DE69432834T2

DE69432834T2 - Anzeige der Lage einer chirurgischen Sonde

Info

Publication number: DE69432834T2
Application number: DE69432834T
Authority: DE
Inventors: D. Richard Bucholz
Original assignee: St Louis University
Current assignee: St Louis University
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1994-04-25
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2014-04-26
Also published as: US20020087075A1; EP0699050A1; CA2161430A1; EP0997109A2; DE69433588D1; DE9422172U1; DE69432834D1; US7072704B2; US6076008A; US5871445A; US6374135B1; EP0997109B1; DE69433588T2; US5891034A; EP0699050B1; US20060241400A1; EP0699050A4; EP0997109A3; WO1994024933A1; AU6818694A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die genaue Lokalisation einer Position war in der Neurochirurgie schon immer kritisch. Die Kenntnis der Anatomie des Gehirns und spezifischer Funktionen lokaler Bereiche des Gehirns sind für die Planung jedes neurochirurgischen Verfahrens entscheidend. Jüngste diagnostische Entwicklungen, wie etwa Computertomograhie (CT)-Scans, Kernspinntomographie (MRI)-Scanning, Positronenemissionstomograhie (PET)-Scanning und magnetoenzephotographisches (MEG)-Scanning haben die präoperative Diagnose und die chirurgische Planung stark vereinfacht. Die Präzision und Genauigkeit der Scantechnologie sind dem Neurochirurgen im Operationsraum jedoch nicht voll zugänglich geworden. Spezifische Strukturen und Positionen im Gehirn während eines chirurgischen Eingriffes in Zusammenhang mit präoperativen Scantechnologien zu bringen, war bisher mühselig, wenn nicht sogar unmöglich.
Bei der vor 100 Jahren entwickelten stereotaktischen Chirurgie wird eine Führungsvorrichtung verwendet, die den chirurgischen Eingriff durch spezifische Teile des Gehirns leitet, die durch präoperative radiographische Techniken lokalisiert wurden. Die stereotaktische Chirurgie ist vor dem Aufkommen moderner Scantechnologien nicht sehr oft eingesetzt worden, da es erforderlich war, Luft in das Gehirn zu injizieren, um die Ventrikel, Flüssigkeit enthaltende Kammern innerhalb des Gehirns, zu lokalisieren. Die Ventrikolographie führte häufig zu Komplikationen und die Genauigkeit der Lokalisation war marginal.
In WO-A-91/07726 wird ein computergestütztes System zur Betrachtung innerer anatomischer Regionen eines Patienten offenbart, das auf vorher aufgenommenen Bilddaten basiert. Die anatomischen Regionen werden in direkter Beziehung zu der sich bewegenden Sonde, die handgehalten sein kann, betrachtet. Die Position der Sonde relativ zu der des Patienten wird an einen Computer übertragen. Dann benutzt der Computer die vorher aufgenommenen Bilddaten, um die gewünschte Ansicht der Anatomie des Patienten in Bezug zu der Position oder derOrientierung der Sonde zu generieren. Ein Anwender ist in der Lage normalerweise unsichtbare anatomische Eigenheiten vor Beginn oder während des Verfahrens darzustellen. Der Abgleich zwischen den Positionen der Anatomie des Patienten und den Positionen in den gespeicherten Bilddaten wird durch eine Initialisierungsprozedur gewährleistet, die zwischen den Aufnahmevorgängen wiederholt oder verfeinert werden kann. Das System kann während diagnostischer, therapeutischer oder chirurgischer Eingriffe benutzt werden.
Das US-A-4791934 schlägt vor, diagnostische Planungsdaten, die sich aus einer Serie flacher Schnitte durch den Patienten zusammensetzen, mit Hilfe eines CTs oder eines anderen Viel-Schicht-Scanners zu generieren. Diese Daten werden in einen Bildspeicher abgelegt. Um den CT oder anderen Scanner für andere Patienten freizumachen, werden die Planungsdaten und der Patient an einen zweiten Ort gebracht. An diesem zweiten Ort wird der Patient wieder in einem digitalen radiologischen Abbildungsgerät festgemacht, mit dem Daten erzeugt werden, die sich aus einem Durchleuchtungsbild (engl.: „shadowgraphic image") zusammensetzen. Die umgesetzten Planungsdaten werden in einem zweiten Bildspeicher am zweiten Ort abgelegt. Ein Durchleuchtungsbild-Generator (engl.: „shadowgraphic Image synthesizer") wird dazu benutzt, um den diagnostischen Planungsdaten im zweiten Bildspeicher entsprechende Durchleuchtungsbilder, die mit Bezug zu einer bestimmten Position im Raum mit einer bestimmten Richtung aufgenommen wurden, zu erzeugen. Die Referenz- und die künstlich erzeugten Durchleuchtungsbilder werden dann übereinander gebracht oder auf eine andere Art vergleichend auf einen Bildschirm dargestellt. Die Position im Raum und die Richtung aus der das künstlich hergestellte Bild dargestellt wird, werden so eingestellt, dass eine optimale Übereinstimmung zwischen den sich überlagernden Bildern erreicht wird. Auf diese Weise wird die aktuelle Position des Patienten und das diagnostische Datenmaterial im zweiten Bildspeicher zur Eintragung gebracht. Mit Hilfe von Bildern, die Schnitte durch den Patienten darstellen und aus Daten im Bildspeicher erzeugt wurden, kann der Arzt den Eintrittspunkt und den Pfad durch den Patienten, den das chirurgische Instrument nehmen soll, planen. Eine Führung für das chirurgische Instrument wird so positioniert, dass das chirurgische Instrument an den Koordinaten des gewählten Eintrittspunktes in den Patienten eintritt und dem gewählten Pfad folgt.
WO-A-92/06645 offenbart ein System zur Bestimmung der Position einer Sonde in Bezug zu einemObjekt, wie etwa dem Kopf oder des Körpers eines Patienten. Der Kopf umfasst eine Fläche, wie etwa die Stirn, mit einer Kontur. Der Kopf wird in einem Gestell, das mit einem Bogen ausgestattet ist, platziert. Die Querschnittsbilder des Kopfes werden relativ zum Bogen festgelegt. Eine handgehaltene Einheit vermisst optisch die Stirn und den Bogen. Um solche Querschnittsbilder zu erzeugen, wird während des Messens der optische Scanner dazu benutzt, die Position der Stirn relativ zum Gestell zu bestimmen. Während der Operation bestimmt der optische Scanner ebenfalls die Position der Stirn relativ zum Basisring. Eine Anordnung zum Empfang der Strahlung, die von der Sonde und dem Basisring ausgestrahlt wird, generiert Signale, die die Position der Spitze der Sonde relativ zum Basisring anzeigen. Ein stereotaktisches Bildsystem wählt das Bild des Kopfes, das der gemessenen Position der Spitze der Sonde am nächsten kommt aus, und stellt es dar.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System anzugeben, das die Position einer Sonde in einem Objekt bestimmt und ein der bestimmten Position entsprechendes Bild ausgeben kann. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das die Position einer Ultraschallsonde in Bezug auf ein Objekt angeben kann und desweiteren Scanbilder ausgeben kann, die durch andere Scantechnologien erzeugt wurden und den durch die Ultraschallsonde erzeugten Bildern entsprechen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das mit einer Technik erzeugte Abtastbilder eines Objektes mit Abtastbildern desselben Objektes, die mittels einer anderen Technik erzeugt worden sind, in Zusammenhang bringen kann.
Die Erfindung umfaßt ein System zur Angabe einer Position innerhalb des Körpers eines Patienten. Das System umfasst einen Laser-Tiefenmesser zur Bestimmung der Position einer Referenzkontur, wie etwa der Kontur der Stirn des Patienten, mit einer fixierten Position in Bezug zum Körper. Ferner umfasst es Einrichtungen zur Erzeugung von Bildern des Körpers, die Referenzbilder entsprechend der Referenzkontur einschließen. Das System schließt auch außerhalb des Körpers liegende Referenzeinrichtungen und eine eine Spitze mit einer Position aufweisende Sonde ein. Erste Einrichtungen bestimmen die Position der Spitze der Sonde in Bezug auf die Referenzeinrichtung. Zweite Einrichtungen messen die Position des Laser-Tiefenmessers in Bezug auf die Referenzeinrichtung und die Position der Referenzkontur relativ zu den Referenzeinrichtungen, so daß die Position der Spitze in Bezug auf die Referenzkontur des Körpers bekannt ist. Weitere Einrichtungen übertragen die bestimmte Position der Spitze der Sonde in ein den Bildern des Objektes entsprechendes Koordinatensystem. Einrichtungen geben ein Bild des Objektes aus, das der übertragenen Position der Spitze der Sonde entspricht.
Kurzbeschreibung der Abbildungen
1A ist eine perspektivische Darstellung eines Referenzringes gemäß dem Stand der Technik, der mittels Stangen am Kopf eines Patienten befestigt wird, um die zylindrische Rahmenstruktur nach 1B oder den Ring 306 aus 3B zu tragen.
1B ist eine perspektivische Darstellung einer zylindrischen Rahmenstruktur gemäß dem Stand der Technik, die während des Abtastvorgangs um den Kopf eines Patienten herum befestigt wird.
1C ist eine planare Ansicht der Stangen der zylindrischen Rahmenstruktur nach 1B gemäß dem Stand der Technik, entlang einem planaren Zwischenraum zwischen den oberen und unteren Ringen.
1D ist eine perspektivische Darstellung des Koordinatensystems eines dreidimensionalen gescanten Bildes.
2A ist eine perspektivische Ansicht des Abgreifrahmens gemäß dem Stand der Technik, der verwendet wird, um eine Position im Gehirn anzuzielen und eine Position im Kopf in Bezug auf die Phantombasis zu bestimmen.
2B ist eine perspektivische Ansicht des Abgreifrahmens gemäß dem Stand der Technik nach 2A, die dessen Einstellwinkel veranschaulicht.
2C ist ein Blockdiagramm der Schritte gemäß einem vorbekannten Verfahren zur Bestimmung der Position einer Sonde in Bezug auf die gescanten Bilder, so daß das der Sondenposition entsprechende Bild identifiziert und durch den Chirurgen angesehen werden kann.
2D ist eine perspektivische Darstellung eines drei-dimensionalen Koordinatensystems einer Sonde.
3A ist ein Blockdiagramm eines vergleichbaren Systems zur Angabe der Position einer chirurgischen Sonde innerhalb eines Kopfes auf einer Abbildung des Kopfes.
3B ist ein schematisches perspektivisches Diagramm einer Mikrophonanordnung, einer Sonde und eines Basisrings gemäß einem vergleichbaren System.
3C ist ein Blockdiagramm der Schritte eines Verfahrens zur Bestimmung der Position einer chirurgischen Sonde in Bezug auf die gescanten Bilder, so daß das der Sondenposition entsprechende Bild identifiziert und durch den Chirurgen angesehen werden kann.
3D ist eine Darstellung, die drei Referenzpunkte auf einem Kopf zeigt, die als Referenzrahmen während des präoperativen Scannens und des chirurgischen Eingriffes verwendet werden.
4A ist ein perspektivisches schematisches Diagramm einer Infrarot-Detektoranordnung, einer Sonde, eines Referenzbalkens, einer Klammer und eines optischen Scanners gemäß einem vergleichbaren System.
4B ist ein Blockdiagramm eines mit der Vorrichtung nach 4A zu verwendenden Systems zur Bestimmung der Kontur einer Stirn.
5 ist ein Flußdiagramm der Translations-Software zur Übertragung der Koordinaten aus dem Sonden-Koordinatensystem in das Koordinatensystem des abgetasteten Bildes gemäß der Erfindung.
6A ist eine perspektivische schematische Darstellung einer Detektoranordnung, des Referenzbalkens, der Klammer und der Ultraschallsonde gemäß einem vergleichbaren System.
6B und 6B zeigen Ultraschall- bzw. gescante Bilder.
7 illustriert die Ausrichtung des Basisrings mit einer Abtastebene, um die Position einer Sonde mit einem gescanten Bild in Bezug bringen zu können oder um die gescanten Bilder verschiedener Abtasttechnologien miteinander in Bezug setzen zu können, die einer gemeinsamen Position im Kopf entsprechen, gemäß einem erfindungsgemäßen System.
8 veranschaulicht die Verwendung eines ferngesteuerten Tiefensuchers zur Bestimmung der Kontur einer Stirn.
9 bis 11 veranschaulichen Vorrichtungen einschließlich einer Kappe und Isolierscheiben zum Halten strahlenundurchlässiger Markierungen während des Abtastens.
Gleiche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen gleiche Bauteile an.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Mit dem Aufkommen moderner Abtastvorrichtungen und -techniken sind verschiedene stereotaktische Systeme entwickelt worden und sind gegenwärtig verfügbar. Diese stereotaktischen Systeme erlauben es einem Chirurgen, spezifische Punkte zu lokalisieren, die in vor dem durchzuführenden chirurgischen Eingriff erzeugten CT-, MRI-, PET- oder MEG-Scans ermittelt wurden. Insbesondere erlauben die stereotaktischen Systeme die Auswahl spezifischer, in den Scanns ermittelter Punkte, die durch den Chirurgen während des chirurgischen Eingriffes unter Verwendung einer mechanischen Vorrichtung im Gehirn zu lokalisieren sind.
Für ihre Anwendung erfordern die vorbekannten stereotaktischen Systeme oftmals eine Basis, wie etwa einen Ring 120 in 1A (auch bekannt als BRW-Kopfring). Der Ring 120 ist mittels der Stangen 122 und der spitzen Bolzen 124 während des Scannens und des chirurgischen Eingriffes fest am Schädel des Patienten befestigt.
Während des Scannens wird eine Fixiervorrichtung, wie etwa die zylindrische Struktur 100 in 1B, am Ring 120 befestigt. Die Struktur 100 umfaßt einen oberen kreisförmigen Ring 102, der parallel zu einem unteren kreisförmigen Ring 104 angeordnet ist. Der untere Ring 104 ist am Referenzring 120 befestigt, so daß sich die drei Ringe 102, 104 und 120 in parallelen Ebenen befinden. Die Ringe 102 und 104 sind mittels sechs vertikalen Stangen 103 und drei diagonalen Stangen 108 miteinander verbunden. Diese besonderen Markierstangen werden auch als "Fudicels" bezeichnet. Die drei diagonalen Stangen 108 verbinden die Ringe 102 und 104 diagonal miteinander. Jede zu einer Achse 110 der Struktur 100 orthogonale, die Struktur 100 passierende Ebene wird ein eindeutiges Muster aus sechs Querschnittsansichten der Stangen 106 und drei Querschnittsansichten der Stangen 108 erzeugen. Der resultierende Zwischenraum zwischen den diagonalen und senkrechten Stangen definiert eine einzigartige orthogonale Ebene innerhalb der Struktur 100. 1C zeigt beispielhaft die Abstände der Stangen, wenn die Position der Scannebene 112 parallel zu und mittig zwischen den Ringen 102 und 104 der Struktur 100 liegt.
Nach dem Abtastvorgang werden die erhaltenen Bilder analysiert und die in den Bildern gezeigte Position der Stangen 106 und 108 gemessen. Durch Kenntnis der Position der Stangen 106 und 108 kann die spezifische Lage eines Scans bezüglich der Struktur 100 und damit bezüglich dem Basisring 120 bestimmt werden. Wie in 1D gezeigt, können die Scans innerhalb eines Koordinatensystems 125 eines gescannten Bildes angeordnet werden, wobei die Bezugsebene RP in festen Bezug zur Position des Rings 120 gesetzt wird. Eine Scanebene SP kann innerhalb des Koordinatensystems 125 eines gescannten Bildes durch mindestens drei Bezugspunkte SP1, SP2 und SP3, die auf dem Kopf des Patienten liegen, definiert werden. Indem ein gescanntes Bild mit einer Scanebene SP im Koordinatensystem eines gescanten Bildes in Verbindung gebracht wird, kann ein Punkt des Scans mit einem Punkt im Kopf des Patienten gleichgesetzt werden.
Während des chirurgischen Eingriffes kann der Chirurg das stereotaktische System verwenden, um entsprechend einem gescannten Bild eine spezifische Position innerhalb des Gehirns zu berechnen und dann diesen Bereich des Gehirns mit einer Sonde anzupeilen. Zuerst wird die während des Scannvorgangs verwendete Struktur 100 vom Ring 120 entfernt und ein speziell ausgestalteter Abgreifrahmen 200, wie in 2A dargestellt, am Ring 120 angebracht. Der Rahmen 200 trägt eine auf einem Bogen 206 angeordnete chirurgische Sonde 202, die in den Kopf des Patienten eingeführt wird. Der Rahmen 200 gibt die Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Winkel auf den Skalen 208, 210, 212 und 214 an, um die Sonde 202 zu einem bestimmten Ziel zu führen, wie in 2B gezeigt wird. Der Abstand 216 von der Spitze der Sonde 202 zum Bogen 206 wird ebenfalls bestimmt. Es wird dann ein Computer verwendet, um die Position des anvisierten Abtastbildes in dem Koordinatensystem des gescanten Bildes mit den entsprechenden Winkeln alpha, beta, gamma und delta und dem Abstand 216 auf dem Rahmen 200 zu korrelieren, um den Chirurgen in die Lage zu versetzen, die Sonde in dem anvisierten Gehirnbereich zu applizieren. Ein aus einem Scan eines bestimmten Bildes ausgewähltes Ziel kann mit dieser chirurgischen Methode mit einiger Genauigkeit angesteuert werden.
In der Vergangenheit hat der Chirurg das stereotaktische System auch umgekehrt dazu benutzt, die Position der Sonde 202 in Relation zu den gescannten Bildern zu bestimmen, so daß das gescannte Bild entsprechend der Sondenposition identifiziert und angesehen werden kann. Um dies zu tun, bringt der Chirurg wiederum den Rahmen 200 am Ring 120 an. Die Sonde 202 wird dann im Rahmen 200 positioniert und in das Gehirn eingeführt. Der Rahmen 200 wird dann von dem Ring 120 entfernt und auf einer Phantombasis 250 in einer in 2A veranschaulichten Weise befestigt. Die Phantombasis 250 weist ein Koordinatensystem (X₁, Y₁, Z₁) auf. Im allgemeinen kennzeichnet der Abgreifrahmen 200 einen Punkt 201 über der Phantombasis 250. Eine Zielvorrichtung 252 wird so positioniert, daß ihre Spitze 254 am Punkt 201 liegt. Die X₁–Y₂-Ebene der Phantombasis 250 ist parallel zu der Ebene, in der sich die Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3 befinden. Die (X₁, Y₁, Z₁)-Koordinaten definieren die Position des Punktes 201. Infolgedessen ist die Position des Punktes 254 bezüglich der X₁– Y₁-Ebene und damit in Bezug auf die Bezugsebene RP nun bekannt. Ein Computer wird verwendet, um die spezifische Position innerhalb des Gehirns zu berechnen, und der jeweilige Scan, der der berechneten Position entspricht, wird dadurch zugänglich und kann auf einem Scansystem angesehen werden. Dieses Verfahren gemäß dem Stand der Technik wird in Form eines Diagrammes in 2C dargestellt.
Nach diesem mühseligen und zeitaufwendigen Verfahren hat der Chirurg nun die Position der Spitze 201 der Sonde 202 in Bezug auf die gescannten Bilder bestimmt und kann sich nun das der Sondenposition entsprechende Bild ansehen, um über den nächsten Schritt des chirurgischen Verfahrens zu entscheiden. Dieser gesamte Prozess dauert ungefähr 10 bis 15 Minuten und erhöht das Risiko intraoperativer Kontaminationen, da die Basis des Rahmens 200 nicht steril ist. Aufgrund dieser Erwägungen wird dieses chirurgische Verfahren nicht häufig durchgeführt.
Obwohl die mit vorbekannten Apparaturen durchgeführte stereotaktische Chirurgie es ermöglicht, einen Chirurgen mit Genauigkeit zu einem spezifischen Punkt zu führen, ist sie für die Identifizierung der bestimmten Position einer Sonde innerhalb des Gehirns durch den Chirurgen zu jeder Zeit während des chirurgischen Eingriffes nicht besonders brauchbar. In der Neurochirurgie sind Hirntumore oder andere Zielpunkte innerhalb des Gehirns häufig nicht von dem umgebenden gesunden Gewebe unterscheidbar und werden möglicherweise, selbst bei der Verwendung von Gefrierschnitten, nicht detektiert. Darüber hinaus ist es für moderne mikrochirurgischen Techniken wesentlich, daß der Neurochirurg spezifische Strukturen innerhalb des Gehirns identifizieren kann, die für den Patienten von entscheidender funktioneller Bedeutung sind. Die Grenzbereiche dieser Strukturen müssen genau definiert werden und dem Chirurgen während des chirurgischen Eingriffes besonders bekannt sein. Dadurch werden diese Gewebe während des chirurgischen Eingriffes nicht beeinträchtigt oder auf eine andere Art beschädigt, was zu einer Verletzung des Patienten führen würde. Die durch stereotaktische Chirurgie erreichte minimale Genauigkeit ist für moderne mikrochirurgische Verfahren im allgemeinen unzureichend. Infolgedessen ist die stereotaktische Chirurgie im allgemeinen der Mehrheit zu operierender Patienten nicht zugänglich.
Erfindungsgemäß werden diese Probleme dadurch gelöst, daß der Chirurg in die Lage versetzt wird, das der gegenwärtigen Position einer Spitze 301 einer chirurgischen Sonde 302 entsprechende gescannte Bild schnell aufzufinden und auszugeben. Zur Anzeige der Position einer Sondenspitze 301 im ausgegebenen Scan erscheint ein Cursor in dem ausgegebenen Scan. Die 3A–3C und 5 veranschaulichen ein System, das Tonsender 360 und 370, Mikrophondetektoren 350 und damit verbundene Hardware zur Bestimmung der Position einer Sondenspitze 301 in Bezug zu einem Referenzring 306 auf dem Kopf des Patienten einschließt. Da die Position des gescannten Bildes in Bezug zum Referenzring 306 aus dem Scannvorgang bekannt ist, ist die Position der Sondenspitze 301 in Bezug auf die gescannten Bilder bekannt und das entsprechende Bild kann ausgegeben werden. 3A und 4A–7 veranschaulichen ein System, das anstelle der Tonsender 360, 370 und dem Mikrophondetektor 350 Infrarot-Sender 540 und 545 sowie Detektoren 550 zur Bestimmung der Position eines Referenzbalkens 548 und einer Sondenspitze 541 einschließt. Ein Computer 396 und ein Infrarot-Scanner 380 bringen die gescannten Bilder in Bezug zur Form der Stirn und diese in Bezug zur Position des Referenzbalkens 548. Der Referenzbalken 548 wird dann über die Stirnform mit den gescannten Bildern assoziiert, ohne daß während des Scannens der zylindrische Referenzrahmen 100 verwendet wird. Die Verwendung der Stirnform als Bezugspunkt ermöglicht es auch, die mittels verschiedener Scanverfahren erhaltenen gescannten Bilder miteinander in Verbindung zu bringen. Als eine Alternative zum oben beschriebenen Referenzring 306 und Referenzbalken 548 werden gemäß 3D zur Bestimmung der Position des Kopfes des Patienten während des chirurgischen Eingriffes am Schädel befestigte Referenzbolzen 307 verwendet. Als eine weitere Alternative wird gemäß 9–11 eine abnehmbare Kappe zum Halten von Markierungen während des Scannens verwendet. Die Positionen der Markierungen werden auf dem Kopf markiert, um sie später während des chirurgischen Eingriffes zur Eintragung des Operationsgebietes in den gescannten Bildern zu verwenden. Gemäß 6 ist eine Ultraschallsonde 500 für die Verwendung während des chirurgischen Eingriffes vorgesehen. Weitere Vorteile werden unten ausführlicher beschrieben.
Aus den 1D und 2D kann entnommen werden, daß der Chirurg die spezifische Lage der Spitze 301 in Bezug auf das Koordinatensystem des gescannten Bildes (X₀, Y₀, Z₀) der präoperativ durchgeführten Scans kennen muß, um die Position einer Sondenspitze, beispielsweise Sondenspitze 301, in Zusammenhang mit einem gescannten Bild zu bringen. Mit anderen Worten hat die Sondenspitze 301 ein besonderes Koordinatensystem (X₂, Y₂, Z₂), das in 2D veranschaulicht wird. Im Idealfall muß das Koordinatensystem der chirurgischen Sonde (X₂, Y₂, Z₂) in Beziehung zum Koordinatensystem des gescannten Bildes (X₀, Y₀, Z₀) gebracht werden. Gemäß dem in 2B veranschaulichten Stand der Technik wurde vorgeschlagen, diese Koordinatensysteme über das Koordinatensystem der Phantombasis (X₁, Y₁, Z₁) in Verbindung zu bringen. Wie jedoch oben ausgeführt, ist dieses Relationsverfahren ungenau, zeitintensiv und mühsam. Gemäß der Erfindung wird ein 3D-Digitalisiersystem verwendet, um die Position der Sondenspitze 301 innerhalb des Sonden-Koordinatensystems (X₂, Y₂, Z₂) zu lokalisieren und mit dem Koordinatensystem des gescannten Bildes (X₀, Y₀, Z₀) in Verbindung zu bringen.
3A und 3B zeigen eine Mikrophonanordnung 300, einen Temperaturausgleichssender 304, eine chirurgische Sonde 302 und einen Basisring 306. Die Mikrophonanordnung 300 umfaßt eine Vielzahl von Mikrophonen 350, die vorzugsweise einen Meter voneinander beabstandet sind. Die Mikrophone 350 können an der Operationslampe oberhalb des Kopfes des Patienten befestigt sein, in direkter Sichtlinie der Sender 360 und 370. Die Mikrophone 350 detektieren dabei die von den Sendern abgegebenen Geräusche. Die chirurgische Sonde 302 ist vorzugsweise eine chirurgische Koagulationspinzette (englisch: coagulating forceps), wie etwa eine bipolare Koagulationspinzette. Die Sonde 302 kann auch ein Bohrer, ein Saugrohr, eine Bajonett-Kauterisationsvorrichtung oder jedes andere chirurgische Instrument sein, das so modifiziert worden ist, daß es mindestens zwei Tonsender 360 zur Positionsbestimmung trägt. Die Sender 360 auf der Sonde 302 sind im wesentlichen koaxial mit der Spitze 301 auf einer Achse 362 angeordnet. Die Sender 360 befinden sich hintereinander und unmittelbar unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen, so daß die Sichtlinie nicht gestört wird. Die Sonde 302 weist ein an ihr angebrachtes Kabelbündel 364 auf, das an eine Stromquelle angeschlossen wird. Die für die Stromversorgung der Sender 360 erforderlichen Kabel werden mit dem Bündel 364 kombiniert. Dem Chirurgen ist der Umgang mit einer derartigen, an ein Kabelbündel angeschlossenen Sonde vertraut, so daß ihm diese Apparatur keinerlei Schwierigkeiten bereitet. Während des chirurgischen Eingriffes wird der Ring 306 an dem am Patientenkopf befestigten Referenzring 120 befestigt und ist mit diesem im wesentlichen koplanar. Der Ring 306 umfaßt eine Vielzahl von Sendern 370, die vorzugsweise in einem Winkel von 90 Grad positioniert werden, wobei der mittlere Sender am Vorderkopf liegt. Dadurch kann der Ring 306 um den Kopf herum angebracht werden, so daß sich alle drei Sender in Sichtlinie mit der Anordnung 300 befinden.
Während des Gebrauchs wird die Position jedes Senders 360 und 370 individuell bestimmt, um die Position der Vorrichtungen zu bestimmen, an denen die Sender befestigt sind. Dies wird erreicht, indem die Sender in einer vorbestimmten Reihenfolge einzeln schnell mit Strom versorgt werden, und die Zeit gemessen wird, die die einzelnen Geräusche benötigen, um jedes der Mikrophone 350 in der Anordnung 300 zu erreichen. Ein 3D-Digitalisierer 312 steuert diesen Vorgang mittels eines Signalgenerators 308 und eines Multiplexers 310. Der Digitalisierer 312 kann der handelsübliche drei-dimensionale Schalldigitalisierer GP-8-3D der Scientific Accessories Corporation sein. Unter Steuerung durch den Digitalisierer 312 legt der Multiplexer 310 ein Erregersignal vom Signalgenerator 308 zunächst an einen Temperaturausgleichssender 304, dann nacheinander an die Sender 370 auf dem Ring 306, dann nacheinander an die Sender 360 auf der Sonde 302 an. Während dieser Zeit empfängt und digitalisiert der Digitalisierer 312 die durch die Mikrophone 350 in Beantwortung der Erregung der Sender erzeugten Signale. Die digitalisierten Ausgangssignale werden an einen Computer 314 ausgegeben.
Entsprechend dem in 5 gezeigten und im folgenden ausführlich beschriebenen Flussdiagramm ist der Computer 314 mit dem vorbestimmten Muster und Zeitabläufen für die Erregung der Sender 360 und 370 programmiert. Der Computer 314 beinhaltet ein Raumerfassungs- und -registrierungs-(SAR)-Programm 316, das auf den digitalisierten Signalen basierende räumliche Koordinaten erfaßt und registriert. Das SAR-Programm 316 kann beispielsweise das SACDAC-Programm sein, das von PIXSYS, Boulder, Colorado lizensiert wird. Das SAR-Programm 316 mißt die Übertragungszeit von jedem der Sender zu jedem der Mikrophone 350. Durch Vergleich dieser Zeiten berechnet das SAR-Programm 316 die Position jedes der Sender 360 und 370. Da der Ring 306 drei Sender 370 umfaßt, kann das SAR-Programm 316 die Position des Rings 306 mittels üblicher geometrischer Berechnungen berechnen. Diese Ebene definiert im wesentlichen die Referenzebene der gescanten Bilder, da sie mit den Bezugspunkten RP1, RP2 und RP3 im Scan-Koordinatensystem gemäß 1D koplanar ist. Da die Sonde 302 zwei Sender 360 umfaßt, kann das SAR-Programm 316 in entsprechender Weise die Position der Sondenspitze 301 mittels üblicher geometrischer Berechnungen berechnen. Nachdem das SAR-Programm 316 die entsprechenden Positionen des Ringes 306 und der Sondenspitze 301 in Bezug zur Anordnung 300 bestimmt hat, bestimmt es als nächstes die Position des Ringes 306 in Bezug zur Spitze 301 innerhalb des Sonden-Koordinatensystems nach 2D.
Eine Überlegung bei der Verwendung von Tonsendern zur Positionsbestimmung ist, daß sich die Geschwindigkeit des gesendeten Tons mit Änderungen der Lufttemperatur im Operationssaal verändern wird. Mit anderen Worten wird sich, da das System äußerst präzise ist, der Zeitraum von dem Moment, zu dem ein bestimmter Sender 360 oder 370 angeregt wird, einen Ton zu senden, bis zu dem Moment, zu dem jedes der Mikrophone 350 der Anordnung 300 den Ton empfängt, in Abhängigkeit von der Lufttemperatur verändern. Um das System hinsichtlich dieser Änderungen zu kalibrieren, wird der Temperaturausgleichssender 304 in einer festen Position bezüglich der Anordnung 300 angeordnet. Der Temperaturausgleichssender 304 kann beispielsweise ein Schalldigitalisierer sein, wie er im Scientific Accessories Corporation Model GP-8-3D verwendet wird. Das SAR-Programm 316 kennt durch die Kalibrierung den Abstand zwischen dem Temperaturausgleichssender 304 und jedem der Mikrophone 350 der Anordnung 300. Die Geschwindigkeit des von dem Temperaturausgleichssender 304 zu den Mikrophonen 350 übertragenen Schalls wird durch das SAR-Programm gemessen und mit der bekannten Entfernung verglichen, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der der Schall durch die Luft übertragen wird. Somit kann das SAR-Programm 316 sofort den Referenzstandard berechnen, d. h. die Geschwindigkeit des gesendeten Tons durch die Luft. Diese unmittelbare Referenz wird auf den von den anderen Sendern 360 und 370 gesendeten Ton angewendet, um die Position der anderen Sender genau zu bestimmen.
Nachdem das SAR-Programm 316 die Position der Sondenspitze 301 im Sonden-Koordinatensystem gemäß 2D präzise bestimmt hat, gibt es die Koordinaten an die Translations-Software 318 im Computer 314 aus. Die Translations-Software 318 überträgt dann die Koordinaten aus dem Sonden-Koordinatensystem gemäß 2D in das Koordinatensystem des gescannten Bildes, das in 1D gezeigt wird, wie im folgenden noch ausführlicher beschrieben werden wird. Ein über ein LAN-Netzwerk 321 zugänglicher Speicher 320 speichert jedes der durch den präoperativen Scan erhaltenen Bilder nach den entsprechenden Positionen der Scans innerhalb des Koordinatensystems des gescannten Bildes gemäß 1D. Die entsprechenden Positionen der Scans sind durch die Positionen der Stangen 106 und 108 in den Scans bekannt, letztere Information ist im Speicher 320 gespeichert. Die übertragenen, durch die Translations-Software 318 erzeugten Koordinaten werden an die stereotaktische Bildausgabe-Software 322 weitergegeben, die ebenfalls im Computer 314 vorgesehen ist. Die stereotaktische Bildausgabe-Software 322 aktiviert ein stereotaktisches Bilderzeugungssystem 324, um ein gescanntes Bild aus den im Speicher 320 gespeicherten Daten entsprechend den übertragenen Koordinaten zu erzeugen. Das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 gibt das erzeugte Bild auf einem hochauflösenden Display 326 aus. Das Display 326 gibt vorzugsweise die axialen, saginalen und coronalen Ansichten entsprechend der Sondenspitze 301 aus. Die stereotaktische Bildausgabe-Software 322 und das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 kann jedes handelsübliche System sein, wie es etwa von Stereotactic Image Systems, Inc., Salt Lake City, Utah hergestellt wird. Dieser Arbeitsablauf des Kalibrierens des Systems durch den Temperaturausgleichssender 304, des sequentiellen Erregens der Sender 370 und 360 zur Bestimmung der entsprechenden Positionen des Rings 306 und der Sonde 302, und des Erzeugens und Ausgebens eines gescannten Bildes entsprechend der Position der Sondenspitze 301 erfolgt jedesmal, wenn der Chirurg einen Schalter zur Aktivierung des Systems schließt. Der Schalter (nicht gezeigt) kann auf der Sonde 302, in einem Bodenpedal (nicht gezeigt) oder wo immer sonst es für den Chirurgen wünschenswert ist, angeordnet sein.
Wie oben gezeigt, ist der Ring 306 eine Vorrichtung zur Bestimmung und Positionierung der Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3 in Bezug auf die Mikrophonanordnung 300. Ein Vorteil des Rings 306 ist der, daß jedesmal, wenn die Sender 360 auf der Sonde 302 erregt werden, die Sender 370 auf dem Ring 306 ebenfalls erregt werden, um die Referenzebene erneut zu definieren. Dies erlaubt es dem Chirurgen, den Kopf des Patienten während des chirurgischen Eingriffes zu bewegen.
Alternativ können die Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3, wie in 3D gezeigt, durch den 3D-Digitalisierer 312 und drei Referenzbolzen 307 gebildet werden. Die Referenzbolzen 307 sind strahlendurchlässige chirurgische Schrauben mit strahlenundurchlässigen Spitzen. Die Bolzen 307 werden vor dem chirurgischen Eingriff und vor Durchführung des präoperativen Scanens fest am Schädel des Patienten befestigt. Die strahlenundurchlässigen Spitzen stellen dabei während des Scannens und während des gesamten stereotaktischen chirurgischen Verfahrens eine feste Referenz dar. Während des chirurgischen Eingriffes wird die Sondenspitze 301 auf jedem der Bolzen 307 positioniert und aktiviert, um ein Signal zu senden, das von der Mikrophonanordnung 300 empfangen und zum 3D-Digitalisierer 312 ausgegeben wird. Dadurch kann die Position der Spitze 301 an jedem dieser Punkte bestimmt werden. Dies wird während eines Referenzmodus des Betriebes des 3D-Digitalisierers 312 durchgeführt. Am Ende des Referenzmodus berechnet das SAR-Programm 316 die Position der Bezugspunkte RP1, RP2 und RP3. Die Verwendung der Bolzen 307 erfordert es, daß die Referenzpunkte erneut gebildet werden, bevor die Position der Sonde 302 bestimmt wird, um Veränderungen der Bezugsebene aufgrund der Bewegung des Kopfes zu vermeiden. Eine weitere Variante sieht vor, daß die Sender 370 jeweils separat an den Bolzen 307 oder anderen festen Strukturen befestigt sind, die an jedem der Referenzpunkte positioniert sind.
Zusammenfassend identifiziert dieses erfindungsgemäße Verfahren, das in 3C veranschaulicht ist, die Lage der Sondenspitze 301 für den Chirurgen. Zunächst wird die Referenzebene bestimmt, indem der Ring 306 erregt oder die Sondenspitze 301 an den Bezugspunkten positioniert wird. Als nächstes werden die Sender der Sonde 302 erregt, so daß die Position der Sondenspitze 301 innerhalb des Kopfes im Sonden-Koordinatensystem (X₂, Y₂, Z₂) bestimmt wird. Die Translations-Software 318 konvertiert dann das Sonden-Koordinatensystem in das Koordinatensystem des gescannten Bildes (X₀, Y₀, Z₀), so daß das der Position der Sondenspitze 301 entsprechende Bild erzeugt und ausgegeben werden kann.
In einem anderen erfindungsgemäßen System, das in 4A gezeigt wird, werden Infrarot-Sender 540 und 545 und eine Anordnung 552 von Detektoren 550 anstatt der Tonsender 360 und 370 und der Mikrophone 350 gemäß 3B verwendet. Ein fester Referenzbalken 548, eine chirurgische Sonde 542 und damit verbundene Komponenten werden anstelle des Rings 306, der Sonde 302 und damit verbundener Komponenten gemäß 3B verwendet. Eine Mayfield-Klammer 570 üblichen Aufbaus wird anstelle des Rings 120 für die feste Befestigung an dem Patientenkopf 394 verwendet. Die Klammer 570 schließt spitze Bolzen 572 ein, die an einstellbaren Klemmbacken 574 und 576 befestigt sind. Die Klammer 570 wird dabei für eine feste Befestigung am Kopf 394 eingestellt. Der Referenzbalken 548 ist fest an der Klammer 570 befestigt, so daß keine Verschiebung zwischen dem Balken 548 und dem Kopf 394 auftritt. Ein Temperaturausgleichssender wie der Sender 304 in 3B wird gemäß 4A nicht benötigt, da bei der Vorrichtung gemäß 4A die von den Detektoren 550 "gesehenen" (wie im folgenden ausführlicher beschrieben werden wird) Positionen der Sender 540 und 545 verwendet werden, um die Sonden- und Ringpositionen zu bestimmen, anstatt der Übertragungszeit der gesendeten Signale gemäß der Ausführungsform nach 3B.
Im Betrieb werden die Infrarot-Detektoren 550 in festem Bezug zueinander an einem Montagebalken 551 befestigt. Die Detektoren 550 werden im allgemeinen so positioniert, daß ihre Gesichtsfelder in einem Phantompunkt konvergieren. Beispielsweise können die beiden äußeren Detektoren 550L und 550R einen Bereich zwei sich überschneidender vertikaler Ebenen und der mittlere Detektor 550C eine horizontale Ebene einsehen. Dies kann dadurch erreicht werden, indem vertikale Schlitze im Gesichtsfeld der äußeren Detektoren und ein horizontaler Schlitz im Gesichtsfeld des mittleren Detektors vorgesehen werden. Der Phantompunkt wird so gesetzt, daß er sich in der Nähe der Stirn 390 des Patienten befindet. Der Montagebalken 551 ist in direkter Sichtlinie mit der Stirn 390 des Patienten und den Sendern 540 und 545 an derOperationslampe aufgehängt. Die Detektoren 550 detektieren dabei das von den Sendern 540 und 545 gesendete Infrarotlicht. Die Detektoren 550 schließen eine große Anzahl an linearen Chip-Kameras, wie etwa CCD (charge coupled device)-Kameras oder Pixel ein. Es kann auch eine zylindrische Linse (nicht gezeigt) hinter den Schlitzen in den Detektoren 550 verwendet werden, um das Infrarotlicht parallel zu richten. Durch Kenntnis des bestimmten Pixels von den vielen in jedem der drei Detektoren 550 umfaßten Pixel, der das Infrarotlicht von den Sendern 540 und 545 empfängt, kann der Winkel zwischen einem bestimmten Sender und jedem der Detektoren 550 bestimmt werden und somit können die Positionen jedes Senders 540 und 545 unter Verwendung üblicher mathematischer Berechnungen bestimmt werden. Somit ist die Position der Sondenspitze 541 innerhalb des Koordinatensystems des gescannten Bildes bekannt.
Die Vorrichtungen gemäß 4A, 4B, 6A, 7 und 8 können mit dem Computer und anderer Hardware gemäß 3A unter Verwendung der in 5 gezeigten Software gesteuert werden. Abgesehen von der Verwendung von Infrarotlicht anstelle von Schall und der Messung der Position der Sender mittels der Geometrie anstatt durch die zeitliche Verzögerung des Schalls, entspricht der Betrieb dieser Hardware dem oben offenbarten Betrieb.
Die Verwendung von Infrarotlicht erlaubt die Kontur eines Teilbereiches des Kopfes des Patienten 394, vorzugsweise der Stirn 390 oberhalb und um die Augen des Patienten herum, zu verwenden, um die Position der Sonde 542 auf die gescannten Bilder zu beziehen. Dies wird mittels eines optischen Scanners 380 erreicht, der einen Infrarot-Laserstrahl erzeugt, der in zeitlicher Abfolge mit der Aktivierung der Sender 545 von der Stirn 390 des Patienten reflektiert wird, um die Stirnkontur in Bezug zum Referenzbalken 548 zu bestimmen. Ein derartiges optisches Scannen der Stirn ermöglicht es, ein präoperatives Scannen vor einem vorausgesehenen chirurgischen Eingriff und ohne Intubation durchzuführen.
Im einzelnen sind gemäß 4A und 4B eine Infrarot-Detektoranordnung 552, eine Sonde 542, ein Referenzbalken 548 und ein optischer Scanner 380 vorgesehen. Die chirurgische Sonde 542 ist vorzugsweise eine chirurgische Koagulationspinzette, wie etwa eine bipolare Koagulationspinzette. Die Sonde 542 kann auch ein Bohrer, ein Saugrohr, eine Bajonett-Kauterisationsvorrichtung oder jedes andere chirurgische Instrument sein, das so abgewandelt worden ist, daß es mindestens zwei Infrarot-Sender 540 zur Positionsbestimmung trägt. Die Sender 540 auf der Sonde 542 sind auf einer Achse 544 mit der Spitze 541 im wesentlichen koaxial. Die Sender 540 liegen hintereinander und unmittelbar unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen, so daß die Sichtlinie nicht behindert wird. Die Sonde 542 weist ein an ihr befestigtes Kabelbündel 364 für den Anschluß an eine elektrische Stromquelle auf. Die für die Erregung der Sender 540 erforderlichen Kabel werden mit dem Bündel 364 vereinigt. Der Balken 548 umfaßt einen Balken mit einer Vielzahl von mindestens drei darauf vorgesehenen Infrarot-Sendern 545. Während des chirurgischen Eingriffes könnte die Sichtlinie zwischen einigen der Sender 545 und der Anordnung 552 durch einen chirurgischen Schlauch oder andere Objekte beeinträchtigt werden. Dies könnte die Anordnung 552 vorübergehend daran hindern, die Position des Balkens 548 zu detektieren. Es ist daher vorteilhaft, mehr als drei Sender (beispielsweise sieben oder acht Sender) auf dem Balken 548 vorzusehen, so daß die Sichtlinie mindestens dreier Sender immer aufrechterhalten wird. Solche zusätzlichen Sender können auch verwendet werden, um die Position des Balken 548 noch präziser zu lokalisieren. Der die Sender 545 tragende Balken 548 wird darüber hinaus vorzugsweise leicht vom Kopf 394 entfernt positioniert, um einen größeren Spielraum um den Kopf 394 herum vorzusehen, und die Zahl der Augenblicke zu vermindern, in denen die Sichtlinie zwischen den Sendern 545 und der Anordnung 552 blockiert ist. Der optische Scanner 380 ist im allgemeinen vor der Stirn 390 des Patienten angeordnet. Der optische Scanner 380 und seine dazugehörige Software zur Erzeugung eines Bildes der Stirn sind handelsübliche Komponenten, wie etwa solche, die zum Scannen eines Objektes zur Bestimmung seiner dreidimensionalen Form verwendet werden. Beispielsweise kann ein Körperglied-Scanner wie etwa der PIXSYS Optical Scanner verwendet werden, der zur Entwicklung dreidimensionaler Modelle für künstliche Körperglieder verwendet wird.
Während des präoperativen Scannverfahrens, d. h, wenn gescannte Querschnittsbilder des Kopfes 394 des Patienten erzeugt werden, wird der Kopf 394 mit chirurgischen Riemen (nicht gezeigt) in einem gepolsterten Gestell 392 befestigt. Wenn die Kontur der Stirn 390 in den gescannten Bildern erscheint, verwendet der Computer 396 eine Stirnanpassungs-Software 398, um die Stirnkontur aus den gescannten Bildern abzuleiten und die gescannten Bilder als eine Funktion der Stirnkontur in Form einer Datenbank im Speicher 320 abzulegen. Wenn die gescannten Bilder die Stirn 390 nicht zeigen, wird der Kopf 394 (wie in 7 gezeigt) in festem Bezug zu einer Referenzquelle, wie etwa einem Ring 590 mit darauf befindlichen Sendern 590 festgeklammert. Der optische Scanner 380 wird dann verwendet, um die Position der Stirnkontur in Bezug zum Ring 590 (wie im folgenden ausführlicher beschrieben) zu bestimmen. Da die Position der gescannten Bilder in Bezug zum Ring 590 aus dem Scannvorgang bekannt ist, ist auch die Position der gescanten Bilder in Bezug zur Stirnkontur bekannt. Diese Information wird dann im Speicher 320 in Form einer Datenbank abgelegt und während des chirurgischen Eingriffs verwendet, um die Position der Sonde 542 in Bezug mit den gescannten Bildern zu bringen.
Das Scannen der Stirn mit dem optischen Scanner 380 wird in folgender Weise durchgeführt. Während des präoperativen Scannens wird der Kopf 394 fest mit dem in 7 gezeigten Ring 590 verbunden. Diese Verbindung kann mittels eines Basisrings (nicht gezeigt), wie etwa einem Ring 120 in 3B, erreicht werden. Unter der Steuerung des 3D-Digitalisierers 312 sendet der Scanner 380 einen Infrarot-Laserstrahl ab, der an einem einzelnen Punkt auf der Strin 390 reflektiert und durch die Anordnung 552 detektiert wird. Der Computer 396 bestimmt die räumliche Position dieses ersten Punktes auf der Stirn 390, etwa durch Triangulierung. Als nächstes werden die Sender 592 auf dem Ring 590 sequentiell erregt. Die Anordnung 552 detektiert diese Emissionen, und der Computer 396 bestimmt das Verhältnis zwischen der ersten detektierten Position auf der Stirn 390 und der Position des Ringes 590. Dieser Vorgang wird vielfach wiederholt, wobei der Scanner 380 einen Weg entlang der Stirn 390 zeichnet. Alle, die Position jedes Reflektionspunktes der Stirn 390 und die entsprechende Position des Rings 590 umfassenden Daten werden in die Stirnanpassungs-Software 398 des Computers 396 eingegeben. Der Computer 396 bestimmt dabei die Kontur der Stirn 390 und damit die Position der Stirnkontur in Bezug zum Ring 590. Die Stirnanpassungs-Software 398 kann jede handelsübliche Software sein, die eine Anzahl von Punkten graphisch darstellt, so daß eine die Kontur der Stirn definierende Kurve berechnet werden kann. Der Computer 396 gibt dann an die Translations-Software 318 des Computers 314 Daten aus, die die Position der Stirnkontur mit der Position des Rings 590 in Beziehung bringen. Während des Scannens ist die Position der gescannten Bilder in Bezug zum Ring 590 bekannt, so daß die Position der gescannten Bilder in Bezug zur Stirnkontur ebenfalls bekannt ist. Entsprechend werden die gescannten Bilder im Speicher 320 als eine Funktion der Stirnkontur gespeichert.
Vor dem chirurgischen Eingriff wird der Kopf 394 mit einer Vorrichtung, wie etwa der in 4A gezeigten Mayfield Klammer 570, festgeklammert, um den Kopf 394 in einer festen Position zu halten. Der Referenzbalken 548 wird fest an der Klammer 570 angebracht, wobei die Sender 545 sich in Sichtlinie mit der Anordnung 552 befinden. Der optische Scanner 380 scannt als nächstes die Stirn ab, um die Position der Stirnkontur bezüglich des Balkens 548 zu bestimmen. Die aus diesem zweiten optischen Scannen abgeleitete Stirnkontur wird der für die gescannten Bilder im Speicher 320 abgespeicherten Stirnkontur zugeordnet, so daß die gegenwärtige Position des Balkens 548 bezüglich den gescannten Bildern bekannt ist. Die Zuordnung der gespeicherten Stirnkontur zu der aus dem zweiten optischen Scanvorgang abgeleiteten Stirnkontur wird mittels des bekannten Pellazari-Chen-Algorithmus oder einem anderen geeigneten Oberflächen-Zuordnungs-Algorithmus erreicht. Der während des chirurgischen Eingriffes eingesetzte Balken 548 schließt Sender 545, die mit der Anordnung 552 kommunizieren, ein, um die Position des Balkens 548 einzurichten. Da die Position der Sonde 542 bezüglich des Balkens 548 bekannt ist (wegen der Kommunikation über die Sender 540 und 545 und die Anordnung 552) und da die Position des Balkens 548 bezüglich der gescannten Bilder bekannt ist, ist auch die Position der Sonde 542 in Bezug auf die gescanten Bilder bekannt. Dementsprechend wird ein gescanntes Bild entsprechend der Position der Spitze 541 der Sonde 542 erzeugt und ausgegeben.
Ein Vorteil der Verwendung entweder des optischen Scanners 380 oder der chirurgischen Bolzen 307 zur Bildung einer Referenz liegt darin, daß der Referenzring, wie etwa der Ring 120, nach dem präoperativen Scannen und vor dem chirurgischen Eingriff entfernt wird. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil der Patient nicht intubiert werden kann, während der Ring 120 am Schädel befestigt ist. Gemäß dem Stand der Technik, bei dem der Ring 120 während der Zeit zwischen dem präoperativen Scannen und dem chirurgischen Eingriff nicht entfernt werden kann, muß der Patient vor dem präoperativen Scannen intubiert (und daher betäubt) werden. Durch Verwendung der Kontur der Stirn 390 zur Definition des Bezugspunktes wird somit das präoperative Scannen durchgeführt, ohne daß eine Intubierung und die damit verbundene Anästhesie erforderlich sind. Dies ist insbesondere bei PET-, MEG- und jedem anderen funktionalen Scannen vorteilhaft, bei dem der Patient bei Bewußtsein sein muß, um ihm während des Scannens bestimmte Verhaltensweisen entlocken zu können. Es ist auch dort vorteilhaft, wo während eines Scannvorganges das medizinische Gerät für die Intubation und Anästhesierung das Scannen beeinträchtigen würden, wie etwa beim MRI-Scannen.
Zusammenfassend liegt der Patient bei der Durchführung von CT-Scans während des präoperativen Scannvorganges auf einem CT-Tisch, wobei der Kopf befestigt ist. Die Scans werden im Speicher 320 entsprechend der in den Scans erscheinenden Stirnkontur geordnet. Vor dem chirurgischen Eingriff wird der Kopf 394 des Patienten fest in einer Mayfield-Klammer oder einer ähnlichen Klammer gehalten, auf der der Referenzbalken 458 befestigt ist. Der optische Scanner 380 wird dann verwendet, um die Kontur der Stirn des Patienten im Bezug zum Balken 548 zu bestimmen. Da die Position der gescannten Bilder bezüglich der Kontur bereits bekannt ist, ist auch die Position des Balkens 548 in Bezug auf die gescannten Bilder bekannt. Während des chirurgischen Eingriffes positioniert der Chirurg die Sonde 542 in der gewünschten Position innerhalb des Kopfes 394. Die Sender 540 der Sonde 542 und die Sender 545 des Balkens 548 werden dann erregt, so daß die Position der Sondenspitze 541 relativ zum Balken 548 und damit relativ zu den gescannten Bildern bekannt ist. Dies wird mittels der Translations-Software 318 erreicht, die das Sonden-Koordinatensystem (X₂, Y₂, Z₂) in das Koordinatensystem des gescannten Bildes (X₀, Y₀, Z₀) konvertiert, so daß das der Position der Sondenspitze 541 entsprechende Bild erzeugt und ausgegeben werden kann.
Des weiteren zusammenfassend liegt der Patient bei Durchführung von MRI-, PET- oder MEG-Scannens auf einem MRI-, PET- oder MEG-Tisch, wobei der Kopf 394 fest mit dem Ring 590 verbunden ist. Der optische Scanner 380 scant dann die Stirn 390, um die Position der Stirnkontur relativ zum Ring 590 zu bestimmen. Dann wird das MRI-, PET- oder MEG-Scannen durchgeführt und die Scannbilder werden in bekanntem Bezug zu der Position des Ringes 590 und damit auch in bekanntem Bezug zur Stirnkontur erzeugt. Entsprechend der Stirnkontur werden die Scans im Speicher 320 abgelegt. Vor dem chirurgischen Eingriff wird der Kopf 394 fest in einer Mayfield-Klammer oder einer ähnlichen Klammer gehalten, an der der Referenzbalken 548 befestigt ist. Der optische Scanner 380 wird dann zur Bestimmung der Kontur der Stirn des Patienten relativ zum Balken 548 verwendet. Da die Position der gescannten Bilder in Bezug zur Stirnkontur bereits bekannt ist, ist die Position des Balkens 548 in Bezug zu den gescannten Bildern bekannt. Während des chirurgischen Eingriffes positioniert der Chirurg eine Sonde 542 in der gewünschten Position innerhalb des Kopfes 394. Die Sender 540 der Sonde 542 und die Sender 545 des Balkens 548 werden dann erregt, so daß die Position der Sondenspitze 541 relativ zum Balken 548 und damit relativ zu den gescannten Bildern bekannt ist. Dies wird mittels der Translations-Software 318 erreicht, die das Sonden-Koordinatensystem (X₂, Y₂, Z₂) in das Koordinatensystem des gescannten Bildes (Y₀, Y₀, Z₀) überträgt, so daß das der Position der Sondenspitze 541 entsprechende Bild erzeugt und ausgegeben werden kann.
5 zeigt ein Fließdiagramm des Ablaufes der Translations-Software 318, wenn sie mit der Vorrichtung gemäß 3B verwendet wird. Zunächst ortet der Chirurg die Sonde 542 in der zu bestimmenden Position. (Wenn der Ring 306 nicht zur Identifizierung der Lage der Referenzebene verwendet wird, besteht der anfängliche Schritt für den Chirurgen darin, den Referenzmodus des 3D-Digitalisierers 312 zu verwenden, um die Referenzebene durch die Anordnung der Sondenspitze 541 an verschiedenen Punkten in der Ebene zu kennzeichnen.) Das System initialisiert dann an einem Schritt 400, so daß die Translations-Software 318 am Schritt 402 ein Fenster-Menü eines Multitasking-Programms, wie etwa DESQ VIEW, vertrieben durch Quarterdeck Office System, Santa Monica, California, öffnet. Eine derartige Software ermöglicht die gleichzeitige Durchführung mehrerer Software-Programme. Wenn ein Programm aktiviert worden ist, läuft es im allgemeinen entweder im Vordergrund oder im Hintergrund, bis es deaktiviert wird.
Die Translations-Software 318 setzt die Initialisierung fort, indem das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 über die stereotaktische Bildausgabe-Software 322 selektiert und das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 im Vordergrund aktiviert wird, indem im Schritt 404 das stereotaktische Fenster geöffnet wird. Danach kehrt die Translations-Software 318 am Schritt 406 zum Fenster-Menü zurück, wobei die stereotaktische Bildausgabe-Software in den Hintergrund verschoben wird, und wählt bei Schritt 408 das Digitalisier-Fenster, um den Digitalisierer 312 im Vordergrund zu aktivieren. Der Computer 314 ist dann bereit, um durch den Fußschalter aktiviert zu werden.
Der Chirurg bedient dann ein Fußpedal oder einen anderen Schalter, der das System zur Durchführung einer Berechnung aktiviert. Die Betätigung des Fußschalters ist im wesentlichen der Anfang eines Startschrittes 410. Wenn die Schallüberträger 360 und 370 sowie die Mikrophone 350 gemäß 3B verwendet werden, initiiert der Digitalisierer 312 bei seiner Aktivierung eine Kalibrierung über den Temperaturausgleichssender 304, um die Geschwindigkeit der Schallwellen in der Luft zu bestimmen, erregt dann die Sender 370 des Ringes 306, um die Referenzebene festzulegen und erregt dann die Sender 360 der Sonde 302, um die Position der Sondenspitze 301 zu orten. Die durch die Mikrophonanordnung 300 detektierten Signale werden digitalisiert, so daß das SAR-Programm 316 die Koordinaten der Spitze 301 bestimmt. Bei Schritt 412 wählt die Translations-Software 318 die Koordinaten aus dem SAR-Programm 316.
Als nächstes wird bei Schritt 414 wiederum das Window-Menü geöffnet und das Fenster-Menu verschiebt die stereotaktische Bildausgabe-Software 322 bei Schritt 416 in den Vordergrund, um den Betrieb des stereotaktischen Bilderzeugungssystems 324 zu steuern. An diesem Punkt gibt die Translations-Software 318 einen F1-Befehl an die stereotaktische Bildausgabe-Software 322 aus, die wiederum das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 vorbereitet, Koordinaten anzunehmen. Bei Schritt 420 wird erneut das Fenster-Menü ausgewählt, so daß bei Schritt 422 der Computer 314 das Digitalisier-Fenster in den Vordergrund schiebt. Bei Schritt 424 wird auf das Digitalisier-Window-Menu zugegriffen und die Übertragung der Koordinaten wird ausgewählt. Bei Schritt 426 beginnt der Digitalisierer 312, die Koordinaten zu berechnen und bei Schritt 428 ist die Koordinatenberechnung beendet. Die Translations-Software 318 kehrt dann zum Digitalisier-Window-Menu bei Schritt 430 zurück, schiebt die stereotaktische Bilderzeugungssystem-Software 322 bei Schritt 432 in den Vordergrund, um sie für den Empfang der Koordinaten vorzubereiten und kehrt bei Schritt 434 wiederum zum Window-Hauptmenu zurück. Schließlich werden die Koordinaten in Formationen übertragen, einschließlich möglicherweise erforderlicher Manipulation, und bei Schritt 436 an die stereotaktische Bildausgabe-Software übertragen, die das stereotaktische Bildausgabesystem 324 aktiviert, ein bestimmtes Bild aus dem Speicher 320 zu erzeugen und es auf dem hochauflösenden Display 326 auszugeben. Die stereotaktische Bildausgabe-Software 322 weist das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 an, einen Cursor auf dem Display 326 an den Koordinaten auszugeben, die der Position der Sondenspitze 301 entsprechen. Danach befindet sich der Computer 314 in einem Standby-Modus, bis der Fußschalter des Chirurgen erneut betätigt wird, um die Translations-Software 318 beginnend mit dem Startschritt 410 erneut zu aktivieren.
Die bei Schritt 436 erfolgende Translation ist abhängig von der Position des Sonden-Koordinatensystems in Bezug zum Koordinatensystem des gescannten Bildes und den Maßeinheiten. Die Systeme sind vorzugsweise koaxial und die Maßeinheiten gleich, so daß eine algebraische Anpassung nicht erforderlich ist. Es ist jedoch auch in Betracht gezogen worden, daß die Koordinatensysteme nicht koaxial sind, so daß die Translation arithemtische und/oder trigonometrische Berechnungen erfordern würde. Auch die Sequenz, beispielsweise (X₂, Y₂, Z₂), in denen die Koordinaten durch den Digitalisierer 312 erzeugt werden, können verschieden von der Sequenz, beispielsweise (X₀, Y₀, Z₀) sein, in denen die stereotaktische Bilderzeugungs-Software 322 die Koordinaten empfängt. Daher ist es gegebenenfalls erforderlich, die Sequenz, in der die Koordinaten übertragen werden, umzuordnen.
Dem Fachmann ist klar, daß die oben beschriebene Programmierung des Computers auf vielen anderen Wegen erfolgen kann. Als ein Beispiel und abweichend von der Verwendung von Multitasking-Programmen und deren Fenster und Menus, könnte ein Personal Computer direkt programmiert werden, um die Koordinaten der Position der Sondenspitze 301 zu berechnen, um die zur Erzeugung des gescannten Bildes entsprechende Position der Spitze 301 aus dem im Speicher 320 abgelegten Daten zu verwenden.
Die von der Translations-Software 318 für das System gemäß 4A durchgeführten Schritte sind, mit folgenden Ausnahmen, mit denen vergleichbar, die oben für das System gemäß 3B beschrieben worden sind. Zunächst erfordert das System gemäß 4A keinen Kalibrationssender, wie etwa den Sender 304 in 3B, so daß der entsprechende Schritt in der Software für das System gemäß 4A übersprungen werden kann. Des weiteren werden Infrarot-Sender 540 und 545 anstelle der Tonsender 360 und 370 für die Bestimmung der Position der Sondenspitze 541 und des Balkens 548 verwendet. Wie oben werden die verschiedenen Positionen der Sender auf der Basis des Sichtfeldes der Detektoren 550 zu jedem der Sender 540 und 545 bestimmt. Der Winkel ist dadurch bekannt, daß das Pixel innerhalb jeder der Detektoren 550 bekannt ist, das das Infrarotlicht detektiert. Des weiteren schließt die Translations-Software 318 für das System gemäß 4A bei Verwendung eines optischen Scanners 380 zusätzliche Schritt für den Betrieb des optischen Scanners 380 mittels des Multiplexers 310 ein, um eine Reihe von Infrarot-Laserstrahlen entlang der Stirn 390 abzuscannen, die durch die Detektoren 550 detektiert werden. Diese Daten werden durch den Digitalisierer 312 empfangen und zum Computer 396 weitergeleitet, so daß die Stirnkontur mittels der Software 398 bestimmt werden kann. Die Stirnkontur identifizierende Daten werden dann an die Translations-Software 318 zurückübertragen und als Referenz verwendet.
6A veranschaulicht ein System, bei dem eine Ultraschallortungsvorrichtung verwendet wird. Das Ultraschallsystem schließt einen Mechanismus ein, wie beispielsweise eine Mayfield-Kopfklammer 570 zum Halten des Kopfes 394 in einer festen Position. Der Referenzbalken 548 ist wie oben fest mit der Klammer 570 verbunden, wobei sich die Sender 540 in Sichtlinie mit der Anordnung 552 befinden. Die Stirnkontur wird durch optisches Scannen unter Verwendung des optischen Scanners 380 und der Anordnung 552 der Detektoren 550 bestimmt, wie in 4A gezeigt und wie oben ausführlicher beschrieben. Das Ultraschallsystem schließt weiter eine Ultraschallsonde 500 ein, die im Operationssaal verwendet werden kann, um das Gehirn abzuscanen. Die Ultraschallsonde 500 schließt eine Vielzahl von mindestens drei nicht-kolinearen Sendern 502 ein, die über eine Leitung 504 durch den Multiplexer 310 erregt werden. Das von den Sendern 502 ausgegebene Signal wird von der Anordnung 552 empfangen, um die Position des Körpers der Ultraschallsonde 500 in Bezug zur Position der Stirn 390 zu bestimmen. Dies wird mittels der Translations-Software 318 erreicht, die den Digitalisierer 312 und den Multiplexer 310 so regelt, daß die Sender 502 in einer vorbestimmten Sequenz erregt werden, um die Position des Körpers der Sonde 500 zu bestimmen. Dies ist die gleiche Technik, die oben in den 3B und 4A zur Bestimmung der Position der Sonden 302 und 542 und der Ringe 306 und 548 angewendet wird. Die Ultraschallsonde 500 ist auch über eine Leitung 506 mit einem System 508 bekannten Aufbaus verbunden, das den Ultraschallscan auswertet und die ausgewerteten Informations an einen Monitor 510 weitergibt, der das Ultraschallbild ausgibt. Da die Anordnung 552 die Position des Körpers der Ultraschallsonde 500 über den Digitalisierer 312 an jedem Punkt bestimmen kann, ist die bestimmte Ebene des auf dem Monitor 510 ausgegebenen Bildes bekannt.
Ein Ultraschallbild ist in 6B beispielhaft wiedergegeben. Da die Ebene des Ultraschall-Scannbildes bekannt ist, kann der Chirurg dem stereotaktischen Bilderzeugungssystem 324 signalisieren, ein gescanntes Bild aus einer anderen Scanntechnik auf dem Display 326 zu erzeugen, das dem Ultraschallbild entspricht. 6C veranschaulicht ein derartiges entsprechendes Bild. Alternativ kann das System 508 über eine Datenverbindungsanlage 515 direkt mit dem stereotaktischen Bilderzeugungssystem 324 verbunden sein, um die Position der Scannebene des auf dem Monitor 510 gezeigten Bildes zu übertragen, so daß das stereotaktische Bilderzeugungssystem 324 automatisch das entsprechende gescannte Bild einer anderen Scanntechnik auf dem Display 326 erzeugen und ausgeben kann. Infolgedessen wird das Bild aus dem Ultraschallsystem, wie auf dem Monitor 510 dargestellt, auf einem Monitor gezeigt und kann mit einem entsprechenden Bild verglichen werden, das aus CT-, MRI-, PET-, MEG-Scanns oder mittels anderer präoperativer Scannverfahren erhalten worden ist. Der Querschnitt durch den durch das Ultraschallsystem erzeugten drei-dimensionalen Datensatz wird mittels eines Hochleistungs-Graphiksystems 508, wie es beispielsweise von Silicon Graphics hergestellt wird, bestimmt. Dies ermöglicht eine bessere Interpretation der Ultraschallscans, da die Anatomie aus MRI-, CT-, PET- oder MEG-Scans direkt entnommen werden kann. Darüber hinaus gestattet das Ultraschallsystem das Scannen im Operationssaal. Da das Gehirngewebe elastisch ist und die Position von verschiedenen Geweben sich von Zeit zu Zeit verändern kann, erlaubt die Verwendung eines Ultraschallsystems im Operationssaal eine genauere Lokalisierung verschiedener Gehirngewebe. Zur Veranschaulichung wird die Ultraschallsonde 500 in 6A als vom Kopf 394 beabstandet dargestellt. Üblicherweise wird die Ultraschallsonde 500 so positioniert, daß sie den Schädel während der Anwendung berührt. Die Sonde kann während des chirurgischen Eingriffes auch am Schädel befestigt werden, um die Position des Gehirns kontinuierlich zu überwachen.
7 zeigt ein System, mit dem Scannbilder aus verschiedenen Scanntechniken miteinander korreliert werden können. Ein Scanner 600 steht stellvertretend für jede der gegenwärtig verfügbaren Scann-Verfahren (z. B. CT, MRI, PET, MEG) und soll jede andere Scanntechnik, die noch entwickelt werden sollte, einschließen. Der Scanner 600 scannt den Kopf 394 in einer Ebene 602. Die Ebene 602 ist üblicherweise sichtbar durch eine Anordnung von Lichtstrahlen definiert. Wenn das jeweilige Scannverfahren die Position der Stirnkontur in den gescannten Bildern hervorbringt, wendet der Computer 396 die Stirnanpassungs-Software 398 an, um die Stirnkontur aus den gescannten Bildern abzuleiten. Der Computer 396 ordnet die gescannten Bilder als eine Funktion der Stirnkontur für die Speicherung im Speicher 320.
Wenn die jeweils angewandte Scanntechnologie die Position der Stirnkontur in den gescannten Bildern nicht hervorbringt, wird der Ring 590 fest am Kopf 394 befestigt. Der optische Scanner 380 wird vor dem Scannen verwendet, um die Position der Stirnkontur in Bezug zum Ring 590 zu bringen (wie in dem die 4A betreffenden Text beschrieben). Der Ring 590 liegt in einer Ebene 604. Während des Scannens werden die Ebenen 602 und 604 vorzugsweise parallel gehalten, indem zunächst der Ring 590 koplanar mit der durch die sichtbare Anordnung von Lichtstrahlen definierten Ebene 602 ausgerichtet wird. Es ist jedoch nicht erforderlich, zunächst den Ring 590 koplanar mit der Scannebene 602 auszurichten. Solange die räumliche Beziehung zwischen dem Ring 590 und der Ebene 602 bekannt ist und diese Beziehung während des Scannens aufrechterhalten wird, kann die Ausrichtung der Stirn in Bezug zur Scannebene berechnet werden. Da der Ring 590 in mindestens einem Scan erscheinen wird und da die Position eines Scans innerhalb einer Gruppe bezüglich zu den anderen Scans in der Gruppe bekannt ist, sind die betreffenden Positionen der Scans in Bezug auf den Ring 590 bekannt. Da die Position der Stirnkontur relativ zum Ring 590 durch das Scannen der Stirn mit dem Scanner 380 bestimmt wurde, ist die Position der Stirnkontur in Bezug auf die Scannbilder bekannt. Der Computer 396 verwendet nun die Stirnanpassungs-Software 398, um die Scannbilder als Funktion der Stirnkontur anzuordnen. Diese Information wird ein einer Datenbank im Speicher 320 abgelegt. Die Stirnkontur wird dann verwendet, um die Scannbilder gemäß eines Verfahrens, wie etwa PET, in Beziehung zu den mittels anderer Verfahren, wie etwa CT, MRI oder MEG, erzeugten Scannbildern zu bringen.
Wenn die Scannbilder aus verschiedenen Verfahren zugänglich sind, ist es innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung vorgesehen, eine entsprechende Zahl von Displays zu verwenden, um jedes der Scannbilder entsprechend der Position der Sonde 302 oder 542 auszugeben, oder eine geringere Anzahl an Displays zu verwenden, die jeweils mehrere Scannbilder zeigen. Ebenso ist es vorgesehen, daß ein gescanntes Bild aus einem Verfahren als Referenz beim Orten entsprechender Scannbilder aus anderen Verfahren verwendet werden kann. Wenngleich die vorliegende Beschreibung die Verwendung der Erfindung zum Scannen des Kopfes des Patienten beschreibt, ist es innerhalb des Umfanges der Erfindung vorgesehen, diese für das Scannen und die Analyse anderer Körperteile des Patienten zu verwenden.
8 zeigt eine Laser-Tiefensucher 620, der zum Scannen der Stirnkontur verwendet werden kann, wenn die Sichtlinie zwischen dem optischen Scanner 380 und der Anordnung 552 in 4A blockiert ist. 8 schließt eine Mayfield-Klammer 570 ein zum Halten des Kopfes 394 in fester Beziehung zu einem Referenzbalken 548 mit darauf befindlichen Sendern 545. Der Tiefensucher 620 kann jeder üblicherweise verfügbare Laser-Tiefensucher mit innerhalb der erforderlichen Toleranzen liegenden Genauigkeit sein. Mindestens drei Sender 622 sind an dem Tiefensucher 620 befestigt. Die Sender 622 werden über den Multiplexer 310 gesteuert, so daß der Computer 314 die Position des Tiefensuchers 620 zusätzlich zur Position der Balkens 548 bestimmen kann. Im Betrieb emittiert der Tiefensucher 620 einen Infrarot-Laserstrahl, der von der Stirn 390 reflektiert und von einem in dem Tiefensucher 620 vorgesehenen Detektor empfangen wird. Die Schalttechnik innerhalb des Tiefensuchers 620 berechnet den Abstand zwischen dem beleuchteten Punkt auf der Stirn 390 und einem Referenzpunkt auf dem Tiefensucher 620 und gibt ein der berechneten Distanz entsprechendes Signal über eine Leitung 624 an einen Computer 314 aus. Der Computer 314 aktiviert dann sequentiell die Sender 545 und 622 über den Multiplexer 310, um die Positionen des Balkens 548 und dem Tiefensucher 620 zu bestimmen. Am Ende dieses ersten Vorgangs kann demgemäß ein Punkt auf der Stirnkontur berechnet werden. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt, bis der Computer 314 eine ausreichende Zahl an Punkten erhalten hat, um die Stirnkontur zu vermessen.
9–11 zeigen ein alternatives System für die Registrierung von Scannbildern mit dem Operationsbereich. Gemäß 9 ist eine Kappe 700 vorgesehen, die wie angegossen über den Kopf 394 paßt. Die Kappe 700 wird mittels eines einstellbaren Riemens 702 befestigt. Beim Betrieb sollte keine Verschiebung zwischen der Kappe 700 und dem Kopf 394 auftreten. Eine Vielzahl von Ösen 704 ist in regelmäßigen Abständen in die Kappe 700 genäht. 10 zeigt eine solche Öse im Detail und 11 zeigt den Querschnitt durch 10 entlang der angegebenen Linie. Wie diesen Figuren entnommen werden kann, umschlingen die Ösen 704 den Stoff 706 der Kappe 700 und verstärken diesen dadurch. Ein mittig in jeder Öse 704 vorgesehenes Loch 707 ist in den Stoff 706 geschnitten und stellt Raum zum Tragen einer Markierung 708 zur Verfügung und gibt auch Zugang zur darunterliegenden haut 710 auf dem Kopf 394. Der Stoff 706 ist vorzugsweise elastisch. Das Loch 707 im Stoff 706 ist kleiner als die äußeren Abmessungen der Markierung 708, so daß der Stoff 706 leicht gedehnt wird, um die Markierung 708 zu halten. Beispielsweise kann das Loch 707 ein Schlitz innerhalb des Stoffes 706 sein.
Die Markierungen 708 weisen einen internen Behälter auf, der mit einer strahlenundurchlässigen Substanz gefüllt ist, die während des Scannens vom Scanner detektiert wird und auf den Scannbildern erscheint. Beispielsweise sind die Markierungen für CT-Scans mit Omnipak, die Markierungen für MRI-Scans mit Gadolinium und die Markierungen für PET-Scans mit einem radioaktiven Tracer gefüllt. Die Behälter in den Markierungen 708 haben bei den verschiedenen Scanntechnologien unterschiedliches Fassungsvermögen, da jede Scanntechnologie eine andere Auflösung hat. Die Markierungen 708 haben jedoch vorzugsweise einheitliche äußere Abmessungen, so daß die gleiche Kappe 700 mit jedem der verschiedenen Scanner-Typen und den entsprechenden Markierungen verwendet werden kann. Die Markierungen 708 können leicht in dem Stoff 706 angebracht und von diesem entfernt werden, um einen schnellen Zugang zur Markierung der darunterliegenden Haut 710 zu ermöglichen. Dies ist auch für Patienten hilfreich, die mehr als einem Scanvorgang und verschiedenen Scanntechnologien unterliegen. Wenn mehrere Scanntechnologien verwendet werden, können die Markierungen für die verschiedenen Technologien innerhalb der gleichen Ösen 704 am Stoff 706 befestigt werden, so daß die durch die verschiedenen Scanner erzeugten Bilder die Markierungen 708 alle an den gleichen Orten zeigen. Die Markierungen 708 bestehen vorzugsweise aus durchsichtigem Plastikmaterial, wie beispielsweise einer Polyethylenröhre, die mit einem Kontrastmittel gefüllt und an beiden Enden mit einem Epoxyharz 712 versiegelt ist. Die Markierungen 708 können entweder vorgefüllt und mit geeignetem Kontrastmittel versiegelt oder durch eine Nadelpunktion mit dem Kontrastmittel befüllbar sein.
Bei Schädeloperationen besteht die Kappe 700 vorzugsweise aus Gewebe, das zu 85% aus Dupont-Antron-Nylon^TM und zu 15% aus Lycra Spandex^TM besteht. Wenngleich eine Größe den meisten Patienten passen dürfte, kann die Kappe 700 hinsichtlich ihrer Größe und ihrer Form auf bestimmte Patienten angepaßt werden. 3/4-Inch (19,05 mm) Ösen 704 werden in üblichen Abständen in der gesamten Kappe festgenäht. Für chirurgische Eingriffe an anderen Körperteilen wird flexibles Material verwendet, das wie eine Bandage wie angegossen paßt. Wiederum werden alle ein oder zwei Inches (alle 2,54 oder 5,08 cm) Ösen 704 angenäht. Wie bei der Kappe 700 ist mittig in jeder Öse ein Loch in dem Stoff 706 zur Aufnahme der Markierungen 708.
Bei der Anwendung wird der Patient instruiert, sein/ihr Haar zu waschen und kein Haarspray, Spühlungen oder andere Materialien vor dem Scannen zu verwenden, um eine möglichst ölfreieOberfläche zu schaffen. Nachdem die Kappe 700 eng über den Kopf 394 gezogen worden und mit dem Kinnriemen 702 befestigt worden ist, wählt der Chirurg mindestens drei (vorzugsweise mehr) Ösen 704 aus, die zum Halten von Markierungen 708 verwendet werden sollen. Da die Genauigkeit der Dreipunkt-Registrierung mit einem größeren Abstand zwischen den Markierungen zunimmt, werden die Markierungen 708 vorzugsweise über die größte zur Verfügung stehende Fläche angeordnet, um eine niedrige Fehlergrenze zu gewährleisten. Falls ein chirurgischer Eingriff vorgesehen ist, kann das Operationsgebiet umgebendes Haar abgeschnitten oder dort belassen werden, wie es von dem Chirurgen erwünscht wird. Um das Gebiet herum, in dem Markierungen 708 nahe der Haut 710 positioniert werden, wird eine geringe Menge Haar abgeschnitten oder entfernt. Die Haut 710 wird durch die Löcher im Stoff 706 der Ösen 704, in denen eine Markierung 708 angebracht werden soll, mit Wäschetinte markiert. Die Markierungen 708 werden dann an dem Stoff befestigt. Während dieser Zeit achtet der Chirurg sorgfältig darauf, daß jede Markierung 708 unmittelbar und der Tintenmarkierung 716 auf der Haut 710 benachbart positioniert wird. Die Tintenmarkierung 716 ist vorzugsweise in der Mitte des Loches im Stoff 706 positioniert. Der Patient wird dann auf dem Scann-Tisch positioniert und der Kopf 394 wird gescannt. Nach dem Scannen werden die Markierungen 708 entfernt. Beim Entfernen der Markierungen achtet der Chirurg sorgfältig darauf, daß sich keine Markierung während des Scannens verschoben hat, indem er überprüft, daß jede Markierung noch immer direkt über und der entsprechenden Tintenmarkierung 716 benachbart angeordnet ist. Des weiteren sollten die Tintenmarkierungen in der Mitte der Löcher im Stoff 706 erscheinen. Wenn eine Markierung sich nicht mehr benachbart zur betreffenden Tintenmarkierung befindet und/oder wenn die Tintenmarkierung sich nicht in der Mitte des Loches befindet, deutet dies darauf hin, daß eine Verschiebung der Markierung während des Scannens aufgetreten ist. Demgemäß wird die betreffende Tintenmarkierung 716 und ihre entsprechende Markierung 708 während des nachfolgenden Registrierungsvorgangs nicht verwendet, indem die Scannbilder mit dem Operationsbereich registriert werden. Wenn sich so viele Markierungen von ihren Positionen verschoben haben, daß die Position von drei Markierungen nicht bestätigt werden kann, wird der Scan wiederholt.
Wenn das Scannen unmittelbar vor dem chirurgischen Eingriff erfolgt, benötigen die Wäschetintemarkierungen 716 keinen Schutz vor möglichem Verschmieren oder versehentlichem Entfernen. Dem Patienten wird eine Papierkappe gegeben, die während des chirurgischen Eingriffes zu tragen ist und er wird instruiert, die Tintenmarkierungen nicht zu entfernen oder zu beeinträchtigen. Wenn eine Verzögerung zwischen dem Scanen und dem chirurgischen Eingriff auftritt, gibt es verschiedene Wege, um die Integrität der Wäschetintemarkierungen sicherzustellen. Beispielsweise kann Bezoin auf den die Wäschetintemarkierung umgebenden Bereich aufgebracht und getrocknet werden. Dann wird ein 3/4-Inch (19,05 mm) Streifen aus durchsichtigem Klebeband auf den Bereich aufgebracht. Auf ähnliche Weise kann auch Kollodium verwendet werden, um die Markierungen zu schützen.
Nachdem die Integrität von mindestens drei Tintenmarkierungen 716 bestätigt worden ist, wird es dem Chirurgen mittels einer Dreipunkt-Lösung unter Verwendung direktionaler Cosinusse aus zwei Referenzrahmen möglich, das Operationsgebiet in den Scannbildern einzutragen. Wenn die Integrität von mehr als drei Markierungen 716 bestätigt ist, können die zusätzlichen Markierungen in redundanter Weise verwendet werden, um sicherzustellen, daß die Registrierung richtig durchgeführt worden ist. Der Registrierungsvorgang kann unter Verwendung der in den 4A und 3A gezeigten Vorrichtungen erfolgen. Im Anschluß an das Scannen mit der Kappe 700 und den Markierungen 708 verarbeitet und speichert der Computer 314 die Scannbilder im Speicher 320 als Funktion der in den Scannbildern erscheinenden Markierungen 708, unter Verwendung ähnlicher Techniken wie oben beschrieben. Vor dem chirurgischen Eingriff wird der Kopf 394 in der Klammer 394 eingeklemmt. Die Spitze 541 der Sonde 542 wird dann auf jede der Tintenmarkierungen 716 auf der Haut 710 des Kopfes 394 gebracht, während die Sender 540 und 545 erregt sind. Da der Computer 314 nun die Position jeder der Tintenmarkierungen 716 relativ zum Referenzbalken 548 kennt, kann er die Position des Scannbildes in Bezug zum Referenzbalken 548 bestimmen. Während des chirurgischen Eingriffes, wie oben beschrieben, versetzen die Sender 540 und 545 den Computer 314 in die Lage, auch die Position der Sondenspitze 541 in Bezug auf den Referenzbalken 548 zu kennen. Dementsprechend kennt der Computer 314 die Position der Sondenspitze 541 in Bezug auf die Scannbilder. Der Computer 314 erzeugt dann ein der Position der Spitze 541 entsprechendes Scannbild. Das erzeugte Bild wird auf dem Display 326 ausgegeben.
Wie man sieht, ergeben sich viele Vorteile bei der Verwendung der Kappe 700 und der Markierungen 708 für die Registrierung der Scannbilder im Operationsgebiet. Beispielsweise und im Gegensatz zur Anordnung von Bezugsbolzen 307 gemäß 3D, verursacht die Anordnung der Markierungen 708 dem Patienten keinerlei Schmerz. Dies liegt daran, daß die Markierungen 708 nicht-invasiv sind und ein Durchdringen der Haut nicht erfordern. Dementsprechend können redundante Markierungen verwendet werden, die für eine größere Präzision sorgen und in den meisten Fällen sicherstellen, daß mindestens drei Markierungen für die Registrierung der Scannbilder verwendet werden können. Ein anderer Vorteil liegt darin, daß mit den angeordneten Markierungen 708 Routinescans durchgeführt werden können. Wenn der anfängliche Scan eine einen chirurgischen Eingriff erfordernde Läsion hervorbringt, ist die Position des gescannten Bildes in Bezug zu den Markierungen 708 bekannt, und die gleichen Scannbilder können während dem chirurgischen Eingriff verwendet werden. Wegen des mit der Implantierung von Referenzbolzen 307 verbundenen Schmerzes würden diese bei der Durchführung von Routinescans jedoch selten verwendet werden. Wenn während eines solchen Routinescans eine Läsion gefunden wird, muß der gesamte Scan nach der Implantation der Bolzen 307 erneut aufgenommen werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Markierungen 708 während des Scannens ist, daß sie vor dem chirurgischen Eingriff entfernt werden und somit nicht sterilisiert werden müssen. Damit werden die sonst beim Versuch, derartige Markierungen zu sterilisieren, auftretenden Schwierigkeiten vermieden.
Für chirurgische Eingriffe an anderen Körperteilen als dem Kopf wird ein Material mit in regelmäßigen Abständen festgenähten Ösen 704 einmal um das zu untersuchende Körperteil gewickelt und mit solchen Befestigungen befestigt, die nicht das erzeugte Bild beeinträchtigen. Das Material wird eng anliegend angebracht, wobei alle ein bis zwei Inches (alle 2,54 oder 5,08 cm) eine Öse vorgesehen ist. Alternativ kann der Stoff in einer korsettartigen Struktur gefertigt werden, wobei das Hauptmerkmal in der Verstärkung mit Ösen liegt, die es ermöglichen, Löcher im Stoff vorzusehen, ohne diesen zu schwächen und auch die Anordnung von Markierungen 708 ermöglichen. Wie bei der Kappe 700 wird die Haut mit Wäschetinte 760 unterhalb jeder Markierung markiert. Nach dem Scannen wird die Markierung 708 entfernt und die Hautmarkierung 716 dahingehend überprüft, daß sich die Markierung nicht verschoben hat.
Dem Fachmann ist klar, daß andere Vorrichtungen als die Kappe 700 für die Positionierung der Markierungen 708 innerhalb des Umfangs der Erfindung verwendet werden können. Beispielsweise können die Markierungen 708 unter Verwendung von Klebeband, benachbart zu einer Tintenmarkierung 716 gehalten werden. Derartiges transparentes Klebeband hat sich insbesondere für die Positionierung von Markierungen auf der Stirn und anderen haarlosen Bereichen als besonders effektiv erwiesen. Desweiteren können andere Vorrichtungen als die Ösen 704 und der Stoff 706 zum Halten von Markierungen 708 in der Kappe 700 verwendet werden. Solche anderen Vorrichtungen schließen alle üblichen Befestigungen und mechanischen Fixierungen, die relativ kleine Objekte halten können, ein.
In Anbetracht der obigen Beschreibung zeigt sich, daß die verschiedenen Aufgaben der Erfindung gelöst und andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.

Claims

System zur Angabe einer Position innerhalb des Körpers eines Patienten, umfassend: einen Laser-Tiefensucher (620) zur Bestimmung der Position einer Referenzkontur (390) mit einer Position in fester Beziehung zu dem Körper; Einrichtungen (600) zur Erzeugung von Bildern des Körpers, wobei die Bilder Referenzbilder mit Bezug zur Referenzkontur (390) einschließen; Referenzeinrichtungen (300, 552) außerhalb des Körpers, um eine Referenz zur Verfügung zu stellen; eine chirurgische Sonde (302, 542) einschließlich einer Spitze (301, 541) mit einer Position; erste Einrichtungen (360, 540) zur Bestimmung der Position der Spitze der chirurgischen Sonde (360, 542) relativ zu den Referenzeinrichtungen (300, 552); zweite Einrichtungen (622) zur Bestimmung der Position des Laser-Tiefensuchers (620) relativ zu den Referenzeinrichtungen (300, 552) und der Position der Referenzkontur (390) des Körpers relativ zu den Referenzeinrichtungen (300, 552), so dass die Position der Spitze (301, 541) relativ zur Referenzkontur (390) des Körpers bekannt ist; Einrichtungen (314) zur Übertragung der bekannten Position der chirurgischen Sonde (302, 542), um eine übertragene Position innerhalb eines den Bildern des Körpers entsprechenden Koordinatensystems anzugeben; und Einrichtungen (324, 326) zur Ausgabe eines Bildes des Körpers, um ein dargestelltes Bild, das mit der übertragenen Position der Spitze (301, 541) der chirurgischen Sonde (302, 542) korrespondiert, anzugeben.
System nach Anspruch 1, wobei die Referenzkontur eine Kontur der Stirn des Patienten (390) umfasst.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Einrichtungen (324, 326) zur Darstellung eines Bildes des Körpers eine Vielzahl dargestellter Bilder zur Verfügung stellen, die mit der übertragenen Position der Spitze (301, 541) der chirurgischen Sonde (360, 542) korrespondieren.
System nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Darstellungseinrichtung (326) Mittel zur Darstellung eines Bildes umfasst, die die Spitze (301, 541) der Sonde (360, 542) auf dem dargestellten Bild des Körpers darstellen.
System nach Anspruch 4, wobei die zweiten Einrichtungen umfassen: eine Basis (306, 590, 548), die angepasst ist, um am Körper in einer Position mit fester Beziehung zur Referenzkontur (390) des Körpers angebracht zu werden; und Einrichtungen (396, 380) zur Messung der Position der Basis (306, 590, 548) in Bezug auf die Referenzeinrichtungen (300, 552).
System nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Referenzeinrichtung eine Anordnung von Sensoren (300, 552) umfasst und die Sonde (302, 542) eine Bajonettpinzette umfasst, die mit der Spitze der Pinzette ausgerichtete und bei Verwendung der Pinzette unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen befindliche Emitter (360, 540) aufweist; und wobei die Emitter (360, 540) mit den Sensoren (300, 552) der Anordnung kommunizieren, um die Position der Sonde (302, 542) relativ zur Anordnung anzugeben.
System nach Anspruch 5 und Anspruch 6, im weiteren umfassend zusätzliche Emitter (370, 592) auf der Basis (306, 590, 548) zur Kommunikation mit den Sensoren (300, 552) der Anordnung, um die Position der Basis (306, 590, 548) relativ zu der der Anordnung anzugeben.
System nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, im weiteren umfassend eine Einrichtung zur dreidimensionalen Digitalisierung (312) zum Digitalisieren der als Antwort auf die Signalen der Emitter (360, 540, 370, 592) von den Sensoren (300, 552) erzeugten Signale.
System nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Übertragungseinrichtung einen zwischen die zweiten Bestimmungseinrichtung (662) und die Darstellungseinrichtung (326) geschalteten Computer (314) und ein Übertragungs-Software-Programm (318) zur Steuerung der Funktionen des Computers (314) umfasst, so dass Koordinaten, die dem Computer (314) durch die zweite Bestimmungseinrichtung (622) übermittelt wurde, in die entsprechenden Koordinaten übertragen und diese der Darstellungseinrichtung (326) übermittelt werden.
System nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die Darstellungseinrichtungen (324, 326) ein bildgebendes System (324) umfassen.
System nach einem der Ansprüche 1–10, im weiteren umfassend Einrichtungen (304) zur Kompensation von Temperaturänderungen, die die Arbeitsweise der ersten und zweiten Bestimmungseinrichtungen (360, 540, 622) beeinflussen.
System nach einem der Ansprüche 1–11, wobei die Darstellungseinrichtungen (324, 326) Hilfsmittel zur Darstellung eines Cursors, der die Spitze (301, 541) der Sonde (360, 542) repräsentiert, auf dem dargestellten Bild des Körpers umfassen.
System nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die Position der Referenzkontur (390) eine Position mit festem Bezug zum Körper hat, und Referenzpunkte dafür zur Verfügung stellt, wobei diese Referenzpunkte eine Referenzebene definieren, und wobei das Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) der Bilder eine X-Y-Fläche parallel zur Referenzebene einschließt.
System nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die Referenzeinrichtungen eine Anordnung von Sensoren (300, 552) umfassen, und die Sonde (302, 542) eine Bajonettpinzette umfasst, die eine Sichtlinie durch die Pinzette und zwei auf der Pinzette angebrachte Emitter (360, 540) aufweist, die mit der Spitze der Pinzette ausgerichtet und unterhalb der Sichtlinie durch die Pinzette angebracht sind, wobei die Emitter (360, 540) der Kommunikation mit den Sensoren (300, 552) der Anordnung dienen, um die Position der Sonde (302, 542) relativ zur Anordnung anzugeben.
System nach einem der Ansprüche 1–14, wobei die Einrichtungen zur Darstellung eines Bildes des Körpers so ausgestaltet sind, dass Bilder des Körpers aus verschiedenen bilderzeugenden Technologien umfassend CAT-, PET-, MRI- und MEG- Scannern generiert werden können.
System nach einem der Ansprüche 1–15, wobei die Referenzeinrichtungen eine Anordnung von Sensoren (300, 552) umfassen, und die ersten Bestimmungseinrichtungen mindestens drei Emitter (360, 540) auf der chirurgischen Sonde (302, 542) und Hilfsmittel (308) zur Aktivierung der Emitter (360, 540) umfassen, um ein Signal zu generieren, das an die Anordnung weitergegeben wird.
System nach Anspruch 1–16, wobei die Referenzeinrichtungen eine Anordnung von Sensoren (300, 552) und die zweiten Bestimmungseinrichtungen (306, 590) Hilfsmittel, die am Körper angebracht sind, umfassen, um ein Signal zu generieren, das durch die Anordnung empfangen wird und die Position des Körpers relativ zur Anordnung angibt.
System nach einem der Ansprüche 1–17, wobei die bilderzeugenden Einrichtungen (324, 326) erste bilderzeugende Einrichtungen (600), die so angepasst sind, dass sie vor der Operation verwendet werden können, und sekundäre bilderzeugende Einrichtungen (500), die so angepasst sind, dass sie während der Operation verwendet werden können, umfassen.
System nach einem der Ansprüche 1–18, wobei die Referenzeinrichtungen eine Anordnung von Sensoren (552) umfassen, und die zweiten Bestimmungseinrichtungen eine Basis (590), die so gestaltet ist, dass sie an dem Körperteil in einer Position mit fester Beziehung zur Referenzkontur (390) des Körpers angebracht werden kann, sowie Einrichtungen (396, 380) zur Messung der Position der Basis (590) relativ zu den Referenzeinrichtungen umfassen.
System nach Anspruch 19, im weiteren umfassend Emitter (622) auf dem Laser-Tiefensucher (620) zur Kommunikation mit den Referenzeinrichtungen (300, 552), um die Position des Laser-Tiefenmessers (620) relativ zu den Referenzeinrichtungen (300, 552) anzugeben.