DE3717871A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen darstellung eines chirurgischen eingriffes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Darstellung eines chirurgischen Eingriffes nach dem Oberbegriffes des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 10.

Bei vielen Operationen, insbesondere im Kopfbereich, können Probleme bezüglich der Orientierung während der Operation aufgrund der individuellen Anatomievarianten auftreten. Es gibt zahlreiche Eingriffe, bei denen ein erhöhtes Risiko allein wegen des Problemes einer umfassenden exakten Orien­ tierung während des Eingriffes festzustellen sind.

Die fortlaufende Information über die Lage von Operations­ instrumenten im jeweiligen Körperteil, insbesondere die Kennt­ nis über den räumlichen Abstand zu verletzlichen Strukturen, wie beispielsweise Blutgefäßen, Lymphgefäßen, Nerven etc. erhöht die Sicherheit beim Operieren.

Um sich bei Operationen im menschlichen Körper orientieren zu können, werden bislang herkömmliche Röntgenauf­ nahmen, Computertomograhpie-Aufnahmen und/oder in Ausnahmefällen auch intraoperative Durchleuchtungen ver- bzw. angewandt.

In den Röntgenaufnahmen werden primär knöcherne Strukturen dargestellt. Es ist daher üblich, sich die höher verdichtete Information von Computertomogrammen zur Operationsplanung zunutze zu machen. Die Umsetzung des Röntgenbefundes in operatives Vorgehen geschieht durch den Operateur. Dieser überprüft intraoperativ die exakte Lage des Operationsinstru­ mentes visuell. Gelegentlich wird das Operationsgebiet auch ausgemessen oder durchleuchtet. Letzeres ist mit allen Nach­ teilen konventioneller Röntgentechnik und höherer Strahlen­ belastung für Patient und Operateur verbunden. Als weiterer schwerwiegender Nachteil bleibt festzuhalten, daß bei einer intraoperativen Seitdurchleuchtung bei der dadurch erhält­ lichen Abbildung die räumlichen Verhältnisse in dem zu ope­ rierenden Körperbereich nur überlagert dargestellt werden können. Es bedarf einer äußerst umfangreichen Erfahrung, um daraus zumindest annähernd exakte Rückschlüsse auf die tatsächlichen räumlichen Gegebenheiten anzustellen.

Eine fortlaufende sichere Information über die Lage des Operationsinstrumentes in Bezug zum Krankheitsherd ist aber damit jedoch nicht möglich.

Alternativ zu den konventionellen Methoden besteht heute die Möglichkeit auf rechnerunterstützte Lageinformationen zurückzugreifen.

Im Bereich der Neurochirurgie werden stereotaktische Ope­ rationen mit Hilfe eines Lokalisationsrahmens und eines Instrumentenhalters ausgeführt.

Entsprechende Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE- OS 32 05 085, der US-PS 44 65 069, der EP-A-02 07 452, der EP-A-00 18 166 und der DE-OS 32 05 915 bekannt. Ein spezi­ fischer V-förmigen Rahmen ist auch aus der US-PS 45 83 538 bekannt geworden, der aber nicht auf dem Gebiet der Neuro­ chirurgie, sondern für entsprechende Operationen im Brust­ korbbereich ausgebildet und angepaßt ist.

Die stereotaktische Chirurgie ist ein Teilgebiet der Neurochi­ rurgie und betrifft eine Klasse von Operationen, bei welchen Sonden, wie beispielsweise Kanülen, Nadel, Klemmen oder Elektroden an Gehirnstellen oder anderen verdeckten anato­ mischen Zielen angebracht werden sollen, die von außen her nicht sichtbar sind. Der stereotaktische Rahmen dient dabei als eine Art "Führungsvorrichtung", die in der Human- Neurochirurgie verwandt wird, um ein Instrument zu einem speziellen Punkt innerhalb des Gehirnes durch eine kleine Öffnung in die Schädeldecke mit Hilfe radiographischer oder anderer Sichtbarmachung von Bezugspunkten zu führen. Dabei soll die Hinführung des Instrumentes an einen exakten vor­ bestimmten Punkt so genau als möglich erfolgen. Wenn man also den Rahmen oder die Vorrichtung an der Schädeldecke anbringt, dann kann man die Sonde zu einem gegebenen topo­ graphischen Punkt innerhalb des Schädels vorwärts bewegen. Der exakte Punkt wird dann aus der ermittelten Distanz und der Richtung zwischen dem wahrgenommenen Bezugspunkt und dem gewünschten Ziel in Bezug auf das Koordinaten­ system der stereotaktischen Vorrichtung errechnet. Durch lineares Vorschieben des Instrumentes, welches über dem im Rahmen gehaltenen Instrumentenhalter exakt ausgerichtet ist, wird dann an dem gewünschten Punkt eine Probe ent­ nommen, eine lokale Läsion gesetzt oder Strahlungsmate­ rial implantiert.

Derartige Methoden werden weiterentwickelt, um sie weit­ gehend zu automatisieren oder um beispielsweise einen La­ serkoagulator zu verwenden. Nach einem aus CT-Aufnahmen gewonnenen Plan können punktförmige Läsionen gesetzt wer­ den. Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen bedürfen weiterhin des Einsatzes eines am Kopf fest justierten Rah­ mens. Dabei muß ferner bedacht werden, daß ein exakter Sitz des Rahmens nur dadurch erzielbar ist, daß zumindest drei Schrauben bis in den Schädelknochen fest eingedreht werden.

Aus der Zeitschriften-Veröffentlichung "Neurosurgery, Volume 65, October 1986, Seite 445 ff." ist auch eine berührungs­ freie, d.h. rahmenlose Messung zur Erzielung einer rech­ nerunterstützten Lageinformation eines Instrumentes bekannt. Bei diesem Verfahren wird über drei akustische Signalgeber mittels Funkenstrecken und insgesamt vier Empfängern die exakte Lage eines Operationsmikroskopes festgestellt. Da­ rüber können dann die vorher abgespeicherten Computertomo­ graphiaufnahmen auf die Fokusebene des Operationsmikrosko­ pes projiziert werden, um eine entsprechende Hilfestellung während der Operation zu geben.

Aber auch bei diesem Verfahren handelt es sich grundsätz­ lich - wie in der Vorveröffentlichung auch erwähnt wird - um ein stereotaktisches Chirurgiesystem, das nur punktuell arbeitet, bei dem der Arbeitspunkt linear angefahren wird, und daß zudem im wesentlichen nur im Bereich des Hirn­ schädels und nicht jedoch im knöchernen Schädel eingesetzt wird. Dies mag auch darin begründet liegen, daß die an­ gegebene Genauigkeit von über 2 mm unzureichend ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die erstmals eine Darstellung der vorher gewonnenen Schichtaufnahmen zu­ sammen mit fortlaufender Darstellung der Lage eines frei­ händig geführten Operationsinstrumentes in einem dreidimen­ sionalen Modell des Körperteiles auf dem Bildschirm erlaubt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens entsprechen den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und bezüglich der Vorrichtung entsprechend den im kennzeich­ nenden Teil des Anspruches 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Durch die vorliegende Erfindung werden gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile erzielt. Erstmals ist es mög­ lich, ständig auf einem Visualisierungssystem das Operations­ gebiet und seine Umgebung dreidimensional oder in Form vom Operateur frei wählbaren Schnitten darzustellen, wobei gleich­ zeitig fortlaufend die Position des Operations-Instrumentes in die Darstellung des Operationsgebietes miteingeblendet wird.

Da die Position ständig aus den Koordinaten des Instrumenten­ halters bzw. der zugeordneten Koordinatenmeßvorrichtung be­ rechnet wird, ist dadurch ein erneutes Röntgen auch während der Operation überflüssig. Die Röntgendosen werden auch da­ durch gegenüber dem Stand der Technik (intraoperative Seit­ durchleuchtung) verringert. Es können aber auch andere Schicht­ bild-Verfahren, wie beispielsweise die Kernspintomographie angewandt werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfah­ ren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich des Gesichtsschädels (aber nicht nur dort) einsetzen.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus dem anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Aufnahme einer Computertomographie;

Fig. 2 die anhand der Computertomographie hergestell­ ten Schichtbildaufnahmen;

Fig. 3 eine Koordinatenmeßvorrichtung in Form eines Galgens mit verbundenem chirurgischem Instru­ ment;

Fig. 4 einen Computer mit Graphikbildschirm;

Fig. 5 eine erfindungsgemäß aufgearbeitete überla­ gernde Darstellung des chirurgischen Instrumen­ tes mit einem Schichtbild.

In Fig. 3 ist eine Koordinatenmeßvorrichtung 1 in Form eines Galgens 3 gezeigt. An dem Galgen 3 ist ein chirurgi­ sches Instrument 5 in allen drei Dimensionen beweglich an­ gebracht. Über mehrere einzelne bewegliche Gliederarme kann das chirurgische Instrument 5 in weiten Bereichen völlig un­ behindert angehoben, gesenkt, geneigt, winkelig verstellt und vorgeschoben werden. Jede der Bewegungen kann über geeig­ nete Meßinstrumente exakt und genau festgestellt und in einen Computer 7 gegeben und dort abgespeichert werden.

Der weitere Aufbau und die Funktionsweise der Vorrichtung sowie das zugehörige Verfahren wird nachfolgend anhand eines typischen Ablaufes näher erläutert.

Zunächst wird eine zu behandelnde Person (wie in Fig. 1 dargestellt) zur Aufnahme mehrerer Schichtbilder in ein ge­ eignetes Schichtbild-Aufnahmegerät geschoben. Beispielsweise können hier Computertomographie-Aufnahmen oder beispielsweise Kernspintomographien hergestellt werden.

In Fig. 2 sind schematisch die entsprechend gemäß Fig. 1 aufgenommenen Schichtbilder 8 dargestellt.

Vor der Aufnahme sind in dem interessierenden Bereich einer zu operierenden Person zumindest drei Meßpunkte markiert, befestigt, ausgemessen oder festgelegt. Diese Meßpunkte sind in Fig. 1 mit Bezugszeichen 11 versehen. Dort sind zwei Meßpunkte dargestellt. Zwei liegen im Bereich der Ohren, wäh­ rend der dritte beispielsweise durch den unten auslaufenden Spalt zwischen den beiden oberen Schneidezähnen gebildet sein kann.

Sofern aufgrund der tatsächlichen Verhältnisse nicht bestimm­ te Meßpunkte festgelegt werden können, so können auch bei­ spielsweise kleine Keramikteilchen an vorbestimmten Stellen als Meßpunkt eingesetzt und angebracht werden. Keramikteil­ chen eignen sich insbesondere, weil diese bei den entsprechen­ den Aufnahmen keine Reflektion hervorrufen.

Die erwähnten Meßpunkte 11 sind also auf den in Fig. 2 wiedergegebenen Schichtbildern an der betreffenden Stelle bzw. Lage abgebildet und von den Daten her mitumfaßt.

Ansonsten werden die gesamten, eine räumliche Struktur wie­ dergebende Schichtbilddaten in dem Computer 7 in einem ent­ sprechenden Speicher abgespeichert.

Zur Vorbereitung einer durchzuführenden Operation wird der Patient auf einem Operationstisch liegend gehalten und ju­ stiert. Vor Durchführung der Operation wird zunächst über die erwähnte Koordinatenmeßvorrichtung 1 die Lage der drei am Patienten angebrachten und befestigten bzw. festgelegten Meßpunkte 11 festgestellt und mit der Lage der Meßpunkte 11 im Speicher im Computer 7 überprüft. Durch entsprechende Berechnung können die am Operationstisch in ihrer Lage fest­ gestellten Meßpunkte 11 so in Übereinstimmung mit den abge­ speicherten Daten der Meßpunkte 11 gebracht werden, daß nunmehr eine exakte Zuordnung der abgespeicherten Schicht­ bilddaten mit der konkreten räumlichen Lage des Patienten und v. a. des chirurgischen Instrumentes vorgenommen werden kann.

Nachdem über die Koordinatenmeßvorrichtung die drei Meß­ punkte 11 beispielsweise über ein gehaltenes chirurgisches Instrument 5 angefahren und dadurch letztlich die exakte, räumliche Zuordnung zwischen chirurgischem Instrument und Patient in Übereinstimmung mit den gespeicherten Schichtauf­ nahmen hergestellt worden sind, kann mit der Operation begonnen werden. In diesem Falle wirkt die Koordinatenmeß­ vorrichtung 1 gleichzeitig als Trag- und Führungseinrichtung für das chirurgische Instrument 5. Größe und wirksamer Be­ reich bzw. Spitze des chirurgischen Instrumentes sind bereits vorher ebenfalls in den Computer eingespeichert, so daß nun­ mehr bei einer Bewegung und einem entsprechenden Eingriff die Spitze bzw. der wirksame Bereich des chirurgischen In­ strumentes 5 über die Koordinatenmeßvorrichtung 1 bei jeder auch noch so kleinen Bewegung oder/und Winkelbewegung er­ faßt und mittels des Computers 7 festgestellt werden kann. Diese erfaßte Bewegung des chirurgischen Instrumentes 5 wird dann über den Computer auf dessen Ausgabegerät 13, bei­ spielsweise einen Bildschirm, gemeinsam mit der jeweils aktuel­ len Schichtbildaufnahme abgebildet.

Dabei kann die Koordination derart erfolgen, daß bei jedem weiteren Verschieben, Eindringen oder Verdrehen des chirur­ gischen Instrumentes automatisch auf dem Ausgabegerät neben dem chirurgischen Instrument, d.h. dessen wirksamen Bereich bzw. Spitze nacheinander jeweils die Schichtaufnahme auto­ matisch dargestellt wird, in der sich der wirksame Bereich des Instrumentes jeweils befindet. Dadurch wird für einen Operateur die maximale Information darüber vermittelt, an welchem exakten Bereich er sich während der Operation befin­ det.

Die Hilfe über die geschilderte Vorrichtung kann noch dadurch erhöht werden, daß beispielsweise je nach Bedarf eine der jeweils weiter tiefer liegenden nächsten Schichten vorab auf dem Bildschirm dargestellt werden kann, um schon vorher zu überlegen, in welcher Richtung nachfolgend das chirurgische Instrument weiter fortbewegt werden soll. Auch hierdurch wird die Sicherheit gegenüber herkömmlichen Ver­ fahren und Vorrichtungen drastisch verbessert.

Die geschilderte Koordinatenmeßvorrichtung 1 dient also im vorliegenden Fall nicht nur zur Positionserfassung des Ope­ rations-Instrumentenhalters bzw. des Instrumentes selbst, son­ dern auch zur Erfassung der drei Meßpunkte 11. Dies bietet den weiteren Vorteil, daß auch während der Operation jeder­ zeit überprüft werden kann, ob die exakte Lage des Patienten beibehalten worden ist. Dazu müssen lediglich über ein In­ strument die drei Meßpunkte 11 auch während der Operation abgefahren und die entsprechende Lagedaten unter Berührung des Instrumentes jeweils in den Computer eingegeben werden. Sollte eine leichte Lageveränderung des Computers festgestellt worden sein, so kann diese Lageveränderung sofort rechnerisch er­ faßt und das auf dem Ausgabegerät 13 dargestellte Bild korri­ giert werden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das chirurgische Instru­ ment 5 der Koordinatenmeßvorrichtung 1 am Galgen 3 lösbar angebracht bzw. mit diesem verbunden. Möglich ist aber ge­ nauso, daß das chirurgische Instrument kontaktlos über eine "Ortungsvorrichtung", also eine Koordinatenmeßvorrichtung stän­ dig überwacht wird und dadurch die exakten Lagekoordinaten der Spitze bzw. des wirksamen Bereiches des Instrumentes festgestellt und an den Computer weitergeleitet werden. Dies kann durch beispielsweise drei räumlich angeordnete Sonden und drei Detektoren erfolgen.

Ob dabei die Lagekoordinaten-Feststellung aufgrund eines aku­ stischen oder optischen oder elektromagnetischen Weges erfolgt (z. B. oberhalb oder unterhalb des Lichtwellenbereiches), hängt vom Einzelfall ab.

Werden mit dem chirurgischen Instrument während der Opera­ tion bestimmte Körperteile entfernt, so kann durch Abfahren der entfernten Teile in Form einer Hüllenkurve die so gewon­ nenen Daten auch während der Operation in den Computer eingespeichert und entsprechend diesen Daten die vor der Operation gewonnenen Schichtbilddaten entsprechend korrigiert werden. Damit lassen sich auf dem Ausgabegerät 13 die aktuel­ len, während der Operation geänderten Verhältnisse darstellen und reproduzieren.

Darüber hinaus kann die Koordinatenmeßvorrichtung 1, im gezeigten Ausführungsbeispiel der Instrumentenhalter mit Po­ sitionserfassung, mit einer Kupplung zum Einsetzen und Verbin­ den unterschiedlicher chirurgischer Instrumente versehen sein. In diesem Falle sollen die chirurgischen Instrumente mit einer bestimmten Indexkodierung versehen sein, die beim Einstecken in die Kupplung sofort die unterschiedlichen Instrumente sofort "erkennt" und dann die entsprechenden gespeicherten Daten dieses Instrumentes im Computer abruft. Über diese Indexer­ fassung lassen sich bereits vorher festgelegte Werte über die Größe und Länge des chirurgischen Instrumentes bzw. dessen wirksamen Bereich wieder abrufen, so daß bei jedem einge­ steckten chirurgischen Instrument bei einer entsprechenden Stellung des Instrumentenhalters im Computer sofort die Lage der Spitze bzw. des wirksamen Bereiches des Instrumentes festgelegt sind.

Durch die Koordinatenmeßvorrichtung 1 zur Erfassung der Meßpunkte und der Lage des chirurgischen Instrumentes 5 sowie den Computer 7, mittels dessen die voreingespeicherten Schichtbilddaten mit den aktuellen Lagedaten des chirurgischen Instrumentes auf einem Ausgabegerät 13 überlagerbar sind, wird somit jederzeit der exakte Ort eines chirurgischen In­ strumentes während eines Eingriffes angezeigt.

Claims (10)

1. Verfahren zur optischen Darstellung eines chirurgischen Eingriffes unter Verwendung von chirurgischen Instrumenten, wobei von dem jeweiligen Körperteil Schichtaufnahmen ange­ fertigt werden, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß am betreffenden Körperteil mindestens drei Meßpunkte markiert, befestigt, ausgemessen oder festgelegt werden,
• b) daß vom Körperteil Schichtaufnahmen angefertigt werden, die die Meßpunkte enthalten und die einem Computer ein­ gegeben werden,
• c) daß mit einer Abtasteinrichtung einer Vorrichtung (Koor­ dinatenmeßvorrichtung) zum digitalen Erfassen der Lage von Punkten im Raum die Meßpunkte ermittelt und dem Computer eingegeben werden,
• d) daß die Stellung des Instrumentes im Raum durch eine Ab­ tasteinrichtung (Koordinatenmeßvorrichtung) erkannt und dem Computer übermittelt wird,
• e) daß der Computer die Bildinhalte der Schichtaufnahmen mit den Informationen der Koordinatenmeßvorrichtung zur Deckung bringt, wobei die Meßpunkte beider sich über­ decken,
• f) daß der Computer auf einem Ausgabegerät, insbesondere einem Bildschirm, ein Bild erzeugt, das die Bildinhalte der Schichtaufnahmen und die Koordinatenmeßvorrichtung in der einander überdeckenden Fassung aufweist und das Bild ferner die Lage der Spitze oder des wirksamen Berei­ ches des chirurgischen Instrumentes anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum digitalen Erfassen der Lage der Meßpunkte und der Stel­ lung des chirurgischen Instrumentes im Raum eine gemein­ same Abtasteinrichtung (Koordinatenmeßvorrichtung) vorgesehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abtasteinrichtung (Koordinatenmeßvorrichtung) mit einem chirurgischen Instrument lösbar verbunden bzw. be­ festigt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Bewegens des chirurgischen Instrumentes im Körperteil auf dem Ausgabegerät stets nach­ einander die Schichtaufnahme dargestellt wird, in der sich der wirksame Bereich des Instrumentes jeweils befindet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise die oder eine der nächsten Schichtaufnahmen auf dem Ausgabegerät dargestellt werden bzw. darstellbar sind, die sich unter-, ober- bzw. außerhalb oder seitlich des wirksamen Bereiches des Instrumentes befinden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (Koordinatenmeß­ vorrichtung) zum Befestigen der Instrumente eine Kupplung enthält, die voneinander abweichende Kupplungshälften der Instrumente aufnehmen, und daß die Abweichungen eine In­ formation erzeugen, die anzeigt, welche Instrumentenart be­ festigt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Information an den Computer weitergegeben wird, der hieraus die Lage des wirksamen Bereiches des Instrumentes berechnet und entsprechend auf dem Ausgabegerät anzeigt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mit dem Instrument entfernbaren Be­ reiche des Körperteiles mittels des Instrumentes nach Art einer Hüllkurve umfahrbar sind, und daß die so gewonnenen Daten an den Computer weitergegeben werden, um diese Änderung zusätzlich zu bzw. nach entsprechender Änderung der ur­ sprünglich gespeicherten Daten der Schichtaufnahmen auf dem Ausgabegerät anzuzeigen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Markierungspunkte in zeit­ lichen Abständen über die Abtasteinrichtung (Koordinaten­ meßvorrichtung) überprüft und dazu die entsprechenden Da­ ten in den Computer eingegeben und auf dem Ausgabegerät die sich aufgrund einer möglichen Korrektur ergebenden tat­ sächlichen Schichtaufnahmen dargestellt werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.