zange, die mit einem Kabelstrang verbunden ist, vertraut.
Ein Vorteil des optischen Scanners 380 ist, daß er die Notwendigkeit für einen Ring oder Nadeln, die an dem Kopf des Patienten während des operativen Scanverfahrens angebracht werden, beseitigt. Jedesmal, wenn der Kopf des Patienten in einem Träger plaziert wird, kann der optische Scanner 380 dazu verwendet werden, den Kopf und den Träger zu scannen, um ihre relative Position ohne die Notwendigkeit jeglichen Kontakts neu zu definieren. Der Referenzring (d. h. Bogen) auf dem Kopf ist daher zeitweilig. Durch die Eliminierung der Notwendigkeit eines permanenten Referenzrings 120 oder Referenznadeln RP&sub1;-RP&sub3; werden auch andere Vorteile erzielt. Im allgemeinen muß z. B. das präoperative Scannen unter Anästhesie durchgeführt werden, weil der Referenzring 120 die Intubation behindert oder es muß nach der Befestigung von Nadeln am Kopf durchgeführt werden. Daher muß die Intubation erfolgen, bevor der Referenzring am Schädel befestigt ist. Durch die Beseitigung der Notwendigkeit eines permanenten Referenzrings 120 und/oder Referenznadeln und durch die Verwendung der Stirnkontur zur Definition eines Referenzpunktes kann das präoperative Scannen ohne die Notwendigkeit einer Intubation und die damit verbundene Anästhesie durchgeführt werden.
Zusammenfassend liegt der Patient während des präoperativen Scanverfahrens einfach in einem U-förmigen Träger, der an dem Ende eines CT- oder MRI-Tisches angebracht ist. Oberhalb des Gesichts des Patienten befindet sich ein Bogen, der die Referenzfläche liefert. Alle Scans werden in Bezug zu und bevorzugt parallel zu diesem Bogen, der die Referenz- oder Basisfläche definiert, erhalten. Der optische Scanner setzt die Stirnkontur zu diesem Bogen in Beziehung, so daß die Beziehung der Stirn zu den Scans bekannt ist.
Im Operationssaal wird der Kopf des Patienten erneut mit dem optischen Scanner gescannt, aber diesmal ist der Bogen oberhalb des Kopfes des Patienten der Basisring 306. Die Referenzemitter, die an dem Basisring angebracht sind, definieren das operative Referenzsystem. Daher wird die Stirn wiederum durch den optischen Scanner mit dem Basisring in Beziehung gesetzt, um ein neues Referenzsystem zu definieren; diesmal ist das neue Referenzsystem der Operationssaal. Der Computer vergleicht dann die im Operationssaal und im Scansaal erhaltenen Stirnkonturen, um die zwei Referenzsysteme in Beziehung zu setzen. Die Stirn ist eigentlich eine "Brücke" zwischen dem Referenzsystem des präoperativen Scanners und dem Referenzsystem des Operationssaals.
Der Träger muß in den tatsächlichen Scans nicht erscheinen. Der primäre Zweck des Trägers ist es, den Kopf des Patienten von einer Bewegung abzuhalten, so daß alle Scans in der selben Beziehung zu dem Bogen erhalten werden.
Bezüglich Fig. 4 wird ein Ablaufdiagramm des Betriebs der Übertragungs-Software 318 abgebildet. Zunächst bringt der Chirurg die Sonde 302 in die Position, die bestimmt werden soll. (Wenn kein Basisring 306 verwendet wird, um die Position der Referenzfläche zu identifizieren, ist der erste Schritt für den Chirurgen, die Referenzbetriebsfunktion des 3D- Digitalisierers 312 zu verwenden, um die Referenzfläche durch das Lokalisieren der chirurgischen Sondenspitze an verschiedenen Punkten in der Fläche zu identifizieren.)
Das System initialisiert bei Schritt 400, so daß die Übertragungs-Software bei Schritt 402 ein Fenstermenü eines Multitasking-Programms, wie DESQ VIEW, vertrieben durch Quarterdeck Office Systems aus Santa Monica, Kalifornien, öffnet. Eine solche Software gestattet die simultane Ausführung von mehreren Software-Programmen. Wird ein Programm einmal zur Ausführung ausgewählt, läuft es im allgemeinen entweder im Vordergrund oder im Hintergrund weiter, bis es deaktiviert wird.
Die Übertragungs-Software initialisiert weiter durch die Auswahl des stereotaktischen Bilderzeugungssystems und Aktivierung des stereotaktischen Bilderzeugungssystems im Vordergrund, indem das stereotaktische Fenster im Schritt 404 geöffnet wird. Anschließend kehrt die Übertragungs-Software im Schritt 406 zu dem Fenstermenü zurück, indem es die stereotaktische Bildanzeige-Software in den Hintergrund bewegt und das Digitalisierfenster im Schritt 408 auswählt, um den Digitalisierer im Vordergrund aufzurufen. Der Computer ist daraufhin bereit dazu, durch den Fußschalter ausgelöst zu werden.
Der Chirurg löst dann ein Fußpedal oder einen anderen Schalter, der angibt, daß das System eine Berechnung ausführen soll, aus. Die Betätigung des Fußschalters ist im wesentlichen der Beginn des Startschritts 410. Aufgrund der Auslösung aktiviert der Digitalisierer die Kalibrierung durch den Temperaturkompensationsemitter 304 ein, um die Geschwindigkeit der Schallwellen zu bestimmen, die Emitter des Basisrings 306, um die Referenzfläche zu lokalisieren und die Emitter der chirurgischen Sonde 302, um die Position der Spitze der Sonde 302 zu bestimmen. Die durch die Mikrophonanordnung erzeugten Signale werden digitalisiert, so daß das SAR-Programm 316 die Koordinaten der Spitze der chirurgischen Sonde bestimmt. Im Schritt 412 wählt die Übertragungs-Software 318 die Koordinaten von dem SAR-Programm aus.
Als nächstes wird im Schritt 414 wieder auf das Fenstermenü zugegriffen und das Fenstermenü bringt im Schritt 416 die stereotaktische Bildsystem-Software in den Vordergrund, um den Betrieb des stereotaktischen Bilderzeugungssystems 324 spezifisch zu kontrollieren. An diesem Punkt gibt die Übertragungs-Software 318 ein F1-Kommando an die stereotaktische Bildanzeige-Software 322, welches wiederum das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 darauf vorbereitet, die Koordinaten zu empfangen. Im Schritt 420 wird wiederum auf das Fenstermenü zugegriffen, so daß im Schritt 422 der Computer das Digitalisiererfenster in den Vordergrund bringt. Im Schritt 424 wird auf das Digitalisiererfenstermenü zugegriffen und die Koordinatenübertragung ausgewählt. Im Schritt 426 beginnt der Digitalisierer die Berechnung der Koordinaten und im Schritt 428 wird die Koordinatenberechnung beendet. Die Übertragungs-Software kehrt dann im Schritt 430 zu dem Digitalisiererfenstermenü zurück, wechselt in 432 die Fenster, um die stereotaktische Bildsystem-Software im Vordergrund anzuordnen, um sie für den Empfang der Koordinaten vorzubereiten und kehrt im Schritt 434 wieder zu dem Hauptfenstermenü zurück. Schließlich wird die Koordinateninformation, einschließlich jeglicher nötiger Manipulation, übertragen und im Schritt 436 an die stereotaktische Bildanzeige-Software 322 weitergeleitet, welche das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 auslöst, um das einzelne Bild von dem Bandlaufwerk 320 auszuwählen und es auf dem hochaufgelösten Bildschirm 326 anzuzeigen. Die stereotaktische Bildanzeige-Software 322 weist das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 an, das Bild anzuzeigen, das den übertragenen Koordinaten am nächsten ist und einen Cursor auf dem Bildschirm 326 bei den Koordinaten, die der Position der Spitze der Sonde entsprechen, anzuzeigen. Danach ist der Computer 314 in einem Standby-Betrieb, bis der Fußschalter des Chirurgen wieder aktiviert wird, um die Übertragungs-Software, beginnend mit dem Startschritt 410, auszuführen.
Die Übertragung, die im Schritt 436 stattfindet, hängt von der Position des Koordinatensystems der chirurgischen Sonde relativ zu dem Koordinatensystem des gescannten Bildes und den Maßeinheiten ab. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Systeme coaxial und die Maßeinheiten die gleichen, so daß ein algebraischer Abgleich unnötig ist. Es wird jedoch darüber nachgedacht, daß die Koordinatensysteme nicht coaxial sein könnten, wobei in diesem Falle die Übertragung arithmetische und/oder trigonometrische Berechnungen erfordern würde. Auch die Reihenfolge, z. B. (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;), in der die Koordinaten durch den Digitalisierer erzeugt werden, kann unterschiedlich zu der Reihenfolge, z. B. (X&sub0;, Y&sub0;, Z&sub0;), sein, in der die stereotaktische Bildsystem-Software die Koordinaten erhält. Daher würde die Reihenfolge, in der die Koordinaten übertragen werden, neu geordnet werden müssen.
Im Hinblick auf das oben Ausgeführte kann man sehen, daß die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erfüllt werden und andere vorteilhafte Ergebnisse erhalten werden.
Nachdem verschiedene Veränderungen in den obigen Konstruktionen durchgeführt werden könnten, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, sollen alle Gegenstände, die in der obigen Beschreibung enthalten sind oder in den begleitenden Zeichnungen gezeigt werden, als veranschaulichend und nicht in einem begrenzenden Sinne betrachtet werden.

Claims

1. Verfahren zur Angabe einer Position einer Spitze einer Sonde (302) mit Emittern (360), die innerhalb eines Objekts (390), auf Querschnittsbildern des Objekts (390), angebracht sind, in dem Referenzpunkte (RP&sub1;, RP&sub2;, RP&sub3;) Energie abstrahlen und in fester Beziehung zu dem Objekt (390) angebracht sind, wobei das genannte Verfahren die Schritte umfaßt von:

Detektion von Strahlung von den Emittern (360);

Bestimmung der Position der Spitze der Sonde (302) relativ zu einem Referenz-Hilfsmittel (300), das außerhalb des Objekts (390) lokalisiert ist, basierend auf von den Emittern (360) detektierter Strahlung;

Detektion von Strahlung von den Referenzpunkten (RP&sub1;, RP&sub2;, RP&sub3;);

Bestimmung der Position der Referenzpunkte (RP&sub1;, RP&sub2;, RP&sub3;) des Objekts (390) relativ zu dem Referenz-Hilfsmittel (300), basierend auf von den Referenzpunkten (RP&sub1;, RP&sub2;, RP&sub3;) detektierter Strahlung, so daß die Position der Spitze relativ zu den Referenzpunkten (RP&sub1;, RP&sub2;, RP&sub3;) des Objekts (390) eine bekannte Position (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;) ist;

Übertragung der bekannten Position (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;) der Spitze der Sonde (302) mithilfe einer geeigneten Computersoftware zur Bereitstellung einer in ein Koordinatensystem (X&sub0;, Y&sub0;, Z&sub0;) übertragenen Position, die den Querschnittsbildern des Objekts (390) entspricht; und

Anzeige eines Querschnitts eines Bildes des Objekts (390), wobei der genannte Querschnitt der übertragenen Spitze der Sonde (302) entspricht und dabei die Position der Spitze der Sonde (302) innerhalb der Bilder des Objekts (390) anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Sonde (302) eine chirurgische Sonde ist und in dem der Anzeigeschritt die Schritte umfaßt von:

Anzeige eines Bildes, das die Spitze der chirurgischen Sonde (302) auf dem entsprechenden Querschnittsbild des Objekts (390) darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, in dem das Referenz-Hilfsmittel eine Anordnung (300) mit Sensoren (350) umfaßt und, in dem der Schritt der Bestimmung der Position der Referenzpunkte (RP&sub1;, RP&sub2;, RP&sub3;) des Objekts (390) relativ zu dem Referenz- Hilfsmittel (300) die Schritte des Anbringens einer Basis (306) auf dem Objekt (390) in einer Position mit festgelegter räumlicher Beziehung zu den Referenzpunkten (RP&sub1;, RP&sub2;, RP&sub3;) des Objekts (390) und des Messens der Position der Basis (306) hinsichtlich der Anordnung (300) umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, das weiterhin den Schritt der Emission von Strahlung von der Basis (306) zu der Anordnung (300) zur Angabe der Position der Basis (306) umfaßt.

5. Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, das weiterhin den Schritt der Kompensation von Temperaturveränderungen, welche den Prozeß der ersten und zweiten bestimmenden Schritte beeinflußt, umfaßt.

6. System zu Angabe einer Position innerhalb eines Objekts (390), wobei das genannte System umfaßt:

Referenzpunkt-Hilfsmittel (306, 124, 393) mit einer Position in fester Beziehung zu dem Objekt (390) zur Bereitstellung von Referenzpunkten (RP&sub1;, RP&sub2;, RP&sub3;), die Energie abstrahlen;

Hilfsmittel zur Erzeugung von Querschnittsbildern des Objekts (390), wobei die genannten Querschnittsbilder Referenzbilder einschließen, die den Referenzpunkt- Hilfsmittel (306, 124, 393) entsprechen;

Referenz-Hilfsmittel, die außerhalb des Objekts (390) angebracht sind zur Bereitstellung einer Referenz;

eine Sonde (302) einschließlich einer Spitze;

Emitter (360), die auf der Sonde (302) angebracht sind;

ein Detektor (350) zur Detektion von Strahlungsabgabe durch die Emitter (360) und zur Detektion von Strahlung von den Referenzpunkten (RP&sub1;, RP&sub2;, RP&sub3;);

erste Hilfsmittel (360, 350, 312, 314) zur Bestimmung der Position der Spitze der Sonde (302) relativ zu dem Referenz-Hilfsmittel (300), basierend auf der detektierten Strahlung;

zweite Hilfsmittel (370, 350, 312, 314; 380, 396) zur Messung der Position der Referenzpunkt-Hilfsmittel (306, 124, 393) des Objekts (390) relativ zu dem Referenz- Hilfsmitteln (300), wobei die Position der Spitze relativ zu den Referenzpunkt- Hilfsmitteln (306, 124, 393) des Objekts eine bekannte Position (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;) ist;

Hilfsmittel (318) zur Übertragung der bekannten Position (X&sub2;, Y&sub2;, Z&sub2;) der Spitze der Sonde (302) in ein Koordinatensystem (X&sub0;, Y&sub0;, Z&sub0;), das den Bildern des Objekts (390) entspricht; und

Hilfsmittel (320, 324, 326) zur Anzeige eines Bildes des Objekts (390), welches der übertragenen Position der Spitze der Sonde (302) entspricht.

7. System nach Anspruch 6, in dem die Sonde (302) eine chirurgische Sonde ist, in dem das Objekt (390) der Kopf eines Körpers eines Patienten ist und, in dem die Anzeige- Hilfsmittel umfassen:

Hilfsmittel (322, 324, 326) zur Anzeige eines Bildes, das die Spitze der Sonde (302) auf dem angezeigten Bild des Kopfes (390) darstellt.

8. System nach Anspruch 7, in dem das zweite Hilfsmittel umfaßt:

eine Basis (306), die so angepaßt ist, daß sie auf dem Kopf (390) in einem festgelegten Verhältnis zu den Referenzpunkt-Hilfsmitteln des Kopfes (390) angebracht werden kann; und

Hilfsmittel (370, 350, 312, 314; 380, 396) zur Messung der Position der Basis (306) hinsichtlich des Referenz-Hilfsmittels (300).

9. System nach Anspruch 8, in dem das Referenz-Hilfsmittel eine Anordnung (300) mit Sensoren (350) umfaßt und, in dem die Sonde (302) eine Bajonett-Zange mit Emittern (360), die in einer Linie mit der Spitze der Zange und unterhalb der Sehlinie des Chirurgen liegen, wenn er die Zange bedient, umfaßt, wobei die genannten Emitter (360), die zur Kommunikation mit den Sensoren (350) der Anordnung (300) so angepaßt sind, daß sie die Position der Sonde (302) relativ zu der Anordnung (300) angeben.

10. System nach Anspruch 9, in dem die Zange zwei Emitter (360) hat, die darauf angebracht sind.

11. System nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, welches weiterhin zusätzliche Emitter (370) auf der Basis (306) zur Kommunikation mit den Sensoren (350) der Anordnung (300) umfaßt, zur Angabe der Position der Basis (306) relativ zu der Anordnung (300).

12. System nach jedem der Ansprüche 9 bis 11, das weiterhin einen dreidimensionalen Digitalisierer (312) zur Digitalisierung der Signale, die durch die Sensoren (350) als Antwort auf die Signale von den Emittern (360, 370) erzeugt worden sind, umfaßt.

13. System nach jedem der Ansprüche 6 bis 12, in dem das Übertragungs-Hilfsmittel einen Computer (396), der zwischen den zweiten Hilfsmitteln (380) und den Anzeige-Hilfsmitteln (320, 324, 326) angeschlossen ist, und Übertragungssoftware (398) zur Kontrolle des Betriebs des Computers (396) umfaßt, so daß die durch die zweiten Hilfsmittel (380) dem Computer (396) gelieferten Koordinaten in die entsprechenden den Anzeige-Hilfsmitteln (320, 324, 326) gelieferten Koordinaten umgewandelt werden.

14. System nach jedem der Ansprüche 6 bis 13, in dem das Objekt der Kopf (390) eines Körpers eines Patienten ist und, in dem das Anzeige-Hilfsmittel ein Abbildungssystem umfaßt.

15. System nach jedem der Ansprüche 6 bis 14, das weiterhin Hilfsmittel (304) zur Kompensation von Temperaturschwankungen, die den Betrieb der ersten und zweiten Bestimmungs-Hilfsmittel beeinflußt, umfaßt.

16. System nach jedem der Ansprüche 6 bis 15, in dem das Objekt der Kopf (390) eines Körpers eines Patienten ist und, in dem das Anzeige-Hilfsmittel (320, 324, 326) ein Hilfsmittel zur Anzeige eines die Spitze der Sonde (302) darstellenden Cursors auf dem entsprechenden Bild des Kopfes umfaßt.

17. System nach jedem der Ansprüche 6 bis 16, in dem das Referenzpunkt-Hilfsmittel (306, 124, 393) eine Referenzfläche (RF) definiert und, in dem das Koordinatensystem des Bildes eine X-Y-Fläche (X&sub2;, Y&sub2;) parallel zu der Referenzfläche (RF) einschließt.

18. System nach jedem der Ansprüche 6 bis 17, in dem das Objekt der Kopf (390) eines Körpers eines Patienten ist, und weiterhin strahlendurchlässige Nadeln (124) mit strahlenundurchlässigen Spitzen umfaßt, die im Kopf lokalisiert sind, um die Referenzpunkt- Hilfsmittel zu definieren.

19. System nach jedem der Ansprüche 6 bis 18, in dem das Objekt (390) der Kopf eines Körpers eines Patienten ist und, in dem das Anzeige-Hilfsmittel umfaßt:

Hilfsmittel zur Anzeige einer Vielzahl von Bildern, die von einer Vielzahl von Scantechniken erzeugt werden, in dem die angezeigten Bilder der Position der Spitze der Sonde (302) im Kopf (390) entsprechen.

20. System nach Anspruch 19, in dem das Referenzpunkt-Hilfsmittel den Umriß der Stirn des Patienten umfaßt und, in dem die gescannten Bilder gescannte Bilder des Kopfes umfassen.