DE3717871C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum reproduzierbaren
optischen Darstellen eines mit einem chirurgischen Instrument
durchzuführenden Eingriffes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1,
wie es z. B. aus der DE-OS 32 05 085
bekannt ist, und sie umfaßt auch eine Vorrichtung
dafür.
Bei vielen Operationen an verdeckt liegenden Stellen, 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 Orientierung während des Eingriffes
festzustellen ist.
Wegen des erhöhten Schwierigkeitsgrades derartiger Operationen besteht
daher die Forderung sowohl bei einer Operation am lebenden menschlichen
oder tierischen Körper als auch bei einer im Rahmen der Ausbildung
oder Übung dienenden Operation am toten menschlichen oder tierischen
Körper dem Operateur fortlaufend Informationen über die Lage
des Operationsinstrumentes im jeweiligen Körperteil, insbesondere die
Kenntnis über den räumlichen Abstand zu verletzlichen Strukturen, wie
beispielsweise Blutgefäßen, Lympfgefäßen, Nerven etc. zu geben.
Sofern bei der Durchführung derartiger Operationen am lebenden
menschlichen oder tierischen Körper die aktuellen Informationen über
die jeweilige Lage des Operationsinstrumentes im Körper und dabei insbesondere
dessen Lage zu verletzlichen Strukturen festgehalten bzw.
gespeichert werden könnten und damit reproduzierbar wären, könnte die
Aufzeichnung des Operationsablaufes und damit die Dokumentation des
Operationsergebnisses sowohl als Lehrmaterial bei der Ausbildung als
auch für gutachterliche Zwecke verwendet werden.
Für die bei der Durchführung von Operationen erforderliche Orientierung
werden bislang herkömmliche Röntgenaufnahmen, Computertomographie-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 Operationsinstrumentes
visuell. Gelegentlich wird das Operationsgebiet
auch ausgemessen oder durchleuchtet. Letzteres ist mit allen Nachteilen
konventioneller Röntgentechnik und höherer Strahlenbelastung für
Patient und Operateur verbunden. Als weiterer schwerwiegender Nachteil
bleibt festzuhalten, daß bei einer intraoperativen Seitdurchleuchtung
bei der dadurch erhältlichen Abbildung die räumlichen Verhältnisse in
dem zu operierenden 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 Operationen 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 spezifischer V-förmiger Rahmen ist
auch aus der US-PS 45 83 538 bekannt geworden, der aber nicht auf dem
Gebiet der Neurochirurgie, sondern für entsprechende Operationen im
Brustkorbbereich ausgebildet und angepaßt ist.
Die stereotaktische Chirurgie ist ein Teilgebiet der Neurochirurgie
und betrifft eine Klasse von Operationen, bei welchen Sonden, wie beispielsweise
Kanülen, Nadeln, Klemmen oder Elektroden an Gehirnstellen
oder anderen verdeckten anatomischen 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 vorbestimmten 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 topographischen 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 Koordinatensystem
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 entnommen, eine lokale Läsion gesetzt oder Strahlungsmaterial
implantiert.
Derartige Methoden werden weiterentwickelt, um sie weitgehend
zu automatisieren oder um beispielsweise einen Laserkoagulator zu verwenden.
Nach einem aus CT-Aufnahmen gewonnenen Plan können punktförmige Läsionen
gesetzt werden. Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen bedürfen
weiterhin des Einsatzes eines am Kopf fest justierten Rahmens. 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 berührungsfreie, d.h. rahmenlose
Messung zur Erzielung einer rechnerunterstützten Lageinformation
eines Instrumentes bekannt. Bei diesem Verfahren wird über drei
akustische Signalgeber mittels Funkenstrecken und insgesamt vier Empfängern
die exakte Lage eines Operationsmikroskopes festgestellt.
Darüber können dann die vorher abgespeicherten Computertomographieaufnahmen
auf die Fokusebene des Operationsmikroskopes projiziert werden,
um eine entsprechende Hilfestellung während der Operation zu geben.
Aber auch bei diesem Verfahren handelt es sich grundsätzlich - 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 Hirnschädels und nicht jedoch im knöchernen Schädel eingesetzt
wird. Dies mag auch darin begründet liegen, daß die angegebene Genauigkeit
von über 2 mm unzureichend ist.
Bei allen bekannten Verfahren besteht keine Möglichkeit bzw. ist es
nicht beabsichtigt, den Ablauf und das Ergebnis des chirugischen Eingriffes
für Lehrzwecke oder für eine nachträgliche Überprüfung bildlich
zu dokumentieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, das Verfahren
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1
dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Schichtaufnahmen
unabhängig zu einem Zeitpunkt vor dem chirurgischen Eingriff angefertigt
und zusammen mit dem Ablauf und/oder dem Ergebnis des Eingriffes
auch zu einem späteren Zeitpunkt dargestellt werden können, und eine
Vorrichtung dafür anzugeben.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren
nach dem Anspruch 1 bzw. mit der Vorrichtung
nach dem Anspruch 7
gelöst.
Dadurch ist es möglich, ständig auf
einem Visualisierungssystem das Operationsgebiet und seine Umgebung in
Form von vom Operateur frei wählbaren Schnitten darzustellen, wobei
gleichzeitig fortlaufend die Position des Operations-Instrumentes in
die Darstellung des Operationsgebietes mit eingeblendet wird, wodurch
sogenannte Überlagerungsbilder entstehen.
Da die Position ständig aus den Koordinaten des Instrumentenhalters
bzw. der zugeordneten Koordinatenmeßvorrichtung berechnet wird, ist
dadurch ein erneutes Röntgen auch während der Operation überflüssig.
Die Röntgendosen werden auch dadurch gegenüber dem Stand der Technik
(intraoperative Seitdurchleuchtung) verringert. Es können aber auch
andere Schichtbild-Verfahren, wie beispielsweise die Kernspintomographie
angewandt werden.
Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw.
die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich des Gesichtsschädels (aber
nicht nur dort) einsetzen.
Die Dokumentation der reproduzierbaren Bilddarstellungen kann dadurch
erfolgen, daß die Bilddaten der Überlagerungsbilder in einem Datenspeicher
des Datenverarbeitungssystems abgelegt werden, aus dem sie
für Lehrzwecke oder zur nachträglichen Überprüfung des Operationsablaufes
und/oder des Operationsergebnisses jederzeit wieder abrufbar
und erneut auf dem Ausgabegerät darstellbar sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach dem
Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in der Zeichnung
dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
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 einem damit verbundenem chirurgischem Instru
ment;
Fig. 4 einen Computer mit Graphikbildschirm;
Fig. 5 eine 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
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 entsprechenden 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 (7)
1. Verfahren zum reproduzierbaren optischen Darstellen der Lage eines
Instrumentes bei einem chirurgischen Eingriff, das unter
Verwendung von in einem Speicher eines Datenverarbeitungssystems
abgelegten und auf einem Ausgabegerät darstellbaren
Schichtaufnahmen eines Körperteiles erfolgt, dadurch
gekennzeichnet,
- a) daß am Körperteil mindestens drei Meßpunkte markiert, befestigt, oder festgelegt werden,
- b) daß vom Körperteil die Schichtaufnahmen angefertigt und gespeichert werden, die, soweit sie den Bereich der Meßpunkte umfassen, diese enthalten,
- c) daß danach oder später mit einer Abtasteinrichtung zum digitalen Erfassen der Lage von Punkten im Raum die Meßpunkte ausgemessen und diese Meßwerte dem Datenverarbeitungssystem zugeführt werden,
- d) daß mit den Koordinaten der Meßpunkte in den Schichtaufnahmen und denjenigen, die durch das Ausmessen gewonnen wurden, eine Zuordnung zwischen den Schichtbilddaten und der Abtasteinrichtung erfolgt,
- e) daß die Stellung des Instrumentes im Raum zu einem oder mehreren Zeitpunkten durch dieselbe oder eine weitere Abtasteinrichtung ermittelt wird und diese Meßwerte dem Datenverarbeitungssystem zugeführt werden,
- f) daß das Datenverarbeitungssystem auf dem Ausgabegerät ein oder mehrere reproduzierbare Bilder erzeugt, die die Schichtaufnahmen und eine Darstellung der Lage der Spitze oder des wirksamen Bereiches des Instrumentes entsprechend dem Abtastvorgang nach Merkmal e umfassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des
Bewegens des Instrumentes im Körperteil auf dem Ausgabegerät stets
nacheinander die Schichtaufnahmen dargestellt werden, in denen
sich der wirksame Bereich des Instrumentes jeweils befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der
dem wirksamen Bereich des Instrumentes benachbarten
Schichtaufnahmen auf dem Ausgabegerät dargestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß Instrumente verwendet werden, die über eine
Kupplung mit der Abtasteinrichtung verbunden werden und mit einem
Kennzeichencode versehen sind, und daß der Kupplung ein mit dem
Datenverarbeitungssystem verbundener Codeabtaster zugeordnet ist,
aus dessen Information die Lage des wirksamen Bereiches des
Instrumentes berechnet und entsprechend auf dem Ausgabegerät
angezeigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ausgeräumte Bereiche des Körperteiles mittels
des Instrumentes nach Art einer Hüllkurve umfahren werden, und daß
diese Änderung zusätzlich zu den ursprünglichen Schichtaufnahmen
auf dem Ausgabegerät sichtbar wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lage der Meßpunkte in zeitlichen Abständen
über die Abtasteinrichtung überprüft wird, die entsprechenden
Daten in das Datenverarbeitungssystem eingegeben werden und die
Zuordnung nach Merkmal d aktualisiert wird.
7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1,
umfassend eine Führungsvorrichtung für das Instrument, dadurch
gekennzeichnet, daß die Führungsvorrichtung als eine
dreidimensional arbeitende Koordinatenmeßvorrichtung (1)
ausgebildet ist, die sowohl zum Ausmessen der Meßpunkte (11) als
auch zum Ermitteln der Stellung des Instrumentes (5) im Raum
dient.
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