DE3717871C3 - Verfahren und Vorrichtung zum reproduzierbaren optischen Darstellen eines chirururgischen Eingriffes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum reproduzierbaren optischen Darstellen eines mit einem chirurgischen Instrument durchzuführenden Eingriffes.

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.

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 bekanntgeworden, 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.

Aus der Zeitschrift IgaKu-no-Ayumi, Nr. 6, vom 10. Mai 1986 ist ein Neuronavigator bekannt, bei dem während einer Kraniotomieoperation die Operationsstellen aufeinanderfolgend vom Anfang bis zum Ende auf einem CT-Bild gezeigt werden.

Dieses System besteht aus einer Trägerarmkonstruktion und einem 16-bit-Microcomputer. Diese Trägerarmkonstruktion besteht aus 6 Gelenken, die einen Potentiometer zur Messung des Winkelgrades enthalten. Die Informationen über den Winkelgrad vom Potentiometer werden in den Rechner eingegeben. Aufgrund des Winkelgrads jedes Gelenks und der Länge des Arms erhält man den dreidimensionalen Koordinatenwert der Armspitze.

Zur CT-Aufnahme werden ein Tag vor der Operation Bleikugeln mit dem Durchmesser von 2 mm an 3 Stellen angelegt und zwar:

- an Radix nasi und
- an die beiden äußeren Ohrlöcher.

Man nimmt CT so auf, daß diese 3 Punkte auf der gleichen Schnittfläche erscheinen. Mit Hilfe eines Video-Inputgeräts gibt man dies in den Rechner ein und stellt dies dar. In dem Operationssaal hält man den Kopfteil des Patentien wie üblich mit Hilfe der Mayfield-Cranium-Halterung. Danach hält man den Arm mit Hilfe einer speziellen Halterungsvorrichtung. Um die Positionsdifferenz zwischen dem Kopfteil des Patienten und der Stellung des CT-Bilds zu korrigieren, tastet man die 3 Punkte des Patienten, nämlich der Radix nasi und die beiden äußeren Ohrenlöcher mit der Armspitze ab und gibt die Stellung ein. Wenn man die Stellen der 3 Punkte, die denen auf dem CT-Bild entsprechen, mit Hilfe des Koordinateninputgeräts eingibt, dann wird der Zusammenhang zwischen diesen beiden automatisch berechnet. Danach wird mit Hilfe dieser Beziehung die Stelle der Armspitze auf die CT-Slice projiziert, und dies wird durch ein Kreuzzeichen aufeinanderfolgend dargestellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die Schichtaufnahmen, die unabhängig zu einem Zeitpunkt vor dem chirurgischen Eingriff angefertigt wurden, zusammen mit dem Ablauf und/oder dem Ergebnis des Eingriffes auch zu einem späteren Zeitpunkt darstellt.

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach dem Anspruch 1 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.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach dem Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 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 Patienten 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 (5)

1. Vorrichtung zum reproduzierbaren optischen Darstellen der Lage eines Instrumentes bei einem chirurgischen Eingriff, wobei am Körperteil mindestens drei Meßpunkte markiert, befestigt oder festgelegt werden und vom Körperteil Schichtaufnahmen angefertigt und gespeichert werden, die, soweit sie die Meßpunkte umfassen, diese enthalten, mit einem Datenverarbeitungssystem, in dessen Speicher die Schichtaufnahmen eines Körperteils ablegbar und auf einem Ausgabegerät darstellbar sind, und das mit den Koordinaten der Meßpunkte in den Schichtaufnahmen und denjenigen, die durch das Ausmessen gewonnen wurden, eine Zuordnung zwischen den Schichtbilddaten und einer Abtasteinrichtung ermittelt, wobei auf dem Ausgabegerät ein oder mehrere reproduzierbare Bilder erzeugt werden, die die Schichtaufnahmen und eine Darstellung der Lage der Spitze oder des wirksamen Bereiches des Instrumentes umfassen, und mit einer Abtasteinrichtung zum digitalen Erfassen von Punkten im Raum, die die Meßpunkte ausmißt und diese Meßwerte dem Datenverarbeitungssystem zuführt, wobei diesselbe oder eine weitere Abtasteinrichtung die Stellung des Instrumentes im Raum zu einem oder mehreren Zeitpunkten ermittelt und die Meßwerte dem Datenverarbeitungssystem zuführt und dort speichert, wobei, wenn das Instrument ausgeräumte Bereiche des Körperteils nach Art einer Hüllkurve umfährt, das Ausgabegerät diese Änderung zusätzlich zu den ursprünglichen Schichtaufnahmen sichtbar macht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgabegerät stets nacheinander die Schichtaufnahmen während der Bewegung des Instrumentes im Körperteil darstellt, in denen sich der wirksame Bereich des Instrumentes jeweils befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgabegerät eine der der wirksamen Bereich des Instrumentes benachbarten Schichtaufnahmen auf dem Ausgabegerät dargestellt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Instrumente, die über eine Kupplung mit der Abtasteinrichtung verbunden werden, mit einem Kennzeichencode versehen sind, und daß der Kupplung ein mit dem Datenverarbeitungssystem verbun­ dener Codeabtaster zugeordnet ist, aus dessen Information die Lage des wirksamen Bereiches des Instrumentes berechnet und entsprechend auf dem Ausgabegerät angezeigt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Meßpunkte in zeitlichen Abständen durch die Abtasteinrichtung überprüfbar sind und die entsprechenden Daten in das Datenverarbeitungssystem eingebbar sind.