DE29522246U1 - Vorrichtung für neurochirurgische stereotaktische Verfahren - Google Patents

Description

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VORRICHTUNG FÜR NEUROCHIRURGISCHE STEREOTAKTISCHE VERFAHREN

BESCHREIBUNG Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen neurochirurgische Vorrichtungen und insbesondere stereotaktische Systeme zur Verwendung in der Neurochirurgie.

Hintergrund der Erfindung

Während der 1970-er Jahre wurden radiologische Bildgebungssystem entwickelt, um Chirurgen dabei zu helfen, den inneren Zustand eines Patienten detaillierter zu beurteilen. Insbesondere wurden computerassistierte Tomographiesysteme (CAT-Systeme) entwickelt, um Bilder zu verbessern, die aus Daten generiert wurden, die während einer radiologischen Abtastung eines Patienten erzeugt wurden. Der Patient wird in einem Gestell gelagert, und eine Strahlungsquelle und Strahlungsdetektoren werden einander gegen-5 überliegend angeordnet, damit sie um einen Teil des Körpers des Patienten gedreht werden können. Die von den Strahlungsdetektoren erzeugten Daten werden von einem Computer verwendet, um radiographische Bilder oder "Scheiben"' der Körperposition zu erzeugen, um einem Arzt deutlich verbesserte Ansichten durch den interessierenden Bereich zu geben.

Spätere radiographische Bildgebungssysteme umfaßten Magnetresonanzbildgebung (MRI) und Positronenemissionstomographie (PET), die Bilder mittels Energiequellen erzeugen, die keine Röntgen-5 strahlung oder dergleichen verwenden. Diese Vorrichtungen sind nützlich, da sie im Vergleich zu CAT-Abtastbildern unterschiedliche oder zusätzliche Informationen über Organe oder Gewebe liefern. In dieser Anmeldung bezieht sich der Begriff "Abtaster" (Scanner) auf Bildgebungsvorrichtungen unabhängig von der zur 0 Erzeugung der Bilder verwendeten Technik.

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Die Neurochirurgie kann eingesetzt werden, um im Gehirn eines Patienten befindliche Anomalien zu untersuchen, zu reparieren oder zu entfernen. Das Umfeld derartiger chirurgischer Eingriffe stellt eine Herausforderung dar, da das interessierende Organ, das Gehirn, von einer relativ dicken knöchernen Struktur, dem Schädel, umgeben ist. Der einzige Zugriff auf das Gehirn, der einem Chirurgen normalerweise vor dem Eingriff zur Verfügung steht, erfolgt über von einem Bildgebungssystem erzeugte Bilder.

Aufgrund der fehlenden Zugriffsmöglichkeit, der Größe und der annähernd halbkugeligen Form des Gehirns erfordert die Spezifizierung des Ortes eines Punktes in dem Gehirn im allgemeinen eine Referenz zu einem fixierten externen Referenzsystem. Um einen Operateur mit ausreichenden Informationen zur Lokalisierung eines interessierenden Bereichs auf einem Bild zu versorgen, wie z.B. einem Tumor oder einer Läsion, wurden verschiedene Systeme entwickelt, um einen Referenzpunkt oder -punkte bereitzustellen, die verwendet werden können, um die anatomische Struktur des Patienten mit den in den Bildern wiedergegebenen Strukturen in Übereinstimmung zu bringen. Typisch€trweise erfordern dieses Systeme, daß ein Rahmen starr am Kopf eines Patienten fixiert wird, um einen Referenzpunkt oder -punkte bereitzustellen. Wenn die Referenzstruktur an dem Patienten angebracht ist, werden die Bilddaten mit dem in Relation zu der Bildgebungsvorrichtung fixierten Referenzrahmen erzeugt. Das bedeutet, daß dort typischerweise eine mechanische Kopplung zwischen der Referenzstruktur und der Bildgebungsvorrichtung vorliegt. Nachdem die Daten gesammelt wurden, kann der Patient von dem Scanner entfernt werden, aber der Referenzrahmen muß an dem Kopf des Patienten befestigt bleiben. Der Referenzrahmen bleibt während des chirurgischen Eingriffs angebracht, so daß der Chirurg eine Korrelation zwischen Bildinformationen über die anatomischen Strukturen des Patienten mit einer Position in dem Schädel des Patienten herstellen kann, der in Relation zu dem Rahmen angeordnet ist.

Obwohl derartige Systeme Operateure in bemerkenswerter Weise befähigen, interessierende Bereiche im Gehirn eines Patienten basierend auf den von radiologischen Scannern erfaßten Daten zu lokalisieren, sind die benötigten Referenzrahmen hinderlich und

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verkomplizieren die Erfassung radiologischer Daten. Um die Positionierung des Referenzrahmens aufrechtzuerhalten, muß er während des Abtastvorganges und des chirurgischen Vorganges am Kopf des Patienten befestigt bleiben. Da die Referenzrahmen einige Pfund wiegen können und sicher an dem Kopf befestigt werden müssen, können sie für den Patienten unkomfortabel sein. Die Abstände, in denen sich die Rahmen vom Kopf des Patienten erstrekken, stellen ebenfalls Schwierigkeiten beim Bewegen des Patienten dar. Zusätzlich können Patienten mit Köpfen, die größer als normal sind, oftmals nicht mit stereotaktischen Rahmen versehen werden.

Um die Unhandlichkeit der Referen&zgr;struktur und die Unannehmlichkeit, die sie für einen Patienten verursacht, zu reduzieren, wurde ein stereotaktisches System entwickelt, das einen Schädelring verwendet, der an dem Schädel eines Patienten angebracht werden kann. Der Ring ist ein relativ kleiner metallischer Kreis, der unter Verwendung gitterähnlicher Schrauben an dem Kopf eines Patienten angebracht wird. Wenn der Ring positioniert ist, wird eine Transferplatte mit zwei Öffnungen, von denen eine einen darin angebrachten rotierbaren Kugel- und Sockelmechanismus aufweist, in dem Ring gesichert. Die Transferplatte ist auch mit einem radiologisch opaken Marker versehen, der in den von dem Scanner erzeugten radiologischen Bildern wahrgenommen werden kann. Der Patient wird dann in einem Scanner plaziert, und ein sich von der Kugel und dem Sockel erstreckendes Bauteil wird mit der Maschine gekoppelt. Wenn der Patient zur Bilddatenerfassung in dem Scanner ausgerichtet wurde, werden die Kugel und der Sokkel in einer festen Orientierung fixiert.

Nach der Bilddatenerfassung wird das sich von dem Ring und dem Patienten erstreckende Bauteil, das mit dem Scanner gekoppelt war, entfernt, so daß der Patient entfernt werden kann. Die Kugel und der Sockel bleiben in ihrer Orientierung fixiert, so daß 5 die Orientierung des Transferringes an dem Schädel des Patienten zum Lokalisieren eines Zieles später dupliziert werden kann.

Nach dem Entfernen der die Kugel und den Sockel haltenden Transferplatte von dem an dem Kopf des Patienten angebrachten Schädelring wird die_#Platte mit einem Bauteil verbunden, das sich

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über einem Tischrahmen erstreckt, um dessen Position und Orientierung auf dem Kopf des Patienten zu duplizieren. Die von dem Scanner erzeugten Bilder werden betrachtet, und es werden die Koordinatendaten eines gewählten Zieles, beispielsweise einer Läsion oder eines Tumors, und des radiologischen Markers der Transferplatte bestimmt. Unter Verwendung dieser Koordinatendaten und der auf dem Tischrahmen angebrachten Markierungen wird ein Zielmarker auf dem Tischrahmen so bewegt, daß er die Zielposition bezüglich des radiologischen Markers identifiziert. Ein zweiter Kugel- und Sockelmechanismus wird in der zweiten Öffnung der Transferplatte angeordnet. Danach kann ein Instrument, z.B. eine Biopsiesonde, durch die zweite Kugel und Sockel zu dem Zielpunkt geführt werden, um eine Entfernung und einen Weg zu dem Ziel zu definieren. Die zweite Kugel und Sockel werden dann plaziert fixiert, um die Orientierung zu dem Ziel beizubehalten, und der Abstand zu dem Ziel wird auf der Sonde markiert.

Die den zweiten Kugel- und Sockelmechanismus tragende Transferplatte kann dann von dem Bauteil über dem Tischrahmen entfernt und erneut an dem Schädelring an dem Schädel des Patienten befestigt werden, wobei die zweite fixierte Kugel und Sockel einen Weg zu dem gewählten Ziel definieren. Danach kann eine Biopsiesonde verwendet werden, um den Schädel des Patienten zu markieren, und es kann eine Kraniotomie an dem Punkt durchgeführt werden, um eine Öffnung in dem Schädel des Patienten bereitzustellen. Die Biopsiesonde kann dann durch die Öffnung in der zweiten Kugel oder Sockel bis zu der auf der Sonde markierten Tiefe geführt werden, um die Biopsiesonde in der Läsion oder dem Tumor zu plazieren. Auf diese Weise ist der Chirurg in der Lage, die Biopsiesonde genau ohne unnotwendiges Suchen zu plazieren, um vor dem Durchführen der Biopsie den Tumor oder die Läsion zu lokalisieren. Eine weitere Beschreibung der obigen Vorgehensweise und Vorrichtung ist in den US-Patenten mit den Nummern 4,805,615 und 4,955,891 gegeben, auf die Bezug genommen wurde.

Die zuvor beschriebene Weise, die Biopsie durchzuführen, erleichtert die Bilddatenerfassung in vielerlei Hinsicht. Erstens ist die an dem Schädel des Patienten angebrachte Referenzstruktur im Vergleich zu den zuvor verwendeten Referenzrahmen klein.

Zweitens erlaubt die entfernbare Platte mit den Kugel- und Sok-

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kelöffnungen eine genaue Lokalisation eines Zielgebietes im Gehirn eines Patienten, bevor eine Kraniotomie durchgeführt wird. Drittens gewährleistet die entfernbare Platte mit den Kugel- und Sockelmechanismen eine korrekte Plazierung der Platte an dem Schädel des Patienten und hält die Genauigkeit des auf dem Tischrahmen identifizierten Weges zu dem Ziel bei. Obwohl diese Methode das Lokalisieren eines Zielgebietes in einem Gehirn stark vereinfacht, versagt sie, wenn es darum geht, den Chirurgen mit Informationen zu versorgen, die den dazwischenliegenden Gewebebereich zwischen der Kraniotomieöffnung in dem Schädel und dem Zielgebiet betreffen, das in und möglicherweise tief in dem Gehirn liegt. Ferner sind die von einem Scanner erzeugten Bilddaten nicht notwendigerweise quer zu der Position der Öffnung der Kugel und des Sockels des Referenzrings orientiert und stellen somit keine Bilddaten in verschiedenen Tiefen zwischen der Kraniotomieöffnung dem Zielbereich bereit, um den Chirurgen bei der Beurteilung des Weges zu dem Ziel zu unterstützen. Somit muß der Chirurg das Gehirngewebe entlang des Weges vorsichtig zur Seite räumen, um das Ziel zu erreichen, obwohl der Chirurg nicht suchen muß, um das Ziel zu lokalisieren. Sonst ist eine Beschädigung empfindlicher Gebiete, die entlang des Weges liegen können, möglich. Die oben diskutierten Referenzsysteme unterstützen einen Chirurgen nicht beim Identifizieren der exakten Position derartiger empfindlicher Bereiche vor der Durchführung der Kraniotomie und der Durchquerung des Weges zu dem Ziel.

Zusätzlich zum Identifizieren des Ortes der Läsion oder Verletzung in dem Gehirn ist es oft kritisch, einen geeigneten Weg zum Erreichen dieses Ortes durch das Gehirn zu definieren, um die Beschädigung des dazwischenliegenden Gewebes zu minimieren. Somit kann das Identifizieren des Weges zu der Stelle fast genauso kritisch wie das Identifizieren der Stelle selbst sein. Diesbezüglich war das zuvor beschriebene System unzureichend.

Um für eine in höherem Maße automatisierte Anpassung zwischen Bilddaten und dem in der Chirurgie gelagerten Patienten zu sorgen, wurden Systeme entwickelt, die eine "Koregistrierung" durchführen. Die Koregistrierung ist ein Verfahren, bei dem ein Computer Bilddaten zugeordnete Referenzen mit Referenzen in Übereinstimmung bringt, die dem Körper eines Patienten zugeord-

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net sind. Die Bildreferenzen werden typischerweise mittels einer Maus und eines Cursors ausgewählt, um auf einem dargestellten Bild Punkte zu identifizieren, die auf der Haut eines Patienten liegen. Ein Gelenkarm und eine Sonde werden mit dem Computer verbunden, um Koordinatendaten für Punkte außerhalb des Computers bereitzustellen. Unter Verwendung des Arms und der Sonde wählt der Benutzer Punkte auf dem Patienten aus, die den gewählten Bildreferenzen entsprechen, und der Computer führt ein Programm aus, das die entsprechenden Punkte in Übereinstimmung bringt. Nachdem eine ausreichende Anzahl von Punkten ausgewählt wurde (üblicherweise wenigstens 8), kann der Computer den Punkt in dem dargestellten Bild identifizieren, der der Position der Sonde in der Nähe des Kopfes des Patienten entspricht. Ein derartiges System wird von Radionicx, Brookline, Massachusetts, hergestellt und wird mit dem Produktnamen "The Operating Arm" bezeichnet.

Ein derartiges System stellt einem Chirurgen "Navigations"-Informationen bereit, was bedeutet, daß der Chirurg die Sonde zu einer speziellen Stelle auf oder in dem Kopf eines Patienten bringen und diese Stelle auf dem dargestellten Bild identifizieren kann. Auf diese Weise kann der Chirurg Bereiche auf dem dargestellten Bild betrachten und deren Entfernung zu der Stelle der Sonde bestimmen. So kann der Chirurg die chirurgische Annäherung an ein Ziel bestätigen.

Obwohl diese Systeme bestätigende Navigationsinformationen liefern, bilden sie weiterhin kein stabilisiertes Bild des chirurgischen Weges auf einem dargestellten radiologischen Bild ab, bevor eine Kraniotomie ausgeführt wird. Derartige Systeme können keinen stabilisierten Weg abbilden, da der Chirurg die Sonde an exakt derselben Position nicht konsistent orientieren und stabilisieren kann, wann immer der Weg zu betrachten ist. Als eine Folge sind derartige Systeme nicht in der Lage, einen Weg zu einem Ziel zu identifizieren oder dauerhaft anzugeben, da die Sonde manuell bedient wird. Außerdem gewährleisten derartige Systeme nicht, daß der Chirurg einem Weg folgt, den der Chirurg aufgrund der Betrachtung der dargestellten radiologischen Bilder gewählt hat.

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Es wird ein System benötigt, das einem Chirurgen erlaubt, einen Weg zu einem gewählten Ziel auszuwählen, zu evaluieren und fest einzustellen, bevor eine Kraniotomiet durchgeführt wird. Es wird ein System benötigt, das einen Chirurgen entlang eines evaluierten chirurgischen Weges zu einem Ziel während und nach der Kraniotomie führt. Es wird ein Weg benötigt, um eine Vielzahl gewählter Wege zu mehreren Zielen auszuwählen und einzuhalten, nachdem die Wege evaluiert wurden.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese und andere Probleme bekannter Systeme werden von einem erfindungsgemäßen System gelöst. Dieses System umfaßt ein bildgebendes Wiedergabesystem zum Wiedergeben radiologischer Bilder, einen Bildreferenzenselektor, der mit dem bildgebenden System verbunden ist, um Referenzen auf einem auf dem Wiedergabesystem dargestellten Bild auszuwählen, einen Zielselektor, der mit dem bildgebenden System verbunden ist, um ein Ziel auf einem auf dem Wiedergabesystem dargestellten Bild auszuwählen, einen mit dem bildgebenden System verbundenen Gelenkarm mit Sonde, der in Relation zu dem bildgebenden System räumliche Daten für die Sonde bereitstellt, so daß eine der Sonde zugeordnete Position auf dem dargestellten Bild wiedergegeben wird. Ein Patientenreferenzenselektor ist mit dem bildgebenden System und dem Gelenkarm verbunden, um Referenzen auf einem Patienten auszuwählen, die mit den für das dargestellte Bild ausgewählten Referenzen übereinstimmen. Ein Koregistrierungsprozessor ordnet die Patientenreferenzen den gewählten Bildreferenzen so zu, daß die von dem Gelenkarm bereitgestellten Koordinaten in Übereinstimmung mit dem dargestellten Bild gebracht werden können, wodurch eine Position der Sonde auf dem dargestellten Bild wiedergegeben werden kann. Ein Sondenhalter hält die Sonde des Gelenkarms in der Nähe eines Patientenkopfes, wobei der Halter selektiv arretierbar ist, um eine Position in der Nähe des Patientenkopfes beizubehalten. Unter Verwendung dieses Systems kann ein Chirurg den auf dem dargestellten Bild dargestellten Weg zwischen der Sondenposition und dem gewählten Ziel evaluieren.

Ein erfindungsgemäßes System erlaubt es, einen Patienten ohne eine(n) an dem Patienten befestigte(n) Referenzplatte oder rahmen zu scannen (abzutasten). Das System ordnet Bildreferenzen

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ausgewählten anatomischen Merkmalen eines Patienten zu, so daß die Position der Sonde auf einem radiologischen Bild und einem auf das Bild projizierten Weg zu einem gewählten Ziel dargestellt werden kann. Ein Chirurg kann den Weg zu dem ausgewählten Ziel evaluieren und die Position der Sonde arretieren, wenn der Weg als akzeptabel beurteilt wird. Der Chirurg kann dann die geeignete Stelle auf dem Patientenkopf für die Kraniotomie markieren. In vergleichbarer Weise können die Wege zu anderen Zielen vor einer Kraniotomie identifiziert und markiert werden.

Das System kann ferner Aufnahmeeinrichtungen für chirurgische Instrumente aufweisen, die in den Sondenhalter passen, so daß ein Instrument durch die Aufnahmeeinrichtung in der korrekten Orientierung und Position eingeführt werden kann, um dem evaluierten Weg zu dem gewählten Ziel zu folgen. Somit kann der Sondenhalter verwendet werden, um die Auswahl und Evaluierung des Chirurgen für einen Weg zu erleichtern, und dann diesen Weg einzuhalten sowie Instrumente entlang dieses Weges zu führen.

Das System der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Bogenträgerstange zum Definieren eines vorbestimmten Radius zu einem ausgewählten Ziel aufweisen. Ein genuteter Bogen kann drehbar an der Referenzstange angebracht sein, wobei der Sondenhalter mit einer darin befestigten Sonde angepaßt ist, um in dem genuteten Bogen zu gleiten. Somit kann der genutete Bogen halbkugelartig um den Patientenkopf gedreht werden, wobei die Sondenplatte und der Sondenhalter entlang des genuteten Bogens gleiten, um zur Evaluierung durch den das radiologische Wiedergabesystem verwendenden Chirurgen viele Eintrittspunkte zu definieren. Das BiIdgebungssystem ist ferner mit einem Prozessor zum interpolieren von Daten der von dem Scanner erzeugten radiologischen Daten ausgestattet, um längs der Sonde von jedem Eintrittspunkt, der längs Positionen des hemisphärischen stereotaktischen Positioniersystems gewählt wurde, eine Ansicht bereitzustellen, solange die Sonde bis zu dem Halter reicht. Unter Verwendung dieses Systems kann ein Chirurg eine Anzahl von Eintrittspunkten evaluieren und den auswählen, der das geringste Risiko für den Patienten darstellt.

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Ein anderer Vorteil des vorliegenden Systems besteht darin, daß, nachdem ein Ziel ausgewählt und die Biopsie oder das chirurgische Vorgehen an dem Ziel durchgeführt wurde, der Chirurg ein zweites interessierendes Ziel in denn Gehirn des Patienten auswählen kann. Nach dieser Auswahl kann der Sondenhalter entriegelt und die Sonde erneut eingeführt werden, um einen zweiten Weg zu dem zweiten ausgewählten Ziel zu definieren. Das hemisphärische stereotaktische System ksinn dann zur Evaluierung so angebracht werden, daß mehrere Eintrittspunkte für das zweite Ziel bereitgestellt werden, und es kann ein Eingriff an dem zweiten Ziel durchgeführt werden, sobald ein geeigneter Weg ausgewählt wurde. Wird das System auf diese Weise verwendet, wird eine Operation vereinfacht, bei der radioaktive Einlagen in verschiedene Bereiche eines Tumors implantiert werden, wodurch die Strahlung in erster Linie auf den Bereich des Tumors begrenzt wird. Diese Art der Verwendung unterstützt einen Chirurgen auch bei der präzisen Anordnung mehrerer Tiefenelektroden im Gehirn eines Patienten zum Monitoring.

Diese und andere Vorteile eines erfindungsgemäßen Systems können unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und die enthaltene detaillierte Beschreibung in Erfahrung gebracht werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Komponenten und Anordnungen von Komponenten sowie in verschiedenen Schritten und Anordnungen von Schritten ausgeführt werden. Die Zeichnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform und alternativen Ausführungsformen, wobei sie nicht als die Erfindung begrenzend verstanden werden sollen.

Fig. 1 ist eine perspektivische schematische Ansicht der Komponenten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems,
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Fig. 2 zeigt einen repräsentativen Bildschirm, der von dem

System von Fig. 1 erzeugte Bildinformation wiedergibt, und

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Fig. 3 ist eine Ansicht der bevorzugten Ausführungsform eines stereotaktischen Teilsystems zur Verwendung in dem System von Fig. 1.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung Ein erfindungsgemäß aufgebautes neurochirurgisches stereotaktisches System 10 ist in Fig. 1 gezeigt. Das System umfaßt ein Bildwiedergabeteilsystem 12, einen Gelenkarm mit Sonde 18 sowie ein stereotaktisches Teilsystem 16. Das Bildwiedergabeteilsystem 12 gibt Bilder aus von einem Scanner erzeugten Bilddaten oder aus Von derartigen Daten interpolierten Daten wieder. Das Teilsystem 12 akzeptiert zur Auswahl von Referenzen eine Eingabe eines Bedieners, empfängt Koordinatendaten von dem Gelenkarm mit Sonde und bringt ausgewählte Referenzen auf einem Patienten 13 mit den ausgewählten Referenzen für die radiologischen Bilder für den Patienten in Übereinstimmung, so daß die Position der Sonde und ein Weg zu einem ausgewählten Ziel dargestellt werden kann. Das Teilsystem 12 stellt auch ein Bild des Gelenkarmes dar, so daß der Betrieb des Armes mit Sonde verifiziert werden kann.

Über eine Encoderschnittstelle 20 stellt der Gelenkarm mit Sonde 18 räumliche Daten dem Wiedergabeteilsystem 12 zur Verfügung. Die räumlichen Daten werden vorzugsweise durch optische Encoder 22 erzeugt, obwohl auch andere räumliche Koordinatendaten erzeugende Komponenten verwendet werden können. Neben den von dem Arm mit Sonde 18 zugeführten Daten, die verwendet werden, um die Position der Sonde zu lokalisieren, kann eine Sonde 24, wenn sie um ihre Längsachse gedreht wird, auch Rotationsdaten liefern, um das wiedergegebene Bild auf dem Teilsystem 12 wie unten detaillierter beschrieben zu rotieren.

Das stereotaktische Teilsystem 16 stabilisiert die Sonde 24, wenn ein Chirurg diese über den Kopf eines Patienten führt. Das Teilsystem 16 umfaßt ferner unten detaillierte diskutierte Komponenten, die es ermöglichen, die Sonde in einer Position zu arretieren, wobei diese Position verwendet wird, um chirurgische Instrumente zu einem ausgewählten Ziel zu führen. Das Teilsystem 16 umfaßt des weiteren ebenfalls unten detaillierter diskutierte Komponenten, die verwendet werden können, um mehrere Eintritts-

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punkte für einen chirurgischen Weg zu einem Ziel in dem Patienten bereitzustellen, von denen alle auf den ausgewählten Zielbereich konzentriert sind. Diese Komponenten liefern einem Chirurgen das berechtigte Vertrauen, daß jede von dem System bereitgestellte Sondenposition auf das ausgewählte Ziel gerichtet ist.

Das radiologische Wiedergabeteilsystem 12 umfaßt einen Computer 30, mit dem ein hochauflösender Grafikmonitor 32, eine Maus 34, ein Fußpedal 36, eine Tastatur 38 und ein Bandlaufwerk 40 verbunden sind. Zusätzlich kann der Computer 30 ein Laufwerk für 3,5-Inch-Disketten oder dergleichen sowie ein Laufwerk für digitale Audiobänder (DAT) oder dergleichen umfassen. Das Bandlaufwerk 40, das Diskettenlaufwerk und das DAT-Laufwerk können verwendet werden, um dem Computer 30 radiologische Bilddaten zu liefern. Diese Bandlaufwerke können auch verwendet werden, um von dem Computer 30 erzeugte Daten zu archivieren oder die Software, die auf dem Computer 30 ausgeführt wird, zu aktualisieren. Der Computer 30 kann auch unter Verwendung konventioneller Verfahren mit einem Computernet&zgr;werk, wie z.B. einem Ethernet, verbunden sein. Ein derartiges Netzwerk kann verwendet werden, um radiologische Bilddaten, Software oder diagnostische Dienstleistungen zu liefern.

Vorzugsweise ist der Monitor 32 ein von der Sony Corporation of America verfügbarer Multi-ScanHG-Triniton-Monitor mit sehr hoher Rasterauflösung. Vorzugsweise ist der Computer 30 ein von Dell Computers, Houston, Texas, hergestellter Dell 450 DE/2 DGX. Das bevorzugte Bandlaufwerk 40 zum Lesen von Abtastbilddaten ist ein von Overland Data, San Diego, Kalifornien, hergestelltes Bandlaufwerk mit 9 Spuren. Die Encoderschnittstelle 20 sowie der Gelenkarm mit Sonde 18 werden von der Immersion Human Interface Corp., San Francisco, Kalifornien, hergestellt.

Vorzugsweise führt der Computer 30 das von Nomos, Pittsburgh, Pennsylvania, entwickelte Atlas-Programm aus. Atlas ist ein Computerprogramm, das radiologische Bilder aus von den Bändern gelieferten radiologischen Abtastdaten wiedergibt und Daten interpoliert, um zusätzliche Ansichten bereitzustellen, die in den radiologischen Abtastdaten nicht vorliegen. Das Atlas-Programm der bevorzugten Ausführungsform wurde modifiziert, um über die

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Encoderschnittstelle 20 Daten von dem Gelenkarm mit Sonde 18 anzunehmen. Das Programm wird mittels des resistenten Betriebssystems des Computers 30 geladen, das bei der bevorzugten Ausführungsform das Microsoft Disk Operating System (MS-DOS) ist. Das Atlas-Programm enthält eigene Hochpegel-I/O-Routinen und andere Funktionen für ComputerSystemelemente, so daß das Atlas-Programm den Grundpegel-I/O-Betrieb des resistenten Betriebssystems des Computers 30 nutzt. Bei der bevorzucften Ausführungsform ist der Computer 30 auch mit einer Telefonschnittstelle ausgestattet, so daß Software und andere Unterstützungsfunktionen, wie z.B. Diagnosen, über ein Telefon von einem entfernten Ort bereitgestellt werden können.

Der Gelenkarm mit Sonde 18 ist an einer chirurgischen Schädelklemme 46 befestigt, die an einem Operationstisch 48 (der von bekannter Art sein kann) angebracht wurde. Ein Basisträger 50 (Fig. 1) ist an einem Befestigungsansatz 52 angebracht, der an dem Starburst-Anschluß 54 der chirurgischen Schädelklemme 46 befestigt ist. Vorzugsweise ist der Basisträger 50 mit Allen-Schrauben oder dergleichen an dem Ansatz 52 befestigt. Vorzugsweise sind die Berührungsflächen des Ansatzes 52 und des Trägers 50 so abgestimmt, daß es nur eine mögliche Orientierung des Basisträgers 50 gibt. Dieses Merkmal ist beim Erhalten der Referenzpunktgenauigkeit wichtig, wenn der sterile Basisträger und der chirurgisch abgedeckte Arm, wie detaillierter unten diskutiert, verwendet wird. Des weiteren umfaßt der Basisträger 50 an einem Ende einen arretierbaren Befestigungsbolzen 56 für den Gelenkarm und an seinem zweiten Ende eine hohle röhrenförmige Verlängerung 58 zum Halten der Sonde 24 des Gelenkarms. Der Bolzen 56 ist drehbar in einem Schlitz 60 befestigt, der für den Gelenkarm mit Sonde 18 in den Basisträger 50 geschnitten ist.

Ferner umfaßt der Gelenkarm mit Sonde 18 (Fig. 1) einen Befestigungsansatz 62, zwei Arme 64 und die Sonde 24. Gelenke 68 verbinden den Befestigungsansatz 62, die Arme 64 und die Sonde 24, um den Arm mit Sonde 18 zu bilden. In jedem Gelenk ist eine Rotation in zwei senkrecht aufeinander stehenden Ebenen möglich, um für jeden Arm zwei Freiheitsgrade zuzulassen. Die Position jedes Armes relativ zu seinem entsprechenden Gelenk wird vorzugsweise mittels optischen Encodern 22 bereitgestellt, die an

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jedem Gelenk in einem senkrechten Verhältnis mit dem Arm verbunden sind. Die Sonde 24 ist in eine Aufnahme 70, die sich an dem äußersten Ende des Armes befindet, so befestigt, daß sie um ihre Längsachse rotieren kann. Diese Drehbewegung wird von dem Computer 30 verwendet, um die radiographischen Bilder zu drehen, die dem Chirurgen auf dem Bildschirm des Monitors 32 präsentiert werden. Von einem Ende des Gelenkarmes 18 erstreckt sich ein Schnittstellenkabel 72, das an der Encoderschnittstelle 20 endet. Die Encoderschnittstelle 20 konvertiert die Daten der sechs optischen Encoder 22 des Gelenkarms 18 in Drehpositionsdaten (Winkeldaten) für den Computer 30.

Das Bandlaufwerk 40 kann verwendet werden, um dem Computer 30 Bildabtastdaten bereitzustellen. Die meisten Bildscanner archivieren durch ein Abtasten erzeugte Bilddaten, indem sie auf einem magnetischen Medium, wie z.B. einem Band 74 mit neun Spuren, gespeichert werden. Dieses Band kann dann von dem Bandlaufwerk 40 gelesen und dem Computer 30 zugeführt werden, der die Daten auf anderen magnetischen Medien, wie z.B. einem Festplattenlaufwerk, speichert. Die von dem in das Laufwerk 40 eingelegten Band gelesenen Bilddaten können so verwendet werden, wie sie von dem Scanner erzeugt wurden. Jeder Scanner-Hersteller kann jedoch die Daten unterschiedlich formatieren. Vorzugsweise werden die von den verschiedenen Scannertypen erzeugten Bilddaten in ein Standardformat konvertiert, bevor sie auf den internen magnetischen Medien des Computers 30 gespeichert werden. Dadurch benötigt das auf dem Computer 30 ausgeführte Bildwiedergabeprogramm keine unterschiedlichen Module oder Routinen für jedes Format, um die Daten unterschiedlicher Scanner zu verwenden.

Im allgemeinen umfassen von einem Scanner erzeugte Daten Bilddaten und Daten, die keine Bilddaten sind. Daten, die keine Bilddaten sind, umfassen die Definition von Parametern, wie z.B. den Namen des Patienten, das Datum, die Position des Patienten, die Abtastorientierung, Abtastparameter und andere für jeden der Scanner-Hersteller speziellen Bildgebungsdetails. Die bevorzugte Ausführungsform des auf dem Computer 30 ablaufenden Programms extrahiert die Basisdaten, die allen Scanner-Herstellern gemeinsam sind, und speichert diese zusammen mit Bilddatendateien in einer Schlüsselwertdatei. Die Schlüsselwertdatei enthält eine

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Liste von Schlüsselworten, die jedes Datenfeld und den Wert dieses Feldes identifizieren. Beispielsweise folgt einer Datenfeldkennung für den Patientennamen die Datenwiedergabe des Namens des Patienten für eine Abtastreihe. Diese Dateien sind vorzugsweise für Systemanalysen von Menschen lesbar, da auf sie üblicherweise nicht durch einen Benutzer zurückgegriffen wird.

Bilddaten umfassen üblicherweise numerische Daten, die einen Graustufenwert oder andere Helligkeits-/Kontrastwerte, wie z.B.

Hounsfield-Einheiten, wiedergeben, die in bekannter Weise verwendet werden, um Bilder zu erzeugen. Diese numerischen Werte können komprimiert oder als ganzzahlige Werte oder Werte für reelle Zahlen ausgedrückt sein. Die bevorzugte Ausführungsform des auf dem Computer 30 ablaufenden Programmes dekomprimiert komprimierte Werte und konvertiert alle numerischen Daten in ganzzahlige Daten. Diese Daten werden dann in Bilddatendateien gespeichert. Diese Daten werden vorzugsweise in einer hierarchischen Struktur auf die Festplatte geschrieben, wobei die Patientendaten voneinander sowie die Bildstudien und -reihen für jeden Patienten getrennt sind.

Das Fußpedal 36, die Maus 34 und die Tastatur 38 können von einem Bediener verwendet werden, um dem Computer 30 eine Eingabe zu liefern. Beispielsweise kann die Maus 34 verwendet werden, um einen Cursor auf dem Bildschirm des Monitors 32 zu bedienen, um, wie unten detaillierter diskutiert, verschiedene Optionen auszuwählen. Des weiteren kann das Fußpedal 36 von dem Chirurgen verwendet werden, um die Auswahl der Referenzen auf einem Patienten zu aktivieren.

Bei der bevorzugten Ausführungsform umfaßt das auf dem Computer 30 ablaufende Bildwiedergabeprogramm eine graphische Benutzerschnittstelle (GUI), einen Eingabe/Ausgabe-(I/O)-Bibliothek, ein Schnittstellenprogramm für den Gelenkarm und eine Anzahl von An-Wendungsmodulen. Die GUI-Schnittstelle steuert die Wiedergabe von Daten und Menüs auf dem Bildschirm des Monitors 32. Die 1/0-Bibliotheksroutinen führen verschiedene Eingabe- und Ausgabefunktionen aus, wie z.B. das Lesen von Bilddaten von dem Bandlaufwerk 40. Die Schnittstelle für den Gelenkarm liefert dem Menü und der Referenzauswahl Punkte, die im unteren Bereich des

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Bildschirms des Monitors 32 der bevorzugten Ausführungsfonn des in Fig. 1 gezeigten Teilsystems 12 wiedergegeben werden. Die Anwendungsmodule führen schließlich Software zur Durchführung von Transformationsoperationen aus, um beispielsweise Daten für die Bilder zu interpolieren und die Bilddaten mit den gewählten Patientenreferenzen in Übereinstimmung zu bringen.

Eine alternative Ausführungsform des stereotaktischen Teilsystems 16, das den Gelenkarm mit Sonde 18 mit dem Patienten koppelt, um die Evaluierung und Auswahl eines chirurgischen Weges zu ermöglichen, ist in Fig. 1 gezeigt. Diese Ausrüstung umfaßt einen Schädelring 80, eine Transferplatte 82, einen Drehsockel 84 und eine Sondenausrichtungskugel 86. Diese Ausrüstung wird verwendet, indem der Schädelring 80 mittels gitterähnlicher Knochenschrauben an dem Kopf eines Patienten befestigt wird, nachdem die Kopfhaut des Patienten rasiert, mit Betadin präpariert und mit Xylocain injiziert wurde. Nachdem der Schädelring angebracht ist, wird die Transferplatte 82 mittels eines sich von dem Schädelring erstreckenden Ständers (nicht gezeigt) an dem Schädelring befestigt. Ein Drehsockel 84 wird mittels Alien-Schrauben oder dergleichen an dem Schädelring angebracht. Der Drehsockel 84 umfaßt eine Basis 92 und eine sich nach oben erstreckende Aufnahme 94. Eine Sondenausrichtungskugel 86 wird in die Aufnahme 94 eingesetzt. Die Sondenausrichtungskugel 86 ist ausgelegt, um das Ende der Sonde 24 aufzunehmen, indem beispielsweise eine Sondenausrichtungshülse 193 wie in Fig. 3 gezeigt und beschrieben verwendet wird. Somit kann die Sonde 24 in die Sondenausrichtungskugel 86 eingeführt werden, wobei die Sonde und die Kugel in Relation zu der Oberfläche der Kopfhaut des Patienten zusammen bewegt werden können.

Wenn eine spezielle Orientierung von dem Chirurgen auf der Basis von Informationen, die von dem auf dem Monitor 32 wiedergegebenen radiologischen Bild geliefert werden, ausgewählt wurde, können die sich von der Aufnahme 94 nach außen erstreckenden Schrauben 98 angezogen werden, um die Sondenausrichtungskugel zu arretieren. Eine Aufnahme für ein chirurgisches Instrument bekannten Typs (nicht gezeigt) kann dann in die Sondenausrichtungskugel 86 eingeführt werden, um einen Bohrer oder ein anderes Instrument zum Öffnen des Schädels des Patienten durch die

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Instrumentenaufnähme einzuführen. Ein Biopsieinstrument kann ebenfalls durch die Aufnahme zu dem Zielgebiet eingeführt werden. Somit stellt die Verwendung des Rings 80, der Transferplatte 82, des Sockels 84 und der Kugel 86 einem Chirurgen eine stabile Ausgangsbasis zum Orientieren der Sonde 24 bereit, wobei eine evaluierte Orientierung sicher arretiert wird, um eine Führung für das chirurgische Vorgehen bereitzustellen.

Das hemisphärische stereotaktische System, das zur Auswahl einer Eingangsstelle verwendet wird, ist ebenfalls in Fig. 1 gezeigt. Diese Ausrüstung umfaßt eine Bogenträgerstange 100, einen Rotationsstützarm 102, einen Bogen 104 und eine variable Aufnahmeanordnung 106. Nachdem die Sondenausrichtungskugel 86 so orientiert wurde, daß die Sonde 24 auf das Ziel zeigt, kann die Sonde entfernt und die Bogenträgerstange 100 in die Sondenausrichtungskugel 86 eingeführt werden. Der Rotationsstützarm 102 wird dann an der Bogenträgerstange 100 befestigt und mittels einer Schraube 110 an der Stange gesichert. Eine genutete Zunge oder Keil 112 wird arretierbar an dem Rotationsstützarm 102 befestigt und ist ausgelegt, um in eine in den Bogen 104 geschnittene Spur zu passen. Indem die Schraube 118 des Rotationsstützarmes 102 angezogen wird, kann der Rotationsstützarm 102 an einer beliebigen Stelle entlang des Bogens 104 an dem Arm 102 gesichert werden. Die variable Aufnahmeanordnung 106 weist in ähnlicher Weise ein Ende auf, das in Gleitverbindung in dem Bogen 104 aufgenommen wird, und kann an jeder Stelle esntlang des Bogens 104 arretiert werden. Die Aufnahmeanordnung 106 umfaßt auch eine Aufnahme, beispielsweise eine dem in Fig. 3 gezeigten Sondenhalter 192 ähnliche Aufnahme, die die Sonde 24 aufnimmt, so daß ein Chirurg einen Weg zu dem ausgewählten Ziel «»valuieren kann, indem er den auf dem Monitor 32 des Teilsystems 12 dargestellten Weg betrachtet. Da die Trägerstange 100 auf das Ziel zeigt, können der Stützarm 102 und der Bogen 104 in einer Hemisphäre, die bezüglich des Zieles zentriert ist, um den Kopf des Patienten gedreht werden. Vorzugsweise wird der Stützarm 102 bezüglich der Bogenträgerstange 100 so arretiert, daß eine zentrale Öffnung in der variablen Aufnahmeanordnung 106 sich etwa 19 cm entfernt von dem Ziel befindet, über dem der Bogen 106 zentriert ist.

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Die Komponenten des hemisphärischen stereotaktischen Systems erlauben einem Chirurgen, die Sonde 24 mit dem erforderlichen Vertrauen um den Kopf eines Patienten bewegen, daß die Aufnahme auf das zuvor ausgewählte Ziel ausgerichtet ist. Indem der Bogen 104 um die Stange 100 gedreht und der Ring 106 in dem Bogen 104 verschoben wird, werden dem Chirurgen zur Evaluierung mehrere Stellen bereitgestellt, die als chirurgische Führung arretiert werden können.

Die bevorzugte Ausführungsform des stereotaktischen Systems 16 ist in Fig. 3 gezeigt. Dieses System umfaßt eine Sondenhalteraufnähme 180 und einen steifen Offsetarm 182, der zwischen dem Sunburst-Anschluß 54 und dem Ansatz 52 angeordnet ist. Der Offsetarm 182 endet in einem Zapfengelenk 184, von dem sich ein justierbarer Arm 186 erstreckt. Ein anderer justierbarer Arm 190 erstreckt sich von einem Zapfengelenk 190 an dem Ende des Arms 186. Ein Arm 188 endet in einem Sondenhalter 192, der wie bereits in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, mit einer Transferplatte 82, einem Sockelmechanismus 84 und einer Einstellkugel 86 ausgestattet ist, wobei die Kugel 86 die Sondenausrichtungshülse 193 aufnehmen kann. Somit stellt das Teilsystem 16 einen steifen, justierbaren Arm bereit, mit dem der Sondenhalter 192 und Hilfskomponenten um den Kopf eines Patienten bewegt werden können und dann für eine Evaluierung eines Weges, zur Führung eines chirurgischen Instrumentes oder zur Befestigung des hemisphärischen Systems selektiv arretiert werden kann.

Um das System 10 für einen neurochirurgischen Eingriff zu verwenden, wird ein Patient 13 in einem Bildscanner abgetastet, um eine Reihe von Bildern zu erzeugen. Eine "Reihe" kann eine Gruppe paralleler gleich beabstandeter Bilder, manchmal "Scheiben" bezeichnet, eines räumlichen Bereichs eines Körpers eines Patienten sein. Vorzugsweise grenzen die die Reihe bildenden Bilder aneinander an. Eine Gruppe von mehr als einer Bildreihe wird im allgemeinen als "Studie" oder "Suite" bezeichnet und kann auch von diesem System verwendet werden. Beispiele für Reihen sind axiale, koronale, rotierende und sagittale Reihen. Eine axiale Reihe verläuft von dem oberen Ende des Patientenkopfes zu der Schädelbasis, eine koronale Reihe verläuft von dem Gesicht zu der Rückseite des Patientenkopfes, eine rotierende Reihe ver-

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läuft um den Patientenkopf und eine sagittale Reihe sind Seitenansichten des Patientenkopfes zu der anderen Seite. Vorzugsweise wird die axiale Reihe mit einem Gantry-Winkel von 0° erzeugt, da sonst die von der bevorzugten Ausführungsform des Atlas-Programmes durchgeführte Dateninterpolation verfälscht werden kann.

Nachdem die Reihe von dem Scanner erzeugt wurde, kann sie zur Übertragung zu dem System 10 auf magnetische Medien geschrieben werden. Typischerweise werden die Bilddaten auf ein Band 74 mit neun Spuren geschrieben, das von denn Lesegerät 40 für Magnetbänder mit neun Spuren gelesen werden kann. Der Benutzer kann den Computer 30 und das Schnittstellenprogramm für das Band mit neun Spuren in der I/O-Bibliothek aktivieren. Indem dieses Programm verwendet wird, kann ein Benutzer die Bilddaten von dem Band 74 mit neun Spuren in den Computer 30 einlesen, der dann die Daten in einem geeigneten Format auf einer Festplatte oder dergleichen speichert. Der Computer 30 kann auch Daten von Bildscannern mittels des DAT-Lesegeräts, des Diskettenlaufwerks, einem Computernetzwerk oder dergleichen erhalten.

Nachdem die Bilddaten in den Speicher des Computers gelesen wurden, kann der Benutzer das Programm ausführen, das die radiologischen Bilddaten in einem Wiedergabefenster auf dem Monitor 32 darstellt. Der Benutzer kann eine spezielle Ansicht auswählen, indem er das in Fig. 2 gezeigte Ansicht-Pictogramm 120 auf dem Bildschirm anklickt. Diese Operation verursacht, daß ein Menü für verschiedene Reihen oder Ansichten dargestellt wird, aus dem der Benutzer wählen kann. Nachdem eine Reihe ausgewählt wurde, wird das erste Bild oder die erste Scheibe der Reihe wie in Fig.

0 2 gezeigt in dem Wiedergabefenster 122 dargestellt. Der Benutzer kann jedes Bild in der Reihe betrachten, indem er den Schiebeknopf 124 auf dem Bildschirm mit der Maus 34 bewegt.

Der Benutzer kann eine zweite in einem zweiten Wiedergabefenster 126 wiederzugebende Reihe auswählen., Nachdem das zweite Wiedergabefenster durch Anklicken des Ansicht-Pictogramms 128 für das zweite Fenster erzeugt wurde, kann der Benutzer eine spezielle in diesem Fenster wiederzugebende Reihe auswählen und ebenso die verschiedenen Scheiben betrachten, indem er den Schiebeknopf 130 mit der Maus 34 bewegt.

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Der Computer 30 kann auch eine zweite Reihe erzeugen, die nicht von dem Scanner erzeugt wurde. Der Computer 30 erreicht dies, indem zum Erzeugen der zweiten Reihe Daten einer von dem Scanner erzeugten Reihe interpoliert werden. Beispielsweise kann eine koronale Reihe durch den Scanner erzeugt und in dem ersten Wiedergabefenster des Systems dargestellt werden. Wenn der Benutzer eine sagittale Serie zur Anzeige in dem zweiten Fenster auswählt, die nicht von dem Scanner erzeugt wurde, interpoliert das System die Daten an dem rechten Randbereich jedes koronalen Bildes und erzeugt aus diesen Daten eine sagittale Ansicht. Dieser Prozeß wird für gleich beabstandete parallele Bilder aus der koronalen Perspektive wiederholt, um die zweite sagittale Reihe zu erzeugen.
15

Bei der bevorzugten Ausführungsform formatiert das Atlas-Programm die Bilddaten erneut, um Daten zu erzeugen, die eine räumliche Wiedergabe des abgetasteten Bereichs wiedergeben. Dies wird erreicht, indem die Bilddaten für die individuellen Scheiben interpoliert werden, um zusätzliche nicht durch den Scanner erfaßte "Scheiben¹¹ zu erzeugen. Vorzugsweise wird dies erreicht, indem sogenannte "Voxel"-Werte erzeugt werden, die einen Bildwert angeben, der kubische Abmessuncfen hat, obwohl auch andere räumliche Formen verwendet werden können. Wenn beispielsweise die Reihe aus Bildern besteht, die 3 Millimeter ("mm") dicke Scheiben wiedergeben, und jeder Voxelwert einen Bereich von 0,5 mm &khgr; 0,5 mm repräsentiert, geben die interpolierten Voxel vorzugsweise einen Kubus wieder, der lmmxlmmxlmm groß ist. Um die Voxelwerte für die Voxel in der Ebene des Bildes zu interpolieren, wird jede Gruppe von vier benachbarten, ein Quadrat bildenden Pixel, gemittelt, wobei die resultierenden Mittelwerte die Daten aufweisen, um die lmmxlmmxlmm großen Voxel in der Bildebene zu erzeugen. Für die Voxel, die die Ebenen in 2 mm und 3 mm Tiefe repräsentieren, wird das Voxelbild in der Ebene vorzugsweise mit der darunterliegenden Bildebene (Referenzebene) in der nächst niedrigeren Ebene in einer Tiefe von 4 mm kombiniert, wobei eine lineare Wichtung verwendet wird, die proportional zu der Entfernung der ausgewählten Ebene zu der Referenzebene ist. Wie auf dem Gebiet gut bekannt, können natürlieh auch andere Interpolationsschemata verwendet werden. Nach-

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dem die interpolierten Daten erzeugt wurden, verwendet Atlas die Daten, um eine von einem Benutzer gewünschte Reihe zu erzeugen.

Wenn das Wiedergabefenster oder die Wiedergabefenster erzeugt sind und eine geeignete Bildreihe in diesen Fenstern dargestellt wird, kann der Benutzer Bildreferenzpunkte auswählen. Dies wird erreicht, indem mit der Maus auf die geeigneten Bereiche in dem in Fig. 2 gezeigten Menü zum Identifizieren von Bildreferenzpunkten geklickt wird. Nachdem eines der Bildpunkt-Pictogramme aktiviert wurde, kann der Benutzer die Maus 34 verwenden, um einen Cursor in Form eines Fadenkreuzes über das Bild zu bewegen, wobei, nachdem dieser auf ein spezielles Merkmal zentriert wurde, der Mausknopf betätigt wird, damit das in dem Computer 30 ablaufende Programm den Punkt auf dem Bild mit dem ausgewählten Bildpunkt-Icon in Übereinstimmung bringt. Der Benutzer kann dies beispielsweise für acht Punkte durchführen, auch wenn weniger oder mehr Punkte bei einem erfindungsgemäßen System verwendet werden können. Wenigstens drei Punkte werden benötigt, bevor eine Koregistrierung durchgeführt werden kann, wobei die Koregistrierung in besonders bevorzugter Weise mit etwa acht bis zehn Punkten am besten erreicht wird.

Der Befestigungsansatz 52, der Basisträger 50 sowie der Gelenkarm mit Sonde 18 sind an der den Patientenkopf haltenden Schädelklemme 46 befestigt. Vorzugsweise ist die Schädelklemme 46 eine von Ohio Medical Instrument Co., Inc., Cincinnati, Ohio, hergestellte und als modifizierte ¹¹MAYFIELD¹¹-Klemme bezeichnete Klemme. Die Klemme umfaßt einen Ratschenarm 146, der in einem Hülsenarm 148 befestigt ist, und ferner eine an dem Hülsenarm befestigte Halterung (nicht gezeigt) mit zwei Stiften und eine an dem Ratschenarm 146 befestigte Drehschraube mit Bolzen 150. Diese Klemme wird mittels gut bekannter Verfahren an den Kopf des Patienten angepaßt.

An dem Hülsenarm ist ein Starburst-Anschluß 54 angeordnet, an dem der Befestigungsansatz 52 befestigt ist. Der Basisträger 50 für den Gelenkarm mit Sonde 18 ist mittels Alien-Schrauben oder dergleichen an dem Befestigungsansatz 52 angebracht und der Gelenkarm mit Sonde 18 ist wie oben diskutiert an dem Basisträger 50 angebracht. Der Benutzer muß den Gelenkarm so anordnen, daß

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alle seitlich montierten optischen Encoder sich auf der gleichen Seite jedes Armsegments befinden. Wenn der Arm in einer nicht korrekten Position angeordnet wird, interpretieren der Computer 30 und die Encoderschnittstelle 20 die Winkeldaten des Gelenkarmes in einer Richtung, die der tatsächlichen Bewegung entgegengesetzt ist, und stellen die Position der Sonde nicht korrekt dar. Wenn sich der Arm in der geeigneten Stellung befindet, wird die Sonde 24 in der röhrenförmigen Verlängerung 58 des Basisträgers in Vorbereitung der Sondeninitialisierung (schemenhaft in Fig. 1 gezeigt) angeordnet.

Durch Anklicken des Sondeninitialisierungs-Pictogramms 154 (Fig. 2) erlaubt der Benutzer dem Computer 30, mit der Aufnahme einer Winkeldateneingabe von dem Gelenkarm mit Sonde 18 zu beginnen und die Sondenposition in der Verlängerung 58 als Referenzpunkt zu initialisieren. Ein Displaybereich 156 ist in dem linken unteren Bereich des Bildschirms des Monitors 32 gezeigt, der die Position jedes Armsegmentes und der Spitze der Sonde 24 zeigt. Indem die Sonde 24 aus der röhrenförmigen Verlängerung 58 zurückgezogen wird, kann der Benutzer den Gelenkarm und die Sondenspitze im Raum bewegen und deren Bewegung auf dem Bildschirm beobachten. Dadurch kann der Benutzer verifizieren, daß die optischen Encoder 22 sich in der korrekten Position zur Initialisierung befinden, indem beispielsweise die Aufwärtsbewegung der Sonde auf dem Bildschirm beobachtet wird, wenn die Probe in eine vertikal höhere Position bewegt wird. Wenn sich die dargestellte Sonde in einer Richtung bewegt, die entgegengesetzt zu der ist, in der die Sondenspitze tatsächlich bewegt wird, dann weiß der Benutzer, daß der Arm nicht korrekt initialisiert wurde, und er sollte die Initialisierung mit dem Gelenkarm in der geeigneten Position wiederholen.

Nach der Bestätigung, daß die Sonde korrekt initialisiert wurde, kann der Benutzer die Sondenspitze auf externen Punkten auf dem Schädel des Patienten plazieren, die den zuvor ausgewählten Bildreferenzen entsprechen. Typischerweise umfassen diese Punkte den mit dem Mittelpunkt der Augenhöhlen ausgerichteten Nasenrükken oder dergleichen. Dies wird ausgeführt, indem der Benutzer zuerst den einem Patientenpunkt-Pictogramm 158 benachbarten Auswahlknopf anklickt und dann die Sonde 24 an einem Punkt auf dem

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Schädel des Patienten plaziert, der der dem aktivierten Patientenpunkt zugeordneten Bildreferenz entspricht. Indem das Fußpedal 3 6 gedrückt wird, werden die Koordinaten der Patientenreferenz, die von der Sondenposition identifiziert wird, dem aktivierten Patientenpunkt zugeordnet. Der Leser sollte beachten, daß die Auswahl der Patientenreferenzen vor der Auswahl der Bildreferenzen durchgeführt werden kann.

Nachdem der Benutzer wenigstens drei Patienten- und Bildreferenzpunkte ausgewählt hat, beginnt der Computer 30 ein Programm auszuführen, das die radiologischen Wiedergabedaten mit den ausgewählten Patientenreferenzen in Übereinstimmung bringt. Vorzugsweise verwendet das Programm einen iterativen Algorithmus, um die Koregistrierung durchzuführen. Ein Anzeigefenster 160 wird auf dem Bildschirm des Monitors 32 (Fig. 2) bereitgestellt, um dem Benutzer Informationen hinsichtlich der Qualität der Koregistrierung der radiologischen Daten und der ausgewählten Patientenreferenzpunkte zu liefern. Typischerweise verbessert sich die Koregistrierung mit der Anzahl ausgewählter Punkte, wobei eine Anzahl von etwa acht bis zehn Punkten normalerweise eine ausgezeichnete Übereinstimmung der Patienten- und Bilddaten liefert.

Vorzugsweise wird die Koregistrierung mittels eines in einem der auf dem Computer 30 ablaufenden Programmodule implementierten iterativen Algorithmus durchgeführt. Der bevorzugte Algorithmus wählt einen Satz von Bildreferenzpunkten und die korrespondierenden Patientenreferenzpunkte aus. Die Schwerpunkte der von jedem ausgewählten Satz definierten geometrischen Figuren werden verarbeitet. Die Koordinaten eines Schwerpunktes werden dann in die Koordinaten des zweiten Schwerpunktes umgerechnet und die dem ersten Schwerpunkt zugeordneten Punkte werden vergleichbar umgerechnet. Die Koordinatenunterschiede der umgerechneten und nicht umgerechneten Punkte für den ersten Satz werden quadriert, um einen Wert für den Gesamtfehler oder ein Gütemaß zu bestimmen. Die umgerechneten Punkte werden dann in nur einer Richtung um einen inkrementellen Betrag verändert, wobei der Unterschied zwischen den Punkten in dem ersten Satz und deren entsprechenden Punkten in dem zweiten Satz berechnet und quadriert wird. Wenn das Fehlerergebnis kleiner als das Gütemaß ist, werden die in-

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krementierten Werte die Punktwerte für den ersten Satz und das Fehlerergebnis wird zu dem neuen Gütemaß.

Die Inkrementveränderung wird erneut in der gleichen Richtung durchgeführt, wobei ein neues Fehlerergebnis berechnet wird. Wenn das Fehlerergebnis größer als das aktuelle Gütemaß ist, wird für die umgerechneten Punkte angenommen, daß sie die beste Anpassung darstellen.

Die Inkrementänderung wird nun für eine andere Richtung berechnet und evaluiert. Inkrementalanderungen in der zweiten Richtung werden solange durchgeführt, bis das Fehlerergebnis größer als das Gütemaß ist und für die zuvor umgerechneten Punkte angenommen wird, daß sie die beste Anpassung darstellen. Die Inkrementänderungen werden dann in der vorherigen Richtung fortgesetzt, bis das Fehlerergebnis größer als das aktuelle Gütemaß ist. Die Inkrementänderungen werden für die zweite Richtung erneut überprüft. Dieses Vorgehen wird solange fortgesetzt, bis keine Umrechnung in einer Richtung ein Fehlerergebnis erzeugt, das kleiner als das aktuelle Gütemaß ist. Wenn dies auftritt, wird die dritte Richtung inkrementell verändert und überprüft, wobei das Fehlerergebnis und das Gütemaß wie oben beschrieben verarbeitet verwendet werden. Wenn keine Inkrementänderung in einer Richtung ein Fehlerergebnis erzeugt, das größer als das aktuelle Gütemaß ist, ist die Koregistrierung abgeschlossen, und es kann eine Umrechnung aller Punkte in einem Satz in entsprechende Koordinaten in dem zweiten Satz durchgeführt werden.

Manchmal entspricht eine Patientenreferenz nicht genau dem in 0 den Bilddaten ausgewählten Punkt und kann die Bewertung der Koregistrierung herabstufen. Die Deaktivierung eines derartigen Punktes, indem das entsprechende "Verwende"-Pictogramm zurückgesetzt wird, kann die Bewertung der Registrierung verbessern. Der Computer 30 erlaubt einem Benutzer, Punkte selektiv zu aktivieren und deaktivieren, um festzustellen, welche Punkte die beste Übereinstimmung zwischen den Patienten- und Bilddaten liefert. Der Leser sollte jedoch beachten, daß sich die Koregistrierung mit der Anzahl von Referenzpunkten verbessert, weshalb es besser ist, einen der Bild- oder Patientenreferenzen erneut auszuwählen, damit sie mit ihrem Gegenstück besser übereinstimmt.

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Entweder vor der Registrierung oder dieser nachfolgend, kann der Benutzer ein Ziel auswählen. Dies wird durchgeführt, indem das "Definiere Ziel^M-Pictogramm 162 auf dem Bildschirm des Monitors 32 mit der Maus 34 aktiviert und der Fadenkreuzcursor mit der Maus zu einem Bereich im Inneren des in dem Bild dargestellten Patientenkopfes bewegt wird. Typischerweise kann der interessierende Bereich ein Tumor, eine Läsion, eine verdächtige Stelle einer Aktivität, für die ein Chirurg eine Tiefenelektrode plazieren möchte, oder ein Bereich zum Implantation eines radioaktiven "Samens¹¹ für die Radiochirurgie sein. Die Zielkoordinaten werden festgesetzt, indem das "Definiere Ziel"-Pictogramm 162 angeklickt wird.

Nachdem die Registrierung und Zielauswahl durchgeführt wurde, kann der Benutzer die Sonde 24 an einer Stelle auf dem Schädel des Patienten plazieren (solange dieser Bereich ein Teil des in dem Scanner abgetasteten Bereiches ist), und ein Weg 170 von diesem Punkt (markiert durch die Pfeilspitze 172) zu dem Ziel (markiert durch das Fadenkreuz 174) wird dargestellt. Der Weg zu dem Ziel wird vorzugsweise dargestellt, um anzugeben, ob der Weg auf der zu diesem Zeitpunkt dargestellten Bildscheibe tatsächlich vorliegt. Der Abstand zwischen der Sondenposition und dem ausgewählten Ziel entlang des dargestellten Weges wird für jede Position in der rechten unteren Ecke des Wiedergabefensters (Fig. 2) gezeigt. Beispielsweise kann ein Chirurg die Sonde an einem Punkt plazieren, der auf einer aktuell wiedergegebenen Bildscheibe gezeigt ist. Der Chirurcf kann jedoch die Sonde in einer Orientierung halten, so daß der Weg von der Sonde 24 zu dem Ziel durch eine oder mehrere Scheiben vor Erreichen des Zieles verläuft. In diesem Fall wird der Bereich, der auf der dargestellten Scheibe tatsächlich vorliegt, vorzugsweise in gelb gezeigt, wobei der restliche Weg zu dem Ziel vorzugsweise in rot gezeigt wird (Fig. 2). Indem der Schiebeknopf 130 mit der Maus 34 bewegt wird, kann der Chirurg jeden Bereich des Zielweges in der geeigneten Bildscheibe bis das Ziel erreicht ist betrachten, um das Gewebe zu evaluieren, durch das der ausgewählte Weg verläuft. Wenn der Chirurg entscheidet, daß der Weg nicht akzeptable Risiken darstellt, kann der Chirurg eine andere Orientie-

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rung oder einen anderen Punkt auf dem Schädel des Patienten auswählen und den Weg erneut untersuchen.

Indem die Ansicht "quer zur Sonde" ausgewählt wird, wird eine Reihe in dem zweiten Wiedergabefenster gezeigt, die unter Verwendung der Maus 34 zum Bewegen des Schiebeknopfes 130 für dieses Wiedergabefenster verändert werden kann. Auf diese Weise werden von der Sonde 24 zu dem Zielbereich Bilder der zu der Sonde 24 quer verlaufenden Ebenen gezeigt. Dadurch kann der Chirurg den Weg durch das Gehirngewebe des Patienten bis zu dem Ziel evaluieren.

Wenn der Chirurg einen bestimmten Weg zu dem ausgewählten Ziel ausgewählt hat, kann ein Schädelring 80 an dem Kopf des Patienten angebracht und eine Transferplatte 82 an dem Schädelring 80 angeschlossen werden. Die Transferplatte 82 umfaßt eine Sondenausrichtungskugel 86, in der die Sonde 24 angeordnet werden kann. Nachdem die Sonde 24 in der Kugel 86 angeordnet ist, kann sie bewegt werden, um den Weg zu dem Zielbereich erneut auszuwählen, der nach Auffassung des Chirurgen optimal ist. Während die Sonde 24 an dieser Position gehalten wird, kann die Kugel arretiert, um einen Weg zu dem Ziel zu definieren, und die Sonde entfernt werden. Vorzugsweise wird die in Fig. 3 gezeigte Apparatur verwendet, um zu vermeiden, den Schädelring 80 an dem Kopf

25 des Patienten anzubringen.

Vorzugsweise ersetzen ein zweiter Basisträger 50 und die Sonde 24, die sterilisiert werden können, den Basisträger und die Sonde, die zur Identifikation und Koregistrierung von Referenzen verwendet wird. Vorzugsweise bestehen der Basisträger und die Sonde, die sterilisiert werden können, aus grau eloxiertem Aluminium, während die nicht sterilisierte Basis und Sonde aus schwarz eloxiertem Aluminium bestehen. Vorzugsweise ist die sterilisierbare Version der röhrenförmigen Verlängerung 58 und der Sonde 24 kürzer als die nicht sterilisierbaren Gegenstücke, um die Sterilisation zu vereinfachen. Jedenfalls ist der Befestigungsansatz 70 der Sonde 24 dem sich von dem äußersten Gelenk des Gelenkarms an einer zweiten Stelle erstreckenden Ansatz zum Befestigen der Sonde zugeordnet, um zu gewährleisten, daß der

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für die Koregistrierung verwendete Referenzpunkt nicht verfälscht wird.

Der sterilisierbare Basisträger wird an dem Ansatz 52 befestigt, nachdem eine sterilisierte chirurgische Abdeckung mit einer darin eingeschnittenen Öffnung über dem Ansatz 52 angeordnet wurde. Bevor der Gelenkarm mit Sonde 18 an dem Basisträger 50 befestigt wird, wird eine sterilisierte röhrenförmige Abdeckung über dem Arm und dem Befestigungsansatz 62 angeordnet. Der Sondenbefestigungsansatz 70 wird dann über der röhrenförmigen Abdeckung plaziert, um die sterilisierbare Sonde 24 zu fixieren. Die Sonde wird dann zu der Verlängerung 58 zurückgeführt, und der Benutzer klickt auf das "graue Sonde"-Pictogramm 176 (Fig. 2), so daß sich das Atlas-Programm auf die Länge der Sonde 24 einstellen kann. Die Dicke der chirurgischen Abdeckungen werden in der Maschinerie der Sterilisationsteile kompensiert. Das bedeutet, daß die Öffnung in dem Befestigungsansatz um einen geeigneten Betrag vergrößert ist, um die chirurgische Abdeckung zwischen dem Befestigungsständer und dem Ansatz zu kompensieren. Diese Kompensation ist erforderlich, um zu gewährleisten, daß die Schrauben, die verwendet werden, um die Sonde an dem Ständer zu arretieren, die Sondenspitze nicht aus der Mittellinie des Ständers ziehen. Der Benutzer klickt dann das ^l1Sondeninitialisierungs^M-Pictogramm 154 an, um die Anordnung des Armes zu verifizieren. Die.Koregistrierung wird automatisch durchgeführt, wobei die zuvor ausgewählten Referenzen verwendet werden.

An dieser Stelle kann der Chirurg dann einen geeigneten Bohrer verwenden, um den Schädel des Patienten zu öffnen und eine Instrumentenaufnahme in die Transferplatte 82 einzuführen. Der Chirurg könnte dann beispielsweise eine Biopsienadel direkt zu dem Ziel in der angegebenen Tiefe einführen und in angemessener Wiese darauf vertrauen, daß sich die Biopsienadel in dem Zielbereich befindet, wobei sie nur das Gewebe passiert hat, das in den in dem Wiedergabefenster dargestellten Bildern gesehen wurde. Nach diesem Vorgehen kann der Chirurg die Öffnung schließen oder den Zielbereich weiter behandeln. In ähnlicher Weise kann der Chirurg andere Ziele auswählen und diese wie das erste behandeln.

Nachdem die Schädelplatte 80 befestigt und die Kugel 86 der Platte 82 arretiert wurde, kann der Chirurg entscheiden, eine Bogenstange anzubringen, um ein hemisphärisches Instrumentenpositioniersystem bereitzustellen, das über dem Zielbereich zentriert ist. Dies wird durchgeführt, indem die Bogenstange 100 an der Kugel 86 angebracht, der Rotationsstützarm 102 an der Stange 100 befestigt und der Bogen 104 an dem Stützarm 102 angebracht wird. Die variable Anordnung 106 wird dann an dem Bogen 104 befestigt, wobei eine Position an irgendeiner Stelle auf der Hemisphäre ausgewählt werden kann, indem der Stützarm 102 um die Stange 100 gedreht, der Bogen 104 bezüglich des Trägerarms verschoben oder die variable Anordnung 106 entlang des Bogens 104 bewegt wird. An jedem dieser Punkte kann der Chirurg in angemessener Weise darauf vertrauen, daß er einen Punkt lokalisiert hat, der über dem Zielbereich zentriert ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung einer alternativen Ausführungsform veranschaulicht und die Ausführungsformen deutlich detailliert beschrieben wurden, ist es nicht die Absicht des Anmelders, den Umfang der beigefügten Ansprüche auf derartige Einzelheiten einzuschränken oder in irgendeiner Weise zu begrenzen. Zusätzliche Vorteile und Modifikationen werden für Fachleute auf dem Gebiet unmittelbar ersichtlich. Beispielsweise können sowohl MRI- und CT-Bilder in den Computer 30 geladen werden, wobei eine Koregistrierung zwischen diesen vor einer Koregistrierung mit dem Patienten erreicht werden kann. Dies liefert dem Chirurgen organische Einzelheiten aus der MIR-Abtastung und die Koordinatengenauigkeit der CT-Abtastung. Die Erfindung ist daher in ihrem weitesten Sinne nicht auf die gezeigten und beschriebenen spezifischen Einzelheiten, das repräsentative Bildgebungssystem und die veranschaulichenden Beispiele beschränkt. Dementsprechend können Abweichungen von derartigen Einzelheiten vorgenommen werden, ohne sich dabei von dem Geist oder Umfang des allgemeinen erfinderischen Konzepts 5 des Anmelders zu entfernen.

Beansprucht wird:

Claims (11)

1. Eine Vorrichtung (16') zur Verwendung während eines stereotaktischen chirurgischen Verfahrens, mit:

- einem Arm (180-190), und

- einem Sondenhalter (192),

- wobei der Arm (180-190)

- ein erstes Ende (180) zum Befestigen der Vorrichtung (16') an einer an dem Kopf eines Patienten angebrachten Schädelklemme (46),

- ein zweites Ende, das in dem Sondlenhalter (192) endet, und

- justierbare Arme (182, 186, 190) und Gelenke (184, 188) zum Justieren des Sondenhalters (192) an einer gewünschten Position relativ zu dem Kopf des Patienten umfaßt, und

- wobei der Sondenhalter (192)

- einen Drehsockel (84),

- eine Ausrichtungskugel (86), die bewegbar in dem Drehsockel (84) angeordnet ist, wobei die Ausrichtungskugel (86) zur Aufnahme eines chirurgischen Werkzeuges eine Öffnung aufweist, und

- Einrichtungen zum Arretieren (98) umfaßt, die sich zum Arretieren der Ausrichtungskugel (86) in dem Drehsockel (84) durch den Drehsockel (84) erstrecken.

2. Die Vorrichtung (16') nach Anspruch 1, bei der der Arm (180- 190) umfaßt:

- einen ersten justierbaren Arm (186), der sich von einem Gelenk (184) erstreckt, das mit der Schädelklemme (46) verbunden ist, und

- einen zweiten justierbaren Arm (190), der sich von einem Gelenk (188) an dem Ende des erstens Armes (186) erstreckt.

3. Die Vorrichtung (16') nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Arm (180-190) mit einem Sunburst-Anschluß (54) der Schädelklemme (46) verbunden ist.

4. Die Vorrichtung (16') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Arm (180-190) einen steifen Offsetarm (182) umfaßt, der sich von der Verbindung zu der Schädelklemme (46) erstreckt.

5. Die Vorrichtung (16') nach Anspruch 4, bei der der steife Offsetarm (182) in dem Gelenk (184) endet, von dem sich der erste Arm (186) erstreckt.

6. Die Vorrichtung (16') nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der der zweite Arm (190) in dem Sondenhalter (192) endet.

7. Die Vorrichtung (16') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das in der Bohrung der Ausrichtungskugel (86) angeordnete chirurgische Werkzeug eine Sonde (24) ist, wobei die Sonde (24) mit einem bildgeführten System (12) verbunden ist.

8. Eine Vorrichtung (16') zur Anwendung während eines stereotaktischen Verfahrens, mit:

- einer Einrichtung (46) zum Halten des Kopfes eines Patienten in einer gewünschten Position,

- einem Arm (180-190) mit einem ersten Ende (180), das mit der Halteeinrichtung (46) verbunden ist, und

- einem Sondenhalter (192), der an einem zweiten Ende des Arms (180-190) angeordnet und zum Halten einer Sonde (24) ausgelegt ist, wobei der Arm (180-190) ausgelegt ist, um den Sondenhalter (192) in der Nähe eines Patienten an einer gewünschten Position anzuordnen, wobei der Sondenhalter (192) an der gewünschten Position in Relation zu dem Patienten drehbar gelagert ist, um einem Chirurgen zu ermöglichen, einen gewünschten Weg zwischen der gewünschten Position und einem in dem Kopf des Patienten angeordneten Ziel zu evaluieren und festzulegen, wobei der Sondenhalter (192) arretierbar ist, um den die Sonde (24) tragenden Sondenhalter (192) in einer gewünschten Orientierung zu fixieren, die die Sonde (24) entlang des gewünschten Weges ausrichtet.

9. Die Vorrichtungen (16') nach Anspruch 8, bei der der Sondenhalter (192) einen Kugel-(86) und Sockel-(84)-Mechanismus umfaßt, wobei die Kugel (86) in dem Sockel (84) arretierbar ist.

10. Die Vorrichtung (16') nach Anspruch 8 oder 9, bei der der Sondenhalter (192) über wenigstens zwei justierbare Arme (182, 186, 190) in Relation zu der Halteeinrichtung (46) justierbar unterstützt ist.

11. Die Vorrichtung (16') nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der der Sondenhalter (192) ausgelegt ist, ein Instrument (87) so aufzunehmen, daß das Instrument (87) entlang des gewünschten Weges auf das Ziel ausgerichtet ist.