DE10047993A1 - Konfektionierte Navigationsschiene - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft konfektionierte Navigationsschienen zum Erstellen von Bilddaten für eine Datenbank mittels Kernspin-, Computertomographie oder anderen bildgebenden Verfahren sowie zur Positionserfassung der Lage eines Probanden und Koordinatenzuordnung bei chirurgischen Eingriffen mit Unterstützung eines Navigationssystems. Die Navigationsschiene liegt in Anlehnung an handelsübliche Abgußlöffel in verschiedenen Größen vor und ist dem Oberkiefer-Abdruck-Löffel nachempfunden. Sie sollten vornehmlich aus dem Fachmann bekannten Kunststoff-Materialien gefertigt sein, die nicht Röntgen-opak sind. Löffelbasis (100) und Löffelgriff (101) sollten aus demselben Material hergestellt sein. Zur besseren Adhäsion soll der Löffel Perforationslöcher (102) enthalten. An die Außenseite des Abdrucklöffels sind, nicht notwendigerweise symmetrisch, eine Mehrzahl, mindestens drei, aber nicht mehr als zehn, vorzugsweise vier bis sechs, Rastknöpfe (103) angebracht für die Anbringung der Tomographie-Marker (104).

Description

Die Erfindung betrifft konfektionierte Navigationsschienen zum Erstellen von Bilddaten für eine Datenbank mittels Kernspin-, Computertomographie oder anderen bildgebenden Verfahren sowie zur Positionserfassung der Lage eines Probanden und Koordinatenzuordnung bei chirurgischen Eingriffen mit Unterstützung eines Navigationssystems.

Neben der klinischen Untersuchung mit Inspektion, manueller Abtastung und Funktionadiagnstik stehen dem Operateur heute in der Medizin bildgebende Verfahren wie Röntgenaufnahmen und Sonographie zur Verfügung. In der Regel sind dies zwei­ dimensionale Abbildungen. Die Kombination verschiedener zwei-dimensionaler Bildsätze aus unterschiedlichen Strahlungsrichtungen ermöglicht dem Arzt unter Berücksichtigung anatomischer Vorkenntnisse die räumliche Rekonstruktion des Objekts. Dies wird z. B. zur Rekonstruktion geschädigter Körperpartien benutzt. Seit Anfang der 1990er Jahre (Schubert, R., M. Bomans, K. H. Höhne, A. Pommert, M. Riemer, T. Schiemann, U. Tiede, W. Lierse. A new method for representing the human anatomy. Comput. Med. Imaging Graph. 17 (1993), p 243-249; Carls, F. R., B. Schuknecht, H. F. Sailer. Value of three-dimensional computed tomography in craniomaxillofacial surgery. J. Craniofac. Surg. 5 (1994), 282-288; Kikinis, R., P. L. Gleason, T. M. Moriarty, M. R. Moore, E. Alexander, P. Stieg, M. Matsumae, W. E. Lorensen, H. E. Cline, P. M. Blach, F. A. Jolesz. Computer-assisted interactive three- dimensional planning for neurosurgical procedures. Neurosurgery 38 (1996), 640-649) sind Verfahren bekannt, die eine Visualisierung zwei-dimensionaler Bilddaten über 3D-Modelle (Klimek, L., H. M. Klein, T. Mösges, B. Schmelzer, W. Schneider, E. D. Voy. Methoden zur Simulation operativer Eingriffe in der Kopf und Halschirurgie. HNO 40 (1992), 446-452; Lill, W., P. Solar, C. Ulm, F. Watzek, R. Blahout, M. Mateijka. Reproducibility of three- dimensional CT-assisted model production in the maxillofacial area. Br. J. Oral Maxillofacial Surg. 21 (1992), 501-516) oder am Computerbildschirm (Bonnier, L., K. Ayadi, A. Vasdev, G. Crouzet, B. Raphael. Three-dimensional reconstruction in routine computerizd tomography of the skull and spine. J. Neuroradiol. 18 (1991), 250-266; Robb, R. A. and D. P. Hanson. A software system for interactive and quantitative visualization of multidimensional biomedical images. Austral. Phys. Eng. Sci. Med. 14 (1991), 9-30; Schubert, R., W. J. Höltje, U. Tiede, K. H. Höhne. 3D-Darstellungen für die Kiefer- und Gesichtschirurgie. Radiologie 31 (1991), 467-473; Cline, H. E., W. E. Lorensen, S. P. Souza, F. A. Jolesz, R. Kinikis, G. Gerig, T. E. Kennedey. 3D surface rendered MR images of the brain and its vasculature. J. Comput. Assist. Tomogr. 15 (1991), 344-351; Vogl, T. J., J. Assal, C. Bergman, G. Greves, T.

Wustrow, C. Hamburger, C. McMahon, J. Lissner. Three-dimensional MR reconstruction images of skull base tumors. J. Magn. Reson. Imaging 3 (1993), 367-374; Pommert, A., M. Riemer, T. Schiemann, R. Schubert, U. Tiede, K. H. Höhne. Three-dimensional imaging in medicine: Methods and applications. In: Taylor, R. H., Lavalée, S., Burdea, B. C., and Mösges, R. (eds.): Computer-integrated Surgery, MIT Press, Cambride, MA, London, (1996), p. 663- 671) ermöglichen. Damit sind dreidimensionale Planungen und Simulationen von Operationen am Computer und am Modell möglich geworden. Einen Überblick zur interaktiven Planung bieten Lambrecht, J. T., H. Schiel, A. Jacob, T. Kreusch. CAR-CAD- CAM-CAS: 3D-Perspectives. In: Lemke, H., Inamura, K., Jaffe, C. C., Vannier, M. W. (eds.): Computer Assisted Radiology: Proceedings of the International Symposium on Computer and Communication Systems for Image Guided Diagnosis and Therapy. CAR '95 Berlin June 21-24. Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo (1995), p 1364- 1368) und Patel, V., M. Vannier, J. Marsh, L. Lo. Evaluatin of digital surgical simulation. In: Lemke, H., Inamura, K., Jaffe, C. C., Vannier, M. W. (eds.): Computer Assisted Radiology Proceedings of the International Symposium on Computer and Communication Systems for Image Guided Diagnosis and Therapy. CAR '95 Berlin June 21-24. Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo (1995), p 1364-1368).

Zur Untersuchung von Schädel- und Halskrankheiten ermöglicht die Kombination unterschiedlicher radiologischer Verfahren wie z. B. die Computertomographie (CT) oder die Magnetresonanztomographie (MRT) durch Überlagerung der Bildsätze die Generation eines multidimensionalen Computermodells. Dieses als "Matching" oder "Fusion" bezeichnete Verfahren bietet dem Operationsplaner die Möglichkeit, unterschiedliche Qualitäten der untersuchten Körperregion, z. B. Weichgewebe (Haut, Muskel, Fettgewebe oder tumoröse Gewebe) oder im Gegensatz dazu Hartgewebe (Knochen, Knorpel, eingedrungene Fremdkörper) am Bildschirm hervorzuheben und genau zu lokalisieren. Neben CT und MRT- Daten können auch Bildsätze der Positronen-Emissionstomographie (PET), der Single- Photonen-Emissionstomographie (SPECT) oder der digitalen Subtractions-Angiographie (DAS) und anderer bildgebender Verfahren eingebunden werden (Jannin, P., Ch. Grova, D. Schwartz, Ch. Barillot, B. Gibaud. Fusion of multimodal functional neuro-imaging (MEG, fMRI, SPECT): Definition of different matching paradigms. In: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.): CARS '99: Computer Assisted Radiology and Surgery. Proceedings of the 13^th international Congress and Exhibition, Paris, June 23-26, 1999. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo, (1999), p 238-243). Mittels neuer Umrechnungsalgorithmen sind mittlerweile die meisten digitalen bildgebenden Verfahren zu "matchen" (Eldeib, A., A. A., Farag, T. Moriarty. A fast genetic search algorythm for accurate multi-modal volume registration by maximization of mutual information. In: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.): CARS '99: Computer Assisted Radiology and Surgery. Proceedings of the 13^th international Congress and Exhibition, Paris, June 23-26, 1999. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo, (1999), p 244-248; Shahidi, R., B. Wang, M. Epitaux, J. Adler, G. Steinberg. Intraoperative video and volumetric image fusion. In: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.): CARS '99: Computer Assisted Radiology and Surgery. Proceedings of the 13^th international Congress and Exhibition, Paris, June 23-26, 1999. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo, (1999), p 625-630). Wichtige Voraussetzung des "Matching"-Verfahrens ist die genaue Überlagerung der unterschiedlichen Datensätze. Bei Schichtdicken von wenigen Millimetern in Computertomogrammen beeinträchtigen selbst kleinste Patientenbewegungen die Exaktheit und auch die Möglichkeit der Fusion der erhaltenen Bilder. Da der Patient von einem Untersuchungsraum (z. B. CT) zum nächsten (z. B. MR, SPECT o. a.) gelangen muß, wurde nach Möglichkeiten gesucht, eine reproduzierbare Position des Patienten im Untersuchungsgerät zu garantieren.

Eine Vorreiterrolle hatte auf diesem Gebiet die Neurochirurgie. Schon 1908 stellte Clarke einen fest am Kopf des Patienten verschraubten Stereotaxie-Rahmen vor, der eine stabile, reproduzierbare Position des Kopfes zuließ. Der Rahmen wird in der Bildgebung ebenfalls dargestellt, so daß eine metrische Verknüpfung anatomischer und pathologischer Strukturen zum Rahmen auf den Bildern möglich ist. Mit Hilfe dieser "stereotaktischen Rahmen", die auch heute noch als Operationshilfen eingesetzt werden (Melikian, A. G., M. I. Kazamovskaya, A. V. Stock, A. V. Colanov, S. M. Ignatov, S. A. Lobanov. CT-guided computer-assisted stereotactic resection of brain tumours. Acta Neurochir. Suppl. 131 (1994), 274-281; Thomas, D. G., and N. D. Kitchen. Minimally invasive surgery. Brit. Med. J. 308 (1994), 126-128; Ebling, U., and M. G. Hasdemir. Stereotactic guided microsurgery of cerebal lesions. Minim. Invasive Neurosurg. 38 (1995), 10-15), war eine Referenzierungsgrundlage geschaffen, die die Position des Schädels in Bezug zum Rahmen und dort angebrachte Markierungen konstant hielt (Levin, D. N., C. A. Pelizzari, G. T. Chen, C. T. Chen, M. D. Cooper. Retrospective geometric correlation of MR, CT and PET images. Radiology 169 (1988), 817-823; Pelizzari, C. A., G. T. Chen, D. R. Spelbring, R. R. Weichelbaum, C. T. Chen. Accurate three-dimensional registration of CT, PET, and/or MR images of the brain. J. Comput. Assist. Tomogr. 13 (1989), 20-26). Eine Bildfusion kann so über den Stereotaxie- Rahmen ermöglicht werden.

Besonders bei komplexen Frakturen des Gesichts- und Hirnschädels, tumorösen Veränderungen oder Dysmorphien im Kopf und Halsbereich dient die computergestützte dreidimensionale Visualisierung der Operationsplanung und die intraoperativen Navigation durch computergesteuerte oder manuelle Systeme. Solche seit Mitte der 1980er Jahre dem Operateur zur Verfügung stehende Navigationssysteme ermöglichen es, die Position eines Operationsinstruments im Operationsfeld anzuzeigen (Roberts, D. W., J. W. Strohbein, J. F. Hatch, W. Murray, H. Kettenberg. A frameless strereotactic integration of computerized tomographic imaging and the operating microscope. J. Neurosurg. 65 (1986), 545-549; Watanabe, E. T. Watanabe, S. Manaka, Y. Mayanagi, K. Tanakura. Three-dimensional digitizer (neuronavigator): new equipment of computedtomography-guided stereotactic surgery. Surg. Neurol. 27 (1987), 543-547; Kosugi, Y., E. Watanabe, J. Goto, T. Watanabe, S. Yoshimoto, K. Takakura, J. Ikebe. An aticulated neurosurgical navigation system using MRI and CT images. IEEE Trans. Biomed. Eng. 35 (1988), 147-152; Adams, L., A. Knepper, W. Krybus, D. Meyer-Ebrecht, G. Pfeifer, R. Ruger, M. Witte. Orientation aid for head and neck surgeons. Innov. Tech. Biol. Med. 13 (1992), 410-424; Mösges, R. Computergestützte Chirurgie (CAS) der Schädelbasisregion. Ergänzunh, Revolution oder Science-fiction? Eur. Arch. Otorhinolaryngology 250 (1993), 373-383; Reinhart, H. F., G. A. Horstmann, O. Gratzl. Sonic stereometry in microsurgical procedures for deep-eated brain tumors and vascular malformations. Neurosurgery. 32 (1993), 51-57), wobei sowohl eine präoperative Simulation als auch intraoperative Navigation der Instrumente ermöglicht wird, so daß kleine und tiefsitzende Läsionen z. B. im Gehirn zielsicher aufgesucht werden können. Ein weiteres Beispiel sind operative Eingriffe auf dem Gebiet der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, bei denen mit Hilfe eines Navigationssystems beispielsweise sicher zwischen den Grenzen der Nebenhöhlen und dem Gehirn unterschieden werden kann. Damit ist ein weiterer Schritt in der Patientenaufklärung durch Visualisierung der geplanten Operation gegeben, aber auch in der Qualitätssicherung des Operationsergebnisses durch eine intraoperativ jederzeit durchzuführende Positionsbestimmung von Instrumenten, Geweben oder Implantaten.

Navigationssysteme, die mit unterschiedlichen Tracking-Verfahren arbeiten, sind bekannt. Beispielsweise soll hier auf die Patentschriften DE 199 09 816 und US 6,071,288, hiermit in ihrer Gänze als Referenz aufgenommen, verwiesen werden. Bei den bekannten Systemen wird zunächst präoperativ eine Bildaufnahme von der Anatomie bzw. dem Gehirn des Probanden bzw. Patienten angefertigt. Über ein Tracking-System mit optischem Sensor besteht dann die Möglichkeit, unter Nutzung der präoperativ gewonnenen Bilddaten auf einem Monitor Schnitte oder Ansichten des Kopfes darzustellen. Voraussetzung einer genauen Positionsbestimmung während der Operation sind Referenzierungsmerkmale. Beim präoperativen Scannen mittels Computer- und/oder Kernspintomographie werden zur Koordinatenzuordnung entweder anatomische Merkmale oder sogenannte Fiducial-Marker benutzt, auf der Schädeloberfläche des Patienten befestigte, in ihrer Lage unbewegliche Markierungspunkte. Diese Referenzierungsmerkmale dienen zum Lokalisieren der Aufnahmen unter Beachtung der jeweiligen räumlichen Orientierung.

Bisher bekannte Fiducials, d. h. Markierungseinrichtungen zum Erstellen von Bilddaten mittels Kernspin- und/oder Computertomographie bzw. zur Positionserfassung der Lage eines Probanden und Koordianten-Zuordnung bei chirurgischen Eingriffen mit Unterstützung eines Navigationssystems besitzen eine relativ große räumliche Ausdehnung und führen zu unangenehmen Behinderungen des Patienten, insbesondere bedingt durch den zeitlichen Abstand zwischen den Kernspin- und Computertomographie-Aufnahmen einerseits und dem späteren operativen Eingriff andererseits. Zur Koordinaten-Zuordnung müssen nämlich die Fiducials am Kopf des Patienten verbleiben, was verständlicherweise unangenehm ist.

Bekannte Neuro-Navigationssysteme operieren in Verbindung mit einem den Kopf des Patienten umspannenden Rahmen, der den Kopf fest umschließt und für die Bestimmung der dreidimensionalen Lage eines Punktes nötig ist. In der Patentschrift US 5,230,623, hiermit in seiner Gänze als Referenz aufgenommen, wird ein solcher Rahmen beschrieben, der nicht direkt am Kopf befestigt wird, sondern bei dem eine Biss-Platte zur Arretierung und Zentrierung des Kopfes benutzt wird. Eine ähnliche Ausführung ist in der Schrift US 5,549,616, hiermit in seiner Gänze als Referenz aufgenommen, beschrieben, wo eine indirekte, d. h. im Labor gefertigte Mundplatte, die durch den Abdruck des Oberkiefers geformt wird, für die akkurate und reproduzierbare Positionierung des Kopfs eines Patienten in einer Halterung für stereotaktische Operationen sorgt. Es ist einem Fachmann deutlich, daß ein den Kopf des Patienten umschließender Rahmen für den Chirurgen hinderlich ist, da nicht alle Positionen am Kopf erreichbar oder frei zugänglich sind und bestimmte operative Zugänge nicht möglich sind.

Es wurde daher versucht, rahmenlose Navigationstechniken zu entwickeln, die dem Chirurgen mehr Handlungsspielraum erlauben, aber die selbe Genauigkeit in der Bildgebung besitzen. Bei diesen Methoden werden oft Implantate oder Knochenschrauben als "hervorstechende Merkmale" verwendet (Maciungs, R. J., L. R. Galloway, Jr., L. Latimer, C. Cobb; E. Zacharias, A. Moore, V. R. Madava. An independent application accuracy evaluation of stereotactic frame systems. Stereotact. Func. Neurosurgery 58 (1992), 103-107; Maciungs, R. J., L. R. Galloway, JrJ. M. Fitzpatrick, V. R. Madava, C. A. Edwards, G. S. Allen. A universal system for interactive image-directed neurosurgery. Stereotact. Func. Neurosurgery 58 (1992), 108- 113; Burtscher, B. R. J., M. A. Rieger, M. Giacomuzzi, A. Obwegeser, A. Daessel, C. Walch, W. Jaschke. Application of the Vogele-Bale-Hohner (VBH) head holder in computer assisted neurosurgery. In:: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.): CARS '99: Computer Assisted Radiology and Surgery. Proceedings of the 13^th international Congress and Exhibition, Paris, June 23-26, 1999. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo, (1999), p 686- 690) sowie nicht-invasive Marker, die auf die Hautoberfläche aufgeklebt werden (Haller, J. W., K. Smith, T. Ryken, J. Caplan, M. W. Vannier. Validation of an image-guided surgical navigation system. In: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.): CARS '99: Computer Assisted Radiology and Surgery. Proceedings of the 13^th international Congress and Exhibition, Paris, June 23-26, 1999. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo, (1999), p 711-714; Glossop, N., H. Richard, G. Dix, Y. Behairy. Registration methods for percutaneous image guided spine surgery. In: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.): CARS '99: Computer Assisted Radiology and Surgery. Proceedings of the 13^th international Congress and Exhibition, Paris, June 23-26, 1999. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo, (1999), p 746-750). Die Hautmarker konnten in den unterschiedlichen radiologischen Bildsätzen wiedererkannt und durch Überlagerungstechniken fusioniert werden (Matching). Die Marker werden auf dem Bilddatensatz via Mausklick wiedergefunden und können im OP-Saal angefahren werden. Die Verwendung künstlicher Referenzierungs-Marker hat jedoch den Nachteil, daß Datensätze nur dann überlagert werden können, wenn zwischen den Aufnahmen keine Veränderungen an den Markern vorgenommen wurden. Bedingt durch die "Verschieblichkeit" der Haut war eine exakte Überlagerung bei dieser Art der Markierung nur bedingt möglich (Gutrie, B. L., and J. R. Adler. Computer­ assisted preoperative planning, interactive surgery and frameless stereotaxy. Clin. Neurosurg. 38 (1992), 112-131; Laborde, G., J. Gilsbach, A. Harders, L. Klimek, R. Mösges, W. Krybus. Computer-assisted localizer for planning of surgery and intraoperative orientation. Acta Neurochir. Suppl. 119 (1992), 166-170; Takizawa, Isocentric stereotactic three-dimensional digitizer for neurosurgery. Stereotact. Funct. Neurosurg. 60 (1993), 175-193; Sandemann, D. R., N. Patel, C. Chandler, R. J. Nelson, H. B. Coakham, H. B. Griffith. Advances in image­ directed neurosurgery: preliminary experience with the ISG viewing Wand compared with the Leksell G frame. Br. J. Neurosurg. 8 (1994), 529-544). Bis heute ist nicht davon auszugehen, daß die Hautposition während der Bildaufnahme im CT oder MRT der Hautposition auf dem OP-Tisch entspricht (Haßfeld, S. Rechnerunterstützte Planung und intraoperative Instrumentennavigation in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie - eine experimentelle und klinische Studie. Quintessenz, Berlin, 2000). Zunehmende Rechnerleistung resultierte in erhöhter Ortsauflösung, was die Nutzung "natürlicher", d. h. anatomischer, Landmarken erlaubte (Arun, K. S. Least-square fitting of two 3-D point sets. IEEE Trans. On pattern analysis and machine intelligence 9 (1987), 698-700; Boesecke, R., T. Bruckner, G. Ende. Landmark based correlation of medical images. Phys. Med. Biol. 35 (1990), 121-126; Rohr, K. On 3-D differential operators for detecting point landmarks. Image and Vision Computing 15 (1997), 219-233). Flächenförmige Landmarken, z. B. der vordere Stirnanteil oder die Gehirnoberfläche mit bestimmten Krümmungsmerkmalen, wurden bei zunehmender Rechnerleistung ebenfalls als geeignete Lokalisationsmerkmale geprüft (Straster, K. C. Anatomical landmark image registration: validation and comparison. In: CVRMed-MRCAS '97, Springer (1997), 161-170; Frantz, S. Multi-step procedure for the localization of 2-D and 3-D point landmarks and automatic ROI size selection. In: Proc. ECCV 9, Vol. I, Springer (1998), 687-703; Frontz, S. Reducing false detections in extracting 3-D anatomical point landmarks. In: Proc. 3^rd Workshop Bildverarbeitung für die Medizin. Springer (1999), 54- 59; Hartkens, T. Performance of 3-D differential operators for the detection of anatomical point landmarks in MR and CT images. In: Proc. SPIE '99 Internat. Symp. Medical Imaging: Image Processing. in press). Problematisch gestaltet sich selbst in der hochauflösenden CT die Darstellung sehr dünner, lamellärer Knochenstrukturen (z. B. die mediale Orbitawand), die in der Folge im dreidimensional rekonstruierten Bilddatensatz nicht exakt dargestellt werden können. Anatomische Landmarken zur Registrierung der 3-dimensionalen Position erwiesen sich daher als zu ungenau. Abweichungen von bis zu 5 mm wurden beobachtet (Horstmann, G. A. und H. F. Reinhardt. Ranging accuracy test of the sonic microstereometric system. Neurosurgery 34 (1994), 754-755; McDermott, M. W. und P. H. Guthin. Image guided surgery for skull base neoplasmas using the ISG viewing Wand. NEUROSURG: Clin. N. Am. 7 (1996), 285.295; Kondziolka, D. und L. D. Lunsford. Intraoperative navigation during resection of brain metastases. Neurosurg. Clin. N. Am. 7 (1996), 267-277).

Bei all den genannten Verfahren muß der Operateur manuell oder halbautomatisch aus den Bilddatensätzen operationsrelevante Areale am Computerbildschirm extrahieren bzw. übereinander lagern. Aktuelle Tendenzen zielen deshalb auf automatisierte Matching- Verfahren. Die "Tomogramm-Transformation" geschieht dabei auf der Grundlage grauwertbasierter Algorithmen, bei der homogene Regionen unterschiedlicher Bilddatensätze übereinander gelagert werden (Eldeib, A, A. A. Farag, T. Moriarty, ibid.; Jannin, P., Ch. Grova, D. Schwartz, Ch. Barillot, B. Gibaud, ibid.; Rohlfing, T., J. Beier, R. Graf, M. Wolf, P. Wust, R. Felix. Automated integration of CT, MRI and PET for planning and dose distribution computation in raiation therapy. In: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.) CARS '99, Computer Assisted Radiology and Surgery. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo (1999), p. 279-283). Die früher noch mehrere Stunden andauernden Rechenoperationen (Collignon, A., D. Vandenmeulen, P. Suetens, G. Marchal.

3-D multi-modality medical image registration using feature space clustering. In: Ayache, N. (ed.) Computer Vision, Virtual Reality and Robotics in Medicine. Proceedings First Internat. Conference, CVRMed '95. Nice, France April 3-6, 1995. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, London, Tokyo (1995), p. 195-204) können mit zunehmender Rechnergeschwindigkeit heute in Minuten abgewickelt werden.

Auf der Basis der rahmenlosen Navigations- und Lokalisationstechniken (Computer Assisted Surgery) ist es dem Operateur möglich, die Position der von ihm geführten Instrumente (Pointer, Skalpell, Endoskop o. a.) auf dem dreidimensional rekonstruierten Bilddatensatz des jeweiligen Patienten in "real time" auf dem Computerbildschirm darzustellen. Ebenfalls ist es möglich, pathologische oder anatomische Strukturen im Operationssitus festzulegen. Auch hier werden Marker zur Korrelation von räumlicher Patientenanatomie und dreidimensional rekonstruierter Anatomie des Bilddatensatzes eingesetzt. Zur Navigation wurden zunächst positionsfühlende Gelenkarme entwickelt (Watanabe, ibid. 1987; Legett, W. B., M. M. Greenberg, W. E. Gannon, D. Dekel, C. J. Gabe. Surgical Technology. The Viewing Wand: A new system for three-dimensional coputed tomography-correlated intraoperative localization. Curr. Surg. 48 (1991); Adams, ibid. 1991; Zamorano, L., A. M. Kadi, A. Dong. Computer­ assisted neurosurgery: simulation and automation. Stereotact. Funkt. Neurosurg. 59 (1992), 115-122; Zinreich, S. J., S. A. Tebo, D. M. Long, H. Brem, D. E. Mattox, M. E. Loury, C. A. von der Kolk, W. M. Koch, D. W. Kennedy, R. N. Bryan. Frameless stereotactic integration of CT imaging data: acuracy and initial applications. Radiology 188 (1993), 735-742). Der 1987 von Watanabe vorgestellte "Neuronavigator" zeigte mit Hilfe eines positionsfühlenden Gelenkarms eine Genauigkeit von ⇐ 2,5 mm. Weitere experimentelle Systeme wurden von Kosugi, Kwoh, Lavallee, Galloway, Laborde, Klimek, Koivukangas und Takizawa (Kosugi, ibid. 1988; Kwoh, Y. S., J. Hou, E. Jonckheere, S. Hayati. A robot with improved absolute positioning accuracy for CT guided stereotactic surgery. Trans. Biomed. Eng. 35 (1988), 153- 161; Lavallée, S., P. Clinquin. IGOR: Image Guided Operating Robot. 5^th Int. Conf Advanced Robotics, Pisa, Italy 1991; Galloway R. L., R. J. Macinuas, C. A. Edwards. Interactive image­ guided neurosurgery. IEEE Trans. Biomed. Eng. 39 (1992), 1226-1231; Laborde, ibid. 1992; Klimek, ibid. 1992; Koivukangas, D., Y. Louhisalmi, J. Alakuijala, J. Oikarinen. Ultrasound­ controlled neuronavigator guided brain surgery. J. Neurosurg. 79 (1992), 36-42; Takizawa, ibid. 1993) vorgestellt. Das erste kommerzielle System war das Viewing Wand-System der Firma ISG, das ab 1993 zunehmend in der Neurochirurgie Eingang fand (Hassfeld, ibid. 2000). Die Genauigkeit wird im Bereich von 2-4 mm angegeben (Mösges, ibid. 1993; Sandemann, ibid. 1994; Peters, T. M., C. J. Munger, A. M. Takahashi, A. C. Evans, B. Davey, A. Olivier. Integration of stereoscopic DAS and 3D MRI for image guided neurosurgery.

Comput. Med. Imaging Graph. 18 (1994), 289-299; Golfinos, J. G., B. J. Fitzpatrick, L. R. Smith, R. F. Spitzler. Clinical use of a frameless stereotactic arm: results of 325 cases. J. Neurosurg. 83 (1995), 197-205; Nabavi, A., G. Manthei, U. Blömer, L. Kumpf, H. Klinge, H. M. Mehdorn. Neuronavigation - Computergestütztes Operieren in der Neurochirurgie. Radiologie 35 (1995), 573-577; Otsubo, H., P. A. Hwang, A. Hunjan, D. Armstrong, S. Holowka, J. M. Drake, H. J. Hoffmann. Use of frameless stereotaxy with location of electroencephalographic electrodes of three-dimensional computed tomographic images in epilepsy surgery. J. Clin. Neurophysiol. 12 (1995) 363-371; Pollack, I. F., A. L. Albright, P. D. Adelson, C. R. Fitz. The role of frameless stereotactic techniques in the treatment of mepiatric CNS lesions. Pediatr. Neurol. 13 (1995), 209-216; Carney, A. S., N. Patel, D. L. Baldwin, H. B. Coakham, D. R. Sandeman. Intraoperative image guidance in otolaryngology - The use of the ISG viewing wand. J. Laryngol. Otol. 110 (1996), 322-327; Kondziolka, ibid. 1996; McDermott, ibid. 1996; Oliver, A., M. Alonso-Vanegas, R. Corneau, T. M. Peters. Image­ guided surgery of epilepsy. Neurosurg. Clin. N. Am. 7 (1996), 229-243). Der 1996 von Troccaz und Delnondedieu (Troccaz, J. Y. Delnondedieu. Semi-active guiding systems in surgery. A two-dof prototype of the passive arm with dynamic constrains (PADyC). Mechanotronics 6 (1996), 399-431) vorgestellte "Padyc", ein semiaktiver Roboter mit mechanischem Arm und der Möglichkeit der Bewegungseinschränkung auf ein bestimmtes Zielvolumen, ermöglichte die intraoperative Aussparung hochrisikobehafteter Regionen (Hassfeld, ibid. 2000).

Automatisiert-navigierte computergestützte Gelenkarme und Roboter, d. h. selbständig operierende Systeme sind zur Zeit in der experimentellen Phase (Taylor, R. H. An image­ directed robotic system for precise orthopedic surgery. IEEEE Trans. Robotics Automation 10 (1994), 261-275; Lueth, T. C., A. Hein, J. Albrecht, M. Demirtas, S. Zachow, E. Heissler, H. Klein, H. Menneking, G. Hommel, J. Bier. A surgical robot system for maxillofacial surgery. IEEE Int. Conf. On industrial electronics, control and instrumentation (IECON) Aachen, Aug 31-Sept 4, 1998, 2470-2475) und klinischen Erprobung (Hein, A., T. C. Lueth, J. Bier, G. Hommel. A robotic retractor hook holder. In: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.) CARS '99, Computer assisted radiology and surgery. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo (1999), p. 823-827).

Zusammenfassend ist festzuhalten, daß mit Hilfe eines Meßarms gelenkte Systeme bedingt durch die Zwangsführug immer im Einsatz limitiert bleiben. Konstruktionsbedingt beengen sie zudem das oft schon reduzierte Platzangebot am Operationstisch.

Im Gegensatz zu den mechanisch gekoppelten Navigationssystemen wurden in neuerer Zeit auch armlose, freie Systeme entwickelt, die nach dem Prinzip der Satellitennavigation, z. B. ultraschall-, magnetfeldbasiert oder auch optisch, arbeiten (Nitsche, N., M. Hilbert, G. Strasser, H. P. Tümmler, W. Arnold. Einsatz eines berührungsfreien computergestützten Orientierungssystem bei Nasennebenhöhlenoperationen. Technische Grundlagen der Sonarstereometrie. Otorhinolaryngol. Nova 3 (1992), 173-179; Barnett, G. H., D. W. Kormos, C. P. Steiner, J. Weisenberger. Intraoperative localization using an armless, frameless stereotactic Wand. Technical note. J. Neurosurg. 78 (1993), 510-514; Reinhardt, ibid. 1993; Buchholz, R. D., K. R. Smith, C. Baumann, L. McDumont, D. Schulz. Intraoperative localization with an optical digitizer. Stereotact. Funct. Neurosurg. 63 (1994), 100).

Instrumentennnavigationssysteme auf Ultraschallbasis wurden erstmals in Form eines stereotaktischen Operationsmikroskops von Roberts (Roberts, ibid. 1986) vorgestellt. Die Lokalisation basierte dabei in erster Linie auf Wegstreckenmessungen. Ausgehend von den Operationsinstrumenten, die in aller Regel den Ultraschall-Sender tragen, geht der Impuls zu Empfängern, die im Operationssaal verteilt sind. Die intraoperative Genauigkeit wird mit 2-5 mm angegeben (Reinhardt, H. F., G. A. Horstmann, O. Gratzl. Mikrochirurgische Entfernung tiefliegender Gefäßmißbildungen mit Hilfe der Sonar-Stereometrie. Ultraschall Med. 12 (1991), 80-84; Barnett, ibid. 1993; Horstmann, ibid. 1994; Kalfas, I. H., D. W. Kormos, M. A. Murphy, R. L. McKenzie, G. H. Barnett, G. R. Bell, C. P. Steiner, M. B. Trimble, R. T. Weisenberger. Application of frameless stereotaxy to pedicle screw fixation of the spine. J. Neurosurg. 83 (1995), 641-647; Barnett, 1996)). Systembedingt kommt es zu Genauigkeitsabweichungen durch Temperatur- oder Luftbewegungen, weshalb diese Form der Navigation bislang kaum verwendet wird (Hassfeld, ibid. 2000).

Bei der Magnetfeld-basierten Lokalisation basiert die Navigation auf Änderungen der Feldstärke von an Instrumenten angebrachten Elektromagneten. Entsprechende Systeme wurden von Kato (Kato, A., T. Yoshimine, T. Jayakawa, Y. Tomita, T. Ikeda, M. Mitomo, K. Harada, H. Mogami. A frameless, armless navigation system for computer assisted neurosurgery. Technical note. J. Neurosurg. 74 (1991), 845-849), Manwaring (Manwaring, K. H., M. L. Manwaring, S. D. Moss. Magnetic field guided endoscopic dissection through a burr hole may avoid more invasive craniotomies. Acta Neurochir. Suppl 61 (1994), 34-39) und Wagner (Wagner, A. O. Ploder, G. Enslidis, M. Truppe, R. Ewers. Virtual image guided navigation in tumor surgery - technical innovation. J. Craniomaxillofacial Surg. 23 (1995), 271-273; Wagner, A. O. Ploder, G. Enslidis, M. Truppe, R. Ewers. Image-guided surgery. Int. J. Oral; axillofacial Surg. 25 (1996), 147-151) vorgestellt. Die klinische Genauigkeit wird wie bei anderen Navigationssystemen im Bereich von 2-4 mm angegeben. Abweichungen von der Genauigkeit sind vor allem durch elektromagnetische Störfelder - im OP insbesondere durch große Metallmassen - schwer auszuschließen.

Optische Navigationssysteme haben sich auf Grund der technischen Präzision und der fehlenden Beeinflussung durch die Umgebungsbedingungen im Operationssaal in Form der Infrarotlicht-basierenden Navigationstechnik durchgesetzt. Die Navigationsinstrumente enthalten Infrarotlicht-emitierende Dioden. Die Empfängerkameras sind entweder einzeln oder als Balkenempfänger im OP-Saal angebracht (Heilbrunn, M. P., P. McDonald, C. Wiker, S. Koehler, W. Peters. Stereotactic localization and guidance using a machine vision technique. Stereotact. Funct. Neurosurg. 58 (1992), 94-98; Reinhardt, ibid. 1993; Smith, K. R., K. J. Frank, R. D. Buchholz. The Neurostation - A highly accurate, minimally invasive solution to frameless stereotactic neurosurgery. Comput. Med. Imaging Graph. 18 (1994), 247-256; League, D. Interactive, image-guided, stereotactic neurosurgery systems. AORNJ 61 (1995), 360-370; Westermann, B., M. Trippel, H. Reinhart. Optically-navigable operating microscop for image guided surgery. Minim. Invasive Neurosurg. 38 (1995), 112-116; Nomura, T., E. Kobayashi, K. Masamung, I. Sakuma, T. Dohi, H. Iseki, K. Takakura. In: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.) CARS '99, Computer Assisted Radiology and Surgery. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo (1999), 813-822). Die Systemgenauigkeit wird mit unter 1 mm angegeben, die intraoperative Genauigkeit am Patienten mit 2 bis 4 mm (Germano, I. M. The NeuroStation system for image guided, frameless stereotaxy. Neurosurg. 37 (1995), 348-350; Buchholz, R. D., D. J. Greco. Image guided surgical techniques for infections and trauma of the nervous system. Neurosurg. Clin. N. Am. 7 (1996), 187-200; Foley, K. T., M. M. Smith. Image guided spine surgery. Neurosurg. Clin. N. Am. 7 (1996), 171-186; Krückels, G., B. Korves, L. Klimek, R. Mösges. Endoscopic surgery of the rhinobasis with computer assisted localizer. Surg. Endosc. 10 (1996), 453-456; Macunias, R. J., M. S. Berger, B. Copeland, M. R. Mayberg, R. Selker, G. S. Allen. A technique for interactive image-guided neurosurgical intervention in primary brain tumors. Neurosurg. Clin. N. Am. 7 (1996), 245-266; Nolte, L. P., H. Visarius, E. Arm, F. Langlotz, O. Schwarzenbach, L. Zamorano. Computer-aided fixation of spinal implants. J. Image Guided Surg. 1 (1995), 88-93; Reinhardt, H. F. Neuronavigation: A ten-year review. In: Taylor, R. H., Lavalee, S., Burdea, B. C., Mösges, R. (eds.) Computer-integrated Surgery. MIT Press, Cambridge (MA), London (1996), 663-671). Bei der Verwendung eines optischen Navigationssystems und Referenzierung über die in dieser Schrift offenbarte individuelle Bißschiene kann eine intraoperative Genauigkeit von 0,9-1,2 mm (Schramm, A., N.-C. Gellrich, H. Buitrago-Téllez, H. Frommhold, R. Schmelzeisen. Computer assisted treatment of maxillofacial tumors. J. Craniomaxillofac. Surg. 26 (1998),; Schramm, A., N.-C. Gellrich, R. Schön, R. Schimming, R. Schmelzeisen. Advantages of computer assisted surgery in the treatment of craniomaxillofacial tumors. In: Lemke, H., Inamura, K., Vannier, M. W., Farmann, A. G. (eds.) CARS '99, Computer Assisted Radiology and Surgery. Elsevier, Amsterdam, New York, Tokyo (1999), 903-907; ) erzielt werden. Eine Reihe von kommerziellen Navigationssystemen wird angeboten: z. B. das Flash-Point-3D-Localizr- System der Firma Pixsys (Boulder, CO, USA), das Optotrac-System der Fa. Northern Digital (Waterloo, Ont., Canada) und das SPOCS-System der Fa. Aesculap (Tuttlingen, BRD), sowie das von uns verwendete STN-System der Fa. Zeiss (Oberkochem, BRD) und Fa. Image­ guided Technologies (Florida, USA).

Die Genauigkeit rahmenloser Navigationssysteme wird überwiegend im Bereich von 3-5 mm angegeben (Barnett, ibid. 1993; Mösges, ibid. 1993; Reinhardt, ibid. 1993; Sandemann, ibid. 1994; Zamorano, L., Z. Jliang, A. M. Kadi. Computer-assisted neurosurgery system: Wayne State University hardware and software configuration. Comput. Med. Imaging Graph. 18 (1994), 257-271). Angestrebt wird aus chirurgischer Sicht ein Bereich von < 2 mm. Die Präzision derartiger Systeme ist aus Gründen der Verschieblichkeit im Knochen und im knochennahen Bereich wesentlich größer als im Weichgewebe (Sandemann, ibid. 1994).

Die Schriften US 5,588,430 und US 5,954,647 beschreiben eine Methode für die reproduzierbare Koordinaten-Festlegung für medizinische Verfahren, die auf einer Biss-Platte beruht, die Fiducial-Marker trägt. Die Biss-Platte wird nach Abdrucknahme speziell für den Patienten in mehreren Schritten im Labor angefertigt, paßt daher genau auf die Zähne des Patienten und wird wiederholt bei der Durchführung verschiedener bildgebender Verfahren bzw. während dem chirurgischen Eingriff getragen. Die Bestimmung von anatomischen oder anderen Besonderheiten ist dadurch in einer bekannten Position relativ zu den auf der Biss- Platte angebrachten Fiducial-Markern. Die Anfertigung dieser in diesen Schriften beschriebenen Biss-Platte ist Zeit- und persolalintensiv und erfordert den Zugriff auf ein zahntechnisches Labor. Im Fall eines Abformungsfehlers ist die Platte nicht einsetzbar und die Anfertigung eines Ersatzes dauert lange. Ein ungelöstes Problem stellt bei der in diesen Schriften beschriebenen Methode die Platten-Fixation bei Patienten mit zahnlosen Kiefern, da für diese keine Biss-Platte angefertigt werden kann.

Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine rahmenlose Halterung für Referenzierungsmarker (Navigationsschiene) oder Fiducials zum Erstellen von Bilddaten für eine Datenbank mittels Kernspin-, Computertomographie oder anderen bildgebenden Techniken zu schaffen, die gleichzeitig zur reproduzierbaren hochgenauen Positionserfassung der Lage eines Patienten und Koordinatenzuordnung bei chirurgischen Eingriffen dient ohne daß durch die geforderte reproduzierbare Anbringung der Markierungseinrichtung präoperativ bis hin zur Operation Nachteile für den Patienten entstehen.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Referenzierungssystem zu schaffen, durch das das Operationsfeld nicht eingeschränkt bzw. die Tätigkeit des Operateurs nicht behindert wird.

Letztendlich ist es Aufgabe der Erfindung, eine Navigationsschiene zu schaffen, die auf unterschiedliche Kieferverhältnisse anpaßbare ist.

Die hier vorgestellt konfektionierte Navigationsschiene löst diese Aufgaben und führt zur Lösung andere noch zu beschreibende Probleme.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt hinsichtlich der konfektionierten Navigationsschiene gemäß der Definition des Patentanspruchs 1; bezüglich des Einsatzes in einem medizinischen Verfahrens nach den Merkmalen des Patentanspruchs X.

Die Unteransprüche stellen dabei mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des jeweiligen Erfindungsgegenstandes bzw. des Einsatzes dar.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke bezüglich des Referenzierungssystems zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen im Kopf und Halsbereich besteht in der Fortbildung bekannter Lösungen dergestalt, daß in Abwandlung eines aus der Zahnheilkunde bekannten Abdrucklöffels eine Navigationsschiene entwickelt wird, die an der Aussenseite mit mindestens vier Basis-Elementen zur Befestigung von Fiducials versehen wird, die in definierter XYZ-Achse angeortnet sind.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 die konfektionierte Form einer Oberkiefer-Navigationsschiene mit angebrachten Fiducials.

Fig. 2 Ausführung der Navigationsschiene als Mundvorhofschiene

Für die präoperative Planung und intraoperative Kontrolle brauchen Navigationssysteme möglichst genaue Bilddaten der anatomischen Strukturen des Patienten. Diese Bilddaten werden entweder durch Computertomographie, Kernspintomographie und/oder andere bildgebende Verfahren bereitgestellt.

Copmutertomographische Darstellungen sind dann vorteilhaft, wenn es sich um Abbildung von knöchernen Strukturen handelt. Für die Darstellung von Weichteilen, z. B. des Gehirns, wird bevorzugt die Kernspintomographie angewandt. Zur Aufnahme und zur nachträglichen Positionserfassung werden sogenannte Marker am Kopf des Patienten angebracht. Die Marker weisen einen Stoff auf, welcher je nach angewandtem Tomographieverfahren für eine ausreichende Kontrastdarstellung und damit Erkennbarkeit der Marker sorgt.

Nach einem Datentransfer über ein lokales Netzwerk oder entsprechende Speichermedien werden die diditalisierten Aufnahmen automatisiert weiterverarbeitet, wobei das ziel dieser Aufarbeitung oder Bildbearbeitung darin besteht, eine 3D-Darstellung des zu operierenden Bereiches möglichst authentisch zu erreichen, um den Chirurgen bereits vor dem Eingriff in die Lage zu versetzen, die Operation zu planen und diese minimalinvasiv zu gestalten. Über Segmentierungsschritte wird durch Anwendung mathematischer Verfahren die Möglichkeit geschaffen, bestimmte anatomische Strukturen aus den Summendatensätzen herauszuarbeiten. Für die Navigation ist es dann erforderlich, eine Verbindung zwischen dem erhaltenen virtuellen Bild, welches sich aus den digitalisierten Daten erstellen läßt, und dem realen Objekt im Operationssaal herzustellen.

Hierfür werden eindeutige Positionen benötigt, welche sich sowohl im realen als auch im virtuellen System positionsgenau wiederfinden. Um derartige Positionen zu bestimmen, werden zusätzliche Marker verwendet, welche als Referenzpunkte dienen. Die Marker befinden sich in derselben Umgebung wie diejenigen, welche für die MR- oder CT- Aufnahmen Verwendung fanden.

Aus vorstehend genannten Gründen bedürfen intraoperative Navigationsverfahren Referenzpunkte bzw. Marker oder Fiducials. Diese Marker bestehen aus Materialien, die sich bei der Kernspin- oder Computertomographie und/oder anderen bildgebenden Verfahren nachweisen lassen. Unter Beachtung der erforderlichen Präzision, aber auch bei Berücksichtigung der Hautverschiebung wurden Markersysteme bekannt, die durch Verschraubung am Schädelknochen fixiert werden. Alternativen bestehen in dem Einsatz von Gebißschienen, die der Patient während der Untersuchung bei der Tomographie und auch im Operationssaal fest im Mund halten muß. Derartige Methoden sind mit einem hohen finanziellen und zeitlichen Aufwand verbunden und in ihrer Anwendung für den Patienten äußerst unangenehm. Das Einschrauben von Markern kann auf Grund der hiermit verbundenen invasiven Handlung im Regelfall nur von einem Arzt durchgeführt werden, was die Kosten weiter erhöht.

Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wurde daher eine spezielle Markierungseinrichtung zum Erstellen von Bilddaten für eine Datenbank mittels Tomographie einerseits sowie andererseits zur Positionserfassung der Lage eines Probanden und Koordinaten-Zuordnung beim chirurgischen Eingriff geschaffen. Die neuen Navigationsschienen sind in vorkonfigurierter Ausführung für den raschen und preisgünstigen Einsatz am Patienten entworfen.

Die Indikation für den Einsatz der neuen Navigationsschiene ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Für voll-bezahnte bzw. geringfügig lückenhafte Kieferverhältnisse empfiehlt sich die Oberkieferschiene wie in Abb. 1 dargestellt. Die Navigationsschiene liegt in Anlehnung an handelsübliche Abgußlöffel in verschiedenen Größen vor, die eine Anpassung an die Ausprägung des Zahnbogens des Patienten erlauben: für den kindlichen Oberkiefer die schmale Form sowie für den in zunehmendem Maße breiter gestalteten Erwachsenenoberkiefer die größeren vorgefertigten Löffel. Die Grundform der Navigationsschiene ist dem Oberkiefer-Abdruck-Löffel nachempfunden und sollten vornehmlich aus dem Fachmann bekannten Kunststoff-Materialien gefertigt sein, die nicht Röntgen-opak sind, damit es bei radiologischen Darstellungen nicht zu Artefakt-Bildung kommt. Für die Herstellung dieser Kunststoff-Abrucklöffel bieten sich, wie dem Fachmann bekannt, unterschiedliche, von dem verwendeten Kunststoff abhängige, Techniken an, vorzugsweise das Spritzgußverfahren. Löffelbasis (100) und Löffelgriff (101) sollten aus demselben Material hergestellt sein. Zur besseren Adhäsion soll der Löffel Perforationslöcher (102) enthalten. An die Außenseite des Abdrucklöffels sind, nicht notwendigerweise symmetrisch eine Mehrzahl, mindestens drei, aber nicht mehr als zehn, vorzugsweise vier bis sechs, Rastknöpfe (103) angebracht für die Anbringung der Tomographie-Marker (104).

Die eigentliche Markierungssubstanz wird von einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse, welches leicht handhabbar ist, aufgenommen. Der Gehäuseboden weist bevorzugt eine konkave Form oder einen Rücksprung auf, wobei am Gehäuseboden eine im wesentlichen zentrische Rastaufnahme oder bezogen auf den Rastknopf ein Rastgegenstück angeordnet ist. Durch die Patentschrift US 5 394 457, die hiermit in ihrer Gänze als Referenz aufgenommen wird, sind solche Marker bekannt.

Der Rastknopf einerseits und die Rastaufnahme oder das Rastgegenstück andererseits ermöglichen das einfache Anbringen und Austauschen des zylindrischen Gehäuses mit der Markierungssubstanz.

Die Markierungssubstanz für die bildgebenden Verfahren selbst ist eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein Feststoff, welche(s/r) sich in einem Kugel- oder geschlossenem Zylindergefäß befindet, wobei der Außendurchmesser der Kugel oder des Zylinders im wesentlichen dem Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses mit Rastaufnahme oder Rastgegenstück entspricht. Die verwendete Substanz ist für die bildgebenden Verfahren spezifisch und kann über die Rastknöpfe ausgetauscht werden. Bevorzugt kann die Substanz so gewählt sein, daß sie im Kernspin sowohl im T1- als auch im T2-gewichteten Bild gut sichtbar ist. Gleichzeitig ist die Markierung bevorzugt so gewählt, daß sie über den Kontrastunterschied zwischen der Kugel und dem Gehäuse auch in der Computertomographie gut zu erkennen ist. Auf diese Art kann selbst bei der Wahl der falschen Markierungshilfe noch relativ problemlos jede beliebige, vom Benutzer ausgewählte Markierung auf den CT- oder Röntgenbildern erkannt werden. Diese Maßnahme dient dazu, im Falle einer falsch ausgewählten Markierungshilfe den Patienten nicht nochmals einmessen zu müssen und insbesondere bei der CT- Untersuchung eine zusätzliche Strahlenbelastung zu verhindern.

Die Ausrichtung der Rastknöpfe (103) ist entlang der drei Dimensionen - in der Sagital-, Frontal-, bzw. Horizontalebene - gewählt, vorzugsweise so, daß eine maximale Differenz der jeweiligen Vektoren in den jeweiligen Raumebenen entsteht.

Nach Befestigung der benötigten MRI- oder CT/X-Ray-Marker (104) an den Rastknöpfen (103) kann der Löffel im Patientenmund eingepaßt werden. Herausnehmbarer Zahnersatz mit der Ausnahme von Totalprothesen sollte vorher entfernt werden. Nach Auswahl der geeigneten Löffelgröße erfolgt die kontrollierte Anmischung des Silikon-Abdruckmaterials und der Abdruck.

Die Schienenherstellung wird bevorzugt in der einzeitig-einphasigen Abformtechnik durchgeführt.

Verwendet werden können prinzipiell alle dem Fachmann geläufigen Abdruckmaterialien, insbesondere Putty-Materialien (hochgefüllte Silikone) bzw. klassische Silikone. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kunststoff-Abdrucklöffel mit Hilfe eines dem Fachmann bekannten Polyvinyl-Adhäsivs, beispielsweise ein solches der Fa. ESPE (Seefeld, BRD) für die Aufnahme des A-Silikons vorbereitet. Nach einer von dem Hersteller des Adhäsivs angegebenen Zeitspanne, normalerweise 5 bis 15 Minuten, wird das transparente, hochgefüllte additionsvernetzte Silikon Memosil C. D. in Form des Mixing-Tips-Systems der Fa. Heraeus-Kulzer GmbH & Co. KG, Dormagen (BRG) für die Abdrucknahme auf den Löffel aufgetragen. Nach Positionierung der Navigationsschiene im Munde des Patienten schließt der Patient den Mund. Die Verarbeitungszeit ist dem Fachmann bekannt und beträgt je nach Produkt und Umgebungstemperatur 2-3 Minuten. Wie der Fachmann weiß, ist in der Anfangsphase der Polymerisierung eine Positionskorrektur der Schiene möglich. Während der Abbindephase sollten grobe Bewegungen vermeiden werden. Wie der Fachmann weiß, ist die Abbindephase nach etwa 5 Minuten abgeschlossen. Anschließend kann die Navigationsschiene aus dem Mund des Patienten genommen werden und, nach dem Fachmann geläufiger Desinfektion des Abdrucks im Desinfektionsbad kann bei Bedarf überschüssiges Abdruckmaterial auf dem Fachmann bekannte Art, beispielsweise mit dem Skalpell, entfernt werden. Nach wiederholter Reinigung des Abdrucks kann die Wiedereingliederung des Navigationsabdrucks im Mund des Patienten erfolgen. Die "Paßgenauigkeit" des reponierten Abdrucks wird durch den Untersucher und auch den Patienten beurteilt.

Eine weitere Art der Abdrucknahme ist die einzeitig-zweiphasige Abformung. Diese auch als Doppelmischtechnik (Scholl, R. Die Doppelmischabformung mit "Dimension Penta H" ZMK 10 (1999), Suppl.: S. 5-7) dem Fachmann bekannte Methode kann beispielsweise auf dem Fachmann bekannte Art mit der Produktkombination Dimension Penta H Quick, Dimension Garant L Quick und dem Polyvinyl Siloxane Adhäsive der Fa. ESPE (Seefeld, BRD) durchgeführt werden.

Mit Hilfe der neuen konfektionierten Navigationsschiene kann der Patient nach oder zwischen den Tomographie-Aufnahmen von der konfektionierten Navigationsschiene befreit werden und sich ungehindert bewegen. Für weitere Aufnahmen und zur späteren operativen Behandlung ist die konfektionierte Navigationsschiene positionsgenau wieder einsetzbar und es können spezielle Einmeß-Hilfen im Operationssaal unter Nutzung der an der Schiene befindlichen Rastknöpfe aufgesteckt werden.

Bei Patienten mit gesteigertem Würgereiz oder krankhaften Veränderungen des Gaumens, wie etwa leicht blutenden Hämangiomen, kann auf die in Abb. 2 dargestellte besondere Ausführungsform der Navigationsschiene in Form einer Mundvorhofschiene zurückgegriffen werden.

Die Grundform der Mundvorhofschiene, auch als konfektionierten Navigationsschiene für den unbezahnten Kiefer bildet bezeichnet, ist ein mit Perforationslöchern (202) versehener Mundvorhofschild (200) aus Kunststoff, an dessen Außenseiten ein Griff (201) und, nicht notwendigerweise symmetrisch, eine Mehrzahl, mindestens drei und nicht mehr als zehn, vorzugsweise vier bis sechs, Rastknöpfe (203) angebracht sind für die Anbringung der Tomographie-Marker (204). Die Ausrichtung der Rastknöpfe (203) ist entlang der drei Dimensionen - in der Sagital-, Frontal-, bzw. Horizontalebene - gewählt, vorzugsweise so, daß eine maximale Differenz der jeweiligen Vektoren in den jeweiligen Raumebenen entsteht. Die konfektionierten Navigationsschiene für den unbezahnten Kiefer sollte vornehmlich aus dem Fachmann bekannten Kunststoff-Materialien gefertigt sein, die nicht Röntgen-opak sind, so daß es bei radiologischen Darstellungen nicht zu Artefakt-Bildung kommt. Für die Herstellung dieses Ausführungstyps der Navigationsschiene bieten sich unterschiedliche, dem Fachmann bekannte und von dem verwendeten Kunststoff abhängige, Techniken an, vorzugsweise das Spritzgußverfahren. Während der Abdrucknahme sollte die Prothese zur Bißlagesicherung im Munde des Patienten verbleiben. Die Handhabung der Mundvorhofschiene gleicht der der Navigationsschiene für den bezahnten Kiefer.

Generell empfiehlt sich die Verwendung der Mundvorhofschiene im teil- oder totalprothetisch versorgtem Kiefer. Vor Schienenherstellung sollte sichergestellt sein, daß eine Intubation möglich und operationstechnisch sinnvoll ist.

Patienten mit Dysmorphien des Mittelgesichts oder zahntragender Kieferpartien können ebenfalls mit konfektionierten Navigationsschienen versorgt werden. Eine Löffelanpassung am Gipsmodell, welches in der Regel zur Operationsplanung angefertigt wird, kann hier zur Überprüfung der Löffelgröße, bzw. -extension dienen.

Alles in allem gelingt es mit vorstehender Erfindung, ein Referenzierungssystem anzugeben, welches durch den Einsatz einer konfektionierten Navigationsschiene auf einfache und sichere Weise eine exakte Überlagerung verschiedener durch CT und MR gewonnener Datensätzen eines Patienten ermöglicht. Auf der Basis gebräuchlicher dentaler Abformmaterialien kann die Navigationsschiene jederzeit kurzfristig und Labor-unabhängig gefertigt werden. Durch die einfache Schienenherstellung bleibt die Erzeugung navigationsfähiger dreidimensionaler Bilddatensätze nicht nur auf sekundäre oder langfristig planbare Eingriffe beschränkt, sondern kann auch unmittelbar post-traumatisch oder am bewustlosen bzw. intubierten Patienten durchgeführt werden. Damit stehen dem Operateur schon bei der primären Versorgung des Patienten die Möglichkeiten einer minimal invasiv gestalteten computergestützten oder assistierten Chirurgie zur Verfügung.

Durch den Einsatz der hier offengelegten konfektioneirten Navigationsschienen in ihren verschiedenen Ausführungsformen kann sowohl der zeitliche, personelle als auch materielle Einsatz bei der Vorbereitung zur Gewinnung von 3-D-Datensätzen für die computergestützte oder assistierte Chirurgie im Vergleich mit herkömmlichen Methoden wesentlich reduziert werden.

Claims (13)

1. Träger von Markierungseinrichtungen oder Fiducials zum Erstellen von Bilddaten für eine Datenbank mittels Kernspin-, Computertomographie oder einem anderen bildgebenden digitalen Verfahren sowie zur Positionserfassung der Lage eines Probanden und Koordiantenzuordnung bei chirurgischen Eingriffen mit Unterstützung eines Navigationsgerätes, umfassend einen am Kiefer des Probanden befestigbaren Träger sowie einem in mindestens drei Behältnissen befindliche Kontrast-Markierungssubstanz, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger als konfektionierte Navigationsschiene ausgebildet ist,
die die Kontrast-Markierungssubstanz enthaltenden Behälter austauschbar in in Mehrzahl vorhandene Rastknöpfe an der Außenseite des Trägers befestigt werden,
der Träger wiederholt positionsgenau am Patienten angelegt werden kann.

2. Konfektionierte Navigationsschiene nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger als Oberkieferabdrucklöffel ausgebildet ist
die die Kontrast-Markierungssubstanz enthaltenden Behälter austauschbar in drei bis zehn, vorzugsweise weniger als zehn und besonders bevorzugt vier bis sechs Rastknöpfe an der Außenseite des Trägers befestigt werden,
der Träger wiederholt positionsgenau am Patienten angelegt werden kann.

3. Konfektionierte Navigationsschiene nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger aus röntgendurchlässigem Material hergestellt ist
die die Kontrast-Markierungssubstanz enthaltenden Behälter in vier bis sechs Rastknöpfe an der Außenseite des Trägers entlang der drei Dimensionen - in der Sagital-, Frontal-, bzw. Horizontalebene -, vorzugsweise so, daß eine maximale Differenz der jeweiligen Vektoren in den jeweiligen Raumebenen entsteht, befestigt werden,
der Träger wiederholt positionsgenau am Patienten angelegt werden kann.

4. Konfektionierte Navigationsschiene nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger als Mundvorhofschiene ausgebildet ist
die die Kontrast-Markierungssubstanz enthaltenden Behälter austauschbar in drei bis zehn, vorzugsweise weniger als zehn und besonders bevorzugt vier bis sechs Rastknöpfe an der Außenseite des Trägers befestigt werden,
der Träger wiederholt positionsgenau am Patienten angelegt werden kann.

5. Konfektionierte Navigationsschiene nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger aus röntgendurchlässigem Material hergestellt ist
die die Kontrast-Markierungssubstanz enthaltenden Behälter in vier bis sechs Rastknöpfe an der Aussenseite des Trägers entlang der drei Dimensionen - in der Sagital-, Frontal-, bzw. Horizontalebene -, vorzugsweise so, daß eine maximale Differenz der jeweiligen Vektoren in den jeweiligen Raumebenen entsteht, befestigt werden,
der Träger wiederholt positionsgenau am Patienten angelegt werden kann.

6. Konfektionierte Navigationsschiene nach Patentanspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbringung die Anfertigung eines Zahnabdruckes einschließt um die Navigationsschiene in Register mit den natürlichen, den prothetisch ersetzten Zähnen oder den zahnlosen Kieferabschnitten des Patienten zu bringen und wobei das Wiederanbringen durch den in der Navigationsschiene enthaltenen Abdruck der Zähne, der prothetischen Versorgung oder der zahnlosen Kieferabschnitte des Patienten die Navigationsschiene exakt in die vorherige Position bringt.

7. Eine medizinische Methode, die, nicht notwendigerweise in aufgeführter Folge, die folgenden Schritte enthält:
eine mechanisch freie Referenzierungsschiene mit einer Mehrzahl von Fiducials an dem Patienten in Register zu einem Körperteil des Patienten befestigen;
einen Patienten für ein erstes medizinisches Verfahren positionieren;
ein erstes medizinisches Verfahren durchführen und mittels der Fiducials eine präzise Positionierungsinformation relativ zu zumindest einem Teil des Patienten erhalten;
nach dem ersten medizinischen Verfahren den Referenzierungsmarker von dem Patienten entfernen;
zu einem späteren Zeitpunkt nach Entfernen des Referenzierungsmarker den Referenzierungsmarker wieder in Register mit einem Körperteil des Patienten anbringen wodurch eine identische Positionierung wie zuvor erhalten wird;
nach dem Wiederanbringen des Referenzierungsmarker wird durch die Fiducials eine exakte Positionierung relativ zu zumindest einem Teil des Patienten erhalten; und
nach dem Wiederanbringen Durchführung eines zweiten oder weiteren medizinischen Verfahrens an dem Patienten.

8. Ein medizinisches Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anbringen und Wiederanbringen der Navigationsschiene nicht-invasiv ist.

9. Ein medizinisches Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzierungsmarker eine konfektionierte Navigationsschiene ist, die eine Mehrzahl von Fiducials an der Außenseite trägt, und wobei die Anbringung die Anfertigung eines Zahnabdruckes einschließt um die Navigationsschiene in Register mit den Zähnen des Patienten zu bringen und wobei das Wiederanbringen durch den in der Navigationsschiene enthaltenen Abdruck der Zähne des Patienten die Navigationsschiene exakt in die vorherige Position bringt.

10. Ein medizinisches Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzierungsmarker eine konfektionierte Navigationsschiene nach Patentanspruch 3 oder 5 ist, und wobei die Anbringung die Anfertigung eines Zahnabdruckes einschließt um die Navigationsschiene in Register mit den natürlichen, den prothetisch ersetzten Zähnen oder den zahnlosen Kieferabschnitten des Patienten zu bringen und wobei das Wiederanbringen durch den in der Navigationsschiene enthaltenen Abdruck der Zähne, dr prothetischen Versorgung oder der zahnlosen Kieferabschnitte des Patienten die Navigationsschiene exakt in die vorherige Position bringt.

11. Ein medizinisches Verfahren nach Patentanspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste medizinische Verfahren ein bildgebendes Verfahren ist, das zumindest ein Bild von einem Teil des Patienten gibt.

12. Ein medizinisches Verfahren nach Patentanspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite medizinische Verfahren ein Verfahren ist, wodurch das im ersten Verfahren präzise lokalisierte Problem weiterführend diagnostiziert oder behandelt wird.

13. Ein medizinisches Verfahren nach Patentanspruch 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in den bildgebenden Verfahren erhaltenen Datensätze zur Erzeugung von 3-D- Datensätze hoher Qualität genau überlagert werden können, wodurch die Erkennung von Unterschieden der Lage, der Ausdehnung oder anderer qualitativer und quantitativer Merkmale anatomischer oder pathologischer Art ermöglichen wird.