DE69133548T2

DE69133548T2 - System zum Anzeigen einer Stelle in dem Körper eines Patienten

Info

Publication number: DE69133548T2
Application number: DE69133548T
Authority: DE
Inventors: Richard D. St. Louis Bucholz
Original assignee: St Louis University
Current assignee: St Louis University
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2011-10-18
Also published as: ATE196234T1; US5851183A; DE69132412T2; US5383454B1; WO1992006645A1; ATE405223T1; DE69133634D1; US6678545B2; US6463319B1; DE69132412D1; DE69133548D1; US5383454A; SE9301262L; EP1690511B1; EP1210916A2; AU8876391A; EP0553246A4; EP0553246B1; CA2094251C; US20020183615A1

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Die genaue Lagebestimmung ist in der Neurochirurgie schon immer wichtig gewesen. Bei der Planung jedes neurochirurgischen Verfahrens sind Kenntnisse der Anatomie des Gehirns und bestimmter Funktionen von Bedeutung, die bestimmten Gehirnbereichen zugeschrieben werden. Aktuelle Fortschritte in der Diagnose wie Computertomographie (CT) Abtastungen, Magnetresonanztomographie (MRI) Abtastungen und Positronenemissionstomographie (PET) Abtastungen haben die präoperative Diagnose und Operationsplanung sehr erleichtert. Jedoch standen die Genauigkeit und Präzision der Abtastverfahren dem Neurochirurgen im Operationssaal nicht in vollem Umfang zu Verfügung. Bestimmte Strukturen und Stellen im Gehirn während des Eingriffs zu präoperativen Scan- bzw. Abtastverfahren in Beziehung zu setzen war früher umständlich, wenn nicht gar unmöglich.
Die stereotaktische Chirurgie, die zuerst vor 100 Jahren entwickelt wurde, besteht daraus, eine Führungsvorrichtung zu verwenden, durch die der chirurgische Eingriff durch bestimmte Teile des Gehirns geleitet wird, deren Lage mit präoperativen radiographischen Verfahren bestimmt wurde. Die stereotaktische Chirurgie war vor dem Aufkommen moderner Abtastverfahren nicht weit verbreitet, da es erforderlich war, Luft in das Gehirn einzubringen, um die Lage der Ventrikel und Kammern im Gehirn, die eine Flüssigkeit enthalten, zu bestimmen. Die Ventrikulographie wies eine beträchtliche Komplikationsrate auf und die Genauigkeit bei der Lagebestimmung war sehr gering.
In der WO 88/09151 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, mit denen in einem Tomogramm die Lage eines chirurgischen Instruments angezeigt wird, das sich in einem Bereich befindet, der durch das Tomogramm dargestellt wird. Insbesondere wird in der WO 88/09151 offenbart, dass die Spitze des chirurgischen Instruments zu einer Menge von Bezugspunkten in dem Bereich bewegt wird und Messungen der Spitze des chirurgischen Instruments mit früheren Tomogrammen kombiniert werden, die die Gruppe von Bezugspunkten aufweisen, um die Lage des chirurgischen Instruments auf dem Tomogramm darzustellen. Das Verfahren nach der WO 88/09151 umfasst die Messung der Bewegung und Lage eines Gelenkarms, der mit einer Koordinatenmesseinrichtung verbunden ist, ist die Bestimmung der Lage des chirurgischen Instruments auf dem Tomogramm umständlich und zeitaufwändig.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein System bereitzustellen, mit dem die Lage einer Sonde in einem Kopf bestimmt und ein Bild angezeigt werden kann, das der ermittelten Lage entspricht.
Daher ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein System zum Anzeigen einer Stelle im Körper eines Patienten bereitgestellt, wobei dieses System Folgendes aufweist:
Mittel zum Erzeugen von Bildern des Körpers, wobei die Bilder Referenzbilder aufweisen, die einer Referenzmenge von Datenpunkten entsprechen; und
eine chirurgische Sonde, die eine Spitze mit einer Lage aufweist;
Referenzmittel, die eine Lage außerhalb des Körpers haben, zum Bereitstellen einer Referenz;
erste Mittel zum Bestimmen der Lage der Spitze der chirurgischen Sonde relativ zu den Referenzmitteln;
zweite Mittel zum Bestimmen der Lage der Referenzmenge von Datenpunkten relativ zu den Referenzmitteln, sodass die Lage der Spitze relativ zur Referenzmenge von Datenpunkten eine bekannte Lage ist;
Mittel zum Übertragen der bekannten Lage der chirurgischen Sonde zum Bereitstellen einer übertragenen Lage innerhalb eines Koordinatensystems, entsprechend den Bildern des Körpers; und
Mittel zum Anzeigen eines Bilds des Körpers zum Bereitstellen eines angezeigten Bilds, das der übertragenen Lage der Spitze der chirurgischen Sonde entspricht;
wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass:
das System ferner einen optischen Scanner aufweist, wobei die Referenzmenge von Datenpunkten durch den optischen Scanner erzeugt wird, wobei die Datenpunkte, die in einem Speicher gespeichert sind, einen Umriss eines Körperteils definieren, wie mittels des Scanners ermittelt, und eine Lage in einem festen Verhältnis zum Körper darstellen.
Weitere Aufgaben und Merkmale sind zum Teil offensichtlich und zum Teil im Folgenden dargelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine perspektivische Darstellung einer zylinderförmigen Rahmenstruktur, die während des Abtastvorgangs um den Kopf eines Patienten herum angebracht ist.
1B ist eine Draufsicht auf die Stäbe der zylinderförmigen Rahmenstruktur von 1A entlang einer Ebene, die in der Mitte zwischen dem oberen und unteren Ring verläuft.
1C ist eine perspektivische Darstellung eines Referenzrings, der mit Stützen an dem Kopf eines Patienten befestigt wird, um die zylinderförmige Rahmenstruktur von 1A zu halten.
1D ist eine perspektivische Darstellung des Koordinatensystems eines dreidimensional abgetasteten Bildes.
2A ist eine perspektivische Darstellung des Abgreifrahmens, der zur Bestimmung der relativen Lage zwischen einer Lage im Kopf und der Hilfsbasis verwendet wird.
2B ist eine perspektivische Darstellung des Abgreifrahmens von 2A, in der seine Einstellwinkel dargestellt sind.
2C ist ein Blockdiagramm der Schritte, die das Verfahren nach dem Stand der Technik zum Bestimmen der Lage einer chirurgischen Sonde relativ zu den abgetasteten Bildern umfasst, sodass der Chirurg das Bild, das der Sondenlage entspricht, identifizieren und betrachten kann.
2D ist eine perspektivische Darstellung eines dreidimensionalen Koordinatensystems einer chirurgischen Sonde.
3A ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Anzeigen der Lage einer chirurgischen Sonde in einem Kopf auf einem Bild des Kopfs.
3B ist eine perspektivische vereinfachte Darstellung einer Mikrophongruppe, einer chirurgischen Sonde und eines Basisrings.
3C ist ein Blockdiagramm der Schritte, die das Verfahren zum Bestimmen der Lage einer chirurgischen Sonde relativ zu den abgetasteten Bildern umfasst, sodass der Chirurg das Bild, das der Sondenlage entspricht, identifizieren und betrachten kann.
3D ist eine perspektivische vereinfachte Darstellung eines Scanners, der in Verbindung mit einem Gestell verwendet wird.
3E ist eine perspektivische vereinfachte Darstellung der Mikrophongruppe, der chirurgischen Sonde, des Basisrings und des optischen Scanners gemäß der Erfindung.
4 ist ein Fließdiagramm der Übertragungssoftware zum Übertragen von Koordinaten vom Koordinatensystem der chirurgischen Sonde in das Koordinatensystem des abgetasteten Bildes.
5A ist eine perspektivische vereinfachte Darstellung eines Ultraschallsondensystems;
5B und 5C veranschaulichen Ultraschall- beziehungsweise abgetastete Bilder.
Übereinstimmende Teile sind in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen durch übereinstimmende Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Mit dem Aufkommen moderner Abtastgeräte und -verfahren wurden verschiedene stereotaktische Systeme entwickelt und sind derzeit verfügbar. Mit diesen stereotaktischen Systemen kann ein Chirurg die Lage bestimmter Punkte bestimmen, die auf CT-, MRT- oder PET-Abtastbildern ermittelt wurden, die vorher erzeugt wurden, bevor das Operationsverfahren durchgeführt wird. Insbesondere ermöglichen die stereotaktischen Systeme die Auswahl von speziellen Punkten, die auf den Abtastbildern erkannt wurden, um von dem Chirurg innerhalb des Gehirns unter Verwendung einer mechanischen Vorrichtung während eines Operationsverfahrens lokalisiert zu werden.
Zu Beginn, vor dem Operationsverfahren, wird eine Art Lagebestimmungsvorrichtung wie ein Rahmen unter Verwendung spitzer Stifte am Schädel des Patienten befestigt. Dann wird der jeweilige Abtastvorgang oder werden die jeweiligen Abtastvorgänge, der bzw. die durchgeführt werden soll(en), durchgeführt, wobei der Rahmen den Kopf des Patienten umgibt. Beispielsweise kann der Rahmen aus einer zylinderförmigen Struktur 100 bestehen, wie sie perspektivisch in 1A veranschaulicht ist. Die Struktur 100 weist einen oberen kreisförmigen Ring 102 und einen unteren kreisförmigen Ring 104 auf, die durch die sechs senkrechten Stäbe 106 und die drei diagonalen Stäbe 108 miteinander verbunden sind. Die drei diagonalen Stäbe 108 verbinden die Ringe 102 und 104 diagonal miteinander, sodass jede Ebene, die durch die zylinderförmige Struktur 100 verläuft und seine Achse 110 senkrecht schneidet, jeden der diagonalen Stäbe 108 in einem bestimmten Punkt schneidet. Der sich ergebende Abstand zwischen den diagonalen und senkrechten Stäben definiert eine eindeutige Ebene in der zylinderförmigen Struktur 100. Wie in 1B dargestellt ist, würde beispielsweise ein Abtastvorgang in einer bestimmten Ebene ein Muster aus neun Querschnittsbildern der Stäbe 106 anzeigen. Der eindeutige Abstand dieser Darstellungen der Stäbe würde, wie in der Ebene 112 von 1B dargestellt ist, notwendigerweise anzeigen, dass die Lage der Abtastebene 112 parallel zu und mittig zwischen den Ringen 102 und 104 der zylinderförmigen Struktur 100 verlief.
Im Ergebnis des Abtastvorgangs werden die gewonnenen Bilder analysiert und wird die Lage der einzelnen Markierungsstäbe 106, „Fudicels" genannt, innerhalb der Bilder bestimmt und gemessen. Durch Messen des Abstands zwischen den Stäben 106 kann die genaue Lage eines Abtastvorgangs in Bezug auf eine Basisebene bestimmt werden. Im Allgemeinen ist der untere Ring 104 der zylinderförmigen Struktur 100 an einem Referenzring 120 (auch als BRW-Kopfring bezeichnet) befestigt, wie in 1C veranschaulicht ist. Wie zuvor angemerkt wurde, wird dieser Ring 120 über die Stützen 122 am Kopf des Patienten gehalten, die unter Verwendung der spitzen Stifte 124 am Kopf befestigt sind, sodass der Ring 120 in Bezug zum Kopf fest an der richtigen Stelle gehalten wird. Der untere Ring 104 der zylinderförmigen Struktur 100 ist am Referenzring 120 angebracht, der am Kopf des Patienten befestigt ist, sodass sich diese beiden Ringe in parallelen Ebenen befinden.
Wie in 1D dargestellt ist, weist das Abtastsystem (z.B. CT, MRT, PET), mit dem das Abtasten erfolgt, ein Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) des abgetasteten Bildes auf, in dem durch die mindestens drei Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3, die sich am Kopf des Patienten befinden, eine Bezugsebene RP definiert werden kann. Anschließend wird ein Rechner zur Berechnung einer bestimmten Lage innerhalb des Gehirns verwendet, und es kann während des Operationsverfahrens ein Ziel, das auf dem entsprechenden Bild ausgewählt wurde, mit einiger Genauigkeit angesteuert werden.
Obwohl der Chirurg mit der stereotaktischen Chirurgie präzise an einen bestimmten Punkt geleitet werden kann, ist sie nicht besonders hilfreich dabei gewesen, dem Chirurgen zu ermöglichen, zu jedem Zeitpunkt während des Operationsvorgangs die jeweilige Lage einer chirurgischen Sonde im Gehirn zu identifizieren. Häufig können in der Neurochirurgie Hirntumore oder andere Zielpunkte im Gehirn nicht vom umgebenden normalen Gewebe unterschieden werden und können selbst unter Verwendung gefrorener Schnitte nicht ermittelt werden. Außerdem ist es bei modernen mikrochirurgischen Verfahren unabdingbar, dass der Neurochirurg bestimmte Strukturen im Gehirn erkennt, die für den Patienten in funktioneller Hinsicht von entscheidender Bedeutung sind. Zudem müssen während der Operation die Grenzen dieser Strukturen genau definiert und dem Chirurgen genau bekannt sein. Auf diese Art und Weise werden diese Gewebe während der Operation nicht zerstört oder anderweitig beschädigt, was zu einer Verletzung des Patienten führen würde.
In der Vergangenheit konnte der Chirurg das stereotaktische System auch umgekehrt verwenden, um die Lage einer chirurgischen Sonde relativ zu den abgetasteten Bildern bestimmen zu können, damit das Bild, das der Sondenlage entspricht, bestimmt und betrachtet werden kann. Es ist jedoch ein umständlicher und zeitaufwändiger Vorgang, umgekehrt vom Gehirn des Patienten aus rückwärts zu gehen und die Lage der chirurgischen Sonde relativ zum Abtastbild zu finden. Für gewöhnlich muss ein besonders ausgestalteter Abgreifrahmen 200, wie er in 2A dargestellt ist, am Ring 120 angebracht werden, der am Kopf des Patienten befestigt ist, damit die Lage der chirurgischen Sonde im Kopf ermittelt werden kann. Es wird zum Beispiel angenommen, dass der Chirurg die Lage der Spitze 201 einer Sonde 202 im Kopf des Patienten kennen möchte. Zuerst wird der Abgreifrahmen 200 am Referenzring 120 angebracht, der am Kopf des Patienten befestigt ist. Anschließend wird die Sonde 202 auf dem Bogen 206 angeordnet und der Rahmen 200 eingestellt, damit er die Winkel Alpha, Beta, Gamma und Delta auf den Skalen 208, 210, 212 und 214 anzeigt, welche die Sonde 202 in Bezug auf den Rahmen 200 definiert, wie in 2B dargestellt ist. Dann wird der Abstand 216 von der Spitze der Sonde 202 zum Bogen 206 ermittelt.
Der Abgreifrahmen 200 wird anschließend so auf eine Hilfsbasis 250 übertragen und angebracht, wie es in 2A dargestellt ist. Die Hilfsbasis 250 weist ein Koordinatensystem auf (X₁, Y₁, Z₁). Im Allgemeinen kennzeichnet der Abgreifrahmen 200 einen Punkt 201 über der Hilfsbasis 250. Eine Zeigevorrichtung 252 ist so angeordnet, dass ihre Spitze 254 am Punkt 201 liegt. Die X₁-Y₁-Ebene der Hilfsbasis 200 entspricht einer Ebene, die parallel zu der Ebene verläuft, in der sich die Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3 befinden. Die Koordinaten (X₁, Y₁, Z₁) definieren die Lage des Punkts 201. Folglich ist nun die Lage des Punkts 254 in Bezug auf die X₁-Y₁-Ebene und daher in Bezug auf die Bezugsebene RP bekannt. Nun kann ein Rechner zur Berechnung der genauen Lage im Gehirn verwendet werden und das jeweilige Abtastbild, das der berechneten Lage entspricht, kann aufgerufen und auf einem Abtastsystem betrachtet werden.
Zusammengefasst dargestellt wird mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik, wie er in 2C dargestellt ist, für den Chirurgen die Stelle der Spitze 201 der chirurgischen Sonde 202 identifiziert. Zu Beginn ordnet der Chirurg die Sonde 202 an der gewünschten Stelle im Kopf auf dem Abgreifrahmen 200 an, der am Kopf befestigt ist. Anschließend wird der Abgreifrahmen 200 vom Kopf des Patienten abgenommen und auf die Hilfsbasis 250 übertragen. Die Zeigevorrichtung 252 wird anschließend an dem Punkt 201 angeordnet, der im Wesentlichen koaxial zum Punkt 201 der Spitze der Sonde ist. Die Zeigevorrichtung 252 gibt anschließend die Lage der Spitze der Sonde in dem Koordinatensystem (X₁, Y₁, Z₁) der Hilfsbasis an. Schließlich werden diese Koordinaten dazu verwendet, die Koordinaten (X₀, Y₀, Z₀) des abgetasteten Bildes zu bestimmen, sodass das Bild, das der Lage der Sonde entspricht, angezeigt werden kann.
Nach diesem umständlichen und zeitaufwändigen Vorgang hat der Chirurg nun die Lage der Spitze 201 der Sonde 202 in Bezug auf die abgetasteten Bilder ermittelt und kann nun das Bild betrachten, das der Lage der Sonde entspricht, um den nächsten Schritt des Operationsverfahrens zu veranlassen. Dieser gesamte Vorgang dauert ungefähr zehn bis fünfzehn Minuten und erhöht die Gefahr einer Verunreinigung während der Operation, da die Basis der Abgreifrahmen nicht steril ist. Aufgrund dieser Überlegungen wird die stereotaktische Chirurgie bei den meisten Verfahren im Allgemeinen nicht eingesetzt. Ferner ist die geringe Genauigkeit, die sie bietet, für moderne mikrochirurgische Verfahren im Allgemeinen unzureichend. Folglich steht die stereotaktische Chirurgie für die Mehrheit bestimmter Patienten, an denen ein chirurgischer Eingriff vorgenommen wird, im Allgemeinen nicht zur Verfügung.
Beim Vergleich von 1D und 2A ist ersichtlich, dass es notwendig ist, dass der Chirurg die genaue Lage der Spitze 201 der chirurgischen Sonde 202 in Bezug auf das Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) des abgetasteten Bildes des jeweiligen Abtastvorgangs kennt, die vor der Operation erfolgt sind. Mit anderen Worten weist die chirurgische Sonde 202 ein bestimmtes Koordinatensystem (X₂, Y₂, Z₂) auf, das in 2D dargestellt ist. Im Idealfall muss das Koordinatensystem (X₂, Y₂, Z₂) der chirurgischen Sonde zu dem Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) des abgetasteten Bildes in Beziehung gesetzt werden. Nach dem Stand der Technik, wie er in 2B dargestellt ist, wird vorgeschlagen, diese Koordinatensysteme über das Koordinatensystem (X₁, Y₁, Z₁) der Hilfsbasis zueinander in Beziehung zu setzen. Wie zuvor festgehalten wurde, ist dieser Vorgang des In-Beziehung-Setzens jedoch ungenau, zeitaufwändig und umständlich. Zur Bestimmung der Lage der Spitze 201 der chirurgischen Sonde 202 und zum unmittelbaren In-Beziehung-Setzen des Koordinatensystems (X₂, Y₂, Z₂) der chirurgischen Sonde zum Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) des abgetasteten Bildes kann ein System zur 3D-Digitalisierung verwendet werden.
Insbesondere wird zur Bestimmung der Lage der Sonde ein gängiges Gerät zur dreidimensionalen akustischen Digitalisierung wie das Modell GP-8-3D der Scientific Accessories Corporation verwendet. Wie in 3A dargestellt, weist das System zur 3D-Digitalisierung eine Mikrophonanordnung 300 auf, die im Allgemeinen an der Decke oder an einer anderen Stelle im Operationssaal angebracht ist, sodass sie sich in einer Sichtlinie mit der chirurgischen Sonde 302 befindet, die verwendet wird. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, weist die Sonde 302 Sender wie Tonsender darauf auf, die mit der Mikrophonanordnung 300 in Wechselwirkung stehen, sodass die Lage der Spitze der chirurgischen Sonde 302 zu jedem einzelnen Zeitpunkt bekannt ist. Das System zur 3D-Digitalisierung weist auch einen Temperaturausgleichsemitter 304 auf, der mit der Mikrophonanordnung 300 in Verbindung steht. Ferner ist an dem Ring 120 (1C), der am Kopf des Patienten befestigt ist, ein Basisring 306 angebracht, der koaxial und parallel zu der Ebene verläuft, die durch den Referenzring 120 definiert ist. Dieser Basisring 306 weist mehrere Sender auf, wie im Folgenden beschrieben wird, die mit der Mikrophonanordnung 300 in Wechselwirkung stehen, sodass die relative Lage des Basisrings 306 zu jedem einzelnen Zeitpunkt ermittelt werden kann. Der Signalgeber 308 erzeugt ein Signal, das dem Temperaturausgleichsemitter 304, der chirurgischen Sonde 302 und dem Basisring 306 durch einen Multiplexer 310 bereitgestellt wird. Üblicherweise wird der Temperaturausgleichsemitter 304 über den Multiplexer 310 vom Signalgeber 308 aktiviert, damit er ein Signal abgibt, das die Mikrophonanordnung 300 empfängt. Jedes der Signale, das jedes der Mikrophone der Anordnung 300 empfängt, wird einer Digitalisiervorrichtung 312 bereitgestellt, die die Signale digitalisiert und die digitalisierten Signale dem Rechner 314 bereitstellt, der ein Programm 316 zur räumlichen Erfassung und Aufzeichnung (SAR) aufweist, das auf der Grundlage der digitalisierten Signale Raumkoordinaten erfasst und aufzeichnet. Beispielsweise kann das Programm 316 das Programm SACDAC sein, das von PIXSYS aus Boulder, Colorado lizenziert wird. Dieses Programm wertet die digitalisierten Signale aus, die der Temperaturausgleichsemitter 304 abgibt, um die Bezugsnormalen zu ermitteln, d.h. die Geschwindigkeit der Abstrahlung durch die Luft. Beispielsweise ändert sich in Abhängigkeit von der Lufttemperatur im Operationssaal die Zeit, die zwischen dem Moment benötigt wird, in dem der Temperaturausgleichsemitter 304 aktiviert wird, damit er ein Signal abgibt, und dem Zeitpunkt, zu dem jedes der Mikrophone der Anordnung 300 das ausgesendete Signal empfängt. Dem SAR-Programm 316 ist durch Kalibrierung der Abstand zwischen dem Temperaturausgleichsemitter 304 und jedem der Mikrophone der Anordnung 300 bekannt. Daher kann das SAR-Programm 316 unmittelbar die Geschwindigkeit der Signale berechnen, die übertragen werden. Diese Geschwindigkeit dient als Bezugspunkt für die Bestimmung der Lage der chirurgischen Sonde 302 und des Basisrings 306.
Anschließend werden die Sender des Basisrings 306 aktiviert, sodass die Lage des Basisrings 306 bestimmt werden kann. Zu diesem Zeitpunkt werden die Sender des Basisrings 306 nacheinander aktiviert und wird die Abstrahlung, die diese Sender aussenden, von der Mikrophonanordnung 300 erfasst. Das Signal, das die Mikrophone aus dieser Abstrahlung erzeugen, wird vom SAR-Programm 316 digitalisiert und ausgewertet, um die Lage jedes der Sender des Basisrings 306 zu ermitteln. Sobald das SAR-Programm 316 die Lage der Sender des Basisrings ermittelt hat, werden vom SAR-Programm übliche geometrische Berechnungen durchgeführt, um die Ebene zu ermitteln, die durch den Basisring 306 in Bezug auf die Mikrophonanordnung 300 definiert wird.
Die Digitalisiervorrichtung 312 meldet dann dem Multiplexer 310, dass er das Signal, das der Signalgeber 308 erzeugt hat, der chirurgischen Sonde 302 bereitstellt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Sender der chirurgischen Sonde 302 nacheinander aktiviert und wird die Abstrahlung, die diese Sender aussenden, von der Mikrophonanordnung 300 erfasst. Das Signal, das die Mikrophone aus dieser Abstrahlung erzeugen, wird vom SAR-Programm 316 digitalisiert und ausgewertet, um die Lage jedes der Sender der chirurgischen Sonde 302 zu ermitteln. Sobald das SAR-Programm 316 die Lage der Sender der Sonde ermittelt hat, wird vom SAR-Programm eine übliche geometrische Triangulation durchgeführt, um die Lage der Spitze der chirurgischen Sonde in Bezug auf die Mikrophonanordnung 300 zu ermitteln.
Daher kann das SAR-Programm 316 unter Verwendung des Systems zur 3D-Digitalisierung die Lage des Basisrings 306 und die Lage der chirurgischen Sonde 302 relativ zum Basisring 306 bestimmen. Wie zuvor festgehalten wurde, ist der Basisring 306 am Referenzring 120 (1C) angebracht und liegt im Wesentlichen in einer Ebene damit, sodass der Basisring 306 die Bezugsebene RP des Koordinatensystems des abgetasteten Bildes definiert, das in 1D dargestellt ist.
Der Rechner 314 enthält die Übertragungssoftware 318 auf, die anschließend die Koordinaten des Koordinatensystems der chirurgischen Sonde, das in 2D dargestellt ist, in das Koordinatensystem des abgetasteten Bildes überträgt, das in 1D dargestellt ist. Als Ergebnis dieser Übertragung hat der Rechner 314 nun das jeweilige abgetastete Bild des präoperativen Abtastvorgangs ermittelt, auf dem die Spitze der chirurgischen Sonde 302 liegen würde. Das System weist ein Bandlaufwerk 320 auf, auf das über ein lokales Netzwerk (LAN) 321 zugegriffen wird, auf dem jedes der Bilder des präoperativen Abtastvorgangs gespeichert ist. Die übertragenen Koordinaten, die die Übertragungssoftware 318 erzeugt, werden der stereotaktischen Bilddarstellungssoftware 322 bereitgestellt, die sich ebenfalls im Rechner 314 befindet, und ermitteln das jeweilige abgetastete Bild, das der Chirurg betrachten soll. Das ermittelte Bild wird vom stereotaktischen bildgebenden System 324 ausgewählt, das das Bild aus den Daten erzeugt, die auf dem Bandlaufwerk 320 gespeichert sind, und auf einem hoch auflösenden Anzeigegerät 326 anzeigt. Die stereotaktische Bilddarstellungssoftware 322 und das stereotaktische bildgebende System 324 können jedes gängige System wie diejenigen sein, die von Stereotactic Image Systems, Inc. aus Salt Lake City, Utah, hergestellt werden.
Mit Bezug auf 3B ist eine perspektivische Darstellung der Mikrophonanordnung 300, des Temperaturausgleichsemitters 304, der chirurgischen Sonde 302 und des Basisrings 306 veranschaulicht. Die Mikrophonanordnung 300 weist mehrere Mikrophone 350 auf, deren Ausgänge mit der 3D-Digitalisiervorrichtung 312 verbunden sind. Benachbart zur Mikrophonanordnung 300 befindet sich ein Temperaturausgleichsemitter 304, der gezielt Signale aussendet, die das kalibrierte SAR-Programm zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Abstrahlung verwendet. Beispielsweise wird bei dem Modell GP-8-3D der Scientific Accessories Corporation eine Schalldigitalisiervorrichtung verwendet. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit des Schalls, der vom Temperaturausgleichsemitter 304 an die Mikrophone 350 übertragen wird, vom SAR-Programm berechnet, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der der Schall durch die Luft übertragen wird. Da dieses System sehr genau ist und sich die Schallgeschwindigkeit bezüglich der Lufttemperatur recht stark ändert, kann das System zur 3D-Digitalisierung durch den Temperaturausgleichsemitter 304 Änderungen der Lufttemperatur im Operationssaal ausgleichen. Die chirurgische Sonde 302 umfasst eine Bajonettzange für chirurgische Zwecke, die so abgewandelt ist, dass sie mindestens zwei Tonsender darauf aufweist, die auf der Achse 362 im Wesentlichen koaxial zur Spitze der Zange sind. Die Sender liegen auf einer Linie und unmittelbar unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen durch die Zange, sodass die Sichtlinie nicht versperrt ist. Im Allgemeinen ist die Mikrophonanordnung 300 an der Operationsbeleuchtung über dem Kopf des Patienten befestigt, sodass sie sich in unmittelbarer Sichtlinie zur Zange befindet, wenn der Chirurg sie verwendet. Die Mikrophone 350 erfassen den Schall, der durch die aufeinander folgende Aktivierung der Sender 360 auf der Zange abgegeben wird. Die SAR-Software 316 misst die Zeit der Übertragung von jedem der Tonsender 360 auf der Zange an die Mikrophone 350. Durch den Vergleich dieser Zeiten kann das SAR-Programm 316 die Lage der beiden Sender 360 und dadurch der Spitze der Zange berechnen.
Der Basisring 306 ist am Referenzring 120 befestigt, der am Kopf des Patienten angebracht ist und liegt im Wesentlichen in einer Ebene mit den Bezugspunkten RP1, RP2 und RP3. Der Basisring 306 weist mehrere Sender 370 darauf auf, die mit dem Multiplexer 310 verbunden sind und vom Signalgeber 308 aktiviert werden. Jeder dieser Sender 370 wird der Reihe nach aktiviert, sodass die Abstrahlung, die davon ausgesendet wird, von den Mikrophonen 350 der Anordnung 300 empfangen wird. Die Sender 370 sind vorzugsweise 90° voneinander entfernt angeordnet, wobei der mittlere Sender vorn am Kopf liegt. Dadurch kann der Basisring 306 um den Kopf herum angebracht werden, sodass sich alle drei Sender in Sichtlinie zur Anordnung befinden. Die entstehenden Signale werden von der Digitalisiervorrichtung 312 digitalisiert, sodass das SAR-Programm 316 die Ebene ermitteln kann, in der sich die Sender 370 befinden. Diese Ebene definiert im Wesentlichen die Bezugsebene, da sie mit den Bezugspunkten RP1, RP2 und RP3 in einer Ebene liegt. Durch die Bestimmung der Lage der Bezugsebene kann die Übertragungssoftware 318 nun die Koordinatenposition der Sonde 302 verwenden und sie aus dem Koordinatensystem der chirurgischen Sonde von 2D in das Koordinatensystem des abgetasteten Bildes übertragen, wie es in 1D dargestellt ist. Folglich kann das jeweilige abgetastete Bild, das der Lage der Sonde entspricht, ermittelt und angezeigt werden, damit der Chirurg es betrachten kann.
Die chirurgische Sonde 302 ist im Allgemeinen eine Bajonett-Kauterisiervorrichtung, die ein Drahtbündel 364 aufweist, das an der chirurgische Sonde 302 befestigt ist. Daher sind die Drähte, die für die Verbindung der Sender 360 mit dem Multiplexer 310 erforderlich sind, Teil des Drahtbündels 364, das die Zange mit ihrer Stromquelle verbindet, und der Chirurg kennt sich im Umgang mit derartigen Zangen aus, die mit einem Drahtbündel verbunden sind. Daher bereit es dem Chirurgen keine Schwierigkeiten, eine derartige Sonde zu verwenden und der Chirurg kennt sich im Umgang mit derartigen Zangen aus, die mit einem Drahtbündel verbunden sind.
Der Basisring 306 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung und Anordnung der Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3 in Bezug auf die Mikrophonanordnung 300. Ein Vorteil des Basisrings 306 besteht darin, dass jedes Mal, wenn der Kopf des Patienten bewegt wird, der Basisring 306 aktiviert wird, um die Bezugsebene zu definieren. Dadurch kann der Chirurg den Kopf des Patienten während des Eingriffs bewegen. Alternativ können die Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3 unter Verwendung eines Referenzmodus der 3D-Digitalisiervorrichtung 312 hergestellt werden. Insbesondere wird die Spitze der Sonde 302 auf jedem der Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3 angeordnet und aktiviert, damit sie an die Mikrophonanordnung 300 ein Signal abgibt, damit die Lage der Spitze an jedem dieser Punkte bestimmt werden kann. Dies erfolgt während eines Referenzmodus als Betriebsart der 3D-Digitalisiervorrichtung 312, sodass das SAR-Programm 316 am Ende der Ausführung dieses Modus die Lage der Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3 berechnet. Dazu ist es erforderlich, dass die Bezugspunkte wiederhergestellt werden müssen, bevor die Lage der chirurgischen Sonde ermittelt wird, um Änderungen der Bezugsebene aufgrund der Bewegung des Kopfs zu vermeiden. Andererseits besteht ein Vorteil dieser Vorgehensweise darin, dass kein Referenzring 120 verwendet werden muss. Insbesondere ist es möglich, dass die Referenzstifte 124 ständig am Schädel des Patienten befestigt sein können. Beispielsweise können diese Stifte röntgenstrahlendurchlässige chirurgische Schrauben sein, die im Schädel des Patienten befestigt sind und röntgenstrahlenundurchlässige Spitzen aufweisen. Diese Schrauben würden vor dem Eingriff und vor dem präoperativen Abtasten am Schädel des Patienten befestigt werden, sodass die röntgenstrahlenundurchlässigen Spitzen während der Abtastens und während des gesamten chirurgischen stereotaktischen Verfahrens ständig einen Bezugspunkt darstellen würden. Während des eigentlichen Eingriffs würde vor der Ermittlung der Lage der Sonde die Sonde dazu verwendet werden, die Lage jeder der röntgenstrahlenundurchlässigen Spitzen anzuzeigen. Dadurch dass der Referenzring 120 nicht mehr benötigt wird, werden auch weitere Vorteile erreicht. Beispielsweise müssen die präoperativen Abtastvorgänge im Allgemeinen unter Betäubung erfolgen, da der Referenzring 120 bei der Intubation stört. Daher muss die Intubation erfolgen, bevor der Referenzring am Schädel befestigt wird. Dadurch dass der Referenzring 120 nicht mehr benötigt wird und chirurgische Schrauben zur Kennzeichnung der Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3 verwendet werden, können die präoperativen Abtastvorgänge erfolgen, ohne dass eine Intubation und die damit verbundene Betäubung erforderlich sind. Bei einer alternativen Ausführungsform wird erwogen, dass die Sender 370 jeweils einzeln an einer Schraube oder einer anderen festen Struktur angebracht werden können, die an einem der Bezugspunkte angeordnet ist.
Zusammenfassend ist dieser Vorgang in 3C dargestellt, der damit für den Chirurgen die Stelle der Spitze der chirurgischen Sonde 202 ermittelt. Zu Beginn wird die Bezugsebene bestimmt, indem der Basisring 306 aktiviert oder die Sonde 302 an den Bezugspunkten angeordnet wird (wie hier beschrieben ist). Anschließend ordnet der Chirurg die Sonde an der gewünschten Stelle im Kopf an. Dann werden die Sender der Sonde aktiviert, sodass die Lage der Sonde gemessen und im Koordinatensystem (X₂, Y₂, Z₂) der chirurgischen Sonde bestimmt wird. Anschließend wandelt die Übertragungssoftware 318 das Koordinatensystem der chirurgischen Sonde in das Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) des abgetasteten Bildes um, sodass das Bild angezeigt werden kann, das der Lage der Sonde entspricht.
Mit Bezug auf 3D ist eine perspektivische Darstellung des Kopfs 390 eines Patienten in einem Gestell 392 während des Abtastvorgangs dargestellt. Wie im Folgenden beschrieben wird, wird der optische Scanner 380 mit den Sendern 381 darauf dazu verwendet, die Lage des Kopfs 390 relativ zum Gestell 392 zu bestimmen, das am Kopf angeordnet ist.
Mit Bezug auf 3E ist eine perspektivische Darstellung der Mikrophonanordnung 300, des Temperaturausgleichsemitters 304, der chirurgischen Sonde 302 und des optischen Scanners 380 veranschaulicht. Die Mikrophonanordnung 300 weist mehrere Mikrophone 350 auf, deren Ausgänge mit der 3D-Digitalisiervorrichtung 312 verbunden sind. Die Mikrophonanordnung 300 stellt ein festes Bezugssystem dar, zu dein die Lage der Sonde 302 gemessen wird und zu dem die Lage des Kopfs 390 relativ zum Gestell 392 gemessen wird. Folglich kann die Lage der Sonde 302 relativ zum Kopf 390 zu jedem beliebigen Zeitpunkt bestimmt werden.
Benachbart zur Mikrophonanordnung 300 befindet sich ein Temperaturausgleichsemitter 304, der gezielt Signale aussendet, die das kalibrierte SAR-Programm zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Abstrahlung verwendet. Beispielsweise wird bei dem Modell GP-8-3D der Scientific Accessories Corporation eine Schalldigitalisiervorrichtung verwendet. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit des Schalls, der vom Temperaturausgleichsemitter 304 an die Mikrophone 350 übertragen wird, vom SAR-Programm berechnet, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der der Schall durch die Luft übertragen wird. Da dieses System sehr genau ist und sich die Schallgeschwindigkeit bezüglich der Lufttemperatur recht stark ändert, kann das System zur 3D-Digitalisierung durch den Temperaturausgleichsemitter 304 Änderungen der Lufttemperatur im Operationssaal ausgleichen.
Die chirurgische Sonde 302 umfasst eine Bajonettzange für chirurgische Zwecke, die so abgewandelt ist, dass sie mindestens zwei Tonsender 360 darauf aufweist, die auf der Achse 362 im Wesentlichen koaxial zur Spitze der Zange sind. Die Sender liegen auf einer Linie und unmittelbar unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen durch die Zange, sodass die Sichtlinie nicht versperrt ist. Im Allgemeinen ist die Mikrophonanordnung 350 an der Beleuchtung des Operationssaals über dem Kopf des Patienten befestigt, sodass sie sich in unmittelbarer Sichtlinie zur Zange befindet, wenn der Chirurg sie verwendet. Die Mikrophone 350 erfassen den Schall, der durch die aufeinander folgende Aktivierung der Sender 360 auf der Zange abgegeben wird. Die SAR-Software 316 misst die Zeit der Übertragung von jedem der Tonsender 360 auf der Zange an die Mikrophone 350. Durch den Vergleich dieser Zeiten kann das SAR-Programm 316 die Lage der beiden Sender 360 und dadurch der Spitze der Zange berechnen.
Der optische Scanner 380 befindet sich im Allgemeinen über dem Kopf des Patienten 390 und wird während des Abtastens dazu verwendet, die Lage des Kopfs 390 relativ zum Gestell 392 zu ermitteln und dadurch das Bezugssystem des Querschnittabtastbildes zur Stirn 394 in Beziehung zu setzen. Der Scanner 380 wird außerdem während des Eingriffs verwendet, um die Lage des Kopfs 390 relativ zum Gestell 392 zu ermitteln und dadurch das Bezugssystem der Sonde 302 zur Stirn 394 in Beziehung zu setzen.
Während des Vorgangs des präoperativen Abtastens, wie er in 3D dargestellt ist, liegt der Kopf des Patienten, wenn die Querschnittsbilder des Kopfs erstellt werden, vorübergehend in dem Gestell 392. Das Gestell weist einen Bogen 393 aus einem röntgenstrahlenundurchlässigen Werkstoff auf, sodass er zumindest auf einigen der Querschnittsabtastbilder erscheint. Folglich definiert der Bogen 393 eine Ebene relativ zum Kopf 390. Während des Abtastens kann diese Ebene zur Vereinfachung als die 0,0,0-Ebene definiert werden. Nachdem der Kopf in dem Gestell angeordnet ist, wird der Scanner 380 zur Bestimmung der Lage des Gestells 392 und seines daran befestigten Bogens 393 relativ zur Stirn 394 verwendet. Insbesondere tastet der Scanner 380 sowohl die Stirn als auch den Bogen 393 des Gestells 392 ab und ermittelt durch den Rechner 396 unter Verwendung der Stirnanpassungssoftware 398 die Lage des Bogens 393 des Gestells 392 relativ zur Stirn 394. Die Stirnanpassungssoftware kann jede gängige oder kundenspezifische Software sein, die eine Datenmenge grafisch darstellt, sodass eine Kurve berechnet werden kann, die den Umriss der Stirn definiert, eine Kurve berechnet werden kann, die den Bogen definiert und eine Kurve berechnet werden kann, die die relative Lage der Stirn und des Bogens definiert. Da die Lage der Querschnittsabtastungen relativ zum röntgenstrahlenundurchlässigen Bogen 393 bekannt ist (da der Bogen des Gestells die 0,0,0-Ebene definiert) und da die Lage des Bogens 393 des Gestells 392 relativ zur Stirn 394 bekannt ist (durch das Abtasten des optischen Scanners), ist damit die Lage der Querschnittsabtastungen relativ zur Stirn bekannt und kann von der Übertragungssoftware 316 berechnet werden.
Während des Eingriffs wird ein Basisring 306 fest am Kopf befestigt. Der Basisring 306 muss nicht an derselben Stelle relativ zum Kopf angeordnet sein, wie es der Bogen während des Abtastvorgangs war, als die Querschnittsbilder erstellt wurden. Der Basisring 306, der während des Eingriffs verwendet wird, weist die Sender 370 auf, die mit der Anordnung 300 in Verbindung stehen, um die Lage des Basisrings 306 zu ermitteln. Folglich definiert der Basisring 306 eine Ebene relativ zum Kopf 390. Nach der Befestigung des Basisrings am Kopf wird der Scanner 380 vor dem Eingriff oder während des Eingriffs verwendet, um die Lage des Basisrings 306 relativ zur Stirn 394 zu ermitteln. Insbesondere tastet der Scanner 380 sowohl die Stirn als auch den Basisring 306 ab und ermittelt durch den Rechner 396 unter Verwendung der Stirnanpassungssoftware 398 die Lage des Basisrings 306 relativ zur Stirn 394. Da die Lage der Sonde relativ zum Basisring bekannt ist (durch die Kommunikation über die Anordnung) und da die Lage des Basisrings relativ zur Stirn bekannt ist (durch das Abtasten des optischen Scanners), ist damit die Lage der Sonde relativ zur Stirn bekannt und kann von der Übertragungssoftware 316 berechnet werden. Da auch die Lage der Querschnittsbilder relativ zur Stirn bekannt ist (aus dem präoperativen Abtastvorgang), ist im Endergebnis die Lage der Sonde relativ zu den Querschnittsbildern bekannt, sodass die Lage der Spitze der Sonde auf dem nächstliegenden Querschnittsbild angezeigt werden kann.
Der optische Scanner 380 und der Rechner 396 sind ein gängiger Standardscanner, der zum Abtasten eines Gegenstands verwendet wird, um dessen dreidimensionale Form zu ermitteln. Beispielsweise kann ein Gliedmaßenscanner wie der "Optical Scanner" von PIXSYS verwendet werden, der zur Entwicklung dreidimensionaler Modelle für künstliche Gliedmaßen eingesetzt wird. Der Scanner 380 sendet einen Laserstrahl oder anderen optischen Strahl zum Bogen 393 und der Stirn 394 und empfängt das Licht, das dort reflektiert wird, durch eine Anordnung linearer Chipkameras wie CCD (charge coupled device) Kameras. Durch die Auswertung der Lage des reflektierten Lichts unter Verwendung der Kameraanordnung bestimmt der Scanner 380 einschließlich des Rechners 396 die Form und damit den Umriss der Stirn 394, die Form des Bogens 393 des Gestells 392 und die relative Lage der Stirn und des Bogens 393. Der Rechner 396 meldet der Übertragungssoftware 318 des Rechners 314, der Bestandteil des Systems ist, wie es in 3A dargestellt ist, die Lage der Sonde 302 relativ zur Stirn 392. Die Übertragungssoftware 318 wandelt dann diese gemeldete Lage in das Koordinatensystem der abgetasteten Querschnittsbilder um. Folglich kann das jeweilige abgetastete Bild, das der Lage der Sonde entspricht, ermittelt und auf dem Anzeigegerät 326 (3A) angezeigt werden, damit es der Chirurg betrachten kann.
Die chirurgische Sonde 302 ist im Allgemeinen eine Bajonett-Kauterisiervorrichtung, die ein Drahtbündel 364 aufweist, das daran befestigt ist. Daher sind die Drähte, die für die Verbindung der Sender 360 mit dem Multiplexer 310 erforderlich sind, Teil des Drahtbündels 364, das die Zange mit ihrer Stromquelle verbindet. Chirurgen kennen sich im Allgemeinen im Umgang mit derartigen Zangen aus, die mit einem Drahtbündel verbunden sind. Daher bereit es dem Chirurgen keine Schwierigkeiten, eine derartige Sonde zu verwenden und der Chirurg ist erfahren im Umgang mit derartigen Zangen, die mit einem Drahtbündel verbunden sind.
Ein Vorteil des optischen Scanners 380 besteht darin, dass durch ihn während des präoperativen Abtastvorgangs keine Ringe oder Stifte am Kopf des Patienten angebracht werden müssen. Jedes Mal, wenn der Kopf des Patienten in einem Gestell angeordnet ist, kann der optische Scanner 380 zum Abtasten des Kopfs und Gestells verwendet werden, um ihre relative Lage neu zu definieren, ohne dass eine Berührung notwendig ist. Der Referenzring (d.h. Bogen) ist damit vorübergehend am Kopf. Dadurch, dass nicht mehr ständig ein Referenzring 120 oder die Referenzstifte RP1 bis RP3 notwendig sind, werden auch weitere Vorteile erreicht. Beispielsweise müssen die präoperativen Abtastvorgänge im Allgemeinen unter Betäubung erfolgen, da der Referenzring 120 bei der Intubation stört, oder die präoperativen Abtastvorgänge müssen erfolgen, nachdem die Stifte am Kopf befestigt wurden. Daher muss die Intubation erfolgen, bevor der Referenzring am Schädel befestigt wird. Dadurch, dass nicht mehr ständig der Referenzring 120 und/oder die Referenzstifte erforderlich sind, und durch Verwendung des Umrisses der Stirn um einen Bezugspunkt zu definieren, können die präoperativen Abtastvorgänge erfolgen, ohne dass gleichzeitig eine Intubation und eine entsprechende Betäubung erforderlich sind.
Zusammenfassend ausgedrückt liegt der Patient während des präoperativen Abtastvorgangs einfach in einem U-förmigen Gestell, das am Ende eines CT- oder MRT-Tischs befestigt ist. Über dem Gesicht des Patienten befindet sich ein Bogen, der die Bezugsebene darstellt. Alle Abtastvorgänge werden bezüglich dieses Bogens und vorzugsweise parallel zu diesem Bogen erstellt, der die Bezugs- oder Basisebene definiert. Der optische Scanner setzt den Stirnumriss zu diesem Bogen in Beziehung, sodass der Bezug der Stirn zu den Abtastungen bekannt ist.
Im Operationssaal wird der Kopf des Patienten wieder mit dem optischen Scanner abgetastet, jedoch ist dieses Mal der Bogen über dem Kopf des Patienten der Basisring 306. Die Referenzsender, die am Basisring angebracht sind, definieren das Bezugssystem für die Operation. Daher wird die Stirn wieder vom optischen Scanner zu dem Basisring in Beziehung gesetzt, um ein neues Bezugssystem zu definieren; dieses Mal ist das neue Bezugssystem der Operationssaal. Der Rechner gleicht dann die Umrisse der Stirn ab, die im Operationssaal und im Abtastraum gewonnen wurden, um die beiden Bezugssysteme in Beziehung zueinander zu setzen. Die Stirn ist tatsächlich eine „Brücke" zwischen dem Bezugssystem des präoperativen Scanners und dem Bezugssystem des Operationssaals.
Das Gestell muss nicht auf den eigentlichen Abtastbildern erscheinen. Das Hauptziel des Gestells besteht darin, den Kopf des Patienten davon abzuhalten, dass er sich bewegt, sodass alle Abtastbilder im gleichen Verhältnis zum Bogen erstellt werden.
Mit Bezug auf 4 ist ein Flussdiagramm der Arbeitsweise der Übertragungssoftware 318 veranschaulicht. Zu Beginn ordnet der Chirurg die Sonde 302 an der Stelle an, die ermittelt werden soll. (Wenn zur Kennzeichnung der Lage der Bezugsebene kein Basisring 306 verwendet wird, besteht der erste Schritt darin, dass der Chirurg den Referenzmodus der 3D-Digitalisiervorrichtung 312 verwendet, um die Bezugsebene zu kennzeichnen, indem er die Spitze der chirurgischen Sonde an verschiedenen Punkten in der Ebene anordnet).
In Schritt 400 initialisiert sich das System, sodass die Übertragungssoftware in Schritt 402 ein Fenstermenü eines Multitasking-Programms wie DESQ VIEW öffnet, das von Quarterdeck Office Systems aus Santa Monica, Kalifornien, vertrieben wird. Mit einer derartigen Software können gleichzeitig mehrere Programme ausgeführt werden. Im Allgemeinen läuft ein Programm, sobald es ausgewählt und aktiviert wurde, entweder im Vordergrund oder im Hintergrund weiter, bis es abgeschaltet wird.
Die Übertragungssoftware setzt die Initialisierung fort, indem sie das stereotaktische bildgebende System auswählt und das stereotaktische bildgebende System im Vordergrund aktiviert, indem in Schritt 404 das Stereotaxiefenster geöffnet wird. Danach kehrt die Übertragungssoftware in Schritt 406 in das Fenstermenü zurück, verschiebt die stereotaktische Bilddarstellungssoftware in den Hintergrund und wählt in Schritt 408 das Digitalisierfenster aus, um die Digitalisiervorrichtung im Vordergrund zu aktivieren. Der Rechner ist dann bereit, mit dem Fußschalter betätigt zu werden.
Der Chirurg betätigt dann ein Fußpedal oder einen anderen Schalter, was bedeutet, dass das System eine Berechnung durchführen soll. Die Betätigung des Fußschalters ist im Wesentlichen der Beginn des Startschritts 410. Durch die Digitalisiervorrichtung wird bei Betätigung die Kalibrierung durch den Temperaturausgleichsemitter 304 aktiviert, damit die Geschwindigkeit der Schallwellen bestimmt werden kann, werden die Sender des Basisrings 306 aktiviert, damit die Bezugsebene ermittelt werden kann, und werden die Sender der chirurgischen Sonde 302 aktiviert, damit die Lage der Spitze der Sonde 302 ermittelt werden kann. Die Signale, die die Mikrophonanordnung erzeugt, werden digitalisiert, damit das SAR-Programm 316 die Koordinaten der Spitze der chirurgischen Sonde ermittelt. In Schritt 412 wählt die Übertragungssoftware 318 die Koordinaten aus dem SAR-Programm aus.
Anschließend wird in Schritt 414 wieder auf das Fenstermenü zugegriffen und die Software für das stereotaktische bildgebende System wird durch das Fenstermenü in Schritt 416 in den Vordergrund gebracht, damit speziell der Betrieb des stereotaktischen bildgebenden Systems 324 gesteuert werden kann. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Übertragungssoftware 318 an die stereotaktische Bilddarstellungssoftware 322 einen FI-Befehl aus, durch den wiederum das stereotaktische bildgebende System 324 darauf vorbereitet wird, Koordinaten anzunehmen. In Schritt 420 wird wieder das Fenstermenü ausgewählt, sodass in Schritt 422 das Digitalisierfenster vom Rechner in den Vordergrund gebracht wird. In Schritt 424 wird auf das Fenstermenü der Digitalisiervorrichtung zugegriffen und die Koordinatenübertragung ausgewählt. In Schritt 426 beginnt die Digitalisiervorrichtung mit der Berechnung der Koordinaten und in Schritt 428 wird die Koordinatenberechnung beendet. Die Übertragungssoftware kehrt dann in Schritt 430 in das Fenstermenü der Digitalisiervorrichtung zurück, schaltet zwischen den Fenstern um und holt in 432 die Software für das stereotaktische bildgebende System in den Vordergrund, um es darauf vorzubereiten, dass es die Koordinaten empfängt, und kehrt dann in Schritt 434 wieder in das Hauptfenstermenü zurück. Abschließend werden die Koordinateninformationen übertragen, einschließlich jeglicher erforderlichen Bearbeitung, und in Schritt 436 an die stereotaktische Bilddarstellungssoftware 322 übermittelt, die das stereotaktische bildgebende System 324 aktiviert, damit das jeweilige Bild vom Bandlaufwerk 320 ausgewählt und auf dem hoch auflösenden Anzeigegerät 326 angezeigt wird. Die stereotaktische Bilddarstellungssoftware 322 weist das stereotaktische bildgebende System 324 an, das Bild anzuzeigen, das den übermittelten Koordinaten am nächsten liegt und an den Koordinaten auf dem Anzeigegerät 326 einen Positionsanzeiger anzuzeigen, der der Lage der Spitze der Sonde entspricht. Danach befindet sich der Rechner 314 in Betriebsbereitschaft, bis der Chirurg wieder den Fußschalter betätigt, um die Übertragungssoftware beginnend bei dem Startschritt 410 auszuführen.
Die Übertragung, die in Schritt 436 erfolgt, ist von der Lage des Koordinatensystems der chirurgischen Sonde relativ zum Koordinatensystem des abgetasteten Bilds und den Maßeinheiten abhängig. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Systeme koaxial und die Maßeinheiten dieselben, sodass keine algebraische Anpassung erforderlich ist. Es wird jedoch erwogen, dass die Koordinatensysteme nicht koaxial sind, wobei in diesem Fall für die Übertragung arithmetische und/oder trigonometrische Berechnungen erforderlich wären. Außerdem kann sich die Abfolge, z.B. (X₂, Y₂, Z₂), in der die Digitalisiervorrichtung die Koordinaten erzeugt, von der Abfolge, z.B. (X₀, Y₀, Z₀) unterscheiden, in der die Software für das stereotaktische bildgebende System Koordinaten empfängt. Daher kann es sein, dass die Reihenfolge, in der die Koordinaten übermittelt werden, neu geordnet werden muss.
Mit Bezug auf 5A ist ein System dargestellt, bei dem eine Lagebestimmungsvorrichtung verwendet wird, die mit Ultraschall arbeitet. Das Bezugszeichen 500 bezieht sich auf eine Ultraschallsonde, die im Operationssaal zum Abtasten des Gehirns verwendet werden kann. Die Ultraschallsonde 500 weist eine Vielzahl von mindestens drei Sender 502 auf, die mit der Anordnung 300 in Verbindung stehen, um die Ebene zu definieren, in der die Ultraschallsonde abtastet. Die Sender 502 werden wie bei den anderen Systemen, die zuvor dargestellt sind, vom Multiplexer 310 über die Leitung 504 aktiviert. Die Anordnung 300 empfängt die Abstrahlung, die die Sender 502 aussenden, um die Ebene zu ermitteln, in der sich die Ultraschallsonde 500 befindet. Die Ultraschallsonde ist über die Leitung 506 auch mit einem Rechner 508 verbunden, der die Ultraschalluntersuchung analysiert und die analysierten Informationen an eine Workstation 510 übermittelt, die das abgetastete Bild anzeigt. Da die Anordnung 300 über die Digitalisiervorrichtung 312 zu jedem Zeitpunkt die Lage der Ultraschallsonde 500 ermitteln kann, ist die jeweilige Ebene des Bilds bekannt, das auf der Workstation 510 angezeigt wird. Die Lage des Kopfs 394 des Patienten kann ermittelt werden, indem am Kopf ein Basisring 306 mit den Sendern 370 angebracht wird, wie zuvor angemerkt wurde, oder indem die Stirn mit einem optischen Scanner mit auf der Stirn angeordneten Sendern abgetastet wird, wie im Folgenden angemerkt ist.
Als Beispiel ist ein derartiges Ultraschallbild in 5B dargestellt. Der Chirurg kann dann das ähnliche Bild auf dem Anzeigegerät 326 des stereotaktischen bildgebenden Systems 324 aufrufen, wie es in Figur 5C dargestellt ist. Alternativ kann der Rechner 508 unmittelbar mit dem stereotaktischen bildgebenden System 324 verbunden sein, um die jeweilige Bildebene zu definieren, die auf der Workstation 510 dargestellt ist, sodass auf dem Anzeigegerät 326 das entsprechende abgetastete Bild angezeigt werden kann. Folglich wird das Bild vom Ultraschallsystem, wie es auf der Workstation 510 dargestellt ist, auf einem Monitor angezeigt und kann mit den Querschnittsbildern verglichen werden, die entweder durch CT-, MRT- oder PET-Abtastvorgänge gewonnen wurden. Der Querschnitt durch die dreidimensionale Datengruppe, wie sie vom Ultraschallsystem erzeugt wurde, wird von einem Hochgeschwindigkeitsgrafikarbeitsplatz wie dem von Silicon Graphics ermittelt. Dadurch können die Ultraschalluntersuchungen ausgewertet werden, da die anatomischen Gegebenheiten aus den MRT-, CT- oder PET-Abtastvorgängen unmittelbar ersichtlich sind. Außerdem sind mit dem Ultraschallsystem Abtastvorgänge im Operationssaal möglich. Da Hirngewebe elastisch ist und sich die Lage von unterschiedlichem Gewebe von Zeit zu Zeit ändern kann, ist durch die Verwendung einer Ultraschalluntersuchung im Operationssaal eine genauere Lagebestimmung von unterschiedlichem Hirngewebe möglich.
Alternativ kann das System zur Bestimmung der Lage der Ultraschallsonde relativ zum Kopf des Körpers eines Patienten eingesetzt werden. Die Sonde 500 ist so angeordnet, dass der Kopf 394 abgetastet wird, wobei sich eine Anordnung 300 benachbart zur Sonde befindet. Mit den mindestens drei Sendern 502 kann die Lage der Ultraschallsonde relativ zur Anordnung ermittelt werden. Mit dem optischen Scanner 380 mit den Sendern 381 (3D) kann die Lage des Kopfs relativ zur Anordnung bestimmt werden. Der Rechner 396 überträgt die Lage der Ultraschallsonde in ein Koordinatensystem, das der Lage des Kopfs entspricht.
Angesichts des Vorstehenden ist ersichtlich, dass die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erreicht und weitere vorteilhafte Ergebnisse erzielt sind.
Da an dem vorstehenden Aufbau verschiedene Änderungen vorgenommen werden könnten, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er beansprucht ist, sollen alle Merkmale, die in der vorstehenden Beschreibung enthalten oder in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind, veranschaulichend und nicht einschränkend ausgelegt werden.

Claims

Ein System zum Anzeigen einer Stelle innerhalb eines Körpers eines Patienten, wobei das System aufweist: Mittel (320, 324) zum Erzeugen von Bildern des Körpers, wobei die Bilder Referenzbilder aufweisen, entsprechend einer Referenzmenge von Datenpunkten; und eine chirurgische Sonde (302), die eine Spitze (301, 541) aufweist, die eine Lage hat; Referenzmittel (300), die eine Lage außerhalb des Körpers haben, zum Bereitstellen einer Referenz; erste Mittel (360) zum Bestimmen der Lage der Spitze der chirurgischen Sonde relativ zu den Referenzmitteln; zweite Mittel (306) zum Bestimmen der Lage der Referenzmenge von Datenpunkten relativ zu den Referenzmitteln, sodass die Lage der Spitze relativ zur Referenzmenge von Datenpunkten eine bekannte Lage ist; Mittel (314) zum Übertragen der bekannten Lage der chirurgischen Sonde zum Bereitstellen einer übertragenen Lage innerhalb eines Koordinatensystems, entsprechend den Bildern des Körpers; und Mittel (326) zum Anzeigen eines Bilds des Körpers zum Bereitstellen eines angezeigten Bilds, das der übertragenen Lage des Spitze der chirurgischen Sonde entspricht; wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass: das System ferner einen optischen Scanner (380) aufweist, wobei die Referenzmenge von Datenpunkten durch den optischen Scanner erzeugt wird, wobei die Datenpunkte, die in einem Speicher gespeichert sind, einen Umriss eines Körperteils definieren, wie mittels des Scanners ermittelt, und eine Lage in einem festen Verhältnis zum Körper darstellen.
Ein System nach Anspruch 1, wobei die Referenzmenge von Datenpunkten eine Punktmenge aufweist, die einen Umriss der Stirn (394) des Patienten definiert.
Ein System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Mittel (326) zum Anzeigen eines Bilds des Körpers eine Mehrzahl von angezeigten Bildern bereitstellt, die der übertragenen Lage der Spitze der chirurgischen Sonde entsprechen.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Anzeigemittel (326) Mittel zum Anzeigen eines Bilds aufweist, das die Spitze (301) der Sonde auf dem angezeigten Bild des Körpers darstellt.
Ein System nach Anspruch 4, wobei das zweite Mittel aufweist: eine Basis (306), die angepasst ist, am Körper in einer Lage angebracht zu werden, die zur Referenzmenge von Datenpunkten in einem festen Verhältnis steht; und Mittel (396, 380) zum Messen der Lage der Basis in Bezug auf die Referenzmittel.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Referenzmittel eine Sensoranordnung (300) aufweist und wobei die Sonde (302) eine Bajonettzange (360) mit Emittern aufweist, die nach der Spitze der Zange ausgerichtet sind und unterhalb einer Sichtlinie eines Chirurgen liegen, wenn die Zange eingesetzt wird; und wobei die Emitter mit den Sensoren der Anordnung in Verbindung stehen, zum Anzeigen einer Lage der Sonde relativ zur Anordnung.
Ein System nach Anspruch 6, das ferner zusätzliche Emitter (370) an der Basis aufweist, die dazu dienen, mit den Sensoren der Anordnung in Verbindung stehen, zum Anzeigen der Lage der Basis relativ zur Anordnung.
Ein System nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, das ferner ein Mittel (312) zur dreidimensionalen Digitalisierung zum Digitalisieren von Signalen aufweist, erzeugt mittels der Sensoren in Reaktion auf Signale der Emitter.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Übertragungsmittel einen Rechner (314) aufweist, der zwischen den zweiten Bestimmungsmitteln und den Anzeigemitteln angeschlossen ist, und ein Übertragungssoftwareprogramm (318) zum Steuern des Betriebs des Rechners, sodass Koordinaten, die die zweiten Bestimmungsmittel dem Rechner liefern, in entsprechende Koordinaten umgewandelt werden, die den Anzeigemitteln übermittelt werden.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Anzeigemittel ein bildgebendes System aufweist.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das ferner Mittel (304) zum Kompensieren von Temperaturänderungen aufweist, die den Betrieb der ersten und zweiten Bestimmungsmittel beeinflussen.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Anzeigemittel Mittel zum Anzeigen eines Positionsanzeigers aufweist, der die Spitze der Sonde an dem angezeigten Bild des Körpers darstellt.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Referenzmenge von Datenpunkten eine Referenzebene definiert und wobei das Koordinatensystem (X0, Y0, Z0) der Bilder eine X-Y-Ebene aufweist, die parallel zur Referenzebene liegt.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Referenzmittel eine Sensoranordnung (300) aufweist und wobei die Sonde (302) eine Bajonettzange mit einer Sichtlinie durch die Zange und mit den zwei Emittern (360) aufweist, die an der Zange angebracht sind, die nach der Spitze der Zange ausgerichtet sind und unterhalb der Sichtlinie durch die Zange liegen, wobei die Emitter dazu dienen, mit den Sensoren der Anordnung in Verbindung zu stehen, zum Anzeigen der Lage der Sonde relativ zur Anordnung.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Mittel zum Erzeugen von Bildern des Körpers mindestens zwei von CAT-, PET-, MRI- und MEG-Scannern aufweist.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Referenzmittel eine Sensoranordnung (300) aufweist und das erste Bestimmungsmittel mindestens drei Emitter (360) an der chirurgischen Sonde (302) und Mittel (308) zum Aktivieren der Emitter aufweist, zum Erzeugen eines Signal, das an die Anordnung übertragen wird.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Referenzmittel eine Sensoranordnung (300) aufweist und das zweite Bestimmungsmittel (306) Mittel aufweist, die am Körper angebracht sind, um ein Signal zu erzeugen, das die Anordnung empfängt, zum Anzeigen der Lage des Körpers relativ zur Anordnung.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das bilderzeugende Mittel ein erstes Scanmittel (320, 324) aufweist, das angepasst ist, vor einer Operation verwendet zu werden, und ein zweites Scanmittel (500), das angepasst ist, während der Operation verwendet zu werden.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Referenzmittel eine Sensoranordnung (300) aufweist und das zweite Bestimmungsmittel eine Basis (306) aufweist, die angepasst ist, am Körperteil in einer Lage angebracht zu werden, die zu der Referenzmenge von Datenpunkten in einem festen Verhältnis steht, und Mittel (396, 380) zum Messen der Lage der Basis in Bezug auf die Referenzmittel.
Ein System nach Anspruch 19, das ferner Emitter (370) an der Basis aufweist, die mit den Sensoren der Anordnung in Verbindung stehen, zum Anzeigen der Lage der Basis relativ zu der Anordnung.
Ein System nach Anspruch 1 bis 20, wobei die Referenzmenge von Datenpunkten, die in einem Speicher gespeichert sind, den Umriss des Körperteils definieren und die Lage in einem festen Verhältnis zum Körper darstellen, Datenpunkte von einem optischen Scanner und Rechenmitteln aufweisen.