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DE29623941U1 - Neuronavigation system - Google Patents

Neuronavigation system

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DE29623941U1
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reflector
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German (de)
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Brainlab Medizinische Computersysteme GmbH
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Description

Anwaltsakte: 45 442 XAttorney file: 45 442 X

Anmelder: BrainLAB Med. Computersysteme GmbHApplicant: BrainLAB Med. Computersysteme GmbH

NeuronavigationssystemNeuronavigation system

Die Erfindung betrifft ein. Reflektorenreferenzierungssystem nach dem Anspruch 1 und ein Markersystem nach dem Anspruch 11.The invention relates to a reflector referencing system according to claim 1 and a marker system according to claim 11.

Neuronavigationssysteme stellen die Verbindung zwischen dem behandelnden Chirurgen, d.h. der Patientenanatomie wie er sie bei der Behandlung sieht, und diagnostischen Daten her, die beispielsweise durch eine Computertomographie erhalten wurden und durch eine Rechnereinheit mit einer Bildausgabe visuell dargestellt werden.Neuronavigation systems establish the connection between the treating surgeon, i.e. the patient's anatomy as he sees it during treatment, and diagnostic data obtained, for example, by a computer tomography scan and visually displayed by a computer unit with an image output.

Um die oben genannte Verbindung herzustellen, d.h. die momentane Patientenanatomie und Position sowie die reale Raumposition von chirurgischen Instrumenten und Behandlungsapparaten auf dem Rechnerbildschirm sichtbar zu machen, müssen Vorrichtungen bereitgestellt werden, die die Patientenstellung und damit den genauen Ort der zu behandelnden Körperteile sowie den Ort der chirurgischen Instrumente und insbesondere deren Spitzen in einer Anfangsposition bestimmen und während der Operationstätigkeit verfolgen können.In order to establish the above-mentioned connection, i.e. to make the current patient anatomy and position as well as the real spatial position of surgical instruments and treatment apparatus visible on the computer screen, devices must be provided which can determine the patient position and thus the exact location of the body parts to be treated as well as the location of the surgical instruments and in particular their tips in an initial position and track them during the operation.

Hierzu wird herkömmlicherweise eine Rechnereinheit zur Verfugung gestellt, an die zwei oder mehrere Referenzierungskameras angeschlossen sind. Mit den Kameras wird dann sowohl die Raumposition von an Patienten angebrachten künstlichen oder natürlichen Landmarken als auch die Raumposition von an chirurgischen Instrumenten angebrachten Strahlungsemittern festgestellt. For this purpose, a computer unit is usually provided to which two or more reference cameras are connected. The cameras are then used to determine the spatial position of artificial or natural landmarks attached to patients as well as the spatial position of radiation emitters attached to surgical instruments.

Bei bisherigen System wird bezüglich der am Patienten angebrachten Landmarken folgendermaßen verfahren:In previous systems, the landmarks attached to the patient are handled as follows:

Vor der Durchführung der Computertomographie wird ein Satz künstlicher Landmarken an dem Patienten in der Umgebung der zu behandelnden Partie angebracht. Diese Landmarken, die sowohl bei der Computertomographie als auch später bei der Behandlung durch die Kameras erfasst werden können, sind untereinander völlig identisch. Sie werden beispielsweise über Pflaster aufgeklebt.Before the CT scan is performed, a set of artificial landmarks is attached to the patient in the area to be treated. These landmarks, which can be captured by cameras both during the CT scan and later during the treatment, are completely identical to one another. They are stuck on using plasters, for example.

Nach der Behandlung werden die Daten der Computertomographie, d.h. sowohl die Positionsdaten der untereinander identischen künstlichen Landmarken als auch die Position des Behandlungsziels und der umgebenden Bereiche in das Rechnersystem eingegeben, das zusammen mit den Referenzierungs- bzw. Erfassungskameras am Operationstisch angeordnet ist. Hierauf folgt ein zeitaufwendiger Schritt, bei dem der Chirurg die einzelnen Landmarken am Patienten mit einem Zeigegerät anfahren muss, wonach er in den Rechner eingeben muss, welche der identischen Landmarken in der Operationsstellung derjenigen entspricht, die bei der Computertomographie erfasst wurde. Hierzu müssen alle Landmarken mehrmals angefahren werden, worauf jedes Mal die aufwendige manuelle Zuordnung zu den Computertomographie (CT)-Daten zu erfolgen hat. Da die mit Pflastern befestigten Landmarken keine charakteristischen Bezugspunkte, welche beim Anfahren mit einer Instrumentenspitze nicht verfehlt werden können, aufweisen, kann hierbei nur eine relativ ungenaue Positionsbestimmung stattfinden.After the treatment, the data from the computer tomography, i.e. both the position data of the identical artificial landmarks and the position of the treatment target and the surrounding areas, are entered into the computer system, which is arranged on the operating table together with the referencing or recording cameras. This is followed by a time-consuming step in which the surgeon has to point to the individual landmarks on the patient with a pointing device, after which he has to enter into the computer which of the identical landmarks in the operating position corresponds to the one recorded in the computer tomography. To do this, all of the landmarks have to be approached several times, and each time the complex manual assignment to the computer tomography (CT) data has to be carried out. Since the landmarks attached with plasters do not have any characteristic reference points that cannot be missed when approaching them with the tip of an instrument, only a relatively imprecise position determination can take place.

Weiterhin nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass die herkömmlichen Landmarken nach dem Abdecken mit sterilen Tüchern aufgrund ihrer insgesamt flachen Ausgestaltung nicht mehr ohne weiteres sichtbar sind und damit nicht mehr positionsgenau angefahren werden können, falls der Patient schon abgedeckt ist. Dies bringt insbesondere dann Schwierigkeiten mit sich, wenn in einer späteren Phase der Operation der Patient eine Stellungsänderung erfährt und die Landmarken zur neuerlichen Einjustierung nochmals mit einem Zeigegerät angefahren werden müssen.Another disadvantage is that the conventional landmarks are no longer easily visible after being covered with sterile cloths due to their flat design and can therefore no longer be positioned precisely if the patient is already covered. This causes particular difficulties if the patient changes position at a later stage of the operation and the landmarks have to be moved to again with a pointing device for readjustment.

Die bekannten Landmarken sind ferner nachteiligerweise, nachdem sie einmal am Patienten befestigt wurden, nicht mehr in der Weise abnehmbar, dass sie positionsgenau durch andere Landmarken ersetzt werden können.Another disadvantage is that once the known landmarks have been attached to the patient, they can no longer be removed in such a way that they can be replaced by other landmarks with the same exact position.

Herkömmliche Abstrahlersysteme für chirurgische Instrumente und Behandlungsapparate sind wie folgt aufgebaut:Conventional radiation systems for surgical instruments and treatment devices are constructed as follows:

Zwei oder mehrere aktive Abstrahler, die beispielsweise Infrarotstrahlen emittieren, sind an jedem Instrument bzw. Behandlungsapparat angebracht und wirken als auf einer Fläche befindliche Punktstrahler. Im Instrument befindet sich eine elektronische Vorrichtung, die die Abstrahlung der Signale ermöglicht, wobei das Instrument an seinem hinteren Ende mit einem Kabel mit der Rechnereinheit verbunden ist. Durch die abgegebenen Signale kann die Rechnereinheit dieTwo or more active emitters, which emit infrared rays, for example, are attached to each instrument or treatment device and act as point emitters on a surface. The instrument contains an electronic device that enables the signals to be emitted, with the instrument being connected to the computer unit at its rear end by a cable. The computer unit can use the emitted signals to

Raumstellung der Instrumente bzw. ihrer Spitzen identifizieren.Identify the spatial position of the instruments or their tips.

Auch dieses herkömmliche Instrumentenreferenzierungssystem, wie es beispielsweise aus der DE 296 OO 990 Ul bekannt ist, weist einige Nachteile auf, die im folgenden erörtert werden. Schon die Verwendung von aktiven, d.h. selbst abstrahlende Signalgebern bringt den Nachteil mit sich, dass elektronische Vorrichtungen in den Instrumenten vorgesehen werden müssen, was insbesondere die Herstellung der Instrumente verteuert. Auch sind die an jedem Instrument befestigten Kabel zur Rechnereinheit bei Operationen hinderlich und können bei der Vielzahl der oftmals zu verwendenden Instrumente bei Behandlung sehr im Wege sein.This conventional instrument referencing system, as known from DE 296 OO 990 Ul, for example, also has some disadvantages, which are discussed below. Even the use of active, i.e. self-emitting signal generators has the disadvantage that electronic devices must be provided in the instruments, which makes the manufacture of the instruments more expensive. The cables to the computer unit attached to each instrument are also a hindrance during operations and can be very in the way of treatment given the large number of instruments that often have to be used.

Die als Punkte auf einer Fläche des Instruments angebrachten Abstrahler sind nur in einem sehr begrenzten Winkelbereich vom Kamerasystem erfassbar, d.h. sie können leicht durch das Instrument selbst oder die Hand des Chirurgen abgedeckt werden.The emitters, which are arranged as points on a surface of the instrument, can only be detected by the camera system within a very limited angular range, i.e. they can easily be covered by the instrument itself or the surgeon's hand.

Die Sterilisation dieser Instrumente kann nur mittels der Gassterilisation erfolgen. Eine solche Gassterilisation kann bis zu einem Tag dauern, wodurch bei häufigem Einsatz mehrere Instrumentensätze eingekauft werden müssen, um jederzeit sterilisierte Behandlungsgeräte zur Verfugung zu haben.These instruments can only be sterilized using gas sterilization. Gas sterilization can take up to a day, meaning that if they are used frequently, several sets of instruments must be purchased in order to have sterilized treatment equipment available at all times.

Ein schwerwiegender Nachteil des herkömmlichen Referenzierungssystems besteht darin, dass der Chirurg ausschließlich die vom Hersteller zur Verfugung gestellten Instrumente verwenden kann. Viele Chirurgen sind jedoch an ihren eigenen Instrumentensatz gewöhnt und müssten sich bei der Verwendung eines anderen vorgegebenen Instrumentensatzes umstellen, was auch negative Auswirkungen auf den Behandlungserfolg haben kann.A serious disadvantage of the traditional referencing system is that the surgeon can only use the instruments provided by the manufacturer. However, many surgeons are used to their own set of instruments and would have to adapt when using a different predetermined set of instruments, which can also have a negative impact on the treatment outcome.

Nachteiligerweise stellen herkömmliche Neuronavigationssysteme kein einfaches Kalibrierungssystem zur Verfugung, mit dem die Winkel bzw. Abstandsstellung der Erfassungs- bzw. Referenzierungskameras jederzeit komplikationslos erfasst bzw. neu kalibriert werden kann. Da diese Kameras während einer Operation oftmals Stellungsveränderungen unterliegen, beispielsweise wenn eine der behandelnden Personen an den Kameraständer stößt, ist eine schnelle und leichte Neukalibrierung während der Behandlung von großer Wichtigkeit.The disadvantage is that conventional neuronavigation systems do not provide a simple calibration system with which the angle or distance position of the acquisition or referencing cameras can be recorded or recalibrated at any time without complications. Since these cameras are often subject to changes in position during an operation, for example if one of the treating persons bumps into the camera stand, quick and easy recalibration during the treatment is of great importance.

Aus der US-A 5,389,101 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur photo grammetrischen chirurgischen Lokalisierung bekannt, wie sie durch den Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben wird. Nachteiligerweise arbeitet das System mit Videokameras, die sichtbares Licht erfassen, so dass die Unterscheidung der dieses Licht reflektierenden Referenzmarker von anderen Lichtreflexen im Operationsgebiet nur sehr schwer und mit höchstem Rechenaufwand möglich ist.From US-A 5,389,101 a method and a device for photogrammetric surgical localization are known, as described by the preamble of claim 1. Disadvantageously, the system works with video cameras that capture visible light, so that distinguishing the reference markers reflecting this light from other light reflections in the surgical area is very difficult and requires a high level of computational effort.

Meist kommt bei neurochirurgischen Behandlungen ein chirurgisches Mikroskop zum Einsatz. Solche Mikroskope sind herkömmlicherweise auf schweren Füßen und Gestellen gelagerte Apparaturen, wobei das eigentliche Mikroskop am Ende eines Gelenkarmes befestigt ist, der die motorische und die manuelle Verschiebung des Mikroskops gestattet und die Positionsdaten beispielsweise über die Erfassung der Winkelstellung der Armgelenke an eine bei der Neuronavigation verwendete Rechnereinheit rückmelden kann.A surgical microscope is usually used in neurosurgical treatments. Such microscopes are usually devices mounted on heavy feet and frames, with the actual microscope attached to the end of an articulated arm that allows the microscope to be moved both manually and by motor and can report position data, for example by recording the angle of the arm joints, to a computer unit used in neuronavigation.

Die Füße bzw. Ständer solcher Mikroskope müssen sehr schwer und standfest ausgebildet werden, damit nicht etwa durch ein Anstoßen an das Mikroskop, dessen Stellung verändert werden könnte, und damit die gesamte erst auf die Anfangsstellung kalibrierte Neuronavigation des Mikroskops zusammenbricht. Die Mikroskope können nämlich herkömmlicherweise außer den Positionsdaten, die aus der Armstellung resultieren, keine zusätzlichen Positionsrückmeldungen an den Neuronavigationsrechner abgeben.The feet or stands of such microscopes must be very heavy and stable so that if the microscope is bumped into, its position could be changed and the entire neuronavigation of the microscope, which has only been calibrated to the initial position, does not collapse. In fact, microscopes cannot usually provide any additional position feedback to the neuronavigation computer other than the position data resulting from the arm position.

Schließlich kommen bei neurochirurgischen Behandlungen oftmals Ultraschall-Diagnosesysteme, wie sie beispielsweise bei der Untersuchung während einer Schwangerschaft bekannt sind, zum Einsatz. Nachteilig war bisher bei herkömmlichen Systemen die Tatsache, dass die Position von erfassten Körperpartien zwar bezüglich des Ultraschallabstrahlers und Empfängers ermittelt werden konnte, jedoch keine Einordnung dieser Daten in ein am Operationstisch bereitgestelltes Neuronavigationssystem in einfacher Weise möglich war.Finally, ultrasound diagnostic systems, such as those used for examinations during pregnancy, are often used in neurosurgical treatments. The disadvantage of conventional systems was that the position of the body parts detected could be determined in relation to the ultrasound emitter and receiver, but it was not possible to easily classify this data in a neuronavigation system provided on the operating table.

Ein Ultraschall-Diagnosesystem, bei dem der Ultraschallkopf mittels der vorher schon als nachteilig beschriebenen aktiv abstrahlenden LEDs lokalisierbar ist, ist aus der US-A 5,197,476 bekannt.An ultrasound diagnostic system in which the ultrasound head can be localized by means of the actively emitting LEDs previously described as disadvantageous is known from US-A 5,197,476.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mittels eines ReflektorenreferenzierungssystemsIt is the object of the present invention to use a reflector referencing system

bzw. eines Markersystems die Lokalisation von chirurgischen Instrumenten und Behandlungsapparaturen sowie die Referenzierung der Patientenanatomie und die Behandlungstätigkeit wesentlich zu erleichtern und positionsgenauer zu ermöglichen.or a marker system to make the localization of surgical instruments and treatment equipment as well as the referencing of the patient's anatomy and the treatment activity significantly easier and more precise.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Unteransprüchen definiert.This object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are defined by the subclaims.

Das Referenzierungssystem arbeitet mit passiven Reflektoren anstelle von nach dem Stand der Technik bekannten aktiven Signalabstrahlem. Es wird für chirurgische oder medizinische Instrumente und Behandlungsapparaturen eingesetzt. Hierzu kommt eine Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung, mindestens zwei Kameras und eine mit den Kameras verbundene Rechnereinheit mit einer Grafik-Bildschirmausgabe zum Einsatz. Das Reflektorenreferenzierungssystem weist mindestens zwei Reflektoren für diese Infrarotstrahlung auf, die an Instrumenten bzw. Behandlungsapparaturen angebracht sind, und zwar in einer nur für diese Reflektorengruppe charakteristischen Anordnung. Der Vorteil eines solchen Referenzierungssystems mit passiven Signalgebern, also Reflektoren liegt insbesondere darin, dass aufgrund der charakteristischen individuellen Anordnung der Reflektoren jedes chirurgische Instrument ein nur für dieses Instrument selbst charakteristisches erfassbares Bild zurückstrahlt. Die Recheneinheit erkennt deswegen über die Kameraerfassung sofort jedes einzelne Instrument und kann beispielsweise dessen Spitzenposition eindeutig am Bildschirm erkennbar machen.The referencing system works with passive reflectors instead of active signal emitters known from the state of the art. It is used for surgical or medical instruments and treatment equipment. For this purpose, a radiation source for infrared radiation, at least two cameras and a computer unit connected to the cameras with a graphic screen output are used. The reflector referencing system has at least two reflectors for this infrared radiation, which are attached to instruments or treatment equipment in an arrangement that is only characteristic for this group of reflectors. The advantage of such a referencing system with passive signal transmitters, i.e. reflectors, is in particular that, due to the characteristic individual arrangement of the reflectors, each surgical instrument reflects a detectable image that is only characteristic for this instrument itself. The computer unit therefore immediately recognizes each individual instrument via the camera detection and can, for example, clearly show its tip position on the screen.

Da passive, also reflektierende Abstrahler verwendet werden, ist keine Kabelverbindung mit der Rechnereinheit sowie kein elektronisches "Innenleben" der Instrumente mehr erforderlich. Der Chirurg erhält damit eine größere Bewegungsfreiheit; Behinderungen durch Kabel werden ausgeschlossen.Since passive, i.e. reflective emitters are used, no cable connection to the computer unit and no electronic "inner workings" of the instruments are required. This gives the surgeon greater freedom of movement; obstructions caused by cables are eliminated.

Die Reflektoren, die vorteilhafterweise über Adapter wiederabnehmbar an Instrumenten bzw. Behandlungsapparaturen angebracht werden können, eröffnen die Möglichkeit, bei abgenommenen Reflektoren eine Autoklaven-Sterilisation der Instrumente durchzuführen. Solche Autoklaven-Sterilisationen können im Gegensatz zum im Stand der Technik verwendeten Gassterilisationen in sehr viel kürzerer Zeit (etwa 20 min) durchgeführt werden. Es ist damit nur noch nötig, einen oder mehrere Sätze sterilisierter Reflektoren zur Verfugung zu stellen, die auf die in derThe reflectors, which can be attached to instruments or treatment equipment using adapters, make it possible to carry out autoclave sterilization of the instruments when the reflectors are removed. In contrast to the gas sterilization used in the state of the art, such autoclave sterilizations can be carried out in a much shorter time (about 20 minutes). It is therefore only necessary to provide one or more sets of sterilized reflectors, which are adapted to the

Autoklaven-Sterilisation sterilisierten Instrumente aufgebracht werden. Es müssen also nicht mehr, wie beim Stand der Technik, jeweils mehrere Sätze vollständiger Instrumente bereitgestellt werden.Instruments sterilized by autoclave sterilization can be applied. This means that it is no longer necessary to provide several sets of complete instruments, as was the case with the current state of the art.

Die über Adapter an den chirurgischen Instrumenten wiederabnehmbar anzubringenden Reflektoren können mit einem gewissen Abstand von der Anbringungsfläche positioniert werden. Durch diese Maßnahme ergibt sich ein gegenüber den herkömmlichen Systemen stark vergrößerter Winkelbereich, in dem die Reflektoren für das Kamerasystem noch erfassbar sind.The reflectors, which can be removably attached to the surgical instruments using adapters, can be positioned at a certain distance from the attachment surface. This measure results in a much larger angular range in which the reflectors can still be detected by the camera system compared to conventional systems.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Reflektorenreferenzierungssystems sind die Reflektoren kugelförmig ausgebildet und mit einem reflektierenden Überzug versehen. Solche Kugeln geben aus allen Raumrichtungen betrachtet ein einheitliches Reflexionsbild ab.According to an advantageous embodiment of the reflector referencing system, the reflectors are spherical and provided with a reflective coating. Such spheres produce a uniform reflection image when viewed from all spatial directions.

Vorteilhafterweise sind zwei der Reflektoren an einem Instrument, insbesondere einem Punktzeiger oder einem Kalibrierungsstab, über angebrachte Steckverbindungen an diesem befestigt. Solche Steckverbindungen erlauben ein positionsgenaues und leicht durchzuführendes Anbringen und Abnehmen der Reflektoren. Die Abstände der beiden Reflektoren sind durch die Positionen der Steckverbindungen für jedes Instrument charakteristisch festgelegt, was dessen Ortung und Identifizierung durch das Navigationssystem in jeder Operationsphase ermöglicht.Advantageously, two of the reflectors are attached to an instrument, in particular a pointer or a calibration rod, via attached plug connections. Such plug connections allow the reflectors to be attached and removed with precise positioning and easily. The distances between the two reflectors are determined by the positions of the plug connections for each instrument, which enables it to be located and identified by the navigation system in every phase of the operation.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Referenzierungssystems sind drei Reflektoren an mindestens jeweils einem Armende eines mit drei Reflektorenarmen und einem Befestigungsfuß ausgebildeten Adapters befestigt, wobei der Befestigungsfuß an einem chirurgischen Instrument oder einer Behandlungsapparatur befestigbar ist. Die drei an den Armenden des Adapters angebrachten Reflektoren sind wiederum in einer charakteristischen Anordnung vorgesehen, d.h. für jeden Adapter ist beispielsweise die Winkelstellung der Arme sowie ihre Länge individuell einzigartig, wodurch für jeden Adapter ein charakteristisches Reflexionsbild entsteht. Der große Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine solche Reflektorengruppe mit ihrem Adapter über ihren Befestigungsfuß an praktisch jedem chirurgischen Instrument befestigt werden kann. Dies eröffnet für einen Chirurgen die Möglichkeit, seine gewohnten Instrumente weiter zu verwenden, d.h. in das Neuronavigationssystem einzubinden. Erforderlich wird hier lediglich eine kurze Kalibrierung an einem Referenzadapter, der später noch beschrieben wird, um den SystemAccording to a further embodiment of the referencing system, three reflectors are attached to at least one arm end of an adapter designed with three reflector arms and a fastening foot, wherein the fastening foot can be attached to a surgical instrument or a treatment device. The three reflectors attached to the arm ends of the adapter are in turn provided in a characteristic arrangement, i.e. for each adapter, for example, the angle position of the arms and their length are individually unique, which creates a characteristic reflection image for each adapter. The great advantage of this embodiment is that such a group of reflectors with their adapter can be attached to practically any surgical instrument via their fastening foot. This opens up the possibility for a surgeon to continue using his usual instruments, i.e. to integrate them into the neuronavigation system. All that is required here is a short calibration on a reference adapter, which will be described later, in order to

die Stellung der Spitze des chirurgischen Instruments mitzuteilen. Auch durch dieses Adaptersystem wird die Sterilisierung der Instrumente in der vorher schon diskutierten Weise vereinfacht. Das System stellt eine ausreichende Anzahl von Adaptern mit charakteristischen Reflektorengruppen zur Verfügung, so dass alle notwendigen Instrumente mit dem Neuronavigationssystem zum Einsatz gebracht werden können.to communicate the position of the tip of the surgical instrument. This adapter system also simplifies the sterilization of the instruments in the manner already discussed. The system provides a sufficient number of adapters with characteristic reflector groups so that all necessary instruments can be used with the neuronavigation system.

Der oben erwähnte Referenzadapter umfasst ebenfalls einen Befestigungsfuß, der drei in besonderer charakteristischer Anordnung befestigbare Reflektoren am Ende dreier Arme aufweist, wobei der Fuß an seinem Ende mit einer sich an die jeweilige Befestigungsstelle flexibel anpassenden Klammervorrichtung versehen ist.The above-mentioned reference adapter also comprises a mounting base which has three reflectors which can be fastened in a particularly characteristic arrangement at the end of three arms, the base being provided at its end with a clamping device which can be flexibly adapted to the respective fastening point.

Dieser Referenzadapter hat insbesondere zwei Funktionen. Zum einen kann er an einem fest mit dem Operationstisch verbundenen Punkt, beispielsweise an der Haltevorrichtung für die zu behandelnde Körperpartie befestigt werden. Dadurch und wegen der Tatsache, dass die Rechnereinheit nur diesem Referenzadapter sein charakteristisches Bild zuordnet, wird dafür Vorsorge getroffen, dass eine positionsgenaue Referenzierung aller Patientenanatomiedaten sowie eines gegenüber dem Patienten festen Reflexionsmuster auch dann noch möglich ist, wenn es während einer Operation notwendig wird, den Operationstisch zu verschieben, zu kippen, oder wenn versehentliche Stellungswechsel durch ein Anstoßen erfolgen. Die Reflexion des Referenzadapters meldet die Lage des fest mit dem Patienten verbundenen Systemteils jederzeit an die Rechnereinheit, so dass wegen solcher Verschiebungen keine Ungenauigkeiten und kein Zusammenbruch der Navigation auftreten kann.This reference adapter has two functions in particular. Firstly, it can be attached to a point that is firmly connected to the operating table, for example to the holding device for the part of the body to be treated. This, and the fact that the computer unit assigns its characteristic image only to this reference adapter, ensures that precise positioning of all patient anatomy data and a reflection pattern that is fixed to the patient is still possible even if it becomes necessary to move or tilt the operating table during an operation, or if there are accidental changes in position due to a bump. The reflection of the reference adapter reports the position of the system part that is firmly connected to the patient to the computer unit at all times, so that no inaccuracies or breakdown of navigation can occur due to such shifts.

Die Klammer am Befestigungsfuß des Referenzadapters kann verschiedenartig ausgestaltet werden. So ist sie zum Beispiel zur Anbringung an einer Haltevorrichtung mit einer Schraub^ klemme ausgebildet, während in dem Fall, dass die Anbringung an einem Knochenteil erfolgt, weiche und stellungsmäßig flexible Klemmenenden zum Einsatz kommen, welche das Knochengewebe nicht schädigen. Letztere Möglichkeit kommt insbesondere bei Eingriffen im spinalen Bereich zum Tragen, wo der Referenzadapter beispielsweise an Wirbelfortsätzen befestigt wird.The clamp on the attachment base of the reference adapter can be designed in different ways. For example, it is designed for attachment to a holding device with a screw clamp, while if it is attached to a bone part, soft and positionally flexible clamp ends are used, which do not damage the bone tissue. The latter option is particularly useful for operations in the spinal area, where the reference adapter is attached to vertebral processes, for example.

Gemäß einer Ausgestaltung des Referenzadapters weist dieser vorzugsweise am Ausgangspunkt der drei Arme eine konisch zusammenlaufende Trichtermulde mit einem zentrischen Kalibrie-According to one embodiment of the reference adapter, it preferably has a conical funnel trough with a centric calibration point at the starting point of the three arms.

rungspunkt für die Spitzen der chirurgischen Instrumente auf. Hier kommt die zweite Funktion des Referenzadapters zum Tragen. Wie schon im vorhergehenden erläutert, bezeichnet der Referenzadapter im Navigationssystem einen gegenüber dem Patienten ortsfesten Punkt. Diese Eigenschaft kann dadurch ausgenützt werden, dass dem Referenzadapter gleichzeitig ein Kalibrierungspunkt zugeordnet wird, mit dessen Hilfe die Spitzenpositionen chirurgischer Instrumente bestimmt werden können. Wie im weiteren erläutert wird, kann mit Hilfe dieses Kalibrierungspunktes auch die Raumstellung anderer Apparaturen bestimmt werden.This is where the second function of the reference adapter comes into play. As already explained above, the reference adapter in the navigation system is a point that is fixed in position relative to the patient. This property can be exploited by simultaneously assigning a calibration point to the reference adapter, which can be used to determine the tip positions of surgical instruments. As will be explained below, the spatial position of other equipment can also be determined using this calibration point.

Chirurgische Instrumente, insbesondere Instrumente, mit denen der Chirurg seit langer Zeit arbeitet, können, wie vorher beschrieben, mit einem Drei-Reflektoren-Adapter bestückt werden, der dann ein für dieses Instrument charakteristisches Reflexionsbild abgibt. Hierzu muss allerdings dem Navigationssystem noch mitgeteilt werden, wo sich die Spitze dieses Instruments befindet. Hierzu wird der Kalibrierungspunkt am Referenzadapter verwendet. Der Chirurg bringt die Spitze seines Instruments an den ortbekannten Kalibrierungspunkt. Dies wird durch die Trichterform der konisch ausgestalteten Mulde, die an diesem Punkt zusammenläuft, erleichtert, auch wird die Spitze so festgestellt, dass sie völlig ruhig liegt. Danach führt der Chirurg einige Raumbewegungen mit dem Ende des chirurgischen Instruments durch, an dem sich der Drei-Reflektoren-Adapter befindet. Bei dieser Bewegung läuft, da die Spitze des Instruments stillsteht, jeder Reflektor auf einer Strecke, die in einer Kugelfläche mit dem senkrechten Abstand des Reflektors zum Trichtermittelpunkt liegt. Die Rechnereinheit des Navigationssystem kann diese spezielle Bewegung identifizieren und "weiß", dass mit diesem Drei-Reflektoren-Adapter gerade eine Spitzenkalibrierung vorgenommen wird. Sie errechnet den Abstand der Spitze zu den jeweiligen Reflektoren und damit die Spitzenposition des chirurgischen Instruments und ordnet diese dem charakteristischen Reflektorenmuster der drei am Instrument angebrachten Reflektoren zu. Das Instrument ist damit kalibriert und eindeutig identifiziert; es kann während der gesamten Operation zum Einsatz kommen.Surgical instruments, particularly instruments that the surgeon has been working with for a long time, can be equipped with a three-reflector adapter, as described above, which then produces a reflection image that is characteristic of this instrument. However, the navigation system must be informed where the tip of this instrument is located. The calibration point on the reference adapter is used for this. The surgeon brings the tip of his instrument to the known calibration point. This is made easier by the funnel shape of the conical depression that converges at this point, and the tip is also fixed so that it lies completely still. The surgeon then carries out a few spatial movements with the end of the surgical instrument where the three-reflector adapter is located. During this movement, since the tip of the instrument is stationary, each reflector moves on a path that lies in a spherical surface with the vertical distance of the reflector from the center of the funnel. The computer unit of the navigation system can identify this special movement and "knows" that a tip calibration is currently being carried out with this three-reflector adapter. It calculates the distance of the tip to the respective reflectors and thus the tip position of the surgical instrument and assigns this to the characteristic reflector pattern of the three reflectors attached to the instrument. The instrument is thus calibrated and clearly identified; it can be used throughout the entire operation.

Das Markersystem zur Referenzierung und Positionsbestimmung von neurochirurgisch zu behandelnden Körperpartien umfasst mindestens drei künstliche Landmarken-Aufsätze und ebenso viele Befestigungsvorrichtungen zur Befestigung der Landmarken am Patienten. Jeder einzelne Landmarken-Aufsatz gibt ein sowohl bei einer diagnostischen Patientendatenerfassung als auch bei einer nachfolgenden Behandlungsüberwachung nur für sich selbst charakteristischesThe marker system for referencing and determining the position of body parts to be treated neurosurgically comprises at least three artificial landmark attachments and the same number of fastening devices for attaching the landmarks to the patient. Each individual landmark attachment provides a characteristic signal that is unique to itself both for diagnostic patient data acquisition and for subsequent treatment monitoring.

Bild ab. Für die Behandlungsüberwachung sind die Landmarken-Aufsätze als Reflektoren für die Infrarotstrahlung einer Strahlungsquelle ausgebildet.Image. For treatment monitoring, the landmark attachments are designed as reflectors for the infrared radiation from a radiation source.

Gegenüber dem Stand der Technik, der wie schon vorher erwähnt, mit untereinander gleichen, beispielsweise mit Pflastern aufgeklebten Landmarken arbeitet, zeigt das Markersystem folgende Vorteile:Compared to the state of the art, which, as already mentioned, works with identical landmarks, for example those stuck on with plasters, the marker system has the following advantages:

Die Landmarken können während der Computertomographie einzeln erfasst und nach der Computertomographie vom Navigationssystem automatisch erkannt werden. Die individuell bestimmten und erfassten Landmarken werden nur einer Position im Raumkoordinatensystem zugeordnet. Es besteht nicht die Gefahr, dass die Landmarken bei der Erfassung durch das Neuronavigationssystem über die Kamera verwechselt werden.The landmarks can be recorded individually during the computer tomography and automatically recognized by the navigation system after the computer tomography. The individually determined and recorded landmarks are assigned to only one position in the spatial coordinate system. There is no risk of the landmarks being confused when they are recorded by the neuronavigation system via the camera.

Durch diese Ausgestaltung entfällt bei der Patientenreferenzierung der vorher beim Stand der Technik als negativ befundene langwienge erste Referenzierungsschritt für die Landmarken. Der Chirurg muss zwar immer noch mindestens drei Landmarken einzeln anfahren. Es entfallt jedoch die Tätigkeit der jeweiligen manuellen Positionszuordnung für diese Landmarke, da das Neuronavigationssystem die Reflexion der angefahrenen Landmarke erkennt und ihre Position nur derjenigen bei der Computertomographie erfassten Landmarke zugeordnet, die dasselbe charakteristische Bild abgibt. Damit kann die gesamte Zeit für die Landmarkenzuordnung eingespart werden. Da die Raumanordnung der Landmarken zueinander ebenfalls ein charakteristisches Bild im Neuronavigationssystem abgibt, genügt meist das Anfahren von drei Landmarken mit einem Positionszeigegerät, dessen Spitzenposition dem System beispielsweise über eine vorgenannte Reflektorenanordnung bekannt ist, um eine ausreichend genaue Referenzierung der Patientenanatomiedaten durchzufuhren. Das Markersystem erlaubt demnach vorteilhafterweise eine sehr viel schnellere und genauere Positionsbestimmung und Referenzierung von neurochirurgisch zu behandelnden Körperteilen.This design eliminates the need for the lengthy first referencing step for the landmarks, which was previously considered negative in the state of the art. The surgeon still has to approach at least three landmarks individually. However, the task of manually assigning the position of each landmark is eliminated, as the neuronavigation system recognizes the reflection of the landmark approached and assigns its position only to the landmark recorded in the computer tomography that produces the same characteristic image. This saves all the time required for the landmark assignment. As the spatial arrangement of the landmarks in relation to one another also produces a characteristic image in the neuronavigation system, it is usually sufficient to approach three landmarks with a position pointer, the tip position of which is known to the system, for example via an aforementioned reflector arrangement, in order to carry out sufficiently accurate referencing of the patient's anatomy data. The marker system therefore advantageously allows much faster and more accurate position determination and referencing of body parts to be treated neurosurgically.

Die vorher beschriebenen Landmarken-Aufsätze bzw. Landmarken können aus Metallkörpern bestehen, die aufgrund spezifischer Materialdichte, Größe, Form und Anordnung zueinander bei der Datenerfassung in einem Computertomographen sowie bei der Positionserkennung mit Infrarotkameras individuell unterscheidbar sind. Vorzugsweise bestehen sie aus von ihrenThe landmark attachments or landmarks described above can consist of metal bodies that can be individually distinguished due to their specific material density, size, shape and arrangement in relation to one another during data acquisition in a computer tomograph and during position detection with infrared cameras. They preferably consist of

Befestigungsvorrichtungen abnehmbaren Aluminiumkörpem, die eine spezifische Form oder Größe aufweisen. Solche Aluminiumkörper sind einfach herstellbar und aufgrund ihres metallischen Charakters gut erfassbar. Auch sind sie relativ leicht und lösen somit nicht schon durch ihr Eigengewicht die Befestigungsvorrichtungen, an denen sie abnehmbar befestigt sind, vom Patienten. Die Zweiteiligkeit der Landmarken spielt ebenfalls eine besondere Rolle. Die Befestigungsvorrichtungen, welche an ihrem Unterteil mit einem Haftmittel beispielsweise an der Haut des Patienten befestigt werden, können etwas erhaben, beispielsweise als Sockel ausgebildet werden. Auf diese Sockel kann mittels einer Steckverbindung oder einem andersartigen Schnellverschluss die jeweilige Landmarke befestigt werden. Damit besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die Landmarken zur Durchführung besonderer Einstellungsvorgänge auszutauschen. Weiterhin hebt sich der gesamte Marker mit Befestigungssockel und aufgesetzter Landmarke soweit von der Patientenanatomie ab, dass er auch nach einer Abdeckung durch sterilisierende Tücher noch einfach lokalisiert werden kann.Fastening devices made of removable aluminum bodies that have a specific shape or size. Such aluminum bodies are easy to manufacture and are easy to grasp due to their metallic nature. They are also relatively light and therefore do not detach the fastening devices to which they are detachably attached from the patient due to their own weight. The two-part nature of the landmarks also plays a special role. The fastening devices, which are attached to the patient's skin at their lower part with an adhesive, for example, can be designed to be slightly raised, for example as a base. The respective landmark can be attached to this base using a plug connection or another type of quick-release fastener. This basically makes it possible to exchange the landmarks to carry out special adjustment processes. Furthermore, the entire marker with fastening base and attached landmark stands out so much from the patient's anatomy that it can still be easily located even after being covered with sterilizing cloths.

Das Markersystem wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform dadurch ergänzt, dass es einen zusätzlichen Satz trichterförmiger Landmarken umfasst, deren Trichtermittelpunkt dem Mittelpunkt der Landmarken entspricht, für die sie vor einer Referenzierung am Operationstisch ausgetauscht werden können.In a particularly preferred embodiment, the marker system is supplemented by comprising an additional set of funnel-shaped landmarks, the center of the funnel corresponding to the center of the landmarks for which they can be exchanged before referencing on the operating table.

Durch eine solche Ergänzung des Markersystems lässt sich die Genauigkeit der Positionsbestimmung und Referenzierung der Patientenanatomie in starkem Umfang erhöhen. Die bei der Computertomographie verwendeten Landmarken werden nach der Computertomographie von den Befestigungsvorrichtungen am Patienten abgenommen und durch Landmarken ersetzt, die eine Einrichtung wie einen spitz zulaufenden Innentrichter aufweisen. Durch einen solchen Innentrichter, dessen Mittel- bzw. Ausgangspunkt genau im Zentrum der Landmarke positioniert ist, lässt sich die Spitze eines chirurgischen Instruments unverschiebbar und positionsgenau bei einer Referenzierung ansetzen.Such an addition to the marker system can greatly increase the accuracy of the positioning and referencing of the patient's anatomy. The landmarks used in computed tomography are removed from the attachment devices on the patient after the computed tomography and replaced by landmarks that have a device such as a tapered inner funnel. Using such an inner funnel, the middle or starting point of which is positioned exactly in the center of the landmark, the tip of a surgical instrument can be positioned immovably and precisely during referencing.

Falls beispielsweise die Landmarke, die bei der Computertomographie verwendet wird, eine Kugel mit einem bestimmten Durchmesser war, kann diese nach der Computertomographie durch z. B. eine Dreiviertel-Kugel mit gleichem Durchmesser ersetzt werden, die an ihrem oberen Abschnitt einen Trichter aufweist, welcher genau im Mittelpunkt der Kugel zusammenläuft. DieFor example, if the landmark used in the CT scan was a sphere with a certain diameter, this can be replaced after the CT scan by, for example, a three-quarter sphere with the same diameter, which has a funnel at its upper section that converges exactly at the center of the sphere.

Dreiviertel-Kugel ist aufgrund ihres übereinstimmenden Durchmessers noch immer als dieselbe Landmarke identifizierbar, wie die vollständige Kugel, die durch sie ersetzt wurde.The three-quarter sphere is still identifiable as the same landmark as the full sphere it replaced because of its identical diameter.

Der Chirurg kann nun, bei dem vorher beschriebenen Schritt der Landmarkenerkennung mit einem Positionszeiger aufgrund der Trichterausbildung genau den Mittelpunkt der Landmarke anfahren. Hierdurch lassen sich Ungenauigkeiten beim Anfahren dieses Punktes, wie sie beim System gemäß dem Stand der Technik entstehen können, dessen Landmarken keine ausgezeichneten Stellen aufweisen, sehr gut vermeiden, die Referenzierung und Positionsbestimmung des Landmarkenmittelpunktes wird mit hervorragender Genauigkeit durchgeführt. Auch bei diesem Referenzierungsverfahren kann wie beim oben erläuterten Kalibrierungsverfahren mittels des Kalibrierungspunktes des Referenzadapters, die Spitze des Positionszeigers an einer Stelle festgehalten werden, während dessen Ende bewegt wird. Beim Referenzieren der jeweiligen Landmarke wird also der Rechnereinheit durch das Stillstehen der Spitze während der Bewegung des Positionszeigers mitgeteilt, dass momentan eine Landmarken-Referenzierung stattfindet.During the previously described landmark recognition step, the surgeon can now use a position indicator to move precisely to the center of the landmark due to the funnel shape. This makes it easy to avoid inaccuracies when moving to this point, as can occur with the state-of-the-art system, whose landmarks do not have distinct locations, and the referencing and positioning of the landmark center is carried out with excellent accuracy. In this referencing process, as in the calibration process explained above, the tip of the position indicator can be held in one place using the calibration point of the reference adapter while its end is moved. When referencing the respective landmark, the computer unit is informed that landmark referencing is currently taking place by the tip remaining still while the position indicator is moving.

Weiterhin vorteilhaft wirkt sich die "Trichtergestaltung" in dem Moment aus, wenn die Landmarken während einer Operation aus irgendeinem Grund nachreferenziert werden müssen. Sollte der Patient nämlich schon durch sterile Tücher abgedeckt worden sein und befinden sich die Landmarken unter diesen Tüchern, so sind sie aufgrund ihrer erhabenen Struktur noch gut identifizierbar. Wegen der ausgebildeten Trichterform und weil die Sterilisationstücher eine geringe Dicke aufweisen, können die Mittelpunkt der Landmarken nunmehr auch dann sehr positionsgenau angefahren werden, wenn die Landmarken schon mit Tüchern abgedeckt sind. Der Patient muss, falls die Referenzierung einmal wiederholt werden muss, nicht erst von den Tüchern befreit und nach der Referenzierung wieder abgedeckt werden, was in der Praxis nie möglich ist.The "funnel design" is also advantageous when the landmarks need to be re-referenced for some reason during an operation. If the patient has already been covered with sterile cloths and the landmarks are under these cloths, they are still easy to identify due to their raised structure. Due to the funnel shape and because the sterilization cloths are thin, the center of the landmarks can now be positioned very precisely even if the landmarks are already covered with cloths. If the referencing needs to be repeated, the patient does not have to be freed from the cloths and covered again after the referencing, which is never possible in practice.

Bei einem Kalibrierungsverfahren zur Bestimmung der Winkel- und Abstandsstellung von Referenzierungskameras, wird ein Kalibrierungswerkzeug mit zwei an vorbestimmten Positionen mit bekanntem Abstand angebrachten Reflektoren in den Aufnahmebereich beider Kameras eingebracht, das Kalibrierungswerkzeug wird im Aufnahmebereich räumlich bewegt, mehrere Zwischenstellungen des Kalibrierungswerkzeugs von den Referenzierungskameras werden aufgenommen und mittels einer Rechnereinheit einzeln in Raumkoordinaten umgesetzt, und die Rechnereinheit errechnet und speichert aus den Raumpositionen der Reflektoren die Winkel- undIn a calibration procedure for determining the angle and distance position of referencing cameras, a calibration tool with two reflectors attached at predetermined positions with a known distance is introduced into the recording area of both cameras, the calibration tool is spatially moved in the recording area, several intermediate positions of the calibration tool of the referencing cameras are recorded and individually converted into spatial coordinates by means of a computer unit, and the computer unit calculates and stores the angle and distance positions from the spatial positions of the reflectors.

Abstandsstellung der Kameras.Distance between the cameras.

Die Möglichkeit, dass während einer Operation einer der Operationsteilnehmer an den Kameraständer oder die Kameras selbst stößt, ist nicht völlig abwegig. Bei einer Stellungsveränderung der Kameras während einer Operation können aber plötzlich veränderte Bilder an das Rechnersystem geliefert werden. Um eine Neukalibrierung vorzunehmen, die wenig Zeit in Anspruch nimmt, aber auch um eine Anfangskalibrierung leicht durchführen zu können, bietet das vorher beschriebene Verfahren eine vorteilhafte Möglichkeit. Die Rechnereinheit kennt die Form der Reflektoren und ihren Abstand auf dem Kalibrierungswerkzeug und kann, in einem gesonderten Kamerastellungs-Kalibrierungsschritt dieses Kalibrierungswerkzeug deshalb dann erkennen, wenn es im Aufhahmebereich der Kameras geschwenkt wird. Die Informationen, die sich aus "Momentaufnahmen" mehrerer Stellungen des Kalibrierungswerkzeugs während dessen Bewegung ergeben, lassen für die Rechnereinheit aufgrund der bekannten Daten des Kalibrierungswerkzeugs einen Rückschluss auf die Kamerastellung zu. Schon nach kurzer Zeit kann die Rechnereinheit die Kamerastellung erfassen. Dieses Verfahren spart zunächst bei der Ersteinstellung Zeit und ist wegen seiner schnellen Durchführbarkeit und Einfachheit auch zur Nachjustierung nach einem Kamera-Stellungswechsel bestens geeignet.The possibility that one of the participants in the operation could bump into the camera stand or the cameras themselves during an operation is not completely unreasonable. However, if the position of the cameras changes during an operation, suddenly changed images can be delivered to the computer system. The previously described method offers an advantageous option for carrying out a recalibration that takes little time, but also for easily carrying out an initial calibration. The computer unit knows the shape of the reflectors and their distance on the calibration tool and can therefore, in a separate camera position calibration step, recognize this calibration tool when it is swiveled in the recording area of the cameras. The information resulting from "snapshots" of several positions of the calibration tool during its movement allows the computer unit to draw conclusions about the camera position based on the known data of the calibration tool. The computer unit can record the camera position after just a short time. This method saves time during the initial setup and, because it is quick to implement and simple, is also ideal for readjustment after a camera position change.

Bei der räumlichen Bewegung des Kalibrierungswerkzeugs beim Kalibrierungsvorgang für die Kameras ist es von Vorteil, wenn beide Reflektoren zu jedem Zeitpunkt möglichst weit voneinander entfernt sind, und zwar bezogen auf die projizierte Kameraerfassungsebene. Deshalb wird bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kalibrierungsverfahrens die räumliche Bewegung des Kalibrierungswerkzeugs und damit der Reflektoren auf einer Grafik-Bildschirmausgabe, beispielsweise dem Bildschirm des Neuronavigationssystems, durchgängig anzeigt. Die Bewegungen können dann so durchgeführt werden, dass beide Reflexionspunkte am Schirm immer möglichst weit auseinander sind, was eine schnellere und genauere Kalibrierung ermöglicht.When moving the calibration tool spatially during the camera calibration process, it is advantageous if both reflectors are as far apart as possible at all times, in relation to the projected camera detection plane. Therefore, in an advantageous embodiment of the calibration process, the spatial movement of the calibration tool and thus of the reflectors is continuously displayed on a graphic screen output, for example the screen of the neuronavigation system. The movements can then be carried out in such a way that both reflection points on the screen are always as far apart as possible, which enables faster and more precise calibration.

Als Kalibrierungswerkzeug kann vorteilhafterweise ein mit abnehmbaren Reflektoren versehener Punktzeiger verwendet werden, welcher bei jeder Operation ohnehin benötigt wird. Die Daten der Reflektoren sowie ihr Abstand werden dann dem System als Daten des Kalibrierungswerkzeugs eingegeben werden.A pointer equipped with removable reflectors can be used as a calibration tool, which is required for every operation anyway. The data of the reflectors and their distance are then entered into the system as data of the calibration tool.

Alternativ besteht die Möglichkeit, einen separaten mit abnehmbaren Reflektoren versehenen Kalibrierungsstab einzusetzen, der dann, zum jeweiligen System gehörig, jedes Mal eingesetzt wird. Vorteilhafterweise kann ein solcher Kalibrierungsstab länger sein als beispielsweise ein Punktzeiger. Auch hierdurch lässt sich die Schnelligkeit und Genauigkeit der Kalibrierung verbessern.Alternatively, it is possible to use a separate calibration rod with removable reflectors, which is then used each time as part of the respective system. Advantageously, such a calibration rod can be longer than, for example, a pointer. This also improves the speed and accuracy of the calibration.

Das Reflektorenreferenzierungssystem ist ebenfalls zur Steuerung eines chirurgischen Mikroskops verwendbar. Das Mikroskop kann einen Mikroskopständer mit einem Fuß und mehreren motorisch und manuell im Raum bewegbaren aneinander angelenkten Armen und einer Mikroskophalte- bzw. Steuereinheit umfassen.The reflector referencing system can also be used to control a surgical microscope. The microscope can comprise a microscope stand with a base and several arms that are connected to one another and can be moved in space by motor and manually, and a microscope holding or control unit.

Eingangs ist bei Mikroskopen gemäß dem Stand der Technik für nachteilig befunden worden, dass diese ihre Positionsmeldung lediglich aufgrund der Winkelstellung der Trägerarmteile an eine Rechnereinheit eines Neuronavigationssystems zurückmelden können. Sie müssen deshalb mit sehr schweren Ständern und Füßen ausgestattet werden, damit keine ungewollte Verschiebung des Mikroskops die Neuronavigation referenzlos machen und damit beenden kann.Initially, it was found to be a disadvantage of state-of-the-art microscopes that they can only report their position back to a computer unit of a neuronavigation system based on the angular position of the support arm parts. They therefore have to be equipped with very heavy stands and feet so that an unintentional movement of the microscope cannot make neuronavigation referenceless and thus end it.

Die Verwendung des Referenzierungssystems zur Mikroskopsteuerung bietet nunmehr die Möglichkeit einer weiteren Rückmeldung der Positionsdaten des Mikroskops. Durch die besondere Anordnung der Reflektoren kann ein Neuronavigationssystem jederzeit diese Anordnung als Mikroskop-Reflektorenanordnung identifizieren. Die Mikroskopstellung wird über das Kamerasystem dem Rechner also als unmittelbare Raumposition mitgeteilt. Auch wenn eine Verschiebung des Mikroskops erfolgt, können deshalb die Daten aus der Arm-Gelenkstellung und diejenigen aus der Reflektorenstellung jederzeit abgeglichen werden; die Neuronavigation bleibt auch bei einem ungewollten Stellungswechsel des Mikroskops intakt.The use of the referencing system for microscope control now offers the possibility of further feedback of the position data of the microscope. Due to the special arrangement of the reflectors, a neuronavigation system can identify this arrangement as a microscope reflector arrangement at any time. The microscope position is thus communicated to the computer via the camera system as an immediate spatial position. Even if the microscope is moved, the data from the arm joint position and that from the reflector position can therefore be compared at any time; neuronavigation remains intact even if the microscope changes position unintentionally.

Vorteilhafterweise wird die Raumstellung des Mikroskops bei einer ersten Kalibrierung mittels einer Fokussierung der Mikroskopoptik auf einem Punkt mit bekannten Raumkoordinaten, vorzugsweise den Kalibrierungspunkt eines Referenzadapters durchgeführt, wobei die Fokussierungsdaten mittels einer Datenübertragungseinrichtung an die Rechnereinheit übertragen werden, während dieselbe Rechnereinheit mittels der Reflektoren und der Kameras die Raumposition des Mikroskops feststellt.Advantageously, the spatial position of the microscope is determined during a first calibration by focusing the microscope optics on a point with known spatial coordinates, preferably the calibration point of a reference adapter, wherein the focusing data are transmitted to the computer unit by means of a data transmission device, while the same computer unit determines the spatial position of the microscope by means of the reflectors and the cameras.

Hier kommt wieder die schon vorher erwähnte Kalibrierungsfunktion eines Referenzadapters, der ebenfalls mit einer Drei-Reflektoren-Anordnung versehen ist, zum Tragen. Um der Rechnereinheit mitzuteilen, wo sich das Mikroskop in einer Ausgangsstellung befindet, kann der Fokus des Mikroskops auf den Trichtermittelpunkt eines vorher beschriebenen Referenzadapters scharfgestellt werden. Der Rechner erhält dann Daten über den Zoomfaktor und den Fokussierungsabstand über eine Datenübertragungseinrichtung, beispielsweise einer Datenleitung, von Mikroskop und kennt damit, weil der Raumort des Kalibnerungspunkts bekannt ist, die Stellung des Fokussierungspunktes sowie aus den Reflexionspunkten der am Mikroskop angebrachten Reflektoren die Mikroskopstellung. Aus diesen Daten kann eine genaue Positionsbestimmung des Mikroskops vorgenommen werden.This is where the previously mentioned calibration function of a reference adapter, which is also equipped with a three-reflector arrangement, comes into play again. In order to inform the computer unit where the microscope is in a starting position, the focus of the microscope can be focused on the funnel center of a previously described reference adapter. The computer then receives data on the zoom factor and the focusing distance from the microscope via a data transmission device, for example a data line, and thus knows the position of the focusing point because the spatial location of the calibration point is known, as well as the position of the microscope from the reflection points of the reflectors attached to the microscope. From this data, an exact position of the microscope can be determined.

Nach der ersten Kalibrierung besteht nunmehr auch die Möglichkeit, jeweils durch die Ansteuerung der Bewegungsmotoren des Mikroskops durch die Rechnereinheit bzw. durch die Rückmeldung der Mikroskopbewegungen und Positionsdaten an die Rechnereinheit folgende Steuerungsabläufe durchzuführen:After the first calibration, it is now also possible to carry out the following control sequences by controlling the movement motors of the microscope via the computer unit or by providing feedback of the microscope movements and position data to the computer unit:

a) automatische Verfolgung und Fokusiemng einer Instrumentenspitze, deren Position der Rechnereinheit, über Reflektoren bekannt ist;a) automatic tracking and focusing of an instrument tip, the position of which is known to the computer unit via reflectors;

b) automatische Fokussierung eines gespeicherten oder vorgegebenen Behandlungspunktes; undb) automatic focusing of a stored or predefined treatment point; and

c) Fokussierung eines Behandlungspunktes aus verschiedenen Raum- und Winkelstellungen des Mikroskops.c) Focusing a treatment point from different spatial and angular positions of the microscope.

Damit lassen sich folgende Tätigkeiten durchführen: Der Chirurg deutet mit der Spitze eines mit Reflektoren versehenen, dem Navigationssystem bekannten Positionszeigers auf eine Stelle der zu behandelnden Partie, worauf die Recheneinheit die Koordinaten dieser Stelle identifiziert und das Mikroskop an diese Stelle fährt und den Fokus genau hier einstellt. Der Chirurg spart sich dadurch aufwendige Manövrierarbeiten mit dem Mikroskop-Steuersystem. Der Chirurg kann dem System ebenfalls einen bestimmten Punkt, den er bereits fokussiert hat, zur Abspeicherung geben. Dieser Punkt kann danach durch einen einfachen Befehl jederzeit vom Mikroskop wieder fokussiert werden. Manchmal, besonders wenn in Hohlräume mit nur kleinen Öffnungen einfokussiert werden muss, muss zur "Ausleuchtung" des gesamten Hohlraums die gedachte Mikro-This allows the following activities to be carried out: The surgeon points to a spot on the area to be treated with the tip of a position indicator equipped with reflectors and known to the navigation system, whereupon the computer unit identifies the coordinates of this spot and moves the microscope to this spot and sets the focus precisely there. This saves the surgeon time-consuming maneuvering with the microscope control system. The surgeon can also give the system a specific point that he has already focused on to save. This point can then be focused again by the microscope at any time with a simple command. Sometimes, especially when focusing on cavities with only small openings, the imaginary micro-

skop-Fokuslinie um diese Öffiiung "geschwenkt" werden. Es besteht mit der vorliegenden Steuerung ebenfalls die Möglichkeit, den Schwenkpunkt dieser Linie einzuspeichern und eine vorher beschriebene Ausleuchtung vorzunehmen.The scope focus line can be "swivelled" around this opening. With this control it is also possible to store the swivel point of this line and to carry out the previously described illumination.

Weiterhin besteht die Möglichkeit der Verwendung eines erfindungsgemäßen Referenzierungssystems zur Referenzierung eines Ultraschall-Diagnosesystems mit einem Ultraschallabstrahler und -empfänger und einer damit verbundenen Auswertungseinheit- und einer Bildschirmausgabe. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass am Ultraschallabstrahler und -empfänger ein Reflektorenadapter mit mindestens drei Reflektoren befestigt ist, der in einem eingangs beschriebenen Reflektorenreferenzierungssystem integriert ist.Furthermore, it is possible to use a referencing system according to the invention for referencing an ultrasound diagnostic system with an ultrasound emitter and receiver and an evaluation unit and a screen output connected to them. This is characterized in that a reflector adapter with at least three reflectors is attached to the ultrasound emitter and receiver, which is integrated in a reflector referencing system described above.

Mit einer solchen Ausbildung lassen sich nunmehr die Daten, die mit einem Ultraschall-Diagnosegerät erhalten werden, positionell in ein Neuronavigationssystem einordnen. Auch der Ultraschallabstrahler und -empfänger besitzt eine Reflektorengruppe mit einer speziellen Anordnung, die vom Rechner nur für ihn identifiziert wird. Wenn die Daten, die vom Ultraschallsystem ermittelt werden, mit den Anatomiedaten aus der Computertomographie abgeglichen werden, können mit diesem System auch solche Schwierigkeiten verhindert werden, die beispielsweise dadurch entstehen, dass nach der Öffnung der über dem Behandlungsgebiet liegenden Gewebeschichten das zu behandelnde Gewebe etwas "zusammensackt".With this kind of training, the data obtained with an ultrasound diagnostic device can now be placed in a neuronavigation system. The ultrasound emitter and receiver also have a group of reflectors with a special arrangement that is identified only for them by the computer. If the data obtained by the ultrasound system is compared with the anatomical data from the computer tomography, this system can also prevent difficulties that arise, for example, when the tissue to be treated "collapses" slightly after the tissue layers above the treatment area have been opened.

Das erfindungsgemäße Reflektorenreferenzierungssystem kann in einem Neuronavigationssystem mit einem erfindungsgemäßen Markersystem verwendet werden, wobei auch die Mikroskopsteuerung benutzt werden kann. Alle diese Systemteile können jeweils separat eingesetzt und verwirklicht werden, sind aber auch in jedweder Kombination nutzbar, wobei die im Vorhergehenden beschriebenen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik zum Tragen kommen.The reflector referencing system according to the invention can be used in a neuronavigation system with a marker system according to the invention, whereby the microscope control can also be used. All of these system parts can be used and implemented separately, but can also be used in any combination, whereby the advantages described above over the prior art come into play.

Im folgenden sollen Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:In the following, embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying figures. They show:

Figur 1 ein Gestell, in dem eine Rechnereinheit mit Bedienelementen untergebracht ist, auf dem ein Computermonitor als Grafik-Bildschirmausgabeeinheit steht und an welches ein Kamerahalter mit zwei Infrarotkameras angebracht ist;Figure 1 shows a frame in which a computer unit with operating elements is housed, on which a computer monitor stands as a graphic screen output unit and to which a camera holder with two infrared cameras is attached;

Figur 2 einen neurochirurgischen Punktzeiger mit an ihm angebrachten Reflektoren;Figure 2 shows a neurosurgical pointer with reflectors attached to it;

Figur 3 eine chirurgische Pinzette, an deren hinterem Ende ein Adapter mit drei besonders angeordneten Reflektoren befestigt ist;Figure 3 a pair of surgical forceps, to the rear end of which an adapter with three specially arranged reflectors is attached;

Figur 4 einen Querschnitt durch einen mit zwei Reflektoren versehenen Punktzeiger;Figure 4 shows a cross-section through a pointer provided with two reflectors;

Figur 5 eine Aufsicht auf einen Referenzadapter mit drei Reflektoren und ein Kalibrierungspunkt; Figure 5 is a plan view of a reference adapter with three reflectors and a calibration point;

Figur 6 eine verkleinerte Darstellung eines Kalibrierungsstabes;Figure 6 is a reduced view of a calibration rod;

Figur 7 einen Landmarken-Aufsatz, wie er bei einer Computertomographieaufhahme verwendet wird;Figure 7 shows a landmark attachment as used in a computed tomography scan;

Figur 8 einen Landmarken-Aufsatz, wie er bei der Referenzierung der Landmarken am Operationstisch verwendet wird;Figure 8 shows a landmark attachment as used for referencing landmarks on the operating table;

Figur 9 einen Querschnitt durch einen Befestigungssockel für die Landmarken-Aufsätze aus den Figuren 7 und 8; undFigure 9 shows a cross-section through a mounting base for the landmark attachments from Figures 7 and 8; and

Figur 10 eine Aufsicht auf den Befestigungssockel der Figur 9.Figure 10 is a plan view of the mounting base of Figure 9.

In einem Operationsraum, in dem das Neuronavigationssystem zum Einsatz kommt, steht an einem Ende eines Operationstisches beispielsweise ein Gestell, wie es in Figur 1 mit den Bezugszeichen 10 angedeutet ist. In diesem Gestell ist eine Rechnereinheit 11 und verschiedene weitere Steuerungseinheiten, wie zum Beispiel eine Tastatur (nicht bezeichnet) untergebracht. Verbunden mit dieser Rechnereinheit ist der auf dem Gestell platzierte Schirm 12. Dieser gibt in verschiedenen Ansichten, auch in einer 3D-Ansicht, Schnittebenen bzw. Bilder der Patientenanatomie wieder und zeigt auch die Positionen von chirurgischen Instrumenten oder Reflektoren an diesen Instrumenten und an Behandlungsapparaturen auf. Des weiteren können in verschiedenen Feldern Zusatzinformationen ausgegeben werden.In an operating room in which the neuronavigation system is used, there is a frame at one end of an operating table, for example, as indicated in Figure 1 with the reference number 10. A computer unit 11 and various other control units, such as a keyboard (not designated), are housed in this frame. Connected to this computer unit is the screen 12 placed on the frame. This displays sectional planes or images of the patient's anatomy in various views, including a 3D view, and also shows the positions of surgical instruments or reflectors on these instruments and on treatment equipment. In addition, additional information can be output in various fields.

Am Gestelloberteil, auf dem der Schirm 12 steht, ist ebenfalls ein Kamerahalter 13 befestigt. Dieser Kamerahalter 13 ist verstellbar ausgeführt und trägt an den Enden seiner oberen Arme zwei Infrarotkameras, die mit 14 bezeichnet sind.A camera holder 13 is also attached to the upper part of the frame on which the screen 12 stands. This camera holder 13 is adjustable and carries two infrared cameras, designated 14, at the ends of its upper arms.

Selbstverständlich sind die vorher beschriebenen Komponenten untereinander durch Datenübertragungsleitungen verbunden. Die Kameras 14 erfassen den Bereich des Operationstisches, in dem die Behandlung stattfindet und können dreidimensional Raumkoordinaten von chirurgischenOf course, the previously described components are connected to each other by data transmission lines. The cameras 14 capture the area of the operating table in which the treatment takes place and can measure three-dimensional spatial coordinates of surgical

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Instrumenten und Behandlungsapparaturen erfassen, die mit Reflektoren versehen sind, welche Infrarotstrahlung reflektieren.Instruments and treatment equipment that are equipped with reflectors that reflect infrared radiation.

Am Operationstisch ist beispielsweise der Kopf eines Patienten an einer Feststellvorrichtung ortsfest befestigt. Die Koordinaten der Patientenanatomie werden der in Figur 1 dargestellten Rechnereinheit 11 durch ein im weiteren beschriebenes Markersystem zunächst durch Computertomographie-Daten mitgeteilt, wobei die momentane Anordnung der Marker bei der Operation ebenfalls mit Hilfe der Rechnereinheit und der Kameras vor Ort referenziert wird.For example, the patient's head is fixed to a locking device on the operating table. The coordinates of the patient's anatomy are initially communicated to the computer unit 11 shown in Figure 1 by a marker system described below using computer tomography data, with the current arrangement of the markers during the operation also being referenced on site using the computer unit and the cameras.

Dazu wird beispielsweise ein in Figur 2 dargestellter Punktzeiger 20 verwendet. Der Punktzeiger 20 weist zwei durch Steckverbindungen an ihm angebrachte Reflektoren 21 und 22 auf. Der Abstand sowie die Form dieser Reflektoren 21 und 22 sind der Rechnereinheit 11 bekannt; d.h. dieser Punktzeiger 20 ist ein solcher, der immer dem jeweiligen Rechnersystem zugeordnet ist. Bekannt ist der Rechnereinheit 20 weiterhin die Position der Spitze 23 des Positionszeigers 20. Wenn dieser Positionszeiger 20 in das Erfassungsfeld der Kameras 14 gebracht wird, kann er unmittelbar vom System erkannt werden, d.h. seine Spitze 23 kann auf den Schirm 12 sichtbar gemacht werden.For this purpose, for example, a point pointer 20 shown in Figure 2 is used. The point pointer 20 has two reflectors 21 and 22 attached to it by plug connections. The distance and the shape of these reflectors 21 and 22 are known to the computer unit 11; i.e. this point pointer 20 is one that is always assigned to the respective computer system. The position of the tip 23 of the position pointer 20 is also known to the computer unit 20. If this position pointer 20 is brought into the detection field of the cameras 14, it can be recognized immediately by the system, i.e. its tip 23 can be made visible on the screen 12.

Die Figur 3 zeigt nunmehr eine chirurgische Pinzette 30. Am hinteren Ende dieser Pinzette 30 ist ein Adapter 31 lösbar mit dieser verbunden, der an seinen Armen drei Reflektoren 32, 33 und 34 trägt, welche eine charakteristische Anordnung aufweisen, die im Navigationssystem nur diesem Adapter 31 zugeteilt wird. Eine solche Pinzette 30 kann jedwede Pinzette sein, an der sich der Adapter 31 anbringen lässt. Es kann sich also hier auch um eine Pinzette handeln, mit der ein Neurochirurg schon seit Jahren arbeitet. Damit die Pinzette 30 zum Einsatz kommen kann, muss dem Neuronavigationssystem zunächst die Position ihrer Spitze 35 mitgeteilt werden. Hierzu wird, wie schon vorher bezüglich des Reflektorenreferenzierungssystem beschrieben, mit der Pinzettenspitze 35 ein im Navigationssystem bekannter Raumpunkt angefahren, worauf Kreisbewegungen mit dem Ende der Pinzette 30 durchgeführt werden. Die Rechnereinheit 11 erkennt über die Kameras 14 die spezielle Anordnung der Reflektoren 32, 33 und 34 und kann aus ihren Bewegungen bei stillstehender Spitze 35 der Pinzette 30 die Spitzenposition ermitteln.Figure 3 now shows a pair of surgical tweezers 30. An adapter 31 is detachably connected to the rear end of these tweezers 30, which has three reflectors 32, 33 and 34 on its arms, which have a characteristic arrangement that is only assigned to this adapter 31 in the navigation system. Such tweezers 30 can be any pair of tweezers to which the adapter 31 can be attached. This can therefore also be a pair of tweezers that a neurosurgeon has been working with for years. In order for the tweezers 30 to be used, the neuronavigation system must first be informed of the position of their tip 35. To do this, as already described previously with regard to the reflector referencing system, the tip 35 of the tweezers is moved to a point in space known in the navigation system, whereupon circular movements are carried out with the end of the tweezers 30. The computer unit 11 detects the special arrangement of the reflectors 32, 33 and 34 via the cameras 14 and can determine the tip position from their movements when the tip 35 of the tweezers 30 is stationary.

Der Punktzeiger 20 aus Figur 2 sowie die Pinzette 30 aus Figur 3 sollen an dieser Stelle beispiel-The pointer 20 from Figure 2 and the tweezers 30 from Figure 3 are examples of

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haft für alle Instrumente stehen, die bei neurochirurgischen Eingriffen verwendet werden. Das System arbeitet kabellos mit einem Reflektorenadapter mit passiven Reflektoren, wie sie in Figur 3 gezeigt sind. Diese können beispielsweise auch an Ultraschall-Diagnosegeräten und neurochirurgischen Mikroskopen befestigt werden, wobei die Kalibrierung eines Mikroskops dann, wie beschrieben, über die Fokussierung eines ortsbekannten Kalibrierungspunktes durchgeführt wird.are suitable for all instruments used in neurosurgical interventions. The system works wirelessly with a reflector adapter with passive reflectors, as shown in Figure 3. These can also be attached to ultrasound diagnostic devices and neurosurgical microscopes, for example, whereby the calibration of a microscope is then carried out, as described, by focusing on a known calibration point.

Die Figur 4 zeigt eine Schnittansicht des Punktzeigers 20 aus Figur 2 in einer anderen Ebene. Deutlich wird hier, dass die Reflektoren 21 und 22 durch Steckverbindungen am Positionszeiger 20 angebracht sind. Die Reflektoren 21, 22 sind deshalb abnehmbar. Da die Reflektoren 21, 22, die meist mit einem empfindlichen reflektierenden Überzug ausgestaltet sind, die einzigen Teile des Positionszeigers 20 sind, die bezüglich der Sterilisation eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, ist dieser Positionszeiger 20 mit den abnehmbaren Reflektoren 21,22 sehr einfach und schnell sterilisierbar. Sind nämlich die Reflektoren 21, 22 erst einmal abgenommen, kann beispielsweise eine Autoklaven-Sterilisation durchgeführt werden, worauf ein neuer vorbereiteter Satz sterilisierter Reflektoren 21 und 22 aufgesteckt wird. Der Positionszeiger 20 kann so nach kurzer Zeit sterilisiert wiederverwendet werden.Figure 4 shows a sectional view of the point indicator 20 from Figure 2 in a different plane. It is clear here that the reflectors 21 and 22 are attached to the position indicator 20 by plug connections. The reflectors 21, 22 are therefore removable. Since the reflectors 21, 22, which are usually designed with a sensitive reflective coating, are the only parts of the position indicator 20 that are highly sensitive to sterilization, this position indicator 20 with the removable reflectors 21, 22 can be sterilized very easily and quickly. Once the reflectors 21, 22 have been removed, an autoclave sterilization can be carried out, for example, after which a new prepared set of sterilized reflectors 21 and 22 is plugged on. The position indicator 20 can thus be sterilized and reused after a short time.

Die Figur 5 zeigt eine Aufsicht auf einen schon vorher des öfteren beschriebenen Referenzadapter 50, der mittels einer in dieser Ansicht unter seinem Mittelpunkt verborgenen Anklemmvorrichtung an einem relativ zum Patienten ortsfesten Teil befestigt wird. Dieser Teil kann beispielsweise die Feststelleinrichtung für den Kopf eines Patienten sowie ein Domfortsatz in einem Wirbelkörper sein.Figure 5 shows a top view of a reference adapter 50, which has already been described several times before and which is attached to a part that is stationary relative to the patient by means of a clamping device that is hidden under its center in this view. This part can be, for example, the locking device for the head of a patient or a dome process in a vertebral body.

Der Referenzadapter 50 besteht aus den Armen 51, 52 und 53, die eine nur für ihn charakteristische Länge und Winkelstellung aufweisen. Am Ende dieser Arme 51, 52 und 53 sind jeweils: Reflektoren 54, 55 und 56 befestigt. Durch diese Reflektorengruppe und ihre charakteristische Anordnung und/oder Größe kann der Referenzadapter 50 jederzeit eindeutig durch das Neuronavigationssystem bezüglich seiner Position identifiziert werden. Die Position des Referenzadapters 50 bleibt normalerweise während einer Operation immer dieselbe. Falls es jedoch nötig wird, den Patienten umzulagern, kann der ortsfest mit der referenzierten Patientenanatomie verbundene Referenzadapter 50 jederzeit auch nachträglich vom Navigationssystem erfasst und verfolgt werden, so dass auch die Gesamtlage des Patienten-Referenzsystems jederzeit der RechnereinheitThe reference adapter 50 consists of the arms 51, 52 and 53, which have a length and angle that is unique to it. Reflectors 54, 55 and 56 are attached to the end of these arms 51, 52 and 53. This group of reflectors and their characteristic arrangement and/or size enable the neuronavigation system to clearly identify the position of the reference adapter 50 at any time. The position of the reference adapter 50 normally remains the same during an operation. However, if it becomes necessary to reposition the patient, the reference adapter 50, which is fixedly connected to the referenced patient anatomy, can be detected and tracked by the navigation system at any time, even subsequently, so that the overall position of the patient reference system can also be provided to the computer unit at any time.

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11 bekannt bleibt.11 remains known.

Eine besondere Rolle in Hinsicht auf den Referenzadapter 50 spielt der Kalibrierungspunkt 57, der in diesem Beispiel am Ausgangspunkt der drei Arme 51, 52 und 53 angeordnet ist. Er befindet sich in einer Mulde, so dass er positionsgenau durch Instrumentenspitzen (beispielsweise die Positionszeigerspitze 23, Figur 2 oder die Pinzettenspitze 35, Figur 3) angefahren werden kann. Nach diesem Anfahren folgt dann eine Bewegung des Instruments, deren Mittelpunkt die Spitze, also die Mulde des Referenzadapters 50 im Kalibrierungspunkt 57 bildet. Die bereits im einzelnen beschriebene Kalibrierung kann durchgeführt werden.The calibration point 57 plays a special role with regard to the reference adapter 50, which in this example is arranged at the starting point of the three arms 51, 52 and 53. It is located in a depression so that it can be approached with precise positioning by instrument tips (for example the position indicator tip 23, Figure 2 or the tweezers tip 35, Figure 3). After this approach, the instrument then moves, the center of which is the tip, i.e. the depression of the reference adapter 50 in the calibration point 57. The calibration already described in detail can be carried out.

In sehr verkleinertem Maßstab ist in Figur 6 ein Kalibrierungswerkzeug, hier ein Kalibrierungsstab 60 dargestellt. Dieser Kalibrierungsstab 60 sollte in realiter eine Länge von mindestens etwa 40 cm haben. An beiden Enden des Kalibrierungsstabes 60 ist in einem vorbestimmten, den Rechner 11 bekannten Abstand jeweils ein Reflektor 61, 62 angeordnet. Die charakteristischen Eigenschaften der auch hier abnehmbar ausgestalteten Reflektoren 61, 62, nämlich ihre Größe sowie ihr Abstand am Kalibrierungsstab 60 sind der Rechnereinheit 11 bekannt und werden nur diesem Stab zugeordnet. Mit diesem Stab 60 kann dann das schon beschriebene Kalibrierungsverfahren für die Winkel- bzw. Abstandsstellung der Kameras 14 durchgeführt werden.A calibration tool, in this case a calibration rod 60, is shown in Figure 6 on a very reduced scale. This calibration rod 60 should actually have a length of at least about 40 cm. A reflector 61, 62 is arranged at each end of the calibration rod 60 at a predetermined distance known to the computer 11. The characteristic properties of the reflectors 61, 62, which are also designed to be removable here, namely their size and their distance from the calibration rod 60, are known to the computer unit 11 and are only assigned to this rod. This rod 60 can then be used to carry out the calibration process already described for the angular or distance position of the cameras 14.

Die Figur 7 zeigt einen Landmarken-Aufsatz, wie er bei der Erfassung der Patientenanatomie im Computertomographen verwendet wird. Dieser Aufsatz ist mit 70 bezeichnet. Er besteht aus einem kugelförmigen Hauptkörper 71, der beispielsweise eine Aluminiumkugel ist. In dieser Aluminiumkugel, die individuell auf der Basis ihrer im System einzigartigen Größe sowohl durch die Computertomographie als auch durch das Neuronavigationssystem identifiziert werden kann, ist unten ein Rastfortsatz 72 angebracht, mit dem der Landmarkenaufsatz 70 in eine Befestigungsvorrichtung 90 (Figur 9) eingeschoben und eingerastet werden kann.Figure 7 shows a landmark attachment as used in the CT scanner to capture the patient's anatomy. This attachment is designated 70. It consists of a spherical main body 71, which is, for example, an aluminum sphere. In this aluminum sphere, which can be individually identified by both the CT scanner and the neuronavigation system on the basis of its unique size in the system, a locking projection 72 is attached at the bottom, with which the landmark attachment 70 can be pushed into and locked into a fastening device 90 (Figure 9).

Ein Landmarkenaufsatz, durch den der Landmarkenaufsatz 70 aus Figur 7 nach der Computertomographie ersetzt wird, ist als Aufsatz 80 in Figur 8 bezeichnet. Die Abmessungen des Landmarkenhauptkörpers 81, d.h. der Kugeldurchmesser entspricht demjenigen des Landmarkenhauptkörpers 71 aus Figur 7. Modifiziert ist der Landmarken-Aufsatz 80 dahingehend, dass ein oberer Teil der Kugel abgeschnitten ist und in die Kugel ein muldenförmiger Trichter 83 eingearbeitet wurde,A landmark attachment, by which the landmark attachment 70 from Figure 7 is replaced after the computer tomography, is designated as attachment 80 in Figure 8. The dimensions of the landmark main body 81, i.e. the sphere diameter, correspond to that of the landmark main body 71 from Figure 7. The landmark attachment 80 is modified in that an upper part of the sphere is cut off and a trough-shaped funnel 83 is incorporated into the sphere.

dessen Spitze sich genau in der Kugelmitte befindet, wie im Ausbruch der Figur 8 gezeigt ist. Der Rastfortsatz 82 entspricht genau dem Rastfortsatz 72 (Figur 7).whose tip is located exactly in the center of the ball, as shown in the cutout of Figure 8. The locking projection 82 corresponds exactly to the locking projection 72 (Figure 7).

Nach der Patientendatenerfassung im Computertomographen wird der Landmarken-Aufsatz 70 durch den Landmarken-Auf satz 80 ersetzt. Weil beide Kugeln denselben Durchmesser haben, kann der Landmarken-Aufsatz 80 durch das Neuronavigationssystem als dieselbe Landmarke identifiziert werden, wie sie als Landmarke 70 bei der Computertomographie erfasst wurde. Die Mulde mit der trichterförmig zusammenlaufenden Spitze erlaubt beim Referenzierungsschritt für die Landmarke 80 im Rahmen der Kalibrierung des Neuronavigationssystems das genaue Anfahren des Kugelmittelpunkts durch die Spitze eines chirurgischen Instruments. Damit wird die Referenzierung erleichtert und genauer gemacht, sie kann auch nach dem Abdecken mit sterilen Tüchern durchgeführt werden.After patient data has been recorded in the CT scanner, the landmark attachment 70 is replaced by the landmark attachment 80. Because both spheres have the same diameter, the landmark attachment 80 can be identified by the neuronavigation system as the same landmark as that recorded as landmark 70 in the CT scan. The depression with the funnel-shaped converging tip allows the tip of a surgical instrument to be precisely positioned at the center of the sphere during the referencing step for the landmark 80 as part of the calibration of the neuronavigation system. This makes referencing easier and more precise, and it can also be carried out after covering with sterile cloths.

Die Figur 9 zeigt eine Befestigungsvorrichtung 90, die an ihrer Unterseite mittels eines Haftmittels beispielsweise auf der Haut eines Patienten befestigt wird. Der Sockel 92 dieser Befestigungsvorrichtung 90 weist eine Einstecköffnung 91 auf, in die sowohl der Landmarken-Aufsatz 70 als auch der Landmarken-Aufsatz 80 aus den Figuren 7 und 8 eingesteckt und verrastet werden können. Die Figur 10 zeigt eine obere Ansicht der Befestigungsvorrichtung 90. Es ist zu sehen, dass im Sockel 92 eine zusätzliche nasenförmige Öffnung 100 eingebracht ist, durch die die Rastfortsätze 72, 82 eingeführt werden können. Nach dem Drehen der gesamten Landmarken-Aufsätze 70 und 80 rasten deren untere Vorsprünge im Durchgangsloch 91 des Sockels hinter dessen unterem Absatz ein und verbleiben dort fest.Figure 9 shows a fastening device 90 which is attached to the underside of the device by means of an adhesive, for example to the skin of a patient. The base 92 of this fastening device 90 has an insertion opening 91 into which both the landmark attachment 70 and the landmark attachment 80 from Figures 7 and 8 can be inserted and locked. Figure 10 shows an upper view of the fastening device 90. It can be seen that an additional nose-shaped opening 100 is made in the base 92 through which the locking projections 72, 82 can be inserted. After turning the entire landmark attachments 70 and 80, their lower projections lock into the through hole 91 of the base behind its lower shoulder and remain firmly in place there.

Nachdem bisher die wichtigsten Bestandteile des Neuronavigationssystems erläutert wurden, soll im folgenden die Erfindung noch dadurch weiter und eingehender erklärt werden, dass ein typischer Behandlungsablauf dargestellt wird:Having explained the most important components of the neuronavigation system so far, the invention will now be explained further and in more detail by presenting a typical treatment procedure:

Zunächst werden an einem Patienten, an dessen Gehirn ein neurochirurgischer Eingriff vorzunehmen ist, fünf Landmarkensockel 92 an der Haut in der Umgebung der zu öffnenden Schädelpartien befestigt. Zur Referenzierung der Anatomiedaten bei einer Computertomographie werden in die Sockel 92 fünf kugelförmige Aluminium-Landmarken-Aufsätze 70 eingesetzt. Die Stellen, an denen die Landmarken befestigt werden, werden so ausgewählt, dass sie während der Be-First, five landmark bases 92 are attached to the skin of a patient whose brain is to be subjected to neurosurgical surgery. To reference the anatomical data during a computer tomography scan, five spherical aluminum landmark attachments 70 are inserted into the bases 92. The locations at which the landmarks are attached are selected in such a way that they can be seen during the procedure.

handlung eine möglichst geringe Verschiebung erfahren. Sie sollten möglichst nah an der zu behandelnden Stelle liegen und dabei untereinander einen möglichst großen Abstand aufweisen. Mindestens drei Landmarken müssen verwendet werden, die Verwendung von zwei zusätzlichen Landmarken kann dem System jedoch eine größere Genauigkeit und Sicherheit verleihen.They should be as close to the area to be treated as possible and as far apart as possible from each other. At least three landmarks must be used, but the use of two additional landmarks can give the system greater accuracy and safety.

Als nächstes wird eine Computertomographie durchgeführt, bei der die zu behandelnden Partien sowie die Landmarken erkannt und positionell miteinander ins Verhältnis gebracht werden.Next, a computer tomography scan is performed, in which the areas to be treated and the landmarks are identified and their position is related to one another.

Während der Patient in die Chirurgie gebracht wird, werden die Computertomographiedaten auf optischen Disks abgespeichert und darauf zur Rechnereinheit 11 gebracht, die Daten ausliest und auf dem Schirm 12 als Bilder wiedergibt. Diese Bilder sind Schnittbilder in verschiedenen Ebenen sowie ein 3D-BiId. Der Chirurg kann seine Operationsstrategie nach dieser Wiedergabe planen. Während die Anästhesie des Patienten vorbereitet wird, wird die Stellung der Kameras 14 am Ständer kalibriert. Hierzu nimmt der Chirurg einen Kalibrierungsstab 60 mit zwei Reflektoren 61 und 62 und bewegt ihn in der Erfassungszone der Kameras 14. Durch die Erfassung von etwa zehn momentanen Stellungen der Reflektoren 61 und 62 am Kalibrierungsstab 60 in kurzen Abständen, kann das System die Kamerastellung erfassen und abspeichern.While the patient is being taken to the surgery, the computer tomography data is saved on optical disks and then taken to the computer unit 11, which reads out the data and displays it as images on the screen 12. These images are cross-sectional images in various planes and a 3D image. The surgeon can plan his surgical strategy based on this display. While the patient is being prepared for anesthesia, the position of the cameras 14 on the stand is calibrated. To do this, the surgeon takes a calibration rod 60 with two reflectors 61 and 62 and moves it in the detection zone of the cameras 14. By detecting around ten current positions of the reflectors 61 and 62 on the calibration rod 60 at short intervals, the system can detect and store the camera position.

Der Kopf des Patienten wird nun mit einer Feststellvorrichtung am Operationstisch räumlich unbeweglich gemacht. Hierauf werden die kugelförmigen Landmarken-Aufsätze 70 durch die mit Positionierungstrichtern 83 versehenen teilkugelförmigen Landmarken-Aufsätze 80 ersetzt.The patient's head is now made spatially immobile using a locking device on the operating table. The spherical landmark attachments 70 are then replaced by the partially spherical landmark attachments 80 provided with positioning funnels 83.

Nach der Sterilisation wird der Patient steril abgedeckt, wobei auch die Landmarken 80 mit abgedeckt werden können. Die Abdeckung kann mittels herkömmlicher Tücher oder mittels einer durchsichtigen Folie durchgeführt werden.After sterilization, the patient is covered with a sterile drape, which can also cover the landmarks 80. The draping can be done using conventional cloths or a transparent film.

Im darauffolgenden Schritt wird ein Referenzadapter 50 an der Feststellvorrichtung für den Kopf des Patienten befestigt. Er wird durch seine besondere Reflektoranordnung identifiziert, seine Position sowie die Position seines Kalibrierungspunktes 57 werden durch das Neuronavigationssystem festgestellt.In the next step, a reference adapter 50 is attached to the fixing device for the patient's head. It is identified by its special reflector arrangement, its position and the position of its calibration point 57 are determined by the neuronavigation system.

Der Chirurg kann nun mit einem ebenfalls identifizierten, dem System bekannten PunktzeigerThe surgeon can now use a pointer that is also identified and known to the system

20 die fünf Landmarken-Aufsätze 80 anfahren, und zwar so, dass die Spitze 23 des Punktzeigers 20 jeweils genau in die Trichterspitze, also den Mittelpunkt der Kugel 81 einfährt. Aus den bekannten Daten der jeweiligen Landmarken, die individuell unterscheidbar sind, kann das System innerhalb von Sekunden die jeweiligen Landmarken identifizieren und somit auch die Patienten-Anatomiedaten aus der Computertomographie in sein Erfassungssystem übernehmen. Die Stellung der Spitzen von neurochirurgischen Instrumenten kann nunmehr relativ zu den Anatomiedaten am Schirm 12 dargestellt werden. Dies gilt nach einer Kalibrierung am Kalibrierungspunkt 51 des Referenzadapters 50 auch für jedwede chirurgischen Instrumente, auf die ein Reflektorenadapter 31 aufgesetzt wurde.20 move to the five landmark attachments 80 in such a way that the tip 23 of the point pointer 20 moves exactly into the funnel tip, i.e. the center of the sphere 81. From the known data of the respective landmarks, which can be individually distinguished, the system can identify the respective landmarks within seconds and thus also incorporate the patient anatomy data from the computer tomography into its recording system. The position of the tips of neurosurgical instruments can now be displayed relative to the anatomy data on the screen 12. After calibration at the calibration point 51 of the reference adapter 50, this also applies to any surgical instruments onto which a reflector adapter 31 has been attached.

Um den genauen Ort zu bestimmen, an dem ein Eingriff vorgenommen werden muss, kann die Spitze eines Punktzeigers, der auf die Kopfhaut zeigt, virtuell verlängert werden. Der Chirurg sieht die zu behandelnde Läsion virtuell mit Hilfe der Bildschirmausgabe und kann durch die ebenfalls virtuelle Verlängerung seines Instruments den optimalen Eingriffsweg vorausbestimmen. In order to determine the exact location where an intervention must be performed, the tip of a pointer pointing to the scalp can be virtually extended. The surgeon sees the lesion to be treated virtually using the screen output and can predict the optimal intervention path by also virtually extending his instrument.

Nach der Öffnung des Schädels an der so aufgefundenen Stelle kann wie oben beschreiben, eine Pinzette 30 mit einem daran angebrachten Drei-Reflektoren-Adapter 31 am Kalibrierungspunkt 57 des Referenzadapters 50 kalibriert werden, d.h. der genaue Ort der Pinzettenspitze 35 wird festgestellt. Mit dieser Pinzette 30 kann nunmehr die Resektion der Läsion vorgenommen werden, wobei der Chirurg die Spitze 35 der Pinzette 30 zu jeder Zeit am Bildschirm 12 verfolgen kann.After opening the skull at the location thus found, a pair of tweezers 30 with a three-reflector adapter 31 attached to it can be calibrated at the calibration point 57 of the reference adapter 50 as described above, i.e. the exact location of the tweezers tip 35 is determined. The lesion can now be resectioned using these tweezers 30, with the surgeon being able to follow the tip 35 of the tweezers 30 on the screen 12 at all times.

Mit dieser Methode kann also die Resektion der Läsion unter weitgehender Vermeidung der Zerstörung von gesundem Gewebe durchgeführt werden. Ferner konnte die Operation in einef sehr kurzen Zeit durchgeführt werden. Alle verwendeten Instrumente konnten aufgrund des Einsatzes von passiven Reflektoren kabellos bewegt werden, was den Chirurgen Behinderungen während der Operation ersparte. Er konnte durch den Einsatz von Drei-Reflektoren-Adaptern seine eigenen gewohnten Instrumente verwenden. Alle diese Faktoren konnten insgesamt zu einer Verbesserung des Behandlungsergebnisses führen.This method allows the lesion to be resected while largely avoiding the destruction of healthy tissue. Furthermore, the operation could be carried out in a very short time. All instruments used could be moved wirelessly due to the use of passive reflectors, which spared the surgeon from any inconvenience during the operation. He could use his own usual instruments by using three-reflector adapters. All of these factors could lead to an overall improvement in the treatment outcome.

Claims (14)

1. Reflektorenreferenzierungssystem für chirurgische oder medizinische Instrumente (20, 30) und Behandlungsapparaturen mit mindestens zwei Kameras (14) und einer mit den Kameras (14) verbundenen Rechnereinheit (11) mit einer Grafik-Bildschirmausgabe (12), gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung (14) und eine Reflektorengruppe mit mindestens zwei Reflektoren (21, 22) für diese Infrarotstrahlung, wobei die Reflektoren in einer nur für diese Reflektorengruppe charakteristischen Anordnung an den Instrumenten (20, 30) bzw. Behandlungsapparaturen angebracht sind. 1. Reflector referencing system for surgical or medical instruments ( 20 , 30 ) and treatment apparatus with at least two cameras ( 14 ) and a computer unit ( 11 ) connected to the cameras ( 14 ) with a graphic screen output ( 12 ), characterized by a radiation source for infrared radiation ( 14 ) and a reflector group with at least two reflectors ( 21 , 22 ) for this infrared radiation, wherein the reflectors are attached to the instruments ( 20 , 30 ) or treatment apparatus in an arrangement that is characteristic only for this reflector group. 2. Reflektorenreferenzierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren (21, 22) über Adapter (24, 31) wiederabnehmbar angebracht sind. 2. Reflector referencing system according to claim 1, characterized in that the reflectors ( 21 , 22 ) are removably attached via adapters ( 24 , 31 ). 3. Reflektorenreferenzierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren (21, 22, 32, 33, 34) kugelförmig und mit einem reflektierenden Überzug ausgebildet sind. 3. Reflector referencing system according to claim 1 or 2, characterized in that the reflectors ( 21 , 22 , 32 , 33 , 34 ) are spherical and have a reflective coating. 4. Reflektorenreferenzierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Reflektoren (21, 22) über an einem Instrument, insbesondere einem Punktzeiger (20) oder einem Kalibrierungsstab (60), angebrachte Steckverbindungen (24) an diesem befestigt werden. 4. Reflector referencing system according to one of claims 1 to 3, characterized in that two reflectors ( 21 , 22 ) are attached to an instrument, in particular a pointer ( 20 ) or a calibration rod ( 60 ), via plug connections ( 24 ). 5. Reflektorenreferenzierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei Reflektoren (32, 33, 34) an mindestens jeweils einem Armende eines mit Reflektorenarmen und einem Befestigungsfuß ausgebildeten Adapters (31) befestigt sind, wobei der Befestigungsfuß an einem chirurgischen Instrument (30) oder einer Behandlungsapparatur befestigbar ist. 5. Reflector referencing system according to one of claims 1 to 3, characterized in that three reflectors ( 32 , 33 , 34 ) are fastened to at least one arm end of an adapter ( 31 ) designed with reflector arms and a fastening foot, wherein the fastening foot can be fastened to a surgical instrument ( 30 ) or a treatment apparatus. 6. Reflektorenreferenzierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Reflektoren an einem Adapter zur Anbringung an ein chirurgischen Mikroskop befestigt sind. 6. Reflector referencing system according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least three reflectors are attached to an adapter for attachment to a surgical microscope. 7. Reflektorenreferenzierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen dreiarmigen Referenzadapter (50) mit einem Befestigungsfuß umfasst, der ebenfalls drei in besonderer charakteristischer Anordnung befestigbare Reflektoren (54, 55, 56) an jedem Armende aufweist, wobei der Fuß an seinem Ende mit einer sich an die jeweilige Befestigungsstelle flexibel anpassenden Klammer versehen ist. 7. Reflector referencing system according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a three-armed reference adapter ( 50 ) with a fastening foot, which also has three reflectors ( 54 , 55 , 56 ) attachable in a special characteristic arrangement at each arm end, the foot being provided at its end with a clamp that flexibly adapts to the respective fastening point. 8. Reflektorenreferenzierungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzadapter vorzugsweise am Ausgangspunkt der drei Arme (51, 52, 53) eine konisch zusammenlaufende Trichtermulde mit einem zentrischen Kalibrierungspunkt (57) für die Spitzen der chirurgischen Instrumente (20, 30) aufweist. 8. Reflector referencing system according to claim 7, characterized in that the reference adapter preferably has a conically converging funnel trough with a central calibration point ( 57 ) for the tips of the surgical instruments ( 20 , 30 ) at the starting point of the three arms ( 51 , 52, 53 ). 9. Reflektorenreferenzierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reflektorengruppe an einem chirurgischen Mikroskop angebracht ist. 9. Reflector referencing system according to one of claims 1 to 8, characterized in that a reflector group is attached to a surgical microscope. 10. Reflektorenreferenzierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reflektorengruppe an einem Ultraschallabstrahler/-empfänger eines Ultraschall-Diagnosesystems angebracht ist. 10. Reflector referencing system according to one of claims 1 to 9, characterized in that a reflector group is attached to an ultrasound emitter/receiver of an ultrasound diagnostic system. 11. Markersystem zur Referenzierung und Positionsbestimmung von neurochirurgisch zu behandelnden Körperpartien, mit
mindestens drei künstlichen Landmarken-Aufsätzen (70), und ebenso vielen Befestigungsvorrichtungen (90) zur Befestigung der Landmarken- Aufsätze (70) am Patienten,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Landmarken-Aufsätze (70) sowohl bei einer diagnostischen Patientendatenerfassung als auch bei einer nachfolgenden Behandlungsüberwachung ein charakteristisches Bild abgeben, wobei sie für die Behandlungsüberwachung als Reflektoren für die Infrarotstrahlung einer Strahlungsquelle ausgebildet sind.
11. Marker system for referencing and determining the position of body parts to be treated neurosurgically, with
at least three artificial landmark attachments ( 70 ), and an equal number of fastening devices ( 90 ) for fastening the landmark attachments ( 70 ) to the patient,
characterized in that
the landmark attachments ( 70 ) produce a characteristic image both during diagnostic patient data acquisition and during subsequent treatment monitoring, wherein they are designed as reflectors for the infrared radiation of a radiation source for treatment monitoring.
12. Markersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken-Aufsätze (70) aus Metallkörpern bestehen, die aufgrund spezifischer Materialdichte, Größe, Form und Anordnung bei der Datenerfassung in einem Computertomographen individuell unterscheidbar sind. 12. Marker system according to claim 11, characterized in that the landmark attachments ( 70 ) consist of metal bodies which can be individually distinguished due to specific material density, size, shape and arrangement during data acquisition in a computer tomograph. 13. Markersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Landmarken-Aufsätze (70) aus von den Befestigungsvorrichtungen (90) abnehmbaren Aluminiumkörpern von erfassbar spezifischer Form und/oder Größe bestehen. 13. Marker system according to claim 12, characterized in that the landmark attachments ( 70 ) consist of aluminum bodies of a detectably specific shape and/or size which can be removed from the fastening devices ( 90 ). 14. Markersystem nach den Ansprüchen 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen zusätzlichen Satz trichterförmiger Landmarken-Aufsätze (80) umfasst, deren Trichtermittelpunkt dem Mittelpunkt der Landmarken-Aufsätze (70) entspricht, für die sie vor einer Referenzierung am Operationstisch ausgetauscht werden können. 14. Marker system according to claims 11 to 13, characterized in that it comprises an additional set of funnel-shaped landmark attachments ( 80 ), the funnel center of which corresponds to the center of the landmark attachments ( 70 ), for which they can be exchanged before referencing on the operating table.
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