DE10083670B4

DE10083670B4 - System zur Translation elektromagnetischer und optischer Lagemessungssysteme

Info

Publication number: DE10083670B4
Application number: DE10083670T
Authority: DE
Inventors: Mark W. Broomfield Hunter; Paul Broomfield Kessman
Original assignee: Surgical Navigation Technologies Inc
Current assignee: Medtronic Navigation Inc
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: WO2001034050A3; US6402762B2; US20010011175A1; AU2617801A; DE10083670T1; US6235038B1; WO2001034050A2; WO2001034050A9

Abstract

System (10) zur Registrierung zumindest zweier chirurgischer Navigationssysteme während stereotaktischer Operationen, welches aufweist:
ein erstes chirurgisches Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110), das einen ersten Patientenraum definiert;
ein zweites chirurgisches Navigationssystem (90, 92), das einen zweiten Patientenraum definiert, bei welchem System (10) das erste und zweite chirurgische Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110; 90, 92) in einem gemeinsamen Behandlungsbereich vorgesehen sind; und
ein Translationsgerät (60, 100) zum Registrieren der Koordinaten des ersten Patientenraums mit den Koordinaten des zweiten Patientenraums.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Lagemessung einer Position während einer Operation. Die vorliegende Erfindung betrifft genauer ein System, das die vereinigte elektromagnetische und optische Lagemessung einer Position während einer stereotaktischen Operation erleichtert, beispielsweise einer Gehirnoperation oder Rückenmarksoperation.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Die genaue Lagemessung einer Position war immer für die stereotaktische Chirurgie wesentlich. Darüber hinaus ist das Minimieren der Invasion in der Chirurgie wesentlich zur Verringerung von Gesundheitsrisiken für einen Patienten. Stereotaktische Chirurgie minimiert die Invasion chirurgischer Prozeduren, indem sie es gestattet, ein Gerät durch Gewebe zu führen, das durch präoperative Abtastverfahren bezüglich der Lage gemessen wurde, wie beispielsweise MR, CT, Ultraschall, Fluoreszenz und PET. Jüngere Entwicklungen der stereotaktischen Chirurgie haben die Genauigkeit der Lagemessung verbessert, und zu einer weniger invasiven Chirurgie geführt.

Stereotaktische Chirurgie wird nun üblicherweise in der Gehirnchirurgie verwendet. Derartige Verfahren umfassen typischerweise die Akquisition von Bilddaten durch Anordnen von Vergleichsmarkierungen auf dem Kopf des Patienten, Abtasten des Kopfes des Patienten, Anbringung eines Kopfrings am Kopf des Patienten, und Bestimmung der räumlichen Beziehung der Bilddaten zu dem Kopfring durch beispielsweise Registrierung der Vergleichsmarkierungen. Die Registrierung der Vergleichsmarkierungen setzt die Information in den abgetasteten Bilddaten für das Gehirn des Patienten in Beziehung zum Gehirn selbst, und verwendet eine Eins-zu-Eins-Abbildung zwischen den Vergleichsmarkierungen, wie sie in den Bilddaten identifiziert werden, und den Vergleichsmarkierungen, die auf den Kopf des Patienten nach der Abtastung und während der Operation verbleiben. Dies wird als Registrierung des Bildraums zum Patientenraum bezeichnet. Häufig muß der Bildraum auch zu einem anderen Bildraum registriert werden. Die Registrierung wird durch Kenntnis der Koordinatenvektoren von zumindest drei nicht kollinearen Punkten in dem Bildraum und dem Patientenraum erzielt.

Momentan wird die Registrierung für die bildgeführte Chirurgie mit wenigen verschiedenen Verfahren durchgeführt. Zuerst wird eine Punkt-zu-Punkt-Registrierung durch den Benutzer erreicht, um Punkte im Bildraum zu identifizieren, und dann dieselben Punkte im Patientenraum zu berühren. Zweitens umfaßt die Oberflächenregistrierung die Erzeugung durch den Benutzer einer Oberfläche (beispielsweise der Stirn des Patienten) im Patientenraum, entweder durch Auswahl mehrerer Punkte oder Abtastung, und dann Akzeptieren oder Zurückweisen der besten Anpassung an diese Oberfläche im Bildraum, wie von dem Prozessor ausgewählt. Drittens gestatten es Geräte zur wiederholten Fixierung dem Benutzer, wiederholt ein Gerät in bekannter Beziehung zu den Vergleichsmarkierungen zu entfernen und zu ersetzen. Derartige Registrierungsverfahren weisen zusätzliche Schritte während der Prozedur auf, und erhöhen daher die Komplexizität des Systems, und vergrößern die Möglichkeiten für das Auftreten eines menschlichen Fehlers.

Durch die Bilddaten können quantitative Koordinaten von Zielen innerhalb des Körpers des Patienten in Bezug auf die Vergleichsmarkierungen festgelegt werden. Sobald eine Führungssonde oder ein anderes Instrument zu den Vergleichsmarkierungen auf dem Körper des Patienten registriert wurde, kann das Instrument durch den Körper des Patienten unter Verwendung von Bilddaten navigiert werden.

Es ist ebenfalls bekannt, große, dreidimensionale Datengruppen von Bilddaten in einem Operationsraum oder im direkten Betrachtungsfeld eines chirurgischen Mikroskops anzuzeigen. Daher wird eine graphische Darstellung der Navigation des Instruments durch den Körper des Patienten auf einem Computerbildschirm angezeigt, auf der Grundlage rekonstruierter Bilder abgetasteter Bilddaten.

Obwohl Scanner wertvolle Information für die stereotaktische Chirurgie zur Verfügung stellen, kann eine verbesserte Genauigkeit der Festlegung der Position des Ziels in Bezug auf einen zugreifbaren Bezugsort wünschenswert sein. Ungenauigkeiten bei der Festlegung der Zielposition erzeugen Ungenauigkeiten bei der Anordnung einer therapeutischen Sonde. Ein Verfahren, um zu versuchen, Ungenauigkeiten bei der Festlegung der Zielposition zu begrenzen, umfaßt die Fixierung des Kopfes des Patienten an dem Scanner, um die Bezugsgröße beizubehalten. Eine derartige Fixierung kann für den Patienten unbequem sein, und bringt weitere Schwierigkeiten mit sich, insbesondere wenn operative Vorgänge beteiligt sind. Daher besteht ein Bedürfnis nach einem System, das einen Scanner verwendet, um exakt die Position von Zielen zu messen, welches es ermöglicht, daß der Patient von dem Scanner getrennt wird.

Stereotaktische Chirurgie unter Verwendung eines dreidimensionalen Digitalisierers gestattet es einem Patienten, von dem Scanner entfernt zu werden, während immer noch ein hohes Ausmaß der Genauigkeit zur Lagemessung der Position von Zielen beibehalten bleibt. Der dreidimensionale Digitalisierer wird als Lagemessungseinrichtung verwendet, um die intraprozeduralen Relativpositionen des Ziels zu bestimmen. Dreidimensionale Digitalisierer können eine optische, akustische, elektromagnetische oder andere dreidimensionale Navigationstechnik zum Navigieren durch den Patientenraum verwenden.

Verschiedene Navigationssysteme weisen unterschiedliche Vorteile und Nachteile auf. Beispielsweise benötigen elektromagnetische Navigationssysteme keine Sichtverbindung zwischen den Zielverfolgungssystemkomponenten. Daher ist die elektromagnetische Navigation vorteilhaft für laparoskopische und perkutane Prozeduren, bei denen das Teil des verfolgten Instruments nicht in Sichtverbindung mit den anderen Navigationssystemkomponenten gehalten werden kann. Da es die elektromagnetische Navigation gestattet, ein Zielverfolgungselement an der Spitze eines Instruments anzuordnen, gestattet die elektromagnetische Navigation den Einsatz nicht-starrer Instrumente, beispielsweise flexibler Endoskope. Allerdings ist die Verwendung bestimmter Materialien in Prozeduren unter Einsatz der elektromagnetischen Zielverfolgung nachteilig, da bestimmte Materialien die elektromagnetischen Felder beeinflussen können, die zur Navigation verwendet werden, und daher die Systemgenauigkeit beeinflussen können.

Im Vergleich hierzu weisen optische Navigationssysteme ein größeres Arbeitsvolumen auf als elektromagnetische Navigationssysteme, und können mit Instrumenten aus jeder Materialzusammensetzung verwendet werden. Die Art und Weise optischer Navigationssysteme läßt es jedoch nicht zu, daß Zielverfolgungssystemkomponenten auf irgendeinem Abschnitt eines Instruments in den Körper des Patienten eingeführt werden. Für perkutane und laparoskopische Prozeduren verfolgen optische Navigationssysteme typischerweise Abschnitte der Systemkomponenten, die in Sichtverbindung mit dem System sind, und bestimmen dann die Position irgendwelcher nicht sichtbarer Abschnitte dieser Komponenten auf der Grundlage von Systemparametern. Beispielsweise kann ein optisches Navigationssystem den Handgriff eines chirurgischen Instruments verfolgen, jedoch nicht die eingeführte Spitze des chirurgischen Instruments, so daß das Navigationssystem den Instrumentengriff verfolgen muß, und vorbestimmte Messungen des Geräts einsetzen muß, um zu bestimmen, wo sich die Spitze des Instruments in Bezug auf den Handgriff befindet. Diese Vorgehensweise kann nicht bei flexiblen Instrumenten eingesetzt werden, da sich die Beziehung zwischen dem Handgriff und der Spitze ändert.

Stereotaktische Operationsverfahren werden auch bei der Wirbelsäulenchirurgie eingesetzt, um die Genauigkeit der Operation zu erhöhen, und die Invasion zu minimieren. Genauigkeit ist bei der Wirbelsäulenchirurgie besonders schwierig, und muß von Registrierungs- und Lademessungsverfahren sichergestellt werden, die in der Chirurgie verwendet werden. Vor einer Wirbelsäulenoperation werden die Wirbel gescannt, um deren Ausrichtung und Positionierung zu bestimmen. Während der Abbildung werden Scans in Abständen durch die Wirbel vorgenommen, um eine dreidimensionale, vorprozedurale Datengruppe für die Wirbel zu erzeugen. Allerdings muß der Patient nach dem Scannen zum Operationstisch bewegt werden, was eine Umlagerung der Wirbel hervorruft. Darüber hinaus können sich die jeweiligen Positionen der Wirbel verschieben, sobald der Patient auf dem Operationstisch fixiert wurde, da anders als das Gehirn die Wirbelsäule nicht durch eine schädelartige Umgebungsanordnung relativ ruhig gehalten wird. Selbst die normale Atmung des Patienten kann eine Relativbewegung der Wirbel hervorrufen.

Computerprozesse unterscheiden die Bilddaten, die durch Abtastung der Wirbelsäule zurückholt wurden, so daß die Körperwirbel im Speicher bleiben. Sobald die Wirbel jeweils als einzelner starrer Körper festgelegt wurden, können die Wirbel durch Softwarealgorithmen umgeordnet werden, die eine verschobene Bilddatengruppe festlegen. Jedes starre Körperelement weist zumindest drei Vergleichsmarkierungen auf, die auf den vorprozeduralen Bildern sichtbar sind, und während der Prozedur exakt feststellbar sind. Es ist vorzuziehen, Bezugspunkte bei dem Wirbelsäulenprozess auszuwählen, die während einer derartigen Operation üblicherweise freigelegt werden.

Vergleiche ebenfalls beispielsweise das US-Patent Nr. 5,871,445 A, die WO 96/1162 A2 das US-Patent Nr. 5,592,939 A und das US-Patent Nr. 5,697,377 A, deren Offenbarungen in die vorliegende Anmeldung durch Bezugnahme eingeschlossen werden.

Die DE 197 51 761 A1 offenbart ein Navigationssystem, das einen Patientenraum definiert. Dieses Navigationssystem verwendet zwei Positionsdetektionseinrichtungen in derselben Referenzierungseinrichtung. Es dient der Referenzierung der Patientenanatomie mittels der ersten Positionsdetektionseinrichtung, dem Erfassen der aktuellen Position von Behandlungszielen durch die zweite Positionsdetektionseinrichtung, dem Einbinden der Information über die aktuelle Position in die Referenzierungseinrichtung durch die Einbindung der zweiten Positionsdetektionseinrichtung in die Referenzierungseinrichtung, und dem Aktualisieren der Positionswerte aus der ersten Positionsdetektionseinrichtung mit den Positionsinformationen der zweiten Positionsdetektionseinrichtung. Nachteilig ist dabei, dass nur ein Patientenraum definiert wird, und dass die Positionswerte von beiden Positionsdetektionseinrichtungen abhängen und nicht unabhängig voneinander eingesetzt werden können.

Die DE 198 05 112 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Navigationssystems bezüglich der Bilddaten eines Magnetresonanzgeräts. Unter Zuhilfenahme von Markern werden Lage und Orientierung des Navigationsgeräts in Bezug auf das Magnetresonanzgerät bestimmt. Das Navigationssystem definiert einen Patientenraum.

Die US 5,944,663 A offenbart eine Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Navigationssystem. Von diesen beiden Navigationssystemen definiert aber lediglich das zweite einen Patientenraum. Nachteilig ist dabei, dass der Patient bei der Navigation durch das erste Navigationssystem nicht berücksichtigt wird.

Insgesamt ist die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit den genannten Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik verbesserungsbedürftig.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesicht der Nachteile des Stands der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei stereotaktischen Operationen die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen und somit die Risiken der Operation zu vermindern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System nach Anspruch 1 sowie durch ein Gerät nach Anspruch 1 Darin sind ein erstes und ein zweites chirurgisches Navigationssystem in einem gemeinsamen Behandlungsbereich vorgesehen.

Das System weist ein erstes chirurgisches Navigationssystem auf, das einen ersten Patientenraum definiert, ein zweites chirurgisches Navigationssystem, das einen zweiten Patientenraum definiert, und ein Translationsgerät zum Registrieren der Koordinaten des ersten Patientenraums mit den Koordinaten des zweiten Patientenraums. Das Translationsgerät weist einen starren Körper auf, zumindest eine Komponente für ein erstes Navigationssystem, das in oder auf dem starren Körper angeordnet ist, und zumindest eine Komponente für ein zweites Navigationssystem, das in oder auf dem starren Körper angeordnet ist, in bekannter Beziehung zu der zumindest einen Komponente für das erste Navigationssystem. Das Translationsgerät ist im Arbeitsvolumen jedes der zumindest zwei Navigationssysteme angeordnet.

Zusätzliche Merkmale Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung der Zeichnungen angegeben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beigefügten Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung.

1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Systems, das die kombinierte elektromagnetische und optische Lagemessung einer Position während einer stereotaktischen Operation erleichtert, gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 ist eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform eines optisch-elektromagnetischen Translationsgeräts;

3 ist eine schematische Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform eines optisch-elektromagnetischen Translationsgeräts;

4 ist eine schematische Perspektivansicht einer dritten Ausführungsform eines optisch-elektromagnetischen Translationsgeräts; und

5 ist eine schematische Perspektivansicht einer fünften Ausführungsform eines optisch-elektromagnetischen Translationsgeräts.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nunmehr wird im einzelnen auf die momentan bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Soweit möglich werden dieselben Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen verwendet, um dieselben oder gleiche Teile zu bezeichnen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für stereotaktische Operationen, das ein erstes chirurgisches Navigationssystem aufweist, das einen ersten Patientenraum definiert, ein zweites chirurgisches Navigationssystem, das einen zweiten Patientenraum definiert, ein Translationsgerät zum Registrieren (Korrelieren der Koordinaten) des ersten Patientenraums zum zweiten Patientenraum, und eine Bilddatengruppe, die von einem Scangerät erzeugt wird, welches einen Bildraum definiert. Der Bildraum ist mit zumindest einem unter den ersten und zweiten Patientenräumen registriert.

Eine beispielhafte Ausführungsform des Systems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Das System gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend in Bezug auf ein optisches Navigationssystem in Kombination mit einem elektromagnetischen Navigationssystem erläutert. Allerdings betrifft die vorliegende Erfindung entsprechend die Kombination irgendwelcher zwei Navigationssysteme, einschließlich optischer, akustischer, elektromagnetischer oder leitender.

Das in 1 dargestellte System enthält ein erstes Navigationssystem, das optisch ist. Elemente des optischen Navigationssystems umfassen zumindest ein optisches Element, und einen optischen Empfangsarray 40 in Sichtverbindungskommunikation mit dem optischen Element, sowie in Kommunikation mit einem Computersystem 50. Das optische System kann entweder ein optisches Signal unabhängig erzeugen, oder alternativ ein optisches Signal durch Reflektieren eines Signals erzeugen, das von einer optischen Signalquelle empfangen wird. Die Sichtverbindung des optischen Empfangsarrays definiert ein "Arbeitsvolumen" des optischen Systems, welches den Raum darstellt, in welchem das optische System tatsächlich navigieren kann.

Zumindest ein optisches Element ist auf ein Translationsgerät aufgelegt. Gemäß der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise zumindest drei nicht-kollineare optische Elemente in dem System vorhanden, um sechs Freiheitsgrade der Lagemessung und der Orientierungsinformation von den optischen Elementen zu erhalten.

Bei der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die in 1 gezeigt ist, sind vier Ausführungsformen des Translationsgerätes 20, 60, 80, 100 in dem Arbeitsvolumen des optischen Systems gezeigt. Während nur ein Translationsgerät für den ordnungsgemäßen Betrieb des Translationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung nötig ist, ist von der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung von mehr als einem Translationsgerät zur Registrierung unterschiedlicher Navigationssysteme umfaßt. Beispielsweise könnten mehr als ein Translationsgerät zur redundanten Registrierung von zwei Navigationssystemen verwendet werden, um eine erhöhte Genauigkeit der Registrierung zu erzielen. Weiterhin könnte, wenn drei unterschiedliche Navigationssysteme bei einer einzigen Operationsprozedur eingesetzt werden, ein Translationsgerät dazu verwendet werden, alle drei Navigationssysteme zu registrieren (deren Koordinaten zu korrelieren), oder es könnte ein Translationsgerät dazu verwendet werden, das erste und zweite Navigationssystem zu registrieren, während ein anderes Translationsgerät das zweite und dritte Navigationssystem registriert.

Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, kann ein dynamisches Translationsgerät in ein medizinisches Instrument 60 eingebaut werden, das bei einer Operationsprozedur verwendet werden soll, bei welcher navigiert wird. Das medizinische Instrument 60 weist einen Handgriff 62 auf, einen Abschnitt 64 an der Spitze, und einen Lagemessungsrahmen 66. Zumindest drei kollineare optische Elemente 70 (die sechs Freiheitsgrade in dem optischen System definierten können) sind auf dem Lagemessungsrahmen zur Kommunikation mit dem optischen Empfangsarray 40 angeordnet. Während sich das medizinische Instrument in dem Arbeitsvolumen des optischen Systems bewegt, sendet der optische Empfangsarray 40 ein Signal an das Computersystem 50, welches die momentane Position des medizinischen Instruments 60 angibt.

Wie in den 1 und 3 gezeigt ist, kann ein Translationsgerät auch in ein starres, statisches Translationsgerät 100 eingebaut sein, das den Arbeitsräumen des optischen und des elektromagnetischen Navigationssystems hinzugefügt ist, um speziell das optische Navigationssystem mit dem elektromagnetischen Navigationssystem zu registrieren (also deren Koordinaten zu korrelieren). Das statische Translationsgerät kann jede Konfiguration aufweisen, die es zuläßt, optische Elemente 110 auf solche Art und Weise anzuordnen, daß sechs Freiheitsgrade in dem optischen System definiert werden (beispielsweise drei nicht-kollineare optische Elemente). Obwohl diese Ausführungsform ein geeignetes Translationsgerät zur Verfügung stellt, fügt es auch eine ungewünschte Komplexizität den Navigationssystemen hinzu, da es erforderlich ist, daß die Navigationssysteme Eingaben von ihrem Arbeitsvolumen empfangen, und eine zusätzliche Struktur in ihrem Arbeitsvolumen identifizieren müssen.

Wie in den 1 und 4 gezeigt ist, kann ein Translationsgerät auch in den Operationstisch eingebaut sein. Optische Elemente 85, die sechs Freiheitsgrade in dem optischen System definieren, werden so auf dem Operationstisch angeordnet, daß sie in Sichtverbindung mit dem optischen Empfangsarray 40 während der Prozedur bleiben.

Wie in den 1 und 5 gezeigt ist, kann ein dynamisches Translationsgerät auch in eins oder mehrere der optischen Elemente 20 eingebaut sein, die auf dem Patienten 30 angeordnet werden (oder an dem Patienten über ein Gestell angebracht werden).

Es wird darauf hingewiesen, daß optische Elemente 20, 70 auf dem Patienten 30 oder auf dem medizinischen Instrument 60 zur Zielverfolgung des Patienten 30 und/oder des medizinischen Instruments 60 während der Prozedur angeordnet werden können, selbst wenn die optischen Elemente 20, 70 auf dem Patienten 30 und dem medizinischen Instrument 60 nicht als Translationsgeräte verwendet werden.

Wie in 1 gezeigt ist, enthält das System gemäß der vorliegenden Erfindung auch ein zweites Navigationssystem. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das zweite Navigationssystem elektromagnetisch. Daher weist jedes Translationsgerät auch zumindest eine Komponente für das elektromagnetische Navigationssystem auf, das in einer bekannten Beziehung zu den optischen Elementen steht, die auf dem Gerät angeordnet sind. Die bekannte Beziehung der optischen und elektromagnetischen Elemente wird von dem Computersystem 50 empfangen, so daß das Computersystem eine Translationsmatrix für die Registrierung (also Korrelation der Koordinaten) des optischen und elektromagnetischen Navigationssystems erzeugen kann. Elemente des dargestellten elektromagnetischen Navigationssystems umfassen ein elektromagnetisches Element 90 (beispielsweise einen Sensor, der zumindest eine Spule 92 aufweist), und einen Magnetfeldgenerator. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Magnetfeldgenerator in dem Operationstisch 80 vorgesehen. Daher dient bei der in 4 gezeigten Ausführungsform des Translationsgerätes, wie voranstehend beschrieben, der Magnetfeldgenerator in dem Operationstisch 80 als das elektromagnetische Element auf dem Translationsgerät, wenn er in bekannter Beziehung zu den optischen Elementen 85 angeordnet wird, die auf dem Tisch 80 angeordnet sind. Die bekannte Beziehung der optischen und elektromagnetischen Elemente wird von dem Computersystem 50 empfangen, so daß das Computersystem eine Translationsmatrix zur Korrelation der optischen und elektromagnetischen Navigationssystemkoordinaten erzeugen kann.

Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform des Translationsgerätes mit dem medizinischen Instrument 60 ist das elektromagnetische Element 90 vorzugsweise ein Sensor, der zumindest eine Spule 92 aufweist. Der Sensor weist zwei Spulen 92 auf, die senkrecht zueinander angeordnet sind, um einen Sensor mit sechs Freiheitsgraden zu schaffen. Der Sensor wird in oder auf dem Lagemessungsrahmen 66 in bekannter Beziehung zu den optischen Elementen 70 angeordnet. Die bekannte Beziehung der optischen und elektromagnetischen Elemente wird von dem Computersystem 50 empfangen, so daß das Computersystem eine Translationsmatrix zum Korrelieren der optischen und elektromagnetischen Navigationssystemkoordinaten erzeugen kann.

Bei der starren, statischen Ausführungsform 100 des Translationsgerätes gemäß 3 ist das elektromagnetische Element 90 vorzugsweise ein Sensor, wie er voranstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde, der in oder auf dem starren, statischen Gerät 100 in bekannter Beziehung zu den optischen Elementen 110 angeordnet ist. Die bekannte Beziehung der optischen und elektromagnetischen Elemente wird von dem Computersystem 50 empfangen, so daß das Computersystem eine Translationsmatrix zum Korrelieren der optischen und elektromagnetischen Navigationssystemkoordinaten erzeugen kann.

Wie in 5 gezeigt ist, die eine schematische Version eines dynamischen Translationsgeräts zeigt, das mit einem oder mehreren der optischen Elemente 20 vereinigt werden soll, die auf dem Patienten 30 angeordnet sind (oder an dem Patienten über einen Rahmen angebracht sind), ist das elektromagnetische Element 90 vorzugsweise ein Sensor, wie dies voranstehend in Bezug auf 2 beschrieben wurde. Der Sensor wird vorzugsweise in oder auf der Basis 25 in bekannter Beziehung zum optischen Element 20 angeordnet. Die bekannte Beziehung der optischen und elektromagnetischen Elemente wird von dem Computersystem 50 empfangen, so daß das Computersystem eine Translationsmatrix zum Korrelieren der optischen und elektromagnetischen Navigationssystemkoordinaten erzeugen kann. Obwohl die Ausführungsform von 5 das elektromagnetische Element so zeigt, daß es mit dem optischen Element vereinigt ist, kann das elektromagnetische Element alternativ auch an dem optischen Element 20, das auf dem Patienten 30 angeordnet ist (oder am Patienten über einen Rahmen angebracht ist) angebracht oder durch dieses ausgetauscht werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß ein elektromagnetisches Element 90 auf dem Patienten 30 oder auf dem medizinischen Instrument 60 angeordnet werden kann, zur Zielverfolgung des Patienten 30 und/oder des medizinischen Instruments 60 während der Prozedur, selbst wenn das elektromagnetische Element 90 auf dem Patienten 30 und dem medizinischen Instrument 60 nicht als Translationsgerät verwendet wird.

Nunmehr wird ein Beispiel für den Betrieb für das System gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zum Zwecke des Beispiels ist die Prozedur die Hirnchirurgie, und ist das Translationsgerät nur in dem medizinischen Instrument 60 enthalten, wie dies in 2 gezeigt ist. Es werden ein optisches Navigationssystem und ein elektromagnetisches Navigationssystem verwendet.

Vor der chirurgischen Prozedur werden Vergleichsmarkierungen auf dem Kopf des Patienten angebracht, und wird der Kopf des Patienten gescant, unter Verwendung von beispielsweise MR, CT, Ultraschall, Fluoreszenz oder eines PET-Scanners. Der Scanner erzeugt eine Bilddatengruppe, welche Datenpunkte entsprechend den Vergleichsmarkierungen enthält. Die Datengruppe wird von dem Computersystem empfangen und gespeichert.

Nachdem der Kopf des Patienten gescant wurde, wird der Patient auf dem Operationstisch angeordnet, und werden die Navigationssysteme eingeschaltet. Bei der Gehirnchirurgie verfolgen die Navigationssysteme die Bewegung des Kopfes des Patienten und die Bewegung des medizinischen Instruments. Da das medizinische Instrument als das Translationsgerät verwendet wird, sind sowohl optische als auch elektromagnetische Navigationssystemelemente auf dem medizinischen Instrument angeordnet, und verfolgen sowohl das optische als auch das elektromagnetische System die Bewegung des medizinischen Instruments.

Da auch der Kopf des Patienten verfolgt werden muß, müssen entweder optische oder elektromagnetische Navigationssystemelemente auf dem Kopf des Patienten angeordnet werden. Zum Zwecke der vorliegenden Erläuterung werden optische Elemente auf dem Kopf des Patienten angeordnet. Da das optische Navigationssystem die Bewegungen des Kopfes des Patienten verfolgt, muß der Patientenraum des optischen Navigationssystems mit dem Bildraum registriert werden, der durch den präoperativen Scan definiert wird.

Nachdem der Patientenraum des optischen Navigationssystems mit dem Bildraum registriert wurde, muß der Patientenraum des elektromagnetischen Navigationssystems mit dem Patientenraum des optischen Navigationssystems registriert werden. Wegen der bekannten Beziehung zwischen den elektromagnetischen und optischen Elementen in dem medizinischen Instrument kann der Computer eine Translationsmatrix dazu verwenden, den Patientenraum des optischen Navigationssystems mit dem Patientenraum des elektromagnetischen Navigationssystems zu registrieren. Daher wird der Patientenraum der elektromagnetischen Navigation mit dem Bildraum registriert.

Falls das medizinische Instrument eine starre Konstruktion aufweist, gestattet eine Kenntnis der Abmessungen des medizinischen Instruments und der Orientierung und der Lage des Lagemessungsrahmens 66 es dem Computersystem, die Position der Spitze des medizinischen Instruments zu bestimmen. Falls jedoch das medizinische Instrument 60 eine nicht-starre Konstruktion aufweist, kann nur die Kenntnis der Lage und der Orientierung des Lagemessungsrahmens 66 durch Verfolgung der Position der optischen und elektromagnetischen Elemente es dem Computer nicht ermöglichen, die Position der Spitze 64 des medizinischen Instruments zu bestimmen. Darüber hinaus sind optische Navigationssysteme Sichtverbindungs-Navigationssysteme, und gestatten daher keine direkte Verfolgung der Spitze einer Sonde, sobald sie in den Patienten eingeführt wurde (da die Spitze sich außerhalb der Sichtverbindung des optischen Empfangsarrays befindet).

Allerdings benötigen elektromagnetische Navigationssysteme keine Sichtverbindung, und können daher die Lage und die Orientierung der eingeführten Spitze selbst eines nichtstarren medizinischen Instruments verfolgen. Hierzu wird ein elektromagnetisches Element 90 in dem Abschnitt 64 an der Spitze des medizinischen Instruments angeordnet, und wird durch das elektromagnetische Navigationssystem verfolgt. Da der Patientenraum des elektromagnetischen Navigationssystems mit dem Bildraum registriert wurde, können Bewegungen der Spitze des medizinischen Instruments im Gehirn des Patienten (innerhalb des Bildraums) verfolgt werden.

Daher stellt die vorliegende Erfindung eine erhöhte Genauigkeit und Flexibilität für Benutzer zur Verfügung, durch Nutzung der Merkmale mehrerer Navigationssysteme mit ihren jeweiligen Vorteilen. Darüber hinaus erhöht die Verwendung mehrerer Navigationssysteme häufig das gesamte Arbeitsvolumen während der Prozedur.

Claims

System (10) zur Registrierung zumindest zweier chirurgischer Navigationssysteme während stereotaktischer Operationen, welches aufweist: ein erstes chirurgisches Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110), das einen ersten Patientenraum definiert; ein zweites chirurgisches Navigationssystem (90, 92), das einen zweiten Patientenraum definiert, bei welchem System (10) das erste und zweite chirurgische Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110; 90, 92) in einem gemeinsamen Behandlungsbereich vorgesehen sind; und ein Translationsgerät (60, 100) zum Registrieren der Koordinaten des ersten Patientenraums mit den Koordinaten des zweiten Patientenraums.
System nach Anspruch 1, bei welchem das erste Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ein Sichtverbindungs-Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ist.
System nach Anspruch 2, bei welchem das Sichtverbindungs-Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ein optisches Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ist.
System nach Anspruch 2, bei welchem das zweite Navigationssystem (90, 92) ein Nicht-Sichtverbindungs-Navigationssystem (90, 92) ist.
System nach Anspruch 4, bei welchem das Nicht-Sichtverbindungs-Navigationssystem (90, 92) ein elektromagnetisches Navigationssystem (90, 92) ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem das Translationsgerät (60, 100) zumindest eine Komponente (70) für das erste Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) und zumindest eine Komponente (90) für das zweite Navigationssystem (90, 92) aufweist.
System nach Anspruch 6, bei welchem eine Translationsmatrix zwischen der zumindest einen Komponente (70) für das erste Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) und der zumindest einen Komponente (90) des zweiten Navigationssystems (90, 92) vorbestimmt ist.
System nach Anspruch 7, bei welchem das erste Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ein optisches Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ist und die zumindest eine Komponente (70) für das erste Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ein optisches Element (70) ist.
System nach Anspruch 8, bei welchem das zweite Navigationssystem (90, 92) ein elektromagnetisches Navigationssystem (90, 92) ist und die zumindest eine Komponente (90) für das zweite Navigationssystem (90, 92) ein elektromagnetisches Element (90) ist.
System nach Anspruch 9, bei welchem das elektromagnetische Element (90) ein elektromagnetisches Feld erzeugt.
System nach Anspruch 9, bei welchem das zumindest eine elektromagnetische Element (90) ein Sensor ist.
System nach Anspruch 11, bei welchem ein elektromagnetisches Element (90) ein Sensor ist.
Gerät (60) zum Registrieren der Koordinaten von zumindest zwei Navigationssystemen, welches aufweist: einen starren Körper; zumindest eine Komponente (70) für ein erstes Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110), die auf oder in dem starren Körper angeordnet ist; und zumindest eine Komponente (90) für ein zweites Navigationssystem (90, 92), die in bekannter Beziehung zu der zumindest einen Komponente (70) für das erste Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) in oder auf dem starren Körper angeordnet ist; bei welchem Gerät (60) das erste und zweite chirurgische Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110; 90, 92) in einem gemeinsamen Behandlungsbereich vorgesehen sind; und welches Gerät (60) in einem Arbeitsvolumen jedes der zumindest zwei Navigationssysteme (20, 40, 70, 85, 110; 90, 92) angeordnet wird.
Gerät nach Anspruch 13, bei welchem das erste Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ein Sichtverbindungs-Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ist.
Gerät nach Anspruch 14, bei welchem das Sichtverbindungs-Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ein optisches Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ist.
Gerät nach Anspruch 14, bei welchem das zweite Navigationssystem (90, 92) ein Nicht-Sichtverbindungs-Navigationssystem (90, 92) ist.
Gerät nach Anspruch 16, bei welchem das Nicht-Sichtverbindungs-Navigationssystem (90, 92) ein elektromagnetisches Navigationssystem (90, 92) ist.
Gerät nach Anspruch 13, bei welchem das erste Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ein optisches Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ist und die zumindest eine Komponente (70) für das erste Navigationssystem (20, 40, 70, 85, 110) ein optisches Element (70) ist.
Gerät nach Anspruch 18, bei welchem das zweite Navigationssystem (90, 92) ein elektromagnetisches Navigationssystem (90, 92) ist und die zumindest eine Komponente (90) für das zweite Navigationssystem (90, 92) ein elektromagnetisches Element (90) ist.