DE29522246U1

DE29522246U1 - Device for neurosurgical stereotactic procedures

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Publication number: DE29522246U1
Application number: DE29522246U
Authority: DE
Original assignee: Schaerer Mayfield USA Inc
Current assignee: Schaerer Mayfield USA Inc
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2005-09-29

Description

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VORRICHTUNG FÜR NEUROCHIRURGISCHE STEREOTAKTISCHE VERFAHRENDEVICE FOR NEUROSURGERY STEREOTACTICAL PROCEDURES

BESCHREIBUNGDESCRIPTION Gebiet der ErfindungField of the invention

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen neurochirurgische Vorrichtungen und insbesondere stereotaktische Systeme zur Verwendung in der Neurochirurgie.This invention relates generally to neurosurgical devices and, more particularly, to stereotactic systems for use in neurosurgery.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

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.During the 1970s, radiological imaging systems were developed to help surgeons assess a patient's internal condition in more detail. In particular, computer-assisted tomography (CAT) systems were developed to enhance images generated from data produced during a radiological scan of a patient. The patient is supported in a rack, and a radiation source and radiation detectors are placed opposite each other so that they can be rotated around a portion of the patient's body. The data generated by the radiation detectors is used by a computer to produce radiographic images, or "slices," of the body's position to give a physician greatly improved views through the area of interest.

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.Later radiographic imaging systems included magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET), which produce images using energy sources that do not use X-rays or the like. These devices are useful because they provide different or additional information about organs or tissues compared to CAT scan images. In this application, the term "scanner" refers to imaging devices regardless of the technique used to produce the images.

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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.Neurosurgery can be used to examine, repair, or remove abnormalities located in a patient's brain. The environment of such surgical procedures is challenging because the organ of interest, the brain, is surrounded by a relatively thick bony structure, the skull. The only access to the brain that a surgeon typically has prior to surgery is through images produced by an imaging system.

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.Because of the inaccessibility, size, and nearly hemispherical shape of the brain, specifying the location of a point in the brain generally requires reference to a fixed external reference system. To provide an operator with sufficient information to locate an area of interest on an image, such as a tumor or lesion, various systems have been developed to provide a reference point or points that can be used to match the patient's anatomical structure to the structures represented in the images. Typically, these systems require that a frame be rigidly fixed to a patient's head to provide a reference point or points. With the reference structure attached to the patient, the image data is generated with the reference frame fixed in relation to the imaging device. This means that there is typically a mechanical coupling between the reference structure and the imaging device. After the data is collected, the patient can be removed from the scanner, but the reference frame must remain attached to the patient's head. The reference frame remains in place during the surgical procedure so that the surgeon can correlate image information about the patient's anatomical structures with a position in the patient's skull positioned relative to the frame.

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 undAlthough such systems enable surgeons to locate regions of interest in a patient’s brain based on data acquired by radiological scanners, the required reference frames are cumbersome and

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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.complicate the acquisition of radiologic data. To maintain positioning of the reference frame, it must remain attached to the patient's head during the scanning and surgical procedure. Because the reference frames can weigh several pounds and must be securely attached to the head, they can be uncomfortable for the patient. The distances the frames extend from the patient's head also present difficulties in moving the patient. In addition, patients with larger than normal heads often cannot be fitted with stereotactic frames.

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.To reduce the bulkiness of the reference structure and the discomfort it causes to a patient, a stereotactic system was developed that uses a skull ring that can be attached to a patient's skull. The ring is a relatively small metallic circle that is attached to a patient's head using grid-like screws. Once the ring is in position, a transfer plate having two openings, one of which has a rotatable ball and socket mechanism mounted therein, is secured in the ring. The transfer plate is also provided with a radiologically opaque marker that can be seen in the radiological images produced by the scanner. The patient is then placed in a scanner, and a member extending from the ball and socket is coupled to the machine. Once the patient has been aligned in the scanner for image data acquisition, the ball and socket are fixed in a fixed orientation.

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.After image data acquisition, the member extending from the ring and patient that was coupled to the scanner is removed so that the patient can be removed. The ball and socket remain fixed in orientation so that the orientation of the transfer ring on the patient's skull can be duplicated later for locating a target.

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 sichAfter removing the transfer plate holding the ball and socket from the skull ring attached to the patient’s head, the _# plate is connected to a component that

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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.over a table frame to duplicate its position and orientation on the patient's head. The images produced by the scanner are viewed and the coordinate data of a selected target, such as a lesion or tumor, and the radiological marker of the transfer plate are determined. Using this coordinate data and the markings placed on the table frame, a target marker is moved on the table frame to identify the target position relative to the radiological marker. A second ball and socket mechanism is placed in the second opening of the transfer plate. Thereafter, an instrument, such as a biopsy probe, can be guided through the second ball and socket to the target point to define a distance and path to the target. The second ball and socket are then fixed in place to maintain the orientation to the target and the distance to the target is marked on the probe.

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.The transfer plate carrying the second ball and socket mechanism can then be removed from the assembly above the table frame and reattached to the skull ring on the patient's skull, with the second fixed ball and socket defining a path to the selected target. Thereafter, a biopsy probe can be used to mark the patient's skull and a craniotomy can be performed at that point to provide an opening in the patient's skull. The biopsy probe can then be passed through the opening in the second ball or socket to the depth marked on the probe to place the biopsy probe in the lesion or tumor. In this way, the surgeon is able to accurately place the biopsy probe without unnecessary searching to locate the tumor or lesion prior to performing the biopsy. Further description of the above procedure and apparatus is provided in referenced U.S. Patent Nos. 4,805,615 and 4,955,891.

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.The previously described way of performing the biopsy facilitates image data acquisition in many ways. First, the reference structure attached to the patient's skull is small compared to the reference frames used previously.

Zweitens erlaubt die entfernbare Platte mit den Kugel- und Sok-Secondly, the removable plate with the ball and socket

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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.Third, the removable plate with the ball and socket mechanisms ensures correct placement of the plate on the patient's skull and maintains the accuracy of the path to the target identified on the table frame. Although this method greatly simplifies locating a target area in a brain, it fails to provide the surgeon with information concerning the intervening tissue area between the craniotomy opening in the skull and the target area located in and possibly deep within the brain. Furthermore, the image data generated by a scanner is not necessarily oriented transversely to the position of the ball opening and the base of the reference ring and thus does not provide image data at various depths between the craniotomy opening and the target area to assist the surgeon in assessing the path to the target. Thus, although the surgeon does not need to search to locate the target, the surgeon must carefully move brain tissue aside along the path to reach the target. Otherwise, damage to sensitive areas that may lie along the path is possible. The reference systems discussed above do not assist a surgeon in identifying the exact location of such sensitive areas prior to performing the craniotomy and traversing the path to the target.

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.In addition to identifying the location of the lesion or injury in the brain, it is often critical to define an appropriate path to reach that location through the brain to minimize damage to intervening tissue. Thus, identifying the path to the site can be almost as critical as identifying the site itself. In this regard, the previously described system was inadequate.

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-To provide a more automated alignment between image data and the patient positioned in surgery, systems have been developed that perform "co-registration." Co-registration is a process in which a computer matches references associated with image data with references associated with a patient's body.

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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.net. The image references are typically selected using a mouse and cursor to identify points on a displayed image that lie on a patient's skin. An articulated arm and probe are connected to the computer to provide coordinate data for points outside the computer. Using the arm and probe, the user selects points on the patient that correspond to the selected image references, and the computer runs a program that matches the corresponding points. After a sufficient number of points have been selected (usually at least 8), the computer can identify the point in the displayed image that corresponds to the position of the probe near the patient's head. One such system is manufactured by Radionicx, Brookline, Massachusetts, and is referred to by the product name "The Operating Arm."

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.Such a system provides a surgeon with "navigation" information, meaning that the surgeon can bring the probe to a specific location on or in a patient's head and identify that location on the displayed image. This allows the surgeon to look at areas on the displayed image and determine their distance from the probe location. This allows the surgeon to confirm surgical approach to a target.

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.Although these systems provide confirmatory navigation information, they still do not map a stabilized image of the surgical path onto a displayed radiological image before a craniotomy is performed. Such systems cannot map a stabilized path because the surgeon cannot consistently orient and stabilize the probe at exactly the same position each time the path is to be viewed. As a result, such systems are unable to identify or consistently indicate a path to a target because the probe is manually operated. Furthermore, such systems do not ensure that the surgeon is following a path that the surgeon has chosen based on viewing the displayed radiological images.

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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.What is needed is a system that allows a surgeon to select, evaluate, and lock in a path to a chosen target before performing a craniotomy. What is needed is a system that guides a surgeon along an evaluated surgical path to a target during and after craniotomy. What is needed is a way to select and maintain a variety of chosen paths to multiple targets after the paths have been evaluated.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

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.These and other problems of known systems are solved by a system according to the invention. This system includes an imaging display system for displaying radiological images, an image reference selector connected to the imaging system for selecting references on an image displayed on the display system, a target selector connected to the imaging system for selecting a target on an image displayed on the display system, an articulated arm and probe connected to the imaging system for providing spatial data to the probe in relation to the imaging system so that a position associated with the probe is displayed on the displayed image. A patient reference selector is connected to the imaging system and the articulated arm for selecting references on a patient that match the references selected for the displayed image. A co-registration processor associates the patient references with the selected image references so that the coordinates provided by the articulated arm can be brought into correspondence with the displayed image, whereby a position of the probe can be displayed on the displayed image. A probe holder holds the articulating arm probe near a patient's head, with the holder being selectively lockable to maintain a position near the patient's head. Using this system, a surgeon can evaluate the path between the probe position and the selected target shown on the displayed image.

Ein erfindungsgemäßes System erlaubt es, einen Patienten ohne eine(n) an dem Patienten befestigte(n) Referenzplatte oder rahmen zu scannen (abzutasten). Das System ordnet BildreferenzenA system according to the invention allows a patient to be scanned without a reference plate or frame attached to the patient. The system assigns image references

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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.selected anatomical features of a patient so that the position of the probe can be shown on a radiological image and a path to a selected target projected onto the image. A surgeon can evaluate the path to the selected target and lock the position of the probe if the path is judged acceptable. The surgeon can then mark the appropriate location on the patient's head for the craniotomy. Similarly, the paths to other targets can be identified and marked prior to a craniotomy.

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.The system may further include surgical instrument receptacles that fit into the probe holder so that an instrument can be inserted through the receptacle in the correct orientation and position to follow the evaluated path to the selected target. Thus, the probe holder may be used to facilitate the surgeon's selection and evaluation of a path and then adherence to that path and to guide instruments along that path.

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.The system of the present invention may further include an arch support rod for defining a predetermined radius to a selected target. A grooved arch may be rotatably mounted on the reference rod, with the probe holder having a probe mounted therein adapted to slide within the grooved arch. Thus, the grooved arch may be rotated hemispherically about the patient's head with the probe plate and probe holder sliding along the grooved arch to define multiple entry points for evaluation by the surgeon using the radiological display system. The imaging system is further equipped with a processor for interpolating data from the radiological data generated by the scanner to provide a view along the probe from any entry point selected along positions of the hemispherical stereotactic positioning system as long as the probe reaches the holder. Using this system, a surgeon may evaluate a number of entry points and select the one that presents the least risk to the patient.

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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.Another advantage of the present system is that after a target has been selected and the biopsy or surgical procedure performed on the target, the surgeon can select a second target of interest in the patient's brain. After this selection, the probe holder can be unlocked and the probe reinserted to define a second path to the second selected target. The hemispheric stereotactic system can then be mounted for evaluation to provide multiple entry points for the second target, and surgery can be performed on the second target once an appropriate path has been selected. Using the system in this manner simplifies a surgery in which radioactive inserts are implanted in various areas of a tumor, thereby limiting radiation primarily to the area of the tumor. This type of use also assists a surgeon in precisely placing multiple depth electrodes in a patient's brain for monitoring.

Diese und andere Vorteile eines erfindungsgemäßen Systems können unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und die enthaltene detaillierte Beschreibung in Erfahrung gebracht werden.These and other advantages of a system according to the invention can be learned by reference to the accompanying drawings and the detailed description contained therein.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

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.The present invention may be embodied in various components and arrangements of components, and in various steps and arrangements of steps. The drawings are for illustrative purposes only of a preferred embodiment and alternative embodiments, and are not to be construed as limiting the invention.

Fig. 1 ist eine perspektivische schematische Ansicht der Komponenten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems,
35Fig. 1 is a perspective schematic view of the components of an embodiment of a system according to the invention,
35

Fig. 2 zeigt einen repräsentativen Bildschirm, der von demFig. 2 shows a representative screen taken from the

System von Fig. 1 erzeugte Bildinformation wiedergibt, undsystem of Fig. 1, and

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Fig. 3 ist eine Ansicht der bevorzugten Ausführungsform eines stereotaktischen Teilsystems zur Verwendung in dem System von Fig. 1.Fig. 3 is a view of the preferred embodiment of a stereotactic subsystem for use in the system of 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. Detailed Description of the Invention A neurosurgical stereotactic system 10 constructed in accordance with the present invention is shown in Fig. 1. The system includes an image display subsystem 12, an articulated arm and probe 18, and a stereotactic subsystem 16. The image display subsystem 12 displays images from image data generated by a scanner or from data interpolated from such data. The subsystem 12 accepts operator input for selecting references, receives coordinate data from the articulated arm and probe, and matches selected references on a patient 13 with the selected references for the radiological images for the patient so that the position of the probe and a path to a selected target can be displayed. The subsystem 12 also displays an image of the articulated arm so that operation of the arm and probe can be verified.

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.The articulated arm with probe 18 provides spatial data to the display subsystem 12 via an encoder interface 20. The spatial data is preferably generated by optical encoders 22, although other spatial coordinate data generating components may be used. In addition to the data provided by the arm with probe 18, which is used to locate the position of the probe, a probe 24, when rotated about its longitudinal axis, may also provide rotation data to rotate the displayed image on the subsystem 12 as described in more detail below.

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-The stereotactic subsystem 16 stabilizes the probe 24 as a surgeon passes it over a patient's head. The subsystem 16 further includes components, discussed in detail below, that allow the probe to be locked in a position, which position is used to guide surgical instruments to a selected target. The subsystem 16 further includes components, also discussed in detail below, that can be used to provide multiple entry

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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.points for a surgical path to a target in the patient, all of which are focused on the selected target area. These components provide a surgeon with reasonable confidence that each probe position provided by the system is directed to the selected target.

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.The radiologic display subsystem 12 includes a computer 30 to which are connected a high resolution graphics monitor 32, a mouse 34, a foot pedal 36, a keyboard 38, and a tape drive 40. In addition, the computer 30 may include a 3.5 inch floppy disk drive or the like, and a digital audio tape (DAT) drive or the like. The tape drive 40, floppy disk drive, and DAT drive may be used to provide radiologic image data to the computer 30. These tape drives may also be used to archive data generated by the computer 30 or to update software running on the computer 30. The computer 30 may also be connected to a computer network, such as an Ethernet, using conventional methods. Such a network may be used to provide radiologic image data, software, or diagnostic services.

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.Preferably, monitor 32 is a very high raster resolution Multi-ScanHG Triniton monitor available from Sony Corporation of America. Preferably, computer 30 is a Dell 450 DE/2 DGX manufactured by Dell Computers of Houston, Texas. The preferred tape drive 40 for reading scanned image data is a 9-track tape drive manufactured by Overland Data of San Diego, California. Encoder interface 20 and articulating arm with probe 18 are manufactured by Immersion Human Interface Corp. of San Francisco, California.

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 diePreferably, the computer 30 executes the Atlas program developed by Nomos, Pittsburgh, Pennsylvania. Atlas is a computer program that renders radiological images from radiological scan data provided by the tapes and interpolates data to provide additional views not present in the radiological scan data. The Atlas program of the preferred embodiment has been modified to provide the

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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.Encoder interface 20 to accept data from the articulating arm with probe 18. The program is loaded using the persistent operating system of the computer 30, which in the preferred embodiment is the Microsoft Disk Operating System (MS-DOS). The Atlas program contains high level I/O routines and other functions for computer system elements, so that the Atlas program utilizes the basic level I/O operation of the persistent operating system of the computer 30. In the preferred embodiment, the computer 30 is also equipped with a telephone interface so that software and other support functions, such as diagnostics, can be provided over a telephone from a remote location.

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.The articulating arm with probe 18 is attached to a surgical skull clamp 46 which is mounted to an operating table 48 (which may be of known type). A base support 50 (Fig. 1) is attached to a mounting boss 52 which is attached to the starburst connector 54 of the surgical skull clamp 46. Preferably, the base support 50 is attached to the boss 52 with Allen screws or the like. Preferably, the mating surfaces of the boss 52 and the support 50 are aligned so that there is only one possible orientation of the base support 50. This feature is important in maintaining reference point accuracy when using the sterile base support and surgically draped arm as discussed in more detail below. The base support 50 further includes a lockable mounting bolt 56 for the articulating arm at one end and a hollow tubular extension 58 at its second end for holding the probe 24 of the articulating arm. The bolt 56 is rotatably mounted in a slot 60 which is cut into the base support 50 for the articulated arm with probe 18.

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 anFurthermore, the articulated arm with probe 18 (Fig. 1) comprises a mounting lug 62, two arms 64 and the probe 24. Joints 68 connect the mounting lug 62, the arms 64 and the probe 24 to form the arm with probe 18. In each joint, rotation in two perpendicular planes is possible to allow two degrees of freedom for each arm. The position of each arm relative to its corresponding joint is preferably provided by means of optical encoders 22 which are connected to

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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.each joint in a perpendicular relationship to the arm. The probe 24 is mounted in a receptacle 70 located at the extreme end of the arm so that it can rotate about its longitudinal axis. This rotational movement is used by the computer 30 to rotate the radiographic images presented to the surgeon on the screen of the monitor 32. An interface cable 72 extends from one end of the articulated arm 18 and terminates at the encoder interface 20. The encoder interface 20 converts the data from the six optical encoders 22 of the articulated arm 18 into rotational position data (angle data) for the 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.The tape drive 40 may be used to provide image scan data to the computer 30. Most image scanners archive image data produced by a scan by storing it on a magnetic medium, such as a nine-track tape 74. This tape may then be read by the tape drive 40 and supplied to the computer 30, which stores the data on other magnetic media, such as a hard disk drive. The image data read from the tape inserted into the drive 40 may be used as generated by the scanner. However, each scanner manufacturer may format the data differently. Preferably, the image data produced by the various types of scanners is converted to a standard format before being stored on the internal magnetic media of the computer 30. This eliminates the need for the image rendering program executing on the computer 30 to have different modules or routines for each format in order to use the data from different scanners.

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 eineGenerally, data generated by a scanner includes image data and non-image data. Non-image data includes the definition of parameters such as the patient name, date, patient position, scan orientation, scan parameters, and other imaging details specific to each of the scanner manufacturers. The preferred embodiment of the program running on computer 30 extracts the basic data common to all scanner manufacturers and stores it along with image data files in a key-value file. The key-value file contains a

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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.List of keywords that identify each data field and the value of that field. For example, a data field identifier for the patient name is followed by the data representation of the patient's name for a scan series. These files are preferably human-readable for system analysis because they are not typically accessed by a user.

Bilddaten umfassen üblicherweise numerische Daten, die einen Graustufenwert oder andere Helligkeits-/Kontrastwerte, wie z.B.Image data typically includes numerical data that represents a grayscale value or other brightness/contrast values, such as

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.Hounsfield units, which are used in a known manner to generate images. These numerical values may be compressed or expressed as integer or real number values. The preferred embodiment of the program running on computer 30 decompresses compressed values and converts all numerical data to integer data. This data is then stored in image data files. This data is preferably written to the hard disk in a hierarchical structure, with patient data separated from each other and with image studies and series for each patient.

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.The foot pedal 36, mouse 34 and keyboard 38 may be used by an operator to provide input to the computer 30. For example, the mouse 34 may be used to operate a cursor on the screen of the monitor 32 to select various options, as discussed in more detail below. Furthermore, the foot pedal 36 may be used by the surgeon to activate the selection of references on a patient.

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 desIn the preferred embodiment, the image display program running on the computer 30 includes a graphical user interface (GUI), an input/output (I/O) library, an articulating arm interface program, and a number of application modules. The GUI interface controls the display of data and menus on the screen of the monitor 32. The I/O library routines perform various input and output functions, such as reading image data from the tape drive 40. The articulating arm interface provides the menu and reference selection items that are displayed at the bottom of the

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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.screen of the monitor 32 of the preferred embodiment of the subsystem 12 shown in Fig. 1. Finally, the application modules execute software to perform transformation operations, for example to interpolate data for the images and to match the image data with the selected patient references.

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.An alternate embodiment of the stereotactic subsystem 16 which couples the articulating arm with probe 18 to the patient to facilitate evaluation and selection of a surgical path is shown in Figure 1. This equipment includes a skull ring 80, a transfer plate 82, a swivel base 84, and a probe alignment ball 86. This equipment is used by attaching the skull ring 80 to a patient's head using grid-like bone screws after the patient's scalp has been shaved, prepared with betadine, and injected with xylocaine. After the skull ring is in place, the transfer plate 82 is attached to the skull ring using a post (not shown) extending from the skull ring. A swivel base 84 is attached to the skull ring using Alien screws or the like. The pivot base 84 includes a base 92 and an upwardly extending receptacle 94. A probe alignment ball 86 is inserted into the receptacle 94. The probe alignment ball 86 is adapted to receive the end of the probe 24, for example, using a probe alignment sleeve 193 as shown and described in Fig. 3. Thus, the probe 24 can be inserted into the probe alignment ball 86, and the probe and ball can be moved together in relation to the surface of the patient's scalp.

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 dieOnce a particular orientation has been selected by the surgeon based on information provided by the radiological image displayed on the monitor 32, the screws 98 extending outwardly from the receptacle 94 can be tightened to lock the probe alignment ball in place. A receptacle for a surgical instrument of known type (not shown) can then be inserted into the probe alignment ball 86 to accommodate a drill or other instrument for opening the patient's skull through the

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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.instrument receptacle. A biopsy instrument may also be inserted through the receptacle to the target area. Thus, use of the ring 80, transfer plate 82, base 84 and ball 86 provides a surgeon with a stable base from which to orient the probe 24, securely locking an evaluated orientation to provide a guide for the surgical procedure.

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.The hemispheric stereotactic system used to select an input site is also shown in Fig. 1. This equipment includes an arch support rod 100, a rotation support arm 102, an arch 104, and a variable pickup assembly 106. After the probe alignment ball 86 has been oriented so that the probe 24 points at the target, the probe can be removed and the arch support rod 100 inserted into the probe alignment ball 86. The rotation support arm 102 is then attached to the arch support rod 100 and secured to the rod by a screw 110. A grooved tongue or key 112 is lockably attached to the rotation support arm 102 and is designed to fit into a track cut in the arch 104. By tightening the screw 118 of the rotation support arm 102, the rotation support arm 102 can be secured to the arm 102 at any location along the arc 104. The variable receiver assembly 106 similarly has one end that is slidably received in the arc 104 and can be locked at any location along the arc 104. The receiver assembly 106 also includes a receiver, such as a receiver similar to the probe holder 192 shown in Fig. 3, that receives the probe 24 so that a surgeon can evaluate a path to the selected target by viewing the path displayed on the monitor 32 of the subsystem 12. Since the support rod 100 points toward the target, the support arm 102 and arc 104 can be rotated about the patient's head in a hemisphere centered with respect to the target. Preferably, the support arm 102 is locked relative to the bow support rod 100 such that a central opening in the variable receiving assembly 106 is located approximately 19 cm from the target over which the bow 106 is centered.

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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.The components of the hemispheric stereotactic system allow a surgeon to move the probe 24 around a patient's head with the confidence necessary that the image will be aligned with the preselected target. By rotating the arch 104 about the rod 100 and sliding the ring 106 within the arch 104, the surgeon is provided with several locations for evaluation that can be locked as a surgical guide.

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.The preferred embodiment of the stereotactic system 16 is shown in Fig. 3. This system includes a probe holder receptacle 180 and a rigid offset arm 182 disposed between the sunburst port 54 and the boss 52. The offset arm 182 terminates in a pivot joint 184 from which an adjustable arm 186 extends. Another adjustable arm 190 extends from a pivot joint 190 at the end of the arm 186. An arm 188 terminates in a probe holder 192 which, as already described in connection with Fig. 1, is equipped with a transfer plate 82, a socket mechanism 84 and an adjustment ball 86, the ball 86 being capable of receiving the probe alignment sleeve 193. Thus, subsystem 16 provides a rigid, adjustable arm by which probe holder 192 and ancillary components can be moved around a patient's head and then selectively locked for evaluation of a path, guidance of a surgical instrument, or attachment of the hemispheric system.

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-To use the system 10 for a neurosurgical procedure, a patient 13 is scanned in an image scanner to produce a series of images. A "series" may be a group of parallel, equally spaced images, sometimes called "slices," of a spatial region of a patient's body. Preferably, the images forming the series are adjacent to one another. A group of more than one series of images is generally referred to as a "study" or "suite" and may also be used by this system. Examples of series are axial, coronal, rotational, and sagittal series. An axial series runs from the top of the patient's head to the base of the skull, a coronal series runs from the face to the back of the patient's head, a rotational series runs from the face to the back of the patient's head, and a rotational series runs from the face to the back of the patient's head.

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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.runs around the patient's head and a sagittal series are side views of the patient's head to the other side. Preferably, the axial series is generated with a gantry angle of 0°, otherwise the data interpolation performed by the preferred embodiment of the Atlas program may be distorted.

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.After the array is generated by the scanner, it can be written to magnetic media for transfer to the system 10. Typically, the image data is written to a nine-track tape 74 which can be read by the nine-track magnetic tape reader 40. The user can activate the computer 30 and the nine-track tape interface program in the I/O library. Using this program, a user can read the image data from the nine-track tape 74 into the computer 30, which then stores the data in a suitable format on a hard disk or the like. The computer 30 can also receive data from image scanners using the DAT reader, the floppy disk drive, a computer network, or the like.

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.After the image data has been read into the computer's memory, the user can execute the program which displays the radiological image data in a display window on the monitor 32. The user can select a particular view by clicking on the view icon 120 on the screen shown in Fig. 2. This operation causes a menu of various rows or views to be displayed from which the user can choose. After a row is selected, the first image or slice of the row is displayed as shown 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.0 2 shown in the playback window 122. The user can view each image in the series by moving the slider button 124 on the screen with the mouse 34.

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.The user may select a second row to be played in a second playback window 126. After the second playback window is created by clicking on the second window view icon 128, the user may select a particular row to be played in that window and also view the various slices by moving the slider button 130 with the mouse 34.

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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.
15The computer 30 can also generate a second series not generated by the scanner. The computer 30 accomplishes this by interpolating data from a series generated by the scanner to generate the second series. For example, a coronal series may be generated by the scanner and displayed in the first display window of the system. When the user selects a sagittal series not generated by the scanner for display in the second window, the system interpolates the data at the right edge of each coronal image and generates a sagittal view from that data. This process is repeated for equally spaced parallel images from the coronal perspective to generate the second sagittal series.
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-In the preferred embodiment, the atlas program reformats the image data to produce data that represents a spatial representation of the scanned area. This is achieved by interpolating the image data for the individual slices to produce additional "slices ^{" 11} not captured by the scanner. Preferably, this is achieved by generating so-called "voxel" values which indicate an image value having cubic dimensions, although other spatial shapes may be used. For example, if the series consists of images representing 3 millimeter ("mm") thick slices and each voxel value represents an area of 0.5 mm x 0.5 mm, the interpolated voxels preferably represent a cube which is lmmxlmmxlmm in size. To interpolate the voxel values for the voxels in the plane of the image, each group of four adjacent pixels forming a square is averaged, the resulting averages comprising the data to produce the lmmxlmmxlmm sized voxels in the image plane. For the voxels representing the 2 mm and 3 mm depth planes, the Voxel image in the plane is preferably combined with the underlying image plane (reference plane) in the next lower plane at a depth of 4 mm, using a linear weighting proportional to the distance of the selected plane to the reference plane. As is well known in the art, other interpolation schemes can of course be used.

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dem die interpolierten Daten erzeugt wurden, verwendet Atlas die Daten, um eine von einem Benutzer gewünschte Reihe zu erzeugen.from which the interpolated data was generated, Atlas uses the data to produce a series requested by a user.

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.Once the display window or windows are created and an appropriate series of images is displayed in those windows, the user can select image reference points. This is accomplished by clicking with the mouse on the appropriate areas in the image reference point identification menu shown in Figure 2. After one of the image point icons is activated, the user can use the mouse 34 to move a cursor in the form of crosshairs over the image and, after centering it on a particular feature, depress the mouse button to cause the program running in the computer 30 to register the point on the image with the selected image point icon. The user can do this for eight points, for example, although fewer or more points may be used in a system according to the invention. At least three points are required before co-registration can be performed, with co-registration most preferably being best achieved with about eight to ten points.

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.The mounting boss 52, the base support 50 and the articulating arm with probe 18 are attached to the skull clamp 46 which holds the patient's head. Preferably, the skull clamp 46 is a clamp manufactured by Ohio Medical Instrument Co., Inc. of Cincinnati, Ohio and referred to as a modified ¹¹ MAYFIELD ¹¹ clamp. The clamp includes a ratchet arm 146 mounted in a sleeve arm 148, a two-pin bracket (not shown) attached to the sleeve arm and a pivot screw and bolt 150 attached to the ratchet arm 146. This clamp is fitted to the patient's head by well known techniques.

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, daßA starburst connector 54 is arranged on the sleeve arm to which the mounting boss 52 is attached. The base support 50 for the articulating arm with probe 18 is attached to the mounting boss 52 by means of alien screws or the like and the articulating arm with probe 18 is attached to the base support 50 as discussed above. The user must arrange the articulating arm so that

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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.all side-mounted optical encoders are on the same side of each arm segment. If the arm is placed in an incorrect position, the computer 30 and encoder interface 20 will interpret the angular data of the articulated arm in a direction opposite to the actual movement and will not correctly represent the position of the probe. When the arm is in the appropriate position, the probe 24 is placed in the tubular extension 58 of the base support in preparation for probe initialization (shown schematically in Fig. 1).

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.By clicking on the probe initialization icon 154 (Fig. 2), the user allows the computer 30 to begin accepting an angle data input from the articulating arm with probe 18 and to initialize the probe position in the extension 58 as a reference point. A display area 156 is shown in the lower left portion of the monitor 32 screen showing the position of each arm segment and the tip of the probe 24. By retracting the probe 24 from the tubular extension 58, the user can move the articulating arm and probe tip in space and observe their movement on the screen. This allows the user to verify that the optical encoders 22 are in the correct position for initialization, for example, by observing the upward movement of the probe on the screen as the sample is moved to a vertically higher position. If the displayed probe moves in a direction opposite to that in which the probe tip is actually moved, then the user knows that the arm has not been initialized correctly and should repeat the initialization with the articulated arm in the appropriate position.

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 demAfter confirming that the probe has been properly initialized, the user may place the probe tip on external points on the patient's skull corresponding to the previously selected image references. Typically, these points include the bridge of the nose aligned with the center of the eye sockets or the like. This is accomplished by the user first clicking the selection button adjacent to a patient point pictogram 158 and then placing the probe 24 at a point on the

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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.skull corresponding to the image reference associated with the activated patient point. By pressing the foot pedal 3 6, the coordinates of the patient reference identified by the probe position are associated with the activated patient point. The reader should note that the selection of patient references can be performed prior to the selection of image references.

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. After the user has selected at least three patient and image reference points, the computer 30 begins executing a program that matches the radiological playback data to the selected patient references. Preferably, the program uses an iterative algorithm to perform the co-registration. A display window 160 is provided on the screen of the monitor 32 (Fig. 2) to provide the user with information regarding the quality of the co-registration of the radiological data and the selected patient reference points. Typically, the co-registration improves with the number of points selected, with a number of about eight to ten points typically providing excellent match of the patient and image data.

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-Preferably, the co-registration is performed using an iterative algorithm implemented in one of the program modules running on the computer 30. The preferred algorithm selects a set of image reference points and the corresponding patient reference points. The centroids of the geometric figures defined by each selected set are processed. The coordinates of one centroid are then converted to the coordinates of the second centroid and the points associated with the first centroid are converted in a comparable manner. The coordinate differences of the converted and unconverted points for the first set are squared to determine a value for the total error or a quality measure. The converted points are then changed in one direction only by an incremental amount, whereby the difference between the points in the first set and their corresponding points in the second set is calculated and squared. If the error result is less than the quality measure, the in-

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krementierten Werte die Punktwerte für den ersten Satz und das Fehlerergebnis wird zu dem neuen Gütemaß.incremented values the point values for the first set and the error result becomes the new quality measure.

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.The increment change is repeated in the same direction, and a new error score is calculated. If the error score is larger than the current figure of merit, the converted points are assumed to represent the best fit.

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.The increment change is now calculated and evaluated for a different direction. Incremental changes in the second direction are made until the error result is greater than the quality measure and the previously converted points are assumed to be the best fit. Incremental changes are then continued in the previous direction until the error result is greater than the current quality measure. Incremental changes are checked again for the second direction. This process is continued until no conversion in one direction produces an error result less than the current quality measure. When this occurs, the third direction is incrementally changed and checked using the error result and quality measure processed as described above. When no incremental change in either direction produces an error result greater than the current quality measure, co-registration is complete and a conversion of all points in one set to corresponding coordinates in the second set can be performed.

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.Sometimes a patient reference does not exactly match the point selected in the image data and may lower the co-registration score. Disabling such a point by resetting the corresponding "Use" icon may improve the registration score. Computer 30 allows a user to selectively enable and disable points to determine which points provide the best match between the patient and image data. The reader should note, however, that co-registration improves with the number of reference points, so it is better to re-select one of the image or patient references to better match its counterpart.

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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.Either prior to or subsequent to registration, the user may select a target. This is accomplished by activating the "Define Target ^" icon 162 on the screen of the monitor 32 with the mouse 34 and moving the crosshair cursor with the mouse to an area inside the patient's head shown in the image. Typically, the area of interest may be a tumor, a lesion, a suspicious site of activity for which a surgeon wishes to place a depth electrode, or an area for implantation of a radioactive "seed" ¹¹ for radiosurgery. The target coordinates are set by clicking on the "Define Target" icon 162.

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-After registration and target selection have been performed, the user may place the probe 24 at a location on the patient's skull (as long as that area is part of the area scanned in the scanner), and a path 170 from that point (marked by arrowhead 172) to the target (marked by crosshairs 174) is displayed. The path to the target is preferably displayed to indicate whether the path actually exists on the image slice displayed at that time. The distance between the probe position and the selected target along the displayed path is shown for each position in the lower right corner of the display window (Fig. 2). For example, a surgeon may place the probe at a point shown on a currently displayed image slice. However, the surgeon may hold the probe in an orientation such that the path from the probe 24 to the target passes through one or more slices before reaching the target. In this case, the region actually present on the displayed slice is preferably shown in yellow, with the remaining path to the target preferably shown in red (Fig. 2). By moving the slider button 130 with the mouse 34, the surgeon can view each region of the target path in the appropriate image slice until the target is reached in order to evaluate the tissue through which the selected path passes. If the surgeon decides that the path does not present acceptable risks, the surgeon can select a different orientation.

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rung oder einen anderen Punkt auf dem Schädel des Patienten auswählen und den Weg erneut untersuchen.tion or another point on the patient's skull and re-examine the path.

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.By selecting the "across the probe" view, a row is shown in the second playback window which can be changed by using the mouse 34 to move the slider button 130 for that playback window. In this way, images of the planes across the probe 24 from the probe 24 to the target area are shown. This allows the surgeon to evaluate the path through the patient's brain tissue to the target.

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 KopfOnce the surgeon has selected a particular path to the selected target, a skull ring 80 may be attached to the patient's head and a transfer plate 82 may be connected to the skull ring 80. The transfer plate 82 includes a probe alignment ball 86 in which the probe 24 may be placed. After the probe 24 is placed in the ball 86, it may be moved to reselect the path to the target area that the surgeon believes is optimal. While the probe 24 is held in this position, the ball may be locked to define a path to the target and the probe removed. Preferably, the apparatus shown in Fig. 3 is used to avoid attaching the skull ring 80 to the head.

25 des Patienten anzubringen.25 of the patient.

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 derPreferably, a second base support 50 and probe 24, which can be sterilized, replace the base support and probe used for identification and co-registration of references. Preferably, the base support and probe, which can be sterilized, are made of gray anodized aluminum, while the non-sterilized base and probe are made of black anodized aluminum. Preferably, the sterilizable version of the tubular extension 58 and probe 24 are shorter than the non-sterilizable counterparts to facilitate sterilization. In any event, the attachment lug 70 of the probe 24 is associated with the probe attachment lug extending from the outermost joint of the articulated arm at a second location to ensure that the

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für die Koregistrierung verwendete Referenzpunkt nicht verfälscht wird.reference point used for co-registration is not distorted.

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.The sterilizable base support is attached to the hub 52 after a sterilized surgical drape with an opening cut therein is placed over the hub 52. Before the articulating arm with probe 18 is attached to the base support 50, a sterilized tubular drape is placed over the arm and mounting hub 62. The probe mounting hub 70 is then placed over the tubular drape to secure the sterilizable probe 24. The probe is then returned to the extension 58 and the user clicks on the "gray probe" pictogram 176 (Fig. 2) so that the Atlas program can adjust to the length of the probe 24. The thickness of the surgical drapes are compensated for in the sterilization parts machinery. This means that the opening in the mounting hub is enlarged by an appropriate amount to compensate for the surgical drape between the mounting post and the hub. This compensation is necessary to ensure that the screws used to lock the probe to the stand do not pull the probe tip out of the stand's centerline. The user then clicks on the ^l1 Probe Initialization ^M icon 154 to verify the arm placement. Co-registration is performed automatically using the previously selected references.

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. At this point, the surgeon can then use an appropriate drill to open the patient's skull and insert an instrument receptacle into the transfer plate 82. The surgeon could then, for example, insert a biopsy needle directly to the target at the specified depth and have reasonable confidence that the biopsy needle is in the target area, having only passed through the tissue seen in the images displayed in the playback window. After this procedure, the surgeon can close the opening or continue to treat the target area. Similarly, the surgeon can select other targets and treat them as the first.

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.After the skull plate 80 is secured and the ball 86 of the plate 82 is locked in place, the surgeon may elect to attach an arc rod to provide a hemispherical instrument positioning system centered over the target area. This is accomplished by attaching the arc rod 100 to the ball 86, attaching the rotation support arm 102 to the rod 100, and attaching the arc 104 to the support arm 102. The variable assembly 106 is then attached to the arc 104, and a position anywhere on the hemisphere can be selected by rotating the support arm 102 about the rod 100, translating the arc 104 with respect to the support arm, or moving the variable assembly 106 along the arc 104. At any of these points, the surgeon can have reasonable confidence that he has located a point centered over the target area.

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.Although the present invention has been illustrated by the description of an alternative embodiment and the embodiments have been described in considerable detail, it is not the intent of Applicant to restrict or in any way limit the scope of the appended claims to such details. Additional advantages and modifications will be readily apparent to those skilled in the art. For example, both MRI and CT images can be loaded into computer 30 and co-registration between them can be achieved prior to co-registration with the patient. This provides the surgeon with organic details from the MRI scan and the coordinate accuracy of the CT scan. The invention, therefore, in its broadest sense, is not limited to the specific details, representative imaging system and illustrative examples shown and described. Accordingly, departures from such details may be made without departing from the spirit or scope of Applicant's general inventive concept 5.

Beansprucht wird:The following is claimed:

Claims

1. A device ( 16 ') for use during a stereotactic surgical procedure, comprising:

- one arm ( 180-190 ), and

- a probe holder ( 192 ),

- where the arm ( 180-190 )

- a first end ( 180 ) for attaching the device ( 16 ') to a skull clamp ( 46 ) attached to the head of a patient,

- a second end terminating in the probe holder ( 192 ), and

- adjustable arms ( 182 , 186 , 190 ) and joints ( 184 , 188 ) for adjusting the probe holder ( 192 ) to a desired position relative to the patient's head, and

- wherein the probe holder ( 192 )

- a rotating base ( 84 ),

- an alignment ball ( 86 ) movably disposed in the rotary base ( 84 ), the alignment ball ( 86 ) having an opening for receiving a surgical tool, and

- locking means ( 98 ) extending through the pivot base ( 84) for locking the alignment ball (86 ) in the pivot base ( 84 ).

2. The device ( 16 ') of claim 1, wherein the arm (180-190) comprises:

- a first adjustable arm ( 186 ) extending from a hinge ( 184 ) connected to the skull clamp ( 46 ), and

- a second adjustable arm ( 190 ) extending from a joint ( 188 ) at the end of the first arm ( 186 ).

3. The device ( 16 ') of claim 1 or 2, wherein the arm ( 180-190 ) is connected to a sunburst port ( 54 ) of the skull clamp ( 46 ).

4. The device ( 16 ') of any preceding claim, wherein the arm ( 180-190 ) comprises a rigid offset arm ( 182 ) extending from the connection to the skull clamp ( 46 ).

5. The device ( 16 ') of claim 4, wherein the rigid offset arm ( 182 ) terminates in the hinge ( 184 ) from which the first arm ( 186 ) extends.

6. The device ( 16 ') according to any one of claims 2 to 5, wherein the second arm ( 190 ) terminates in the probe holder ( 192 ).

7. The device ( 16 ') of any preceding claim, wherein the surgical tool disposed in the bore of the alignment ball ( 86 ) is a probe ( 24 ), the probe ( 24 ) being connected to an image-guided system ( 12 ).

8. A device ( 16 ') for use during a stereotactic procedure, comprising:

- means ( 46 ) for holding the head of a patient in a desired position,

- an arm ( 180-190 ) having a first end ( 180 ) connected to the holding device ( 46 ), and

- a probe holder ( 192 ) disposed at a second end of the arm ( 180-190 ) and configured to hold a probe ( 24 ), the arm ( 180-190 ) configured to position the probe holder ( 192 ) proximate a patient at a desired position, the probe holder ( 192 ) being rotatably mounted at the desired position relative to the patient to enable a surgeon to evaluate and determine a desired path between the desired position and a target disposed in the patient's head, the probe holder ( 192 ) being lockable to fix the probe holder ( 192 ) carrying the probe ( 24 ) in a desired orientation that aligns the probe ( 24 ) along the desired path.

9. The devices ( 16 ') of claim 8, wherein the probe holder ( 192 ) comprises a ball ( 86 ) and socket ( 84 ) mechanism, the ball ( 86 ) being lockable in the socket ( 84 ).

10. The device ( 16 ') of claim 8 or 9, wherein the probe holder ( 192 ) is adjustably supported in relation to the holding device ( 46 ) via at least two adjustable arms ( 182 , 186 , 190 ).

11. The device ( 16 ') of any one of claims 8 to 10, wherein the probe holder ( 192 ) is configured to receive an instrument ( 87 ) such that the instrument ( 87 ) is aligned with the target along the desired path.