DE69832425T2

DE69832425T2 - System zur Durchführung von Chirurgie, Biopsie, Ablation eines Tumors oder einer anderen physikalischen Anomalie

Info

Publication number: DE69832425T2
Application number: DE69832425T
Authority: DE
Inventors: Ivan Vesely
Original assignee: Sonometrics Corp
Current assignee: Sonometrics Corp
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: ES2256598T3; ATE251424T1; DE69818828D1; DE69818828T2; DE69832425D1; EP0998238B1; EP1306060A1; EP0998238A1; ATE309757T1; EP1306060B1; WO1998040026A1; AU7072898A; US5868673A; JP3415164B2; JP2000512189A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System zur Durchführung eines chirurgischen Vorgangs an einer Körperstruktur (z. B. Brust, Leber, Pankreas, Niere, Uterus oder ein anderes festes Organ), und insbesondere ein System zum Nachverfolgen eines Instruments innerhalb einer Körperstruktur, Markieren des Ortes eines Tumors und zur Biopsie oder Zerstörung des Tumors.
Hintergrund der Erfindung
Gegenwärtig werden Brust-Biopsien unter Verwendung einer Vorrichtung durchgeführt, die als Kern-Biopsiesystem bekannt ist. Das Kern-Biopsiesystem gewinnt zunächst ein Stereo-Mammogramm der Brust eines Patienten, während die Brust durch Zusammendrücken zwischen zwei Platten fixiert wird, und verwendet diese beiden Bilder, um die 3-D-Koordinaten des vermuteten Tumors zu berechnen. Anschließend wird eine Nadel in die Brust geschossen und eine Biopsie des vermuteten Tumors entnommen. Wenn die Biopsie positiv ist, wird der Patient für die chirurgische Tumorentfernung vorgesehen. Es sei angemerkt, dass vor Beginn des Biopsievorgangs der Tumor von einem Radiologen manuell identifiziert werden muss.
Der chirurgische Vorgang läuft allgemein in folgender Weise ab. Ein Patient wird einer Mammografie in mehreren Ebenen unterzogen, ein Radiologe untersucht den Film und führt anschließend einen Draht in die Brust ein, sodass er den Tumor punktiert. Dieser Vorgang wird unter Verwendung von wiederholten Röntgenabbildungen visualisiert. In jüngerer Zeit wurde das stereotaktische Brustabbildungssystem verwendet, um den Tumor exakter zu lokalisieren und das Einführen des Drahtes zu unterstützen. Der Patient wird dann in den Operationssaal gebracht und die Brust durch Auftragen eines lokalen Sterilisationsmittels für den chirurgischen Eingriff vorbereitet. Der Chirurg öffnet anschließend die Brust und folgt dem Draht, bis die Läsion aufgefunden und entfernt ist.
Einer der unerwünschten Faktoren bei dem vorstehend beschriebenen Vorgang ist die Anwesenheit eines langen Drahtes durch die Brust für viele Stunden, während der chirurgische Eingriff erwartet wird. Dies ist für den Patienten höchst traumatisch und unerwünscht. Zweitens muss der Chirurg während des chirurgischen Eingriffs dem Draht in die Brust folgen. Da dies möglicherweise nicht die optimale Bahn ist, würde der Chirurg Idealerweise vorziehen, den Eingangsweg unabhängig von dem Draht zu planen oder auf den Draht vollständig zu verzichten. Dies ist nur dann durchführbar, wenn die Stelle der Läsion innerhalb der Brust unter Verwendung eines Systems identifiziert werden kann, das die vorhandene Verformbarkeit des Brustgewebes berücksichtigt. Es versteht sich, dass das mit der Verformbarkeit des Brustgewebes verbundene Problem gleichermaßen für andere leicht verformbare Körperstrukturen, wie z. B. die Leber, gilt.
Ein weiterer Ansatz für die stereotaktische Chirurgie ist in der europäischen Patentveröffentlichung Nr. EP 0 728 446 A1 beschrieben. Diese Veröffentlichung zeigt ein Stereotaxiesystem und -verfahren mit besonderer Anwendung für die Brustchirurgie auf. Der Patient wird mit Magnetresonanz oder einer anderen bildgebenden Vorrichtung untersucht, um eine 3-D-Bilddarstellung zur Anzeige auf einem Monitor zu erzeugen. Unter Verwendung von unter Magnetresonanz sichtbaren Markern, die an dem dem weichen Gewebe benachbarten exoskeletalen Material angebracht sind, eines Handlesekopfes mit Sendern und Empfängern und eines Prozessors für die Beziehungen des Koordinatensystems wird die Beziehung zwischen einem Koordinatensystem des Patienten und einem Koordinatensystem des auf einem Monitor dargestellten Bildes bestimmt. Eine Bahn für eine Biopsie, Resektion oder dergleichen wird unter Verwendung einer Stereotaxieführung geplant, die an einer Patiententragstruktur befestigt ist. Sender an der Führung werden aktiviert, um eine entsprechende menschenlesbare Bahnanzeige durch das auf dem Monitor angezeigte Bild zu erzeugen. Eine geeignete Bahn und Tiefe wird aus der menschenlesbaren Bahnanzeige ausgewählt und ein medizinisches Instrument. wird entlang der Führung eingeführt, um den medizinischen Vorgang durchzuführen.
Das gegenwärtige Problem, das die Verwendung der stereotaktischen Brustchirurgie einschränkt, ist der große Unterschied zwischen der Position und der Form der Brust während der Mammografie und des chirurgischen Eingriffs. Unter diesem Gesichtspunkt werden während der Mammografie gewonnene Bilder für die stereotaktische Positionierung während des chirurgischen Vorgangs unbrauchbar. Die stereotaktische Chirurgie kann zwar mit einer komprimierten Brust durchgeführt werden, wobei der Patient auf dem stereotaktischen Tisch liegt, was aber nicht erwünscht ist. Der ideale Weg zur Durchführung dieses chirurgischen Eingriffs ist bei auf dem Rücken liegenden Patienten, wie dies routinemäßig durchgeführt wird.
Die US 5515853 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung von mehreren Distanzen mittels vernetzter piezoelektrischer Transducer. Ein starrer externer Referenzrahmen ist vorgesehen, um die Bewegungen der Instrumente relativ zu diesem zu überwachen.
Die vorliegende Erfindung überwindet diese und weitere Nachteile der Systeme nach dem Stand der Technik und schafft ein System, das eine wesentlich verbesserte Genauigkeit hat und besseren Komfort für den Patienten bietet.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Durchführung stereotaktischer Chirurgie mit verbesserter Genauigkeit und verbessertem Komfort geschaffen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Durchführung eines chirurgischen Eingriffs an einer Körperstruktur in minimalinvasiver Weise zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Durchführung eines chirurgischen Eingriffs an einer Körperstruktur zu schaffen, die naturgemäß verformbar ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Durchführung eines chirurgischen Eingriffs zu schaffen, bei dem eine erhöhte Präzision bei der Lokalisierung eines Tumors vorliegt, was einen genaueren chirurgischen Eingriff ermöglicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Durchführung eines chirurgischen Eingriffs zu schaffen, bei dem ein konstanter 3-D-Referenzrahmen eingerichtet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Durchführung eines chirurgischen Eingriffs zu schaffen, bei dem eine Verformung der betreffenden Körperstruktur einen 3-D-Referenzrahmen nicht ändert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Durchführung eines chirurgischen Eingriffs an der Brust zu schaffen, bei dem eine stark reduzierte Gefahr der Entstellung oder Änderung der Form der Brust gegeben ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Durchführung eines chirurgischen Eingriffs an der Leber oder einem anderen inneren Organ zu schaffen, bei dem die Lokalisierung eines Tumors exakter erfolgt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Durchführung eines chirurgischen Eingriffs an der Leber oder einem anderen Organ zu schaffen, bei dem Bedarf für eine exaktere Positionierung eines chirurgischen Instruments besteht.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann nach dem Studium und Verständnis der folgenden detaillierten Beschreibung, der beigefügten Zeichnungen und der angefügten Patentansprüche offenbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und der Anordnung von Teilen eine physische Form annehmen, deren bevorzugte Ausführungsform und Verfahren in dieser Beschreibung im Detail beschrieben und in den beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil derselben bilden, erläutert werden.
1 zeigt ein dreidimensionales Nachverfolgungs- und Abbildungssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Brust, in der ein Referenztransducer deponiert ist, während die Brust komprimiert wird.
3 zeigt eine Transduceranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A und 4B zeigen das Fortschreiten einer Sonde durch eine Brust, dargestellt gegen die ursprünglichen Stereo-Mammogramme.
5A zeigt Referenztransducer und einen "Zielansteuerungsmarkierungs"-Transducer, die auf einer Brust angeordnet sind.
5B zeigt die Szene aus 5A in der 3-D-Darstellung auf einer Anzeigeeinheit.
6A zeigt eine Sonde mit einem Transducer im Kontakt mit der in 4A gezeigten Brust.
6B zeigt die Szene aus 6A in der 3-D-Darstellung auf einer Anzeigeeinheit.
7 zeigt eine Leber, an der mehrere Referenztransducer angebracht sind.
8 zeigt einen Vorgang zur Erzeugung einer 3-D-Szene einschließlich eines 2-D-Ultraschallbildes der in 7 gezeigten Leber.
9 zeigt das Einführen einer lokalisierbaren Röhre in die in 7 gezeigte Leber; und
10 zeigt das Einführen einer Kryosonde in eine nachverfolgbare Hülle, die an der Stelle eines Tumors angeordnet ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Es ist bekannt, dass es unter Verwendung des Laufzeitprinzips von Hochfrequenz-Schallwellen möglich ist, Distanzen in einem wässrigen Medium, wie etwa dem Körperinneren eines Lebewesens, während eines chirurgischen Vorgangs exakt zu messen. Hochfrequenzschall oder Ultraschall ist als Vibrationsenergie definiert, die in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz liegt. Die Vorrichtung, die zum Erhalten von dreidimensionalen Messungen unter Verwendung von Schallwellen verwendet wird, ist als ein Sonomikrometer bekannt. Typischerweise besteht ein Sonomikrometer aus einem Paar piezoelektrischer Transducer (d. h. ein Transducer arbeitet als Sender, während der andere Transducer als Empfänger arbeitet).
Die Transducer werden in ein Medium implantiert und mit elektronischen Schaltungen verbunden. Zur Messung der Distanz zwischen den Transducern wird der Sender mit elektrischer Energie versorgt, sodass er Ultraschall erzeugt. Die resultierende Schallwelle pflanzt sich dann durch das Medium fort, bis sie von dem Empfänger erfasst wird.
Der Sender hat typischerweise die Form eines piezoelektrischen Kristalls, der durch eine Hochspannungsspitze oder Impulsfunktion mit einer Dauer unter einer Mikrosekunde mit Energie versorgt wird. Dies veranlasst den piezoelektrischen Kristall, mit seiner eigenen charakteristischen Resonanzfrequenz zu schwingen. Die Hüllkurve des Sendersignals fällt rasch über die Zeit ab und erzeugt gewöhnlich eine Reihe von sechs oder mehr Perioden, die sich durch das wässrige Medium von dem Sender weg fortpflanzen. Die Schallenergie wird auch an jeder Grenzfläche, auf die sie trifft, gedämpft.
Der Empfänger liegt ebenfalls typischerweise in der Form eines piezoelektrischen Kristalls vor (mit ähnlichen Eigenschaften wie der piezoelektrische Senderkristall), der die von dem Sender erzeugte Schallenergie erfasst und ansprechend auf diese zu vibrieren beginnt. Diese Vibration erzeugt ein elektronisches Signal in der Größenordnung von Millivolt, das durch geeignete Empfängerschaltkreise verstärkt werden kann.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall im wässrigen Medium ist gut dokumentiert. Die von einem Ultraschallimpuls zurückgelegte Distanz kann daher einfach durch Aufzeichnen der Zeitverzögerung zwischen dem Moment, in dem der Schall gesendet wird, und dem Zeitpunkt, an dem er empfangen wird, gemessen werden. Dreidimensionale Koordinaten können aus der Distanzmessung bestimmt werden.
In den Zeichnungen, deren Darstellungen nur zum Zweck der Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und nicht zum Zweck der Einschränkung derselben dienen, zeigt 1 ein dreidimensionales (3-D) Nachverfolgungs- und Abbildungssystem 1000 zur Verwendung in Zusammenhang mit dem Vorgang gemäß vorliegender Erfindung. Das 3-D-Nachverfolgungs- und Abbildungssystem 1000 weist allgemein ein Computersystem 1010, mobile Transducer 1032, Referenztransducer 1034, ein Instrument 1030 und ein optionales Robotersubsystem 1040 auf.
Das Computersystem 1010 weist allgemein ein 3-D-Nachverfolgungssystem 1012, ein Bildverarbeitungs-Modalitätssystem 1014, ein Bildregistrierungssystem 1016, ein Verziehungs- und Geometrietransformationssystem 1018 ("Verzugsystem"), eine Benutzerschnittstelle 1020 und eine Anzeige 1022 auf. Es versteht sich, dass das 3-D-Nachverfolgungssystem 1012 die Form eines Systems auf Schallbasis oder eines Systems auf Elektromagnetismus-Basis annehmen kann. Vorzugsweise liegt das 3-D-Nachverfolgungssystem 1012 als ein 3-D-Ultraschallnachverfolgungssystem vor, das im US-Patent Nr. 5,515,853 und der PCT-Anmeldung Nr. WO 96/31753 beschrieben ist, die beide hierin durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Das Instrument 1030 kann in Form eines Katheters, einer Sonde (z. B. einer Kryosonde), eines Sensors, einer Nadel, eines Skalpells, einer Zange oder einer anderen Einrichtung oder eines anderen Instruments vorliegen, das in einem chirurgischen oder diagnostischen Vorgang verwendet wird. Die mobilen Transducer 1032 und die Referenztransducer 1034 können in Form eines Ultraschalltransducers oder eines elektronischen Transducers vorliegen. Zum Zweck der Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen die Transducer 1032 und 1034 in Form von Ultraschalltransducern (d. h. piezoelektrischen Kristallen) vor.
Mehrere mobile Transducer 1032 sind an dem Instrument 1030 vorhanden. Ein oder mehrere Referenztransducer 1034 geben eine Referenzposition relativ zu den mobilen Transducern 1032. Im Hinblick darauf können die Referenztransducer 1034 so angeordnet sein, dass sie einen internen Referenzrahmen innerhalb eines Patientenkörpers oder auf der Oberfläche eines Patientenkörpers ergeben, um einen externen Referenzrahmen zu schaffen.
Wie vorstehend angegeben, können die Referenztransducer 1034 Sender, Transceiver oder Empfänger sein, die Ultraschall oder elektromagnetische Strahlung erzeugen können, die von den mobilen Transducern 1032 erfasst werden kann.
Das 3-D-Nachverfolgungssystem 1012 wandelt die mehrfachen Distanzmessungen zwischen allen Transducern 1032, 1034 in XYZ-Koordinaten relativ zu einer Bezugsachse um, wie im Detail vorstehend beschrieben. Es versteht sich, dass der von den Referenztransducern 1034 geschaffene Referenzrahmen selbstbestimmend sein muss, das heißt, dass dann, wenn der Referenzrahmen verzerrt wird, diese Verzerrung von den Referenztransducern 1034 erfasst werden muss. Die Erfassung erfolgt typischerweise unter Verwendung von Transceivern, die die Distanz zwischen jeder beliebigen Kombination von zwei Transducern und somit ihre räumlichen Relativ-Koordinaten im 3-D-Raum bestimmen können. Im Zusammenhang damit wird die Position der Transducer in 3-D aus den von der Körperstruktur (z. B. Gewebe oder Organ) erfassten Bildern erhalten, die "Punkte" zeigen, wo die Transducer angeordnet sind, und auch von den Transducern selbst, wenn sie in der Körperstruktur sind. Wenn eine Diskrepanz der Distanzen zwischen allen Kombinationen von Transducern vorliegt, muss sich die Körperstruktur verformt (d. h. "verzogen") haben, nachdem die Bilder erfasst wurden. Eine mathematische Koordinatentransformation kann verwendet werden, um exakt festzulegen, wie die Bildeinstellung zu korrigieren ist und der Verzug ausgeglichen werden kann. Die Distanz zwischen einer beliebigen Kombination von zwei Transducern wird bestimmt, indem jeder Transducer veranlasst wird, ein Signal an alle anderen Transducer zu senden. Auf diese Weise sind alle Distanzen zwischen den Transducern bekannt. Aus diesen Distanzen können die XYZ-Koordinaten unter Bezug auf einen Transducer als Ursprung berechnet werden.
Das Bildverarbeitungs-Modalitätssystem 1014 erfasst 2-D-, 3-D- oder 4-D-Bilddatensätze von einer bildgebenden Quelle, wie z. B. Fluoroskopie, MRI (Magnetresonanz-Bildverarbeitung), CT (Computertomografie) oder 2-D- oder 3-D-Ultraschallvorrichtung, um eine "Schablone" zu schaffen, durch welche oder gegen welche die Form, Position und Bewegung des nachverfolgten Instruments 1030 angezeigt werden kann. Die Schablone hat typischerweise die Form eines Bildes der das Instrument umgebenden Umgebung (z. B. einer Körperstruktur). Es sei angemerkt, dass dann, wenn mehrfache (3-D) Volumina in verschiedenen Zeitintervallen erfasst werden, ein 4-D-Bild erhalten wird (d. h. ein sich über die Zeit änderndes 3-D-Bild).
Das Bildregistrierungssystem 1016 registriert die Position des Instruments 1030 innerhalb der räumlichen Koordinaten des von dem Bildverarbeitungs-Modalitätssystem 1014 bereitgestellten Bilddatensatzes. Die Position des Instruments 1030 wird von dem 3-D-Nachverfolgungssystem 1012 bereitgestellt. Das Bildregistrierungssystem 1016 schafft eine Anzeige des Instruments 1030 an seinem eigentlichen 3-D-Ort innerhalb der Körperstruktur und seiner Ausrichtung relativ zu der Körperstruktur selbst. Es versteht sich, dass das Registrierungssystem 1016 benutzerunterstützt oder vollständig automatisiert sein kann, wenn Bildverarbeitungsalgorithmen implementiert sind, um die räumlichen Orte der Transducer (typischerweise der Referenztransducer) in dem Bilddatensatz automatisch zu erfassen.
Das Verzugsystem 1018 ist ein Software-basiertes System, das die Bilddatensätze um die geeigneten Werte transformiert oder "verzieht", sodass sie einer Verformung entsprechen, die in dem Referenzrahmen zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Bilddatensatz erfasst wurde, und dem Zeitpunkt, an dem der Vorgang während des chirurgischen Eingriffs umgesetzt wird, aufgetreten ist. Entsprechend weist das Verzugsystem 1018 typischerweise eine Matrix-Transformationsroutine auf, die die verformte Geometrie auf den ursprünglichen Bilddatensatz abbildet und ihn in geeigneter Weise verzerrt.
Die Benutzerschnittstelle 1020 erlaubt dem Benutzer die Interaktion mit dem Computersystem 1010 einschließlich der Programmierung des Computersystems 1010 zur Durchführung einer gewünschten Funktion. Beispielsweise kann eine bestimmte Ansicht für die Anzeige ausgewählt werden. Instrumente 1030 (beispielsweise Sonden oder Katheter) können unter Verwendung der Benutzerschnittstelle 1020 aktiviert werden. Die Anzeige 1022 zeigt dem Benutzer registrierte Bilder an, die von dem Bildregistrierungssystem 1016 bereitgestellt werden.
Das optionale Robotersystem 1040 weist allgemein ein Robotersteuersystem 1042 und einen Robotermanipulatorsystem 1044 auf. Das Robotersteuersystem 1042 steuert das Robotermanipulatorsystem 1044, sodass es einem programmierten Pfad folgt, der basierend auf Verschiebung, Verziehung oder Formveränderungen einer Körperstruktur zum Zeitpunkt des chirurgischen Eingriffs in geeigneter Weise geändert werden kann. Das Robotermanipulatorsystem 1044 bewegt physisch das Instrument 1030 nach den Anweisungen des Robotersteuersystems 1042.
Das vorstehend beschriebene 3-D-Nachverfolgungs-und Abbildungssystem 1000 kann verwendet werden, um sowohl die stereotaktische Lokalisierung während der Biopsie und des chirurgischen Eingriffs, die interaktiver ist als vorhandene Stereotaxietischsysteme, als auch die Markierung eines Tumors zu ermöglichen, sodass er anschließend während des herkömmlichen chirurgischen Eingriffs lokalisiert werden kann. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung zwar unter Bezug auf die Biopsie und Ablation eines Tumors beschrieben wird, aber auch zur Verwendung in Zusammenhang mit anderen physischen Anomalien geeignet ist.
Das Markieren eines in einer Brust befindlichen Tumors wird nachfolgend unter Bezug auf 2 beschrieben. Mehrere externe Referenztransducer 20 werden an der Oberfläche der Brust 10 angebracht. Die Referenztransducer 20 bieten einen stereotaktischen externen Referenzrahmen für die interaktive 3-D-Anzeige der Bewegung einer Sonde 40 während des Einführens des internen Transducers 30, wie weiter unten beschrieben wird. Der Tumor 12 wird durch Einführen eines internen Ultraschalltransducers 30 in den Tumor 12 während der herkömmlichen Mammografie markiert, wobei die Brust 10 unter Verwendung von Kompressionsplatten 8 komprimiert wird. Der Transducer 30 tritt an die Stelle der Lokalisiernadel, die gegenwärtig gemäß den Verfahren nach dem Stand der Technik in den Tumor eingeführt wird.
Die Referenztransducer 20 können als einzelne Aufklebelemente oder Teile eines Klebestreifens ausgebildet sein. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Anordnung zum Befestigen von Referenztransducern 20 unter Verwendung eines Klebstoffes. Der Referenztransducer 20 wird von einem Klebebandstück 24 getragen. Ein Anpassungsgel 26 ist auf das Klebebandstück 24 aufgetragen und der Referenztransducer 20 ist darin angeordnet. Das Gel 26 sorgt für die akustische Kopplung. Elektrische Zuleitungen 22 des Referenztransducers 20 treten durch eine Öffnung in dem Klebebandstück 24 aus.
Es versteht sich, dass die Referenztransducer 20 auf den beiden Mammogrammen erscheinen, die aus zwei geringfügig unterschiedlichen Winkeln erhalten werden, und verwendet werden können, um Bezugsmarkierungen für die stereografische Bestimmung der 3-D-Koordinaten in Bezug auf diese Markierungen zu erzeugen. Ferner kann die Bewegung der Sonde 40 ebenfalls auf diese Mammogramme in zwei Ebenen unter Verwendung des Transducers 30 bezogen werden. Entsprechend kann ein Benutzer die Bewegung der Sonde 40 sowohl in einer 3-D-Betrachtungsumgebung als auch gegen die ursprünglichen Röntgenbilder während des Deponierens des Transducers 30 nachverfolgen, der während der nachfolgenden Biopsie oder des chirurgischen Eingriffs als eine "Zielansteuerungsmarkierung" für den Tumor dient. Das Fortschreiten eines Instruments durch eine Brust ist gegen Mammogramme in 4A und 4B gezeigt.
Nachdem der Transducer 30 in den Tumor 12 eingesetzt wurde und die Sonde 40 aus der Brust 10 entfernt wurde, kann der Patient bequem herumlaufen, da die mit dem Transducer 30 verbundenen elektrischen Zuleitungen 32 sehr flexibel sind und mit Band an der Haut des Patienten befestigt werden können. Es versteht sich, dass der Transducer 30 den Ort des Tumors 12 während des nachfolgenden chirurgischen Eingriffs zuverlässig bezeichnen kann, da er mittels kleiner Zacken, die während des Einführens eingreifen, in dem Tumor 12 befestigt bleibt.
Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise stellt eine beträchtliche Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Stereotaxie dar. Da zwischen der Mammografie und dem chirurgischen Eingriff eine sehr starke Veränderung der Brustform auftritt, kann sich der Tumor an einem völlig anderen Ort befinden als vorher während der Mammografie festgestellt. Das hat zur Folge, dass jede stereotaktische Registrierung der externen Brustform auf interne Brustbilder bedeutungslos wird. Da jedoch der Tumor mit dem Transducer 30 markiert ist, kann sein Ort während der nachfolgenden Vorgänge stets bestimmt werden.
Nach dem vorstehend beschriebenen Vorgang geht der Patient in den Operationssaal, die Brust wird für den chirurgischen Eingriff vorbereitet und neuer Klebstoff mit darin eingebetteten Ultraschalltransducern wird an der Haut angebracht. Die Transducer 20 und 30 sind mit dem vorstehend beschriebenen 3-D-Nachverfolgungs- und Abbildungssystem verbunden. Es versteht sich, dass die Transducer 20 und 30 die Nachverfolgung von zusätzlichen Transducern ermöglichen, die während des nachfolgenden chirurgischen Eingriffs in die Brust eingesetzt werden können.
5A zeigt eine Brust 10, die einen mit einem internen Transducer 30 markierten Tumor 12 aufweist. Das Anbringen der externen Referenztransducer 20 und die Anwesenheit des internen Transducers 30 in dem Tumor 12 ermöglicht die Erzeugung einer 3-D-Betrachtungsumgebung, in welcher der Tumor 12 in Bezug auf die Brust 10 lokalisiert werden kann (5B). Diese Einrichtung zur Visualisierung des räumlichen Ortes des Tumors 12 relativ zur Außenseite der Brust 10 ist für die Planung des chirurgischen Eingriffs zur Entfernung des Tumors wichtig. Die herkömmliche Technik besteht darin, einfach einem zuvor in die Brust eingeführten Draht zu folgen. Dies ist nicht wünschenswert, da dies möglicherweise nicht der kosmetisch bevorzugte Weg ist, der genommen werden soll. Durch Analysieren einer3-D-Anzeige, wie etwa der in 5B gezeigten, kann ein Chirurg entscheiden, aus welcher Richtung er mit den Einschnitten beginnt.
Wenn die Schnitte gesetzt werden, kann eine Sekundärsonde 50 in die Wunde gehalten werden, um zu bestimmen, ob die Bahn modifiziert werden sollte. 6A zeigt die Sonde 50 in Berührung mit der Brust 10. Es sei angemerkt, dass die Sonde 50 einen an ihrer Spitze angeordneten Transducer 52 hat. Entsprechend kann eine in 6B gezeigte 3-D-Anzeige erzeugt werden. Sobald der an der Probe 50 angebrachte Transducer 52 mit dem Gewebe in Berührung kommt, erscheint er in der 3-D-Anzeige und kann relativ zu dem Transducer 30 (d. h. der "Zielansteuerungsmarkierung") lokalisiert werden. Entsprechend erlaubt es die 3-D-Anzeige, den chirurgischen Weg zu visualisieren und nach Bedarf zu korrigieren. Da der durch die Referenztransducer 20 gebildete Referenzrahmen an der äußeren Oberfläche der Brust 10 befestigt ist, ist es nicht von Bedeutung, wenn sich das Brustgewebe nach der Mammografieabbildung verformt. Unter diesem Gesichtspunkt wird der Transducer 30 stets relativ zu der neuen Konfiguration der an der äußeren Oberfläche der Brust 10 befestigten Transducer 20 gezeigt. Da ferner die äußeren Referenztransducer 20 miteinander kommunizieren, richten sie einen neuen, sich verändernden Koordinatenrahmen unabhängig davon ein, in welchem Ausmaß das Brustgewebe manipuliert wird. In jedem Fall wird die Relativposition des Transducers 30 innerhalb dieses Koordinatensystems angezeigt.
Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise bietet zahlreiche Vorteile und überwindet die gegenwärtigen Beschränkungen der stereotaktischen Chirurgie, die auf einem feststehenden Koordinatensystem basiert. Unter dem Gesichtspunkt der klinischen Vorteile kann ein chirurgischer Eingriff an der Brust wesentlich weniger invasiv durchgeführt werden. In weiterer Entwicklung kann es möglich sein, Tumore auf wesentlich weniger invasive Weise durch Einführen von kleinen Kathetern zu entfernen, die den Tumor durch Ablation entfernen, absaugen oder auf andere Weise zerstören, ohne dass die Brust zur Sichtprüfung geöffnet werden muss. Dies reduziert wesentlich die Gefahr, die Brust zu entstellen oder ihre Form zu verändern. Ein weiterer wichtiger klinischer Vorteil ist die erhöhte Präzision bei der Lokalisierung des Tumors, was einen exakteren chirurgischen Eingriff ermöglicht. Die theoretische Präzision des vorstehend beschriebenen 3-D-Nachverfolgungssystems beträgt 20 μm. In der Praxis ist die räumliche 3-D-Präzision weniger als 1 mm und auf Grund geometrischer Transformationsfehler kann dies auf 2 mm ansteigen. Dies ist augenscheinlich immer noch besser als die gegenwärtig erreichbare Präzision unter Verwendung der Drahteinführtechnik oder herkömmlicher stereotaktischer Tische. Eine derart gesteigerte Präzision wird die Erfolgsrate der Tumorentfernung verbessern, ohne dass größere, radikalere Lumpektomien erforderlich sind. Ein weiterer klinischer Vorteil liegt darin, dass die vorstehend beschriebene Vorgehensweise ohne weiteres sowohl für Biopsien, offene chirurgische Eingriffe oder vollständig geschlossene, minimalinvasive chirurgische Eingriffe verwendet werden kann. Sie bietet eine benutzerunterstützte Einrichtung in Echtzeit zur Annäherung an Tumore innerhalb der Brust und ist wesentlich weniger kostenaufwändig als herkömmliche stereotaktische Geräte.
Die vorliegende Erfindung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch verwendet werden, um ein Instrument an dem Ort eines Tumors zu platzieren. 7 zeigt eine Leber 60, die einen Tumor 14 aufweist. Ein dreidimensionaler Referenzrahmen der Leber 60 wird erzeugt, indem mehrere Referenztransducer 90 an der äußeren Oberfläche der Leber 60 angebracht werden. Dabei können die Transducer 90 unter laparoskopischer Führung angebracht werden. Anschließend wird der Ort des Tumors 14 unter Verwendung von geführtem zweidimensionalem Ultraschall 110 bestimmt, der eine 2-D-Ultraschallabbildungsebene 112 erzeugt. Eine 2-D-Ultraschallabbildungsebene wird innerhalb des 3-D-Referenzrahmens angezeigt, um eine 3-D-Szene zu bilden. Wenn der Tumor 14 von der Ultraschallabbildungsebene 112 geschnitten wird, setzt der Benutzer eine Cursormarkierung in der 3-D-Szene, um das Zentrum des Tumors 14 zu identifizieren. Das 3-D-Nachverfolgungs- und Abbildungssystem bestimmt die 3-D-Koordinaten des Tumors 14 innerhalb der 3-D-Szene relativ zu dem von den Transducern 90 geschaffenen 3-D-Referenzrahmen. Es versteht sich, dass, da die Transducer 90 an der Leber 60 fixiert sind, der Ort des Tumors 14 relativ zu dem 3-D-Referenzrahmen fixiert bleibt, auch wenn die Leber 60 selbst manipuliert wird und eine Verformung der Leber 60 verursacht wird.
Wie 9 und 10 zeigen, wird eine Kryosonde 100 (oder ein anderes Instrument) an dem Tumor 14 platziert. Dabei wird eine mit Ultraschall lokalisierbare Halterungshülle 70 in die Leber 60 eingeführt und so positioniert, dass ihr Ende dem Ort des Tumors 14 entspricht. Die Halterungshülle 70 hat vorzugsweise der Form eines hohlen starren Mantels oder eines Rohres, an dem Transducer 80 angebracht sind. Eine bevorzugte Halterungshülle 70 ist im Detail in der US-A-5868673 beschrieben. Die Transducer 80 erlauben es, die Position der Halterungshülle 70 unter Verwendung des vorstehend beschriebenen 3-D-Nachverfolgungs- und Abbildungssystems zu verfolgen.
Sobald die Halterungshülle 70 am Ort des Tumors 14 platziert ist, wird die Kryosonde 100 in die Halterungshülle 70 eingeführt, sodass sie an der Mündung der Hülle stoppt. Entsprechend müssen an der Kryosonde 100 keine physischen Modifikationen vorgenommen werden, damit sie am Ort des Tumors 14 platziert wird. Anschließend wird die Halterungshülle 70 entlang dem Schaft der Kryosonde 100 zurückgezogen. Daraufhin wird die Kryosonde 100 zur Ablation des Tumors 14 in bekannter Weise mit Energie versorgt.
Alternativ kann der vorstehend beschriebene Vorgang durch Einführen eines nachverfolgbaren stumpfen Führungsinstruments mit daran angebrachten Ultraschalltransducern und durch Platzieren des Führungsinstruments am Ort des Tumors durchgeführt werden. Daraufhin wird ein Rohr oder eine Hülle am Ort des Tumors platziert, indem das Rohr über das Führungsinstrument geschoben wird. Daraufhin wird das Führungsinstrument entfernt, sodass nur die Hülle verbleibt. Eine Kryosonde (oder ein anderes Instrument) wird anschließend durch die Hülle eingeführt sodass dadurch die Kryosonde am Ort des Tumors platziert wird.
Die Erfindung wurde unter Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist offensichtlich, dass Modifikationen und Abänderungen anderen nach dem Studium und Verständnis dieser Beschreibung deutlich werden. Alle derartigen Modifikationen und Abänderungen sollen insoweit eingeschlossen sein, als sie unter den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche fallen.

Claims

System zur Durchführung eines chirurgischen Eingriffs an einer Anomalie in einer Körperstruktur zum Zweck der Biopsie oder Ablation, enthaltend eine Vielzahl von Referenz-Transducereinrichtungen (90), die an festgelegten Positionen an einer Körperstruktur angebracht sind, um einen Referenzrahmen (1012) zu schaffen; eine Einrichtung zum Erhalten eines Schablonenbildes der Körperstruktur (1014); eine Registrierungseinrichtung (1016), um den Referenzrahmen mit dem Schablonenbild in Deckung zu bringen, um eine dreidimensionale Szene zu erhalten; eine nachverfolgbare Hülleneinrichtung (70), die an dem Ort einer zugehörigen Anomalie lokalisierbar ist, um den Ort der zugehörigen Anomalie zu identifizieren; eine Anzeigeeinrichtung (1022), die dafür ausgelegt ist, die Position der nachverfolgbaren Hülleneinrichtung innerhalb der dreidimensionalen Szene anzuzeigen, um die Hülleneinrichtung an dem Ort der zugehörigen Anomalie zu lokalisieren; und eine erste Instrumenteneinrichtung (100), die dafür ausgelegt ist, einen chirurgischen Vorgang an dem Ort der zugehörigen Anomalie durchzuführen, wobei die erste Instrumenteneinrichtung an dem Ort der zugehörigen Anomalie lokalisierbar ist, indem die erste Instrumenteneinrichtung innerhalb der Hülleneinrichtung positionierbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die erste Instrumenteneinrichtung (100) und die nachverfolgbare Hülleneinrichtung (70) zur Bewegung relativ zueinander konfiguriert sind, um das Platzieren der Instrumenteneinrichtung (100) durch die Hülleneinrichtung (70) an dem Ort der zugehörigen Anomalie zu erlauben, und für das anschließende Zurückziehen der Hülleneinrichtung (70), um die Durchführung des chirurgischen Vorgangs an dem Ort der zugehörigen Anomalie zu erlauben.
System nach Anspruch 1, wobei die festgelegten Positionen auf einer äußeren Oberfläche eines festen Organs angeordnet sind.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schablonenbild ein zweidimensionales Ultraschallbild ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das System ferner eine Einrichtung zum Anzeigen einer Referenzmarkierung in der dreidimensionalen Szene an dem Ort der zugehörigen Anomalie enthält, um das Lokalisieren der nachverfolgbaren Hülleneinrichtung an dem Ort der zugehörigen Anomalie zu erleichtern.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Instrumenteneinrichtung eine Kryosonde ist.