DE9117261U1

DE9117261U1 - Am Kopf anzuwendendes Lokalisationssystem für eine chirurgische Sonde

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Publication number: DE9117261U1
Application number: DE9117261U
Authority: DE
Original assignee: St Louis University
Current assignee: St Louis University
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2001-10-18
Also published as: EP0931516B1; EP1690511A1; EP0553246A4; CA2094251A1; EP1210916A2; US5383454B1; ATE405223T1; WO1992006645A1; EP0931516A1; DE69133634D1; CA2094251C; SE9301262D0; DE69133548T2; DE69133603D1; EP0553246B1; US5383454A; EP1690511B1; DE69132412D1; EP1210916B1; US6678545B2

Description

MAIWALD GMBHPATENTANWÄLTE

Aktenzeichen Unser Zeichen

Neuanmeldung S 7187

St. Louis University

München

Dr. Walter Maiwald

Patentanwalt

European Patent Attorney

European Trademark Attorney

Dr. Volker Hamm

Dr. Stefan Michalski

Patentanwälte

European Trademark Attorneys

Lörrach

Dr. Walter Maiwald European Patent Attorney

in Zusammenarbeit mit: Schulze & Althoff Anwaltskanzlei München,

28. Mai 1998

St. Louis University

Vista Avenue at Grand Boulevard
"St. Louis, MO 63110-0250, USA

Am Kopf anzuwendendes Lokalisationssystem
für eine chirurgische Sonde

Die genaue Lokalisation einer Position war in der Neurochirurgie schon immer kritisch. Die Kenntnis der Anatomie des Gehirns und spezifischer Funktionen lokaler Bereiche des Gehirns sind für die Planung jedes neurochirurgischen Verfahrens entscheidend. Jüngste diagnostische Entwicklungen, wie etwa Computertomographie (CT)-Scans, Magnetresonanzimaging (MRI)-Scanning, Positronenemissionstomographie (PET)-Scanning

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Email: maiwald @ maiwald-partner. com
Geschäftsführer: Dr. Walter Maiwald · HRB Nr. 111307

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und magnetoenzephotograpisches (MEG)-Scanning haben die präoperative Diagnose und die chirurgische Planung stark vereinfacht. Die Präzision und Genauigkeit der Scan-Technologie sind dem Neurochirurgen im Operationsraum jedoch nicht voll zugänglich geworden. Spezifische Strukturen und Positionen im Gehirn während eines chirurgischen Eingriffes in Zusammenhang mit präoperativen Scan-Technologien zu bringen, war bisher mühselig, wenn nicht sogar unmöglich.

Bei der vor hundert Jahren entwickelten stereotaktischen Chirurgie wird eine Führungsvorrichtung verwendet, die das chirurgische Gerät durch spezifische Teile des Gehirns leitet, die durch präoperative radiographische Techniken lokalisiert wurden. Die stereotaktische Chirurgie ist vor dem Aufkommen moderner Scan-Technologien nicht sehr oft eingesetzt worden, da es erforderlich war, Luft in das Gehirn zu injizieren, um die Ventrikel, Flüssigkeit enthaltende Kammern innerhalb des Gehirns, zu lokalisieren. Die Ventrikolographie führte häufig zu Komplikationen, und die Genauigkeit der Lokalisation war marginal.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung für die optische Darstellung von chirurgischen Eingriffen ist in WO-A-88/09151 offenbart. Tomogramme, die mit wenigstens drei Meßpunkten am Patienten versehen sind, werden in einem Computer gespeichert und können auf einem Bildschirm abgebildet werden. Weiterhin werden die Positionen der drei Meßpunkte vor und nach der Einführung von einer Koordinatenmeßeinrichtung erfaßt. Diese Positionen werden auf dem Bildschirm auf den entsprechenden Tomographien abgebildet und in einen Datenspeicher gespeichert .

In einem Artikel mit dem Titel "A Frameless Stereotaxic Operating Microscope for Neurosurgery" von Eric M. Fleits et al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 36, Nr. 8, Juni 1989, Seiten 608 bis 617, wird ein computer-, gestütztes System beschrieben, bei dem Bilddaten stereotaktisch in einen Eingriff integriert werden können, indem durch das Operations-Mikroskop Tumor-Konturen und andere wesentliche radiologische Informationen eingeblendet werden, wobei behauptet wird, daß dies mit korrekter Positionierung, Größenmaßstab und Ausrichtung erfolgt. Das System verwendet einen nichtabbildenden Ultraschall-Bereichsfinder zur Steuerung innerhalb des Koordinatenraumes des Operationssaales. Ein Miniatur-CRT und Strahl-Splitter projiziert die radiologische Information durch das Operations-Mikroskop. Ein herkömmlicher stereotaktischer Rahmen, der am Patientenkopf angebracht wird, wird nicht benötigt.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein System anzugeben, das die Position einer Sonde in einem Kopf bestimmt und ein der bestimmten Position entsprechendes Bild ausgeben kann.

Die Erfindung umfaßt ein System zur Bestimmung bzw. Anzeige der Position einer Spitze einer Sonde, die innerhalb eines Objekts angeordnet ist, bezüglich Querschnittsabbildungen des Objekts. Das System umfaßt Meßeinrichtungen, Übersetzungseinrichtungen sowie Auswahl- und Abbildungseinrichtungen. Die Meßeinrichtungen messen die Position der Sondenspitze bezüglich des Objekts. Die Übersetzungseinrichtungen übersetzen die Position der Sondenspitze bezüglich des Objekts in ein Koordinatensystem, das den Querschnittsabbildungen des Objekts entspricht. Die Auswahl- und Abbildungseinrichtungen wählen das Bild des Objekts aus, welches der gemessenen Posi-

tion der Sondenspitze bezüglich dem Objekt entspricht, und zeigen das ausgewählte Bild. Die Erfindung umfaßt außerdem ein System für die Bestimmung bzw. Anzeige der Position der Spitze einer chirurgischen Sonde, die im Kopf des Körpers eines Patienten angeordnet ist, bezüglich Querschnittsbxldern des Kopfes. Vorrichtungen messen die Position der Spitze der chirurgischen Sonde bezüglich des Kopfes. Vorrichtungen übersetzen die Position der Spitze der chirurgischen Sonde bezüglich des Kopfes in ein Koordinatensystem, das Querschnittsabbildungen des Kopfes entspricht. Vorrichtungen wählen das Abbild des Kopfes aus, welches der gemessenen Position der Spitze der chirurgischen Sonde bezüglich des Kopfes entspricht, und zeigen das ausgewählte Bild.

Die Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung bzw. Anzeige der Position der Spitze einer chirurgischen Sonde, die innerhalb des Kopfes eines Patientenkörpers angeordnet ist, bezüglich .Querschnittsabbildungen des Kopfes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Messung der Position der Spitze der chirurgischen Sonde bezüglich des Kopfes; Übersetzung der Position der Spitze der chirurgischen Sonde bezüglich des Kopfes in ein Koordinatensystem, das Querschnittsabbildungen des Kopfes entspricht; Auswahl des Abbilds des Kopfes, welches der gemessenen Position der Spitze der chirurgischen Sonde bezüglich des Kopfes entspricht; und Wiedergabe des ausgewählten Bildes.

Die Erfindung umfaßt weiterhin ein System zur Bestimmung der Position einer Ultraschallsonde bezüglich des Kopfes eines Patientenkörpers, wenn sich die Sonde in benachbarter Stellung zum Kopf befindet. Ein Anordnung wird der Sonde benachbart vorgesehen. Erste Einrichtungen bestimmen die Position

der Ultraschallsonde bezüglich der Anordnung. Zweite Vorrichtungen bestimmen die Position des Kopfes bezüglich der Anordnung. Vorrichtungen übersetzen die Position der Ultraschall-Sonde in ein Koordinatensystem bezüglich der Kopfposition.

Andere Aufgaben und Eigenschaften der Erfindung werden zum Teil aus dem folgenden hervorgehen, zum Teil im folgenden dargelegt werden.

Die Erfindung ist außerdem in den beigefügten Ansprüchen definiert.

Kurzbeschreibung· der Abbildungen

Fig. IA ist eine perspektivische Darstellung einer zylindrischen Rahmenstruktur, die während eines Abtastvorgangs um einen Patientenkopf herum befestigt wird.

Fig. IB ist eine planare Ansicht der Stangen der zylindrischen Rahmenstruktur gemäß Fig. IA, entlang einer Zwischenebene zwischen dem oberen und den unteren Ringen.

Fig. IC ist eine perspektivische Darstellung eines Referenzringes, der aufrecht am Kopf eines Patienten befestigt wird, um die zylindrische Rahmenstruktur gemäß Fig. IA zu tragen.

Fig. ID ist eine perspektivische Darstellung des Koordinatensystems eines dreidimensionalen gescannten bzw. abgetasteten Bildes.

Fig. 2A ist eine perspektivische Ansicht des Abgreifrahmens, wie im Stand der Technik verwendet, um eine Relativposition zwischen einer Position im Kopf und der Phantombasis zu bestimmen.

Fig. 2B ist eine perspektivische Ansicht des Abgreifrahmens gemäß dem Stand der Technik nach Fig. 2A, die dessen Einstellwinkel veranschaulicht.

Fig. 2C ist ein Blockdiagramm der Schritte gemäß einem vorbekannten Verfahren zur Bestimmung der Position einer Sonde in bezug auf die gescannten Bilder, so daß das der Sondenposition entsprechende Bild identifiziert und durch den Chirurgen angesehen werden kann.

Fig. 2D ist eine perspektivische Darstellung eines dreidimensionalen Koordinatensystems einer chirurgischen Sonde.

Fig. 3A ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems zur Angabe der Position einer chirurgischen Sonde innerhalb eines Kopfes auf einer Abbildung des Kopfes.

Fig. 3B ist ein schematisches perspektivisches Diagramm einer Mikrophonanordnung, einer Sonde und eines Basisrings gemäß der Erfindung.

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Fig. 3C ist ein Blockdiagramm der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, zur Bestimmung der Position einer chirurgischen Sonde bezüglich der abgetasteten Bilder, so daß das der Sondenposition entsprechende Bilde identifiziert und vom Chirurgen angesehen werden kann.

Fig. 3D ist ein perspektivisches schematisches Diagramm eines optischen Scanners, der zusammen mit einer Wiege verwendet wird.

Fig. 3E ist ein perspektivisches schematisches Diagramm einer Mikrophonanordnung, einer chirurgischen Sonde, eines Basisrings und eines optischen Scanners gemäß der Erfindung.

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm der Übersetzungs-Software, um Koordinaten aus dem chirurgischen Sonden-Koordinatensystem in das Koordinatensystem des abgetasteten (gescannten) Bildes gemäß der Erfindung zu übersetzen.

Fig. 5A ist ein perspektivisches schematisches Diagramm eines Ultraschall-Sondensystems gemäß der Erfindung.

Fig. 5B

und 5C veranschaulichen Ultraschallabbildungen und abgetastete Abbildungen.

Gleiche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen gleiche Bauteile an.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Mit dem Aufkommen moderner Abtastvorrichtungen und -techniken sind verschiedene stereotaktische Systeme entwickelt worden und sind gegenwärtig verfügbar. Diese stereotaktischen Systeme erlauben es einem Chirurgen, spezifische Punkte zu lokalisieren, die in vor dem durchzuführenden chirurgischen Eingriff erzeugten CT-, MRI-, PET- oder MEG-Scans ermittelt wurden. Insbesondere erlauben die stereotaktischen Systeme die Auswahl spezifischer, in den Scans ermittelter Punkte, die durch den Chirurgen während des chirurgischen Eingriffs unter Verwendung einer mechanischen Vorrichtung im Gehirn zu lokalisieren sind.

Vor dem operativen Eingriff wird eine Art von Lokalisiereinrichtung, wie beispielsweise ein Rahmen, mit spitzen Bolzen am Schädel des Patienten befestigt. Der jeweilige Abtastvorgang bzw. die jeweiligen Scans, die durchgeführt werden sollen, werden dann erzeugt, während der Patientenkopf vom Rahmen umgeben ist. Beispielsweise kann der Rahmen von einer zylindrischen Struktur 100 gebildet werden, wie sie perspektivisch in Fig. IA gezeigt ist. Die Struktur 100 umfaßt einen oberen kreisförmigen Ring 102 und einen unteren kreisförmigen Ring 104, die mittels sechs vertikaler Stangen 106 und drei diagonaler Stangen 108 miteinander verbunden sind. Die drei diagonalen Stangen 108 verbinden die Ringe 102 und 104 diagonal so miteinander, daß jede Ebene, die durch die zylindrische Struktur 100 verläuft und ihre Achse 110 orthogonal schneidet, jede diagonale Stange 108 an einem bestimmten Punkt schneidet. Die resultierende Beabstandung zwischen den diagonalen und den senkrechten Stangen definiert eine einzigartige Ebene innerhalb der zylindrischen Struktur 100. Bei-

spielsweise würde, wie in Fig. IB gezeigt, eine Abtastung in einer bestimmten Ebene ein Muster von sechs Querschnittsansichten der Stangen 106 und drei Querschnittsansichten der Stangen 108 ergeben. Die einzigartige Beabstandung dieser Ansichten der Stangen, wie in der Ebene 112 der Fig. IB angegeben, würde notwendigerweise angeben, daß die Position der Abtastebene 112 parallel zu, und auf halbem Weg zwischen, den Ringen 102 und 104 der zylindrischen Struktur 100 lag.

Als Ergebnis des Abtastvorganges werden die erhaltenen Bilder analysiert und die Stellung der bestimmten Markierungsstangen 106 und 108, die als "Fudicels" bezeichnet werden, identifiziert und gemessen. Durch die Bekanntheit der Lage der Stangen 106 und 108 kann die spezifische Lage eines Scans bezüglich einer Basisebene identifiziert werden. Im allgemeinen ist der untere Ring 104 der zylindrischen Struktur 100 an einem Bezugsring 120 (auch bekannt als ein "BRW-Kopfring"), wie in Fig. IC gezeigt. Wie schon gesagt, wird dieser Ring 120 am Patientenkopf mittels aufrechter Stangen 122, die am Kopf mit spitzen Bolzen 124 befestigt sind, so angebracht, daß der Ring 12 0 mit Bezug auf den Kopf in fester Stellung gehalten wird. Der untere Ring 104 der zylindrischen Struktur 100 ist so am Basis- oder Referenzring 120, der am Patientenkopf befestigt ist, angeordnet, daß die beiden Ringe in parallelen Ebenen liegen. .

Wie in Fig. ID gezeigt ist, hat das Abtastsystem- (beispielsweise CT, MRI, PET), das die Abtastung durchführt, ein Koordinatensystem für das Abtastbild (X₀, Y₀, Z₀) , innerhalb dessen eine Bezugsebene RP durch wenigstens drei Bezugspunkte RP₁, RP₂ und RP₃ definiert werden kann, die auf dem Kopf des Patienten lokalisiert sind. Ein Computer wird dann

benutzt, um eine bestimmte Position innerhalb des Gehirns zu berechnen und ein Ziel, das aus dem bestimmten Bild ausgewählt ist, kann dann während des chirurgischen Eingriffs mit einem großen Grad von Genauigkeit angesteuert werden.

Obwohl die stereotaktische Chirurgie es einem Chirurgen ermöglicht, mit Genauigkeit zu einem bestimmten Punkt geführt zu werden, war sie nicht besonders nützlich, wenn es darum ging, dem Chirurgen die Identifikation der jeweiligen Stellung einer chirurgischen Sonde innerhalb des Gehirns zu irgendeinem Zeitpunkt während des chirurgischen Eingriffes zu ermöglichen. Bei der Neurochirurgie sind oft Gehirntumore oder andere Ziele innerhalb des Gehirns vom umgebenden normalen Gewebe nicht zu unterscheiden und können nicht einmal bei Verwendung von Gefrierschnitten gefunden.werden. Außerdem ist es bei modernen mikrochirurgischen Techniken wesentlich, daß der Neurochirurg bestimmte Strukturen innerhalb des Gehirns identifiziert, die von kritischer Bedeutung für die Funktionen des Patienten sind. Weiterhin müssen die Grenzen solcher Strukturen genau festgelegt und während des chirurgischen Eingriffs dem Chirurgen besonders bekannt sein. Auf diese Weise werden diese Gewebe beim chirurgischen Eingriff nicht gestört oder anderweitig beschädigt, was eine Verletzung des Patienten hervorrufen würde.

In der Vergangenheit konnte der Chirurg die stereotaktischen Systeme in Umkehrung anwenden, um es zu ermöglichen, die Position einer chirurgischen Sonde bezüglich der abgetasteten Bilder festzulegen, so daß das der Sondenstellung entsprechende Bild aufgefunden und angeschaut werden konnte. Es ist jedoch ein mühseliger und zeitaufwendiger Vorgang, im Umkehrrichtung vom Patientengehirn rückwärts vorzugehen, um die

Lage einer chirurgischen Sonde bezüglich des Scan-Abbildes aufzufinden. Üblicherweise muß hierzu ein speziell ausgestalteter Abgreifrahmen 200, wie in Fig. 2A dargestellt, am Ring 120 angebracht werden, der am Patientenkopf befestigt ist, um die Lage der chirurgischen Sonde im Kopf zu bestimmen. Man nehme beispielsweise an, daß der Chirurg die Position der Spitze 201 einer Sonde 202 im Patientenkopf kennen möchte. Zuerst wird der Abgreifrahmen 200 am Referenzring angepaßt, der am Patientenkopf befestigt ist. Nun; wird die Lage der Sonde 202 bezüglich des Bogens 206 festgelegt, und der Abgreifrahmen 200 wird so ausgerichtet, daß er die Winkel &agr;, &bgr;, &khgr; und &dgr; auf den Skalen 208, 210, 212 und 214 anzeigt, welche die Sonde 202 bezüglich des Abgreifrahmens 200 bildet, wie in Fig. 2B dargestellt. Nun wird der Abstand 216 der Spitze der Sonde 202 zum Bogen 206 bestimmt. Der Abgreifrahmen 200 wird dann fortbewegt und in der in Fig. 2A gezeigten Weise an einer Phantombasis 250 befestigt. Die Phantombasis 250 hat ein Koordinatensystem (X₁, Y₁, Z₁) . Im allgemeinen bestimmt der Abgreifrahmen 200 einen Punkt über der Phantombasis 250. Eine Zielvorrichtung 252 wird so angeordnet, daß ihre Spitze 254 im Punkt 201 liegt. Die Xi-Yj-Ebene der Phantombasis 250 entspricht einer Ebene parallel zu der Ebene, in der die Bezugspunkt RP₁, RP₂ und RP₃ liegen. Die (X₁, Y₁, Z₁) Koordinaten definieren die Position des Punktes 201. Im Ergebnis ist dann die Läge des Punktes 254 bezüglich der X₁-Y₁-Ebene und, deshalb, bezüglich der Bezugsebene RP bekannt. Ein Computer kann nun verwendet werden, um die bestimmte Lage innerhalb des Gehirns zu berechnen, und das bestimmte Abtastbild, welches der berechneten Position entspricht, wird nun zugänglich und kann auf dem Scan-System angesehen werden.

Zusammenfassend identifiziert dieses bekannten Verfahren, wie in Fig. 2C gezeigt, den Ort der Spitze 201 der chirurgischen Sonde 2 02 für den Chirurgen. Zunächst positioniert der Chirurg die Sonde 202 auf dem Abgreifrahmen 200, der am Kopf angebracht ist, in der Stellung, die im Kopf gewünscht ist. Der Abgreifrahmen 200 wird dann vom Kopf des Patienten abgenommen und auf die Phantombasis 250 überführt. Die Zielvorrichtung 252 wird dann am Punkt 254 angeordnet, welcher im wesentlichen koaxial mit dem Punkt 201 der Spitze der Sonde liegt. Die Zielvorrichtung 252 zeigt dann die Stellung der Sondenspitze im Koordinatensystem der Phantombasis (X₁, Y₁, Z₁) an. Zuletzt werden diese Koordinaten dann benutzt, um die Koordinaten im Abtastbild (X₀, Y₀, Z₀) zu bestimmen, so daß das der Sondenstellung entsprechende Bild angezeigt werden kann.

Nach diesem mühseligen und zeitaufwendigen Verfahren hat der Chirurg jetzt die Position der Spitze 201 der Sonde 202 in bezug auf die gescannten (abgetasteten) Bilder bestimmt und kann nun das der Sondenposition entsprechende Bild ansehen, um über den nächsten Schritt des chirurgischen Verfahrens zu entscheiden. Dieser gesamte Prozeß dauert ungefähr zehn bis fünfzehn Minuten und erhöht das Risiko intraoperativer Kontaminationen, da die Basis des Rahmens 200 nicht steril ist. Aufgrund dieser Erwägungen wird die stereotaktische Chirurgie in den meisten Fällen nicht allgemein angewandt. Außerdem ist die geringe Genauigkeit, die sie gewährleistet, im allgemeinen unzureichend für moderne mikrochirurgische Techniken. Daher wird die stereotaktische Chirurgie für die Mehrzahl bestimmter Patienten, die sich chirurgischen Eingriffen unterziehen, nicht verfügbar.

Vergleicht man die Fig. ID und 2A, ist erkennbar, daß der Chirurg die bestimmte Position der Spitze 201 der chirurgisehen Sonde 202 bezüglich dem Abtastbild-Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) der jeweiligen Scans wissen muß, die vor der Operation durchgeführt wurden. Mit anderen Worten hat die chirurgische Sonde 2 02 ein bestimmtes Koordinatensystem (X₂, Y₂, Z₂), das in Fig. 2D veranschaulicht ist. Idealerweise muß das Koordinatensystem der chirurgischen Sonde (X₂, Y₂, Z₂) mit dem Koordinatensystem des Abtastbildes (X₀, Y₀, Z₀) in bezug stehen. Gemäß dem Stand der Technik, wie in Fig. 2B veranschaulicht, sollen diese Koordinatensysteme mittels des Koordinatensystems (X₁, Y₁, Z₁) der Phantombasis in bezug gesetzt werden. Jedoch ist, wie schon dargelegt wurde, dieses¹ Bezugsverfahren ungenau, zeitaufwendig und mühselig. Die Erfindung verwendet ein dreidimensionales Digitalisiersystem, um die Position der Spitze 201 der chirurgischen Sonde 202 zu finden, und unmittelbar das Koordinatensystem (X₂, Y₂, Z₂) der chirurgischen Sonde mit dem Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) . des Abtastbildes in bezug zu setzen. . :

Im Speziellen wird ein handelsübliches dreidimensionales auf Schall basierendes Digitalisiersystem wie das Modell GP-8-3D von Scientific Accessories Corporation verwendet, um die Stellung der Sonde festzustellen. Wie in Fig. 3A gezeigt, umfaßt das dreidimensionale Digitalisiersystem eine Mikrophonanordnung 300, die allgemein im Operationssaal an der Decke oder in irgendeiner anderen Stellung so angeordnet ist, daß sie auf Sichtlinie mit der verwendeten chirurgischen Sonde 302 liegt. Wie weiter unten in größerem Detail beschrieben werden wird, umfaßt die Sonde 3 02 Transmitter wie insbesondere Schallquellen, die so mit der Mikrophonanordnung 3 00 zusammenwirken, daß die Lage der Spitze der chirur-

gischen Sonde 302 zu jedem beliebigen Zeitpunkt bekannt ist. Das dreidimensionale Digitalisiersystem umfaßt weiterhin einen Emitter 304 für die Temperaturkorrektur, der mit der Mikrophonanordnung 300 zusammenwirkt. Weiterhin ist an dem Ring 120 (Fig. IC), der am Patientenkopf befestigt ist, ein Referenzring 3 06 angeordnet, der koaxial und parallel zur vom Ring 120 definierten Ebene liegt. Dieser Referenzring 306 umfaßt eine Mehrzahl von Transmittern, wie im folgenden beschrieben, welche mit der Mikrophonanordnung 3 00 zusammenwirken, so daß die relative Stellung des Referenzringes 3 06 zu jedem beliebigen Zeitpunkt bestimmt werden kann. Ein Signalgenerator 308 erzeugt ein Signal, das durch einen Multiplexer 310 zum Emitter 304 für die Temperaturkorrektur, zur chirurgischen Sonde 3 02 und zum Referenzring 3 06 übermittelt wird. Üblicherweise wird der Emitter 3 04 für die Temperaturkorrektur durch den Signalgenerator 3 08 über den.Multiplexer 310 aktiviert, um ein Signal abzugeben, was von der Mikrophonanordnung 3 00 empfangen wird. Jedes der Signale, die von jedem Mikrophon der Anordnung 3 00 empfangen wird, wird an einen Digitalisierer 312 weitergeleitet, welcher die Signale digitalisiert und die digitalisierten Signale zum Computer 314 weiterleitet, welcher ein räumliches Aufnahme- und Aufzeichnungsprogramm (SAR) 316 enthält, das die räumlichen Koordinaten auf der Basis der digitalisierten Signale aufnimmt und speichert. Beispielsweise kann das Programm 316 das SACDAC-Programm sein, das von PIXSYS in Boulder, Colorado, lizensiert werden kann. Dieses Programm wertet die digitalen Signale aus, die vom Emitter 3 04 für die Temperaturkompensation abgegeben werden, um den Bezugsstandard, das heißt die Geschwindigkeit der Schallstrahlung in der Raumluft zu bestimmen. Beispielsweise wird, in Abhängigkeit von der Lufttemperatur im Operationssaal, die Zeitdauer zwischen dem

Zeitpunkt der Betätigung des Emitters 304 für die Temperaturkompensation zur Abgabe eines Signals, bis zum Zeitpunkt des Empfangs des abgegebenen Signals durch jedes der Mikrophone der Anordnung 3 00 schwanken. Das SAR-Programm 316 kennt, mittels der Kalibrierung, den Abstand zwischen dem Emitter 304 für die Temperaturkompensation und jedem der Mikrophone der Anordnung 300. Daher kann das SAR-Programm 316 sofort die Geschwindigkeit des Signals berechnen, welches übermittelt wird. Diese Geschwindigkeit bildet einen Bezug für die Bestimmung der Lage der chirurgischen Sonde 302 und des Referenzrings 306.

Nun werden die Emitter am Referenzring 306 aktiviert, so daß die Lage des Referenzrings 306 festgelegt werden kann. Zu diesem Zeitpunkt werden die Emitter am Referenzring 306 nacheinander mit Energie versorgt, und die von diesen Emittern abgegebene Strahlung wird von der Mikrophonanordnung 3 00 aufgenommen. Das von den Mikrophonen für diese Strahlung erzeugte Signal wird digitalisiert und vom SAR-Programm 316 ausgewertet, um die Position jedes Emitters auf dem Referenzring 306 zu bestimmen. Wenn das SAR-Programm 316 die Position der Referenzring-Emitter bestimmt hat, werden standardisierte geometrische Berechnungen vom SAR-Programm durchgeführt, um die Ebene festzulegen, die vom Referenzring 306 bezüglich der Mikrophonanordnung 300 definiert ist.

Der Digitalisierer 312 gibt dann ein Signal an den Multiplexer 310 ab, um zu veranlassen, daß das vom Signalgenerator 308 erzeugte Signal an die chirurgische Sonde 302 übertragen wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die Emitter der chirurgischen Sonde 3 02 nacheinander mit Energie versorgt, und die von diesen Emittern abgegebene Strahlung wird von der

Mikrophonanordnung 3 00 aufgenommen. Das von den Mikrophonen für diese Strahlung erzeugte Signal wird digitalisiert und vom SAR-Programm 316 ausgewertet, um die Position jedes Emitters auf der chirurgischen Sonde 302 festzulegen. Wenn das SAR-Programm 316 die Positionen der Sonden-Emitter festgestellt hat, wird eine standardisierte geometrische Triangularisierung vom SAR-Programm durchgeführt, um den Ort der Spitze der chirurgischen Sonde bezüglich der Mikrophonanordnung 3 00 zu bestimmen. Daher kann unter Verwendung des dreidimensionalen Digitalisiersystems, vom SAR-Programm 316 die Position des Referenzringes 306 und die Position der chirurgischen Sonde 302 bezüglich des Referenzrings 306 bestimmt werden. Wie schon gesagt, ist der Referenzring 3 06 auf dem Bezugsring 120 (Fig. IC) befestigt und im wesentlichen coplanar mit diesem angeordnet, so daß der Referenzring 3 06 die Referenzebene RP des in Fig. ID veranschaulichten Koordinatensystems des Abtastbildes definiert. Der Computer 314 umfaßt eine Übersetzungs-Software 318, welche nun die Koordinaten des Koordinatensystems der chirurgischen Sonde, wie in Fig. 2D veranschaulicht, in das Koordinatensystem des Abtastbildes, wie in Fig. ID veranschaulicht, übersetzt. Als Ergebnis dieser Übersetzung hat der Computer 314 nun das bestimmte Abtastbild des präoperativen Scans bestimmt, auf welchem die Spitze der chirurgischen Sonde 302 liegt. Das System umfaßt ein Magnetbandgerät 320, das über ein Ortsnetz (local area network LAN) 321 angesteuert werden kann, in welchem jedes Bild aus dem präoperativen Scan aufgezeichnet ist. Die von der Übersetzungs-Software 318 erzeugten übersetzten Koordinaten werden der Software 320 für die Anzeige der stereotaktischen Bilder zugeführt, die sich ebenfalls im Computer 314 befindet, und identifizieren das bestimmte Abtastbild, welches vom Chirurgen angesehen werden soll. Das identifizierte

Bild wird vom stereotaktischen Bildsystem 324 ausgewählt, das das Bild nun aus den auf dem Bandgerät 32 0 gespeicherten Daten generiert, und auf einem Hochauflösungsbildschirm 326 abbildet. Die Software 322 für die Anzeige der stereotaktischen Bilder und das stereotaktische Bildsystem 324 können von irgendwelchen beliebigen handelsüblichen Systemen gebildet werden, wie sie beispielsweise von Stereotactic Image Systems, Inc., Salt Lake City, Utah, hergestellt werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3B sind eine perspektivische Darstellung der Mikrophonanordnung 300, des Emitters 304 für die Temperaturkompensation, der chirurgischen Sonde 302 und des Referenzrings 306 veranschaulicht. Die Mikrophonanordnung umfaßt eine Mehrzahl von Mikrophonen 350, deren Ausgänge mit einem dreidimensionalen Digitalisierer 312 verbunden sind. Der Mikrophonanordnung 3 00 ist ein Emitter 3 04 für die Temperaturkompensation angeordnet, der selektiv Signale abgibt, die vom SAR-Programm zur Kalibrierung verwendet werden, um die Strahlungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Beispielsweise wird im Model GP-8-3D von Scientific Accessories Corporation ein Schalldigitalisierer verwendet. In diesem Fall, wird die Geschwindigkeit des vom Emitter 3 04 für die Temperaturkompensation an die Mikrophone 305 abgegebenen Schalls vom SAR-Programm berechnet, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit welcher der Schall durch die Luft transportiert wird. Da dieses System sehr genau ist und die Schallgeschwindigkeit sich relativ signifikant mit der Lufttemperatur ändert, ermöglicht es der Emitter 304 für die Temperaturkompensation dem 3D-Digitalisiersystem, Änderungen in der Lufttemperatur im Operationssaal zu kompensieren. Die chirurgische Sonde 3 umfaßt eine Bajonett-Pinzette, die so abgewandelt ist, daß sie wenigstens zwei Schall-Emitter 360 trägt, die im wesent-

lichen koaxial auf einer Achse 362 mit der Spitze der Pinzette angeordnet sind. Die Emitter liegen in Linie und unmittelbar unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen durch die Pinzette, so daß dessen Sichtlinie nicht blockiert ist. Im allgemeinen ist die Mikrophonanordnung 300 an der Operationsleuchte oberhalb des Patientenkopfes befestigt, so daß sie sich in direkter Sichtlinie mit der Pinzette befindet, so wie diese vom Chirurgen gehandhabt wird. Die Mikrophone 3 50 nehmen den Schall auf, der bei der aufeinanderfolgenden Betätigung der Emitter 3 60 auf der Pinzette abgegeben wird. Die SAR-Software 316 mißt die Übertragungszeit von jedem der Schall-Emitter 360 auf der Pinzette zu den Mikrophonen 350. Durch Vergleich dieser Zeiten kann das SAR-Programm 316 die Stellung der beiden Emitter 360 und daher der Spitze der Pinzette berechnen.

Der Referenzring 360 ist auf dem Bezugsring 120 befestigt, der am Patientenkopf angebracht ist, und ist im wesentlichen coplanar mit den Referenzpunkten RP₁, RP₂ und RP₃. Der Referenzring 306 umfaßt eine Mehrzahl von Emittern 370, die mit dem Multiplexer 310 verbunden sind und von einem Signalgenerator 3 08 mit Energie versorgt werden. Jeder dieser Emitter 3 70 wird aufeinanderfolgend betätigt, so daß die von ihm abgegebene Schallstrahlung von den Mikrophonen 350 der Anordnung 300 aufgenommen wird. Vorzugsweise sind die Emitter 370 um 90° beabstandet angeordnet, wobei der zentrale Emitter im Stirnbereich des Kopfes liegt. Dies ermöglicht es, den Bezugsring 3 06 so um den Kopf herum anzuordnen, daß alle drei Emitter mit der Mikrophonanordnung in Sichtlinie liegen. Die resultierenden Signale werden vom Digitalisierer 312 digitalisiert, so daß das SAR-Programm 316 in der Lage ist, die Ebene zu berechnen, in der die,Emitter 370 liegen. Diese

• ·

Ebene bildet im wesentlichen die Bezugsebene, da sie cöplanar mit den Bezugspunkten RP₁, RP₂ und RP₃ ist. Durch Bestimmung der Lage dieser Bezugsebene kann die Übersetzungs-Software 318 nun die Koordinatenpositionen der Sonde 320 aufnehmen und sie aus dem Koordinatensystem der chirurgischen Sonde gemäß Fig. 2D in das Koordinatensystem des Abtastbildes wie veranschaulicht in Fig. ID übersetzen. Im Ergebnis kann nun das spezielle Abtastbild identifiziert und zur Ansicht durch den Chirurgen abgebildet werden, das der Position der Sonde entspricht.

Die chirurgische Sonde 302 ist üblicherweise eine Bajonett-Kauterisiereinrichtung, an der ein Leitungsdrahtbündel 364 angebracht ist. Daher sind die Drähte, die zur Verbindung der Emitter 360 mit dem Multiplexer 310 benötigt werden, ein Teil des Kabelstranges 364, der die Pinzette mit ihrer elektrischen Energiequelle verbindet, und der Chirurg ist vertraut damit, eine solche Pinzette zu benutzen, die mit einem Kabelstrang verbunden ist. Es ist daher keine Erschwernis für den Chirurgen, eine solche Sonde zu verwenden, und der Chirurg ist vertraut mit der Handhabung einer Sonde, die mit einem Kabelstrang verbunden ist.

Der Referenzring 306 bildet eine Vorrichtung zur Festlegung und Positionierung der Bezugspunkte RP₁, RP₂ und RP₃ bezüglich der Mikrophonanordnung 300. Ein Vorteil des Referenzrings liegt darin, daß jedesmal, wenn der Patientenkopf bewegt wird, der Referenzring 306 betätigt wird, um die Bezugsebene zu definieren. Das ermöglicht es dem Chirurgen, den Patientenkopf während des Eingriffs zu bewegen. Alternativ hierzu können die Referenzpunkte RP₁, RP₂ und RP₃ dadurch festgelegt werden, daß ein Referenzmodus des dreidimensionalen Digitali-

sierers 312 verwendet wird. Speziell wird die Spitze der Probe 3 02 an jedem der Bezugspunkte RP₁, RP₂ und RP₃ angeordnet und betätigt, um ein Signal an die Mikrophonanordnung abzugeben, so daß die Lage der Spitze an jedem dieser Punkte bestimmt werden kann. Dies wird während eines Referenzmodus-Betriebes des dreidimensionalen Digitalisierers 312 so durchgeführt, daß das SAR-Programm 316 am Endpunkt der Ausführung dieses Modus, die Lage der Bezugspunkte RP₁, RP₂ und RP₃ berechnet. Dazu ist es erforderlich, daß die Referenzpunkte neu festgelegt werden, bevor die Lage der chirurgischen Sonde bestimmt wird, um zu verhindern, daß bei Kopfbewegungen sich die Bezugsebene ändert. Auf der anderen Seite liegt ein Vorteil dieser Vorgehensweise darin, daß der Ring 120 nicht verwendet werden muß. Insbesondere ist es möglich, die Bolzen 124 permanent am Schädel des Patienten anzubringen. Beispielsweise können diese Bolzen strahlendurchlässige chirurgische Schrauben sein, die im Patientenschädel aufgenommen sind, und die strahlenundurchlässige Spitzen haben. Diese Schrauben würden vor dem chirurgischen Eingriff und vor der präoperativen Abtastung am Patientenschädel befestigt, so daß die strahlenundurchlässigen Spitzen eine konstante Bezugsgröße beim Scannen und während des gesamten chirurgischen stereotaktischen Eingriffes bilden. Beim eigentlichen Eingriff würde die Sonde verwendet, um die Stellung jeder strahlenundurchlässigen Spitze anzuzeigen, bevor die Sondenposition bestimmt wird. Durch Eliminierung der Notwendigkeit für den Ring 12 0 können auch andere Vorteile realisiert werden. Beispielsweise muß allgemein das präoperative Abtasten unter Anästhesie durchgeführt werden, weil der Ring 120 bei der Intubation stört. Daher muß die Intubation vorgenommen werden, bevor der Ring am Schädel befestigt wird. Wenn der Ring 120 nicht mehr benötigt wird und statt dessen die chir-

urgischen Schrauben verwendet werden, um die Bezugspunkte RP₁, RP₂ und RP₃ festzulegen, kann das präoperative Scanning durchgeführt werden, ohne daß eine Intubation und die diese begleitende Anästhesie erforderlich sind.

Bei einer alternativen Ausführungsform wird vorgesehen, daß die Emitter 370 jeweils auf einer Schraube oder einer anderen festen Struktur angeordnet sind, die an einem der Bezugspunkte positioniert ist.

Zusammenfassend ist das Verfahren gemäß der Erfindung in Fig. 3C veranschaulicht. Es identifiziert die Lage der Spitze der chirurgischen Sonde 3 02 für den Chirurgen. Anfänglich wird die Bezugsebene durch Betätigung des Referenzrings oder durch Positionierung der Sonde 302 an den Bezugspunkten (wie beschrieben) festgelegt. Dann bringt der Chirurg die Sonde in die gewünschte Position innerhalb des Kopfes. Nun werden die Emitter der Sonde betätigt, so daß die Sondenstellung gemessen und im Koordinatensystem der chirurgischen Sonde (X₂, Y₂, Z₂) bestimmt werden kann. Nun verwandelt die Übersetzungs-Software 318 das Koordinatensystem der chirurgischen Sonde in das Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) der Abtastbilder, so daß das der Sondenstellung entsprechende Bild angezeigt werden kann.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3D ist eine perspektivische Darstellung eines Patientenkopfes 390 in einer Wiege 392 während des Abtast- oder Scanning-Vorganges gezeigt. Wie weiter unten beschrieben werden wird, wird ein optischer Scanner 380 mit darauf vorgesehenen Emittern 381 verwandt, um die Position des Kopfes 390 bezüglich der Wiege 392 zu bestimmen, die am Kopf angeordnet ist. ,

Unter Bezugnahme auf Fig. 3E, welche eine perspektivische Darstellung ist, werden ein Mikrophonanordnung 300, ein Emitter 3 04 für die Temperaturkompensation, eine chirurgische Sonde 302 und ein optischer Scanner 380 dargestellt. Die Mikrophonanordnung 3 00 umfaßt eine Mehrzahl von Mikrophonen 350, deren Ausgänge mit dem dreidimensionalen Digitalisierer 312 verbunden sind. Die Mikrophonanordnung 300 stellt einen festen Bezugsrahmen bereit, gegen welchen die Stellung der Sonde 302 gemessen wird und gegen den ebenfalls die Stellung des Kopfes 3 90 bezüglich der Wiege 3 92 gemessen wird. Im Ergebnis kann zu jedem Zeitpunkt die Stellung der Sonde 3 02 bezüglich des Kopfes 390 bestimmt werden.

Nahe der Mikrophonanordnung 300 ist ein Emitter 304 für die Temperaturkompensation angeordnet, der selektiv Signale abgibt, die vom SAR-Programm zur Kalibrierung benutzt werden, um die Strahlungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Beispielsweise wird beim Modell GP-8-3D der Scientific Accessories Corporation ein Schalldigitalisierer benutzt. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit des vom Emitter 3 04 für die Temperaturkompensation an die Mikrophone 350 abgestrahlten Schalls vom SAR-Programm berechnet, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit welcher der Schall sich durch Luft ausbreitet. Da dieses System sehr genau arbeitet und die Schallgeschwindigkeit sich recht signifikant mit der Lufttemperatur ändert, ermöglicht es der Emitter 304 für die Temperaturkompensation dem dreidimensionalen Digitalisiersystem, Lufttemperaturschwankungen im Operationssaal zu kompensieren.

Die chirurgische Sonde 3 02 umfaßt eine chirurgische Bajonett-Pinzette, die so abgewandelt ist, daß sie wenigstens zwei

Schall-Emitter 360 trägt, die im wesentlichen koaxial auf einer Achse 362 mit der Spitze der Pinzette liegen. Die Emitter liegen in Linie und unmittelbar unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen durch die Pinzette, so daß dessen Sichtlinie nicht blockiert ist. Im allgemeinen ist die Mikrophonanordnung 350 an der Operationsleuchte oberhalb des Patientenkopfes befestigt, so daß sie sich in direkter Sichtlinie mit der Pinzette befindet, während diese vom Chirurgen benutzt wird. Die Mikrophone 350 erfassen den Schall, der bei der aufeinanderfolgenden Betätigung der Emitter 360 an der Pinzette abgegeben wird. Die SAR-Software 316 mißt die Übertragungszeit zwischen jedem Schall-Emitter 360 an der Pinzette und den Mikrophonen 350. Durch Vergleich dieser Zeiten läßt sich vom SAR-Programm 316 die Lage beider Emitter 360 und demzufolge auch die der Spitze der Pinzette berechnen.

Ein optischer Scanner 380 ist im allgemeinen oberhalb dem Patientenkopf 3 90 angeordnet und wird beim Scannen benutzt, um die Position des Kopfes 390 bezüglich der Wiege 392 festzustellen, und so den Bezugsrahmen für die Querschnitts-Scans bezüglich der Stirn 394 festzulegen. Der Scanner 380 wird weiterhin während des chirurgischen Eingriffes benutzt, um die Position des Kopfes 390 bezüglich der Wiege 392 festzulegen und dabei den Bezugsrahmen für die Sonde 3 02 bezüglich der Stirn 394 festzulegen.

Während des präoperativen Abtast- oder Scanning-Vorgangs, wie in Fig. 3D gezeigt, liegt der Patientenkopf zeitweise in der Wiege 3 92, wenn die Querschnittsbilder des Kopfes erzeugt werden. Die Wiege umfaßt einen Bogen 3 93 von strahlungsundurchlässigem Material, so daß dieser wenigstens in einigen der Querschnittsbilder auftaucht. Im Ergebnis definiert der

Bogen 393 eine Ebene bezüglich des Kopfes 390. Beim Scannen kann diese Ebene einfachheitshalber als die 0,0,0-Ebene angesehen werden. Nachdem der Kopf in der Wiege plaziert ist, wird der optische Scanner 380 benutzt, um die Position der Wiege 392 und des an ihr befestigten Bogens 393 bezüglich der Stirn 3 94 zu etablieren. Insbesondere scannt der optische Scanner 380 sowohl die Stirn als auch den Bogen 393 der Wiege 392 ab und bestimmt mittels des Computers 396, der eine Stirnanpassungs-Software 398 verwendet, die Position des Bogens 393 der Wiege 392 bezüglich des Stirnbereiches 394. Die Software zur Anpassung des Stirnbereiches kann irgendeine handelsübliche oder maßgeschneiderte Software sein, die eine Punktreihe so abbildet, daß eine Kurve berechnet werden kann, die die Stirnkontur definiert, daß eine Kurve berechnet werden kann, die den Bogen definiert, und daß eine Kurve berechnet werden kann, die die Relativposition von Stirnbereich und Bogen definiert. Da die Position der Querschnitts-Scans bezüglich dem strahlungsundurchlässigen Bogen 3 93 bekannt ist (weil der Bogen der Wiege die 0,0,0-Ebene definiert) und da die Position des Bogens 3 93 der Wiege 3 92 bezüglich zur .Stirn 3 94 bekannt ist (durch den Scan-Vorgang mittels des optischen Scanners), ist also auch die Position der Querschnitts-Scans bezüglich zur Stirn bekannt und kann von der Übersetzungs-Software 316 berechnet werden.

Während des chirurgischen Eingriffes ist ein Referenzring 306 fest am Kopf angebracht. Der Referenzring 306 muß nicht in der gleichen Stellung bezüglich des Kopfes angebracht werden, die der Bogen aufwies während des Scan-Vorganges, als die Querschnittsbilder erzeugt wurden. Der Referenzring 3 06, der während des Eingriffs benutzt wird, umfaßt Emitter 370, die mit der Anordnung 30 0 zusammenwirken, um die Lage des Refe-

renzringes 306 festzustellen. Im Ergebnis definiert der Referenzring 306 eine Ebene bezüglich des Kopfes 390. Nachdem der Referenzring am Kopf befestigt ist, wird der optische Scanner 380 vor oder während des Eingriffs benutzt, um die Stellung des Referenzrings 306 bezüglich der Stirn 394 festzustellen. Insbesondere scannt der optischer Scanner 3 80 sowohl den Stirnbereich als auch den Referenzring 306 und bestimmt, mittels des Computers 396, der die Stirnanpassungs-Software 398 verwendet, die Stellung des Referenzrings 306 bezüglich des Stirnbereichs 3 92. Da die Stellung der Sonde bezüglich des Referenzrings bekannt ist (wegen der Zusammenwirkung mit der Anordnung) und da die Stellung des Referenzrings bezüglich des Stirnbereichs bekannt ist (durch den Scan-Vorgang mit dem optischen Scanner), ist also auch die Stellung der Sonde bezüglich des Stirnbereichs bekannt und kann von der Übersetzungs-Software 316 berechnet werden. Da die Lage der Querschnittsbilder bezüglich des Stirnbereichs ebenfalls bekannt ist (aus dem präoperativen Scanning-Verfahren), ist im Ergebnis die Lage der Sonde bezüglich der Querschnittsbilder bekannt, so daß die Lage der Sondenspitze auf dem nächstkommenden Querschnittsbild angegeben werden kann.

Der optische Scanner 380 und der Computer 396 sind handelsübliche Standardgeräte, die zum Scannen eines Objekts benutzt werden, um dessen dreidimensionale Gestalt zu erfassen. Beispielsweise kann ein Körperteil-Scanner, wie etwa der PIXSYS Optical Scanner benutzt werden, der sonst zur Entwicklung dreidimensionaler Modelle für künstliche Gliedmaßen eingesetzt wird. Der Scanner 380 gibt einen Laserstrahl oder einen anderen optischen Strahl in Richtung auf den Bogen 393 und den Stirnbereich 394 ab und nimmt das dort reflektierte Licht mit einer Anordnung linearer Chipkameras wie beispielsweise

CCD-Kameras (charge coupled device cameras) wieder auf. Durch Auswertung der Position des reflektierten Lichts mit der Kameraanordnung bestimmt der optische Scanner 380, der den Computer 3 96 umfaßt, die Form und daher auch die Kontur des Stirnbereichs 394, die Form des Bogens 393 der Wiege 392, und die Relativposition von Stirnbereich und Bogen 393. Der Computer 3 96 zeigt der Übersetzungs-Software 316 des Computers 314, welcher ein Teil des in Fig. 3A dargestellten Systems ist, die Lage der Sonde 302 bezüglich des Stirnbereichs 392 an. Die Übersetzungs-Software 316 wandelt dann diese angezeigte Stellung im Koordinatensystem der gescannten Querschnittsbilder um. Im Ergebnis kann dasjenige gescannte Bild, das der Lage der Sonde entspricht, herausgefunden und auf der Anzeigevorrichtung 326 (Fig. 3A) abgebildet werden, damit der Chirurg es betrachten kann.

Die chirurgische Sonde 302 ist im allgemeinen eine Bajonett-Kauterisiereinrichtung mit einem daran befestigten Kabelstrang 3 64. Daher sind die Drähte, die zur Verbindung der Emitter 360 mit dem Multiplexer 310 nötig sind, ein Teil des Kabelstranges 3 64, der die Kauterisierpinzette mit ihrer elektrischen Energiequelle verbindet. Chirurgen sind im allgemeinen vertraut mit dem Umgang mit solchen Pinzetten, die mit einem Kabelstrang verbunden sind. Daher erleidet der Chirurg keine Beeinträchtigung bei der Verwendung einer solchen Sonde, und der Chirurg ist bei der Handhabung einer solchen Sonde, die mit einem Kabelstrang verbunden ist, ausreichend erfahren.

Ein Vorteil des optischen Scanners 380 liegt darin, daß die Notwendigkeit vermieden wird, während des präoperativen Abtastvorganges einen Ring oder Bolzen am Kopf des Patienten

anzubringen. Jedesmal, wenn der Patientenkopf in einer Wiege plaziert wird, kann der optische Scanner 380 benutzt werden, um den Kopf und die Wiege abzutasten und deren Relativpositionen neu zu definieren, ohne daß.irgendeine Berührung erforderlich ist. Der Bezugsring (i.e. Bogen) am Kopf ist daher nur zeitweilig notwendig. Durch die Vermeidung der Notwendigkeit eines permanenten Bezugsrings 120 oder von Bezugsbolzen RP₁ bis RP₃ werden noch weitere Vorteile erhalten. Beispielsweise muß man im allgemeinen die präoperative Abtastung unter Anästhesie durchführen, weil der Bezugsring 120 eine Intubation stört, oder nachdem Bolzen am Kopf befestigt worden sind. Daher muß eine Intubation erfolgen, bevor der. Ring am Schädel befestigt wird. Da erfindungsgemäß der permanente Bezugsring 120 oder die Bezugsbolzen nicht mehr nötig sind und weil die Stirnkontur verwendet wird, um einen Bezugspunkt zu bilden, kann die präoperative Abtastung vorgenommen werden, ohne daß eine Intubation notwendig ist und ohne die dafür notwendige Anästhesie.

Zusammenfassend liegt beim präoperativen Scanning-Vorgang der Patient einfach auf der U-förmigen Wiege, die am Ende eines CT- oder MRI-Tisches befestigt ist. Über dem Gesicht des Patienten befindet sich ein Bogen, der die Referenzebene bereitstellt. Alle Scans bzw. Abtastungen werden unter Bezug auf diesen Bogen, und vorzugsweise parallel zu diesem Bogen vorgenommen, der die Bezugs- oder Basisebene definiert. Der optische Scanner bezieht die Stirnkontur auf diesen Bogen, so daß der Bezug der Stirn auf die Abtastvorgänge bekannt ist.

Im Operationssaal wird der Kopf des Patienten wiederum vom optischen Scanner abgetastet, jedoch bildet dieses mal der Referenzring 306 den Bogen.über dem Kopf des Patienten. Die

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Bezugs-Emitter, die am Referenzring befestigt sind, definieren das Bezugssystem für den Eingriff. Daher ist wiederum der Stirnbereich durch den optischen Scanner mit dem Referenzring in Bezug gesetzt, um.ein neues Bezugssystem zu definieren; dieses mal ist das neue Bezugssystem der Operationssaal. Der Computer vergleicht dann die Stirnkonturen, die im Operationssaal aufgenommen wurden, mit denen, die im Scanning-Raum aufgenommen wurden, um die zwei Systeme in Bezug zu setzen. Im Effekt bildet der Stirnbereich die "Brücke" zwischen den Bezugssystemen beim präoperativen Abtasten und im Operationssaal.

Die Wiege muß in den tatsächlichen Scans nicht auftreten. Der hauptsächliche Zweck der Wiege besteht darin, den Patientenkopf an einer Bewegung zu hindern, so daß alle Scans mit der gleichen Beziehung zum Bogen aufgenommen werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist ein Flußdiagramm des Betriebes der Übersetzungs-Software 318 veranschaulicht. Anfänglich ordnet der Chirurg die Sonde 302 in der Position an, die bestimmt werden soll. (Wenn kein Referenzring 306 benutzt wird, um die Stellung der Bezugsebene zu identifizieren, besteht der erste Schritt darin, daß der Chirurg den Referenzmodus des dreidimensionalen Digitalisiersystems 312 anwendet, um die Referenzebene dadurch zu identifizieren, daß die Spitze der chirurgischen Sonde an verschiedenen Punkten in dieser Ebene aufgefunden wird.)

Das System initialisiert beim Schritt 4 00 durch Öffnung eines Window-Menüs durch die Übersetzungs-Software beim Schritt 402, welches zu einem Multitasking-Programm, wie beispielsweise DESQ VIEW von Quarterdeck Office Systems, Santa

Monica, Kalifornien, USA, gehört. Eine solche Software erlaubt die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Software-Programme. Im allgemeinen wird ein Programm, das zur Abarbeitung ausgewählt worden ist, entweder im Vordergrund oder im Hintergrund laufen, bis es beendet wird.

Die Übersetzungs-Software fährt mit der Initialisierung dadurch fort, daß das stereotaktische Bildsystem ausgewählt wird und im Vordergrund das stereotaktische Bildsystem durch Öffnung des stereotaktischen Fensters im Schritt 4 04 betätigt wird. Danach kehrt die Übersetzungs-Software im Schritt 406 zum Window-Menü zurück, bewegt die Software für die Anzeige des stereotaktischen Bildes in den Hintergrund und wählt das Digitalisierfenster im Schritt 408 aus, um im Vordergrund den Digitalisierer zu starten. Der Computer ist nun bereit, mittels des Fußschalters betätigt zu werden.

Der Chirurg betätigt nun den Fußschalter oder irgendeinen anderen Schalter, der anzeigt, daß das System jetzt eine Berechnung vornehmen soll. Die Betätigung des Fußschalters ist im wesentlichen der Beginn des Startschrittes 410. Bei Betätigung versorgt der Digitalisierer die Kalibrierung durch den Emitter 3 04 für die Temperaturkompensation mit Energie, so daß die Geschwindigkeit der Schallwellen bestimmt werden kann, versorgt die Emitter auf dem Referenzring 306 mit Energie, um die Referenzebene zu finden, und versorgt die Emitter auf der chirurgischen Sonde 302 mit Energie, um die Position der Spitze der Sonde 302 festzustellen. Die von der Mikrophonanordnung erzeugten Signale werden so digitalisiert, daß das SAR-Programm 316 die Koordinaten der Spitze der chirurgischen Sonde bestimmt. Im Schritt 412 selektiert die Übersetzungs-Software 318 die Koordinaten aus dem SAR-Programm.

Nun wird im Schritt 414 das Window-Menü wiederum angesteuert, und das Window-Menü schaltet die Software für das stereotaktische Bildsystem im Schritt 416 in den Vordergrund, um speziell die Tätigkeit des stereotaktischen Bildsystems 324 zu steuern. An diesem Punkt gibt die Übersetzungs-Software 318 einen FI-Befehl an die Software 322 für die stereotaktische Bildabbildung, die wiederum das stereotaktische Bildsystem 324 darauf vorbereitet, Koordinaten entgegenzunehmen. Im Schritt 420 wird wiederum das Window-Menü ausgewählt, so daß im Schritt 422 der Computer das Digitalisierfenster in den Hintergrund schaltet. Im Schritt 424 wird das Digitalisier-Window-Menü angesteuert und die Koordinatenübersetzung ausgewählt. Im Schritt 426 beginnt der Digitalisierer, die Koordinaten zu berechnen, und im Schritt 428 ist die Berechnung der Koordinaten beendet. Die Übersetzungs-Software kehrt dann im Schritt 430 zum Digitalisier-Window-Menü zurück, schaltet die Fenster um, um die stereotaktische Bildsystem-Software bei 432 in den Vordergrund zu setzen und so zur Entgegennahme der Koordinaten vorzubereiten, und kehrt dann wiederum zum Haupt-Window-Menü im Schritt 434 zurück. Zuletzt wird die Koordinateninformation übersetzt, wobei jede gegebenenfalls nötige Überarbeitung vorgenommen wird, und im Schritt 436 an die Software 322 für die stereotaktische Bildabbildung übergeben, die nun das stereotaktische Bildsystem 324 betätigt, um das bestimmte Bild vom Bandgerät auszuwählen und auf dem Hochauflösungs-Bildschirm 326 wiederzugeben. Die Software 322 für die stereotaktische Bildabbildung weist das stereotaktische Bildsystem 324 an, das Bild wiederzugeben, welches den übergebenen Koordinaten am nächsten liegt, und auf dem Bildschirm 326 einen Cursor abzubilden bei den Koordinaten, die der Stellung der Spitze der

Sonde entsprechen. Danach befindet sich der Computer 314 wieder im Standby-Modus, bis der Fußschalter wieder durch den Chirurgen betätigt wird, so daß die Übersetzungs-Software wieder mit dem Startschritt 410 in Gang gesetzt wird.

Die im Schritt 43 6 vorgenommene Übersetzung hängt ab von der Lage des Koordinatensystems der chirurgischen Sonde bezüglich dem Koordinatensystem des gescannten Bildes, und von den Maßeinheiten. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Systeme koaxial und die Maßeinheiten gleich, so daß irgendeine algebraische Anpassung nicht notwendig ist. Es wird jedoch erwogen, daß die Koordinatensysteme nicht koaxial sein könnten, in welchem Falle die Übersetzung auch arithmetische und / oder trigonometrische Berechnungen erfordern würde. Auch kann die Reihenfolge, beispielsweise (X₂, Y₂, Z₂) , in welcher die Koordinaten vom Digitalisierer erzeugt werden, anders sein als die Reihenfolge (X₀, Y₀, Z₀) , in welchen die Software für das stereotaktische Bildsystem die Koordinaten empfängt. Daher kann es nötig sein, die Reihenfolge, in welcher die Koordinaten übertragen werden, neu zu ordnen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5A wird ein System veranschaulicht, welches einen mit Ultraschall arbeitenden Lokalisierer verwendet. Bezugszeichen 500 betrifft eine Ultraschall-Sonde, die im Operationssaal benutzt werden kann, um das Gehirn zu scannen. Die Ultraschall-Sonde 500 umfaßt eine Mehrzahl von wenigstens drei Emittern 502, die mit der Anordnung 300 kommunizieren, um die Ebene zu definieren, innerhalb derer die Ultraschall-Sonde scannt. Die Emitter 502 werden durch ein Kabel 504 vom Multiplexer 510 mit Energie versorgt, wie bei den oben beschriebenen Systemen. Die von den Ermittern 502 abgegebene Strahlung wird von der Anordnung 3 00 aufgenommen,

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um die Ebene zu bestimmen, innerhalb derer die Ultraschall-Sonde 500 liegt. Die Ultraschall-Sonde ist außerdem über ein Kabel 506 mit einem Computer 508 verbunden, der die Ultraschall-Scans analysiert und die analysierte Information einer Arbeitsstation 510 weiterleitet, welche das gescannte Bild zeigt. Da die Anordnung 300 die Lage der Ultraschall-Sonde 500 zu jedem Zeitpunkt feststellen kann, und zwar über den Digitalisierer 312, ist die spezielle Ebene des an der Arbeitsstation 510 gezeigten Bildes bekannt. Die Lage des Patientenkopfes kann dadurch bestimmt werden, daß ein Referenzring mit Emittern am Kopf befestigt wird, wie oben beschrieben, oder durch Scannen des Stirnbereiches mit einem optischen Scanner mit daran befestigten Emittern, wie weiter unten beschrieben.

Beispielsweise ist ein solches Ultraschallbild in Fig. 5B veranschaulicht. Der Chirurg kann ein entsprechendes Bild am Bildschirm 326 des stereotaktischen Bildsystems 324, wie in Fig. 5C geschildert, aufrufen. Alternativ kann der Computer 508 direkt mit dem stereotaktischen Bildsystem 324 verbunden sein, um die spezielle Bildebene zu definieren, die auf der Arbeitsstation 510 abgebildet ist, so daß der Bildschirm 326 das entsprechende gescannte Bild wiedergeben kann. Im Ergebnis wird das Bild vom Ultraschallsystem, wie auf der Arbeitsstation 510 veranschaulicht, auf einem Monitor gezeigt und kann mit einem Querschnitt der Bilder verglichen werden, die durch CT-, MRI- oder PET-Scans erhalten wurden. Der Querschnitt durch den dreidimensionalen Datensatz, der vom Ultraschallsystem entwickelt wird, wird von einer Hochgeschwindigkeits-Graphik-Arbeitsstation bestimmt, wie sie . beispielsweise von Silicon Graphics hergestellt wird. Dies ermöglicht eine bessere Interpretation der Ultraschall-Scans,

da die Anatomie aus dem MRI-, CT- oder PET-Scans unmittelbar betrachtet werden kann. Weiterhin ermöglicht das Ultraschallsystem, das Scanning im Operationssaal vorzunehmen. Da das Gehirngewebe elastisch ist und sich die Lage von bestimmten Gewebeteilen von Zeit zu Zeit auch ändern kann, ermöglicht die Verwendung eines Ultraschallsystems im Operationssaal eine definiertere Lagebestimmung bestimmter Hirngewebebereiche .

Alternativ kann das System verwendet werden, um die Lage einer Ultraschall-Sonde bezüglich des Kopfes eines Patientenkörpers festzustellen. Die Sonde 500 wird angeordnet, um den Kopf 3 94 zu scannen, wobei die Anordnung 3 00 der Probe benachbart angeordnet ist. Wenigstens drei Emitter 502 erlauben die Bestimmung der Lage der Ultraschall-Sonde bezüglich der Anordnung. Der optische Scanner 3 80 mit Emittern 3 81 (Fig. 3D) ermöglicht die Lagebestimmung des Kopfes bezüglich der Anordnung. Der Computer 3 96 übersetzt die Lage der Ultraschall-Sonde in ein Koordinatensystem bezüglich der Kopfstellung .

Im Hinblick auf die obigen Darlegungen ist erkennbar, daß die diversen Aufgaben der Erfindung auch gelöst werden und daß auch andere vorteilhafte Resultate erhalten werden. Da diverse Abwandlungen der obigen Konstruktionen vorgenommen werden können, ohne aus dem Schutzumfang der Erfindung herauszuführen, ist beabsichtigt, daß. alles, was in der vorstehenden Beschreibung oder in den beigefügten Figuren enthalten und gezeigt ist, als veranschaulichend und nicht als beschränkend verstanden werden soll.

FIG.	3C
D	=
&Xgr;	=
F	—

BEZUGSZEICHENLISTE ZU

FIG. 2C

A = Sondenposition

B = Phantombasis-Koordinaten (X₁, Y₁, Z₁)

C = Koordinaten des gescannten Bildes (X₀, Y₀, Z₀)

Sondenposition Koordinatensystem der chirurgischen Sonde (X₂, Y₂, Z₂) Koordinaten des gescannten Bildes (X₀, Y₀, Z₀)

Claims

NEUE ANSPRUCHE

1. Vorrichtung zur Anzeige einer Position innerhalb eines Objektes (390), welche umfaßt:

Bezugspunkteinrichtungen (306, 124, 393), die eine Position in fester Beziehung zu dem Objekt (390) haben, um Bezugspunkte (RP₁, RP₂, RP₃) vorzusehen;

Einrichtungen zur Erzeugung von Querschnittsbildern des Objektes (390), wobei die Querschnittsbilder Referenzbilder einschließen, die den Bezugspunkteinrichtungen (306, 124, 393) entsprechen;

Referenzeinrichtungen (300) an einem Ort außerhalb des Objektes (390) zur Bereitstellung einer Referenz; eine Sonde (302) mit einer Spitze; auf der Sonde (302) angeordnete Emitter (360) ;

einen Detektor (350) für die Ermittlung von von den Emittern (3 60) abgegebener Strahlung;

erste Einrichtungen (360, 350, 312, 314) für die Bestimmung der Position der Spitze der Probe (302) bezüglich den Referenzeinrichtungen (300) auf der Basis der ermittelten Strahlung;

zweite Einrichtungen (370, 350, 312, 314; 380, 396) zur Messung der Position der Bezugspunkteinrichtungen (3 06, 124, 393) des Objekts (390) bezüglich den Referenzeinrichtungen (300), wobei die Position der Spitze bezüglich den Bezugspunkteinrichtungen (3 06, 124, 3 93) des Objektes in einer bekannten Position (X₂, Y₂, Z₂) liegt;

Einrichtungen (318) zur Übersetzung der bekannten Position (X₂, Y₂, Z₂) der Spitze der Sonde (302) in ein Koordinatensystem (X₀, Y₀, Z₀) , das den Bildern des Objektes (390) entspricht; und

Einrichtungen (320, 324, 326) zur Anzeige eines Bildes des Objektes (390), das der übersetzten Position der Spitze der Probe (302) entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Sonde (302) eine chirurgische Sonde ist, das Objekt (390) der Kopf eines Patientenkörpers ist, und bei der die.Wiedergabeeinrichtungen Einrichtungen (322, 324, 326) zur Wiedergabe eines Bildes umfassen, welches die Spitze der Sonde (302) auf dem wiedergegebenen Bild des Kopfes (390) repräsentiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die zweiten Einrichtungen umfassen:

eine Basis (306), die zur Anbringung am Kopf (390) in fester Beziehung zu den Bezugspunkteinrichtungen am Kopf (390) ausgelegt ist; und

Einrichtungen (370, 350, 312, 314; 380, 396) zur Messung der Position der Basis (306) bezüglich den Referenzeinrichtungen (300) .

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Referenzeinrichtungen eine Anordnung (300) mit Sensoren (350) umfassen und wobei die Sonde (302) eine Bajonett-Pinzette mit Emittern (360) umfaßt, welche in Linie mit der Pinzettenspitze und unterhalb der Sichtlinie des Chirurgen bei der Benutzung der Pinzette angeordnet sind, und wobei die Emitter (360) ausgelegt sind, mit den Sensoren (350) der Anordnung (300) zu kommunizieren, um die Position der Sonde (302) bezüglich der Anordnung (300) anzuzeigen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der an der Pinzette zwei Emitter (3 60) angebracht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, weiterhin umfassend zusätzliche Emitter (370) an der Basis (306) zur Kommunikation mit den Sensoren (350) der Anordnung (300), um die Position der Basis (306) bezüglich der Anordnung (300) anzuzeigen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, weiterhin umfassend einen dreidimensionalen Digitalisierer (312) zur Digitalisierung der von den Sensoren (350) in Ansprache auf die Signale von den Emittern (360, 370) erzeugten Signale.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Übersetzungseinrichtungen einen Computer (396) umfassen, der zwischen den zweiten Einrichtungen (380) und den Wiedergabeeinrichtungen (320, 324, 326) eingeschaltet ist, und mit einer Übersetzungs-Software (398) zur Steuerung des Betriebes des Computers (396) so, daß dem Computer (396) von den zweiten Einrichtungen (380) zugeführte Daten in entsprechende Koordinaten übersetzt werden, welche den Wiedergabeeinrichtungen (320, 324, 326) zugeführt werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Objekt der Kopf (390) des Patientenkörpers ist und die Wiedergabeeinrichtungen ein Abbildungssystem umfassen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend Einrichtungen (304) zur Kompensation von Temperaturschwankungen, welche den Betrieb der ersten und zweiten Bestimmungseinrichtungen beeinflussen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das Objekt der Kopf (390) eines Patientenkörpers ist und bei der die Wiedergabeeinrichtungen (320, 324, 326) Einrichtun-

gen zur Wiedergabe eines Cursors auf dem entsprechenden Bild des Kopfes umfassen, welcher der Spitze der Sonde (302) entspricht .

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Bezugspunkteinrichtungen (306, 124, 393) eine Bezugsebene (RP) definieren und bei der das Koordinatensystem der Bilder eine X-Y-Fläche (X₂, Y₂) parallel zur Bezugsebene (RP) einschließt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der das Objekt der Kopf (390) eines Patientenkörpers ist, weiterhin umfassend strahlungsdurchlässige Bolzen (124) mit strahlungsundurchlässigen Spitzen, die im Kopf angeordnet sind, um die Bezugspunkteinrichtungen zu definieren.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der das Objekt (390) der Kopf eines Patientenkörpers ist und bei der die Wiedergabeeinrichtungen umfassen:

Einrichtungen zur Wiedergabe einer Mehrzahl von Bildern, die durch eine Mehrzahl von Scanning-Techniken erzeugt worden sind, wobei die wiedergegebenen Bilder der Lage der Spitze der Sonde (302) im Kopf (390) entsprechen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Bezugspunkteinrichtungen die Kontur der Stirn des Patienten umfassen und bei denen die gescannten Bilder solche des Kopfes umfassen.