DE19506197A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ortsbestimmung eines Körperteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortsbestimmung eines Körperteils, bei welchem man Knochenschrauben in den Knochen des Körperteils einschraubt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Ortsbestimmungssystem für ein Körperteil mit mehreren Strahlungssendern bzw. Strahlungsempfängern und mit mehreren ortsfesten Empfängern bzw. Sendern sowie mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, die aus der Richtung und/oder der Laufzeit der übertragenen Strahlung die Posi­ tionen der Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger be­ stimmt.

Und schließlich betrifft die Erfindung eine Knochenschraube.

Bei medizinischen Operationen, insbesondere bei Kopf­ operationen, ist es üblich, vor der Operation beispiels­ weise durch ein Computertomogramm genaue Daten über die in­ ternen Körperstrukturen zusammenzutragen und diese dann bei der Operation zur Verfügung zu stellen, beispielsweise durch Gehirn-Schnittbilder auf einem Monitor. Um hier eine genaue räumliche Zuordnung zu ermöglichen, werden bei den präoperativen Untersuchungen Markierungselemente unver­ schieblich an einem Körperteil festgelegt, sogenannte fiducials. Es handelt sich dabei beispielsweise um Kno­ chenschrauben, die in den Schädel eingedreht sind und die geringfügig über die Kopfhaut vorstehen. Bei der Aufnahme der Schichtbilder beispielsweise durch Computertomogramme oder Kernspintomogramme sind diese Markierungselemente sichtbar, so daß durch diese Markierungselemente beispiels­ weise die relative Lage einer aufgenommenen Schnittebene zu dem untersuchten Kopf überprüfbar ist.

Bei der Operation selber verbleiben diese Markierelemente im Körper. Nachdem der Körperteil zu Beginn der Operation in eine gewünschte Lage gebracht wurde, können anhand die­ ser Markierelemente die aufgenommenen Schichtbilder mit dem betreffenden Körperteil in Übereinstimmung (korreliert) ge­ bracht werden.

Während der Operation sind allerdings Bewegungen des Kör­ perteils nicht auszuschließen, und dann stimmt die Zu­ ordnung der Momentanposition des Körperteils zu dem betref­ fenden Schichtbild nicht mehr, also beispielsweise zu einer Behandlungseinrichtung.

Man versucht daher den Körperteil in Halterahmen festzule­ gen und zu fixieren. Dies ist jedoch nicht immer möglich, da bei der Operation häufig eine Bewegung des Körperteils vorgenommen werden muß.

Es sind Systeme bekannt, die eine solche Bewegung des Kör­ perteils messen und die Momentanposition des Körperteils bestimmen. Diese arbeiten mit Strahlungssendern oder Strah­ lungsempfängern, die bei bekannten Systemen an Halterahmen befestigt werden, die ihrerseits an dem Körperteil festge­ legt werden. Derartige Halterahmen, beispielsweise soge­ nannte Mayfield-Klemmen, sind normalerweise sperrige Gerä­ te, die auch zur Halterung von Instrumenten verwendet wer­ den können. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß die Festlegung von Strahlungsempfängern oder Strahlungssendern an derartigen Klemmen oder Rahmen zwar eine Ortsbestimmung des Rahmens oder der Klemme ermöglicht und damit eine Orts­ bestimmung des im Rahmen gehaltenen Körperteils, daß aber die Genauigkeit einer solchen Bestimmung zu wünschen übrig läßt. Die Strahlungssender und Strahlungsempfänger befinden sich bei derartigen Anordnung in einer relativ großen Ent­ fernung von dem Körperteil, außerdem sind geringfügige Ver­ schiebungen zwischen dem Körperteil und Rahmen nicht mit der erforderlichen Sicherheit auszuschließen, so daß sich die Positionierung der Sender und Empfänger am Körperteil im Laufe einer Operation geringfügig ändern kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren so auszugestalten, daß eine erhöhte Zuverlässigkeit der mo­ mentanen Lagebestimmung des überwachten Körperteils möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man an den Knochenschrauben jeweils einen Strahlungssender oder einen Strahlungsempfänger anordnet und daß man mit mehreren ortsfesten Empfängern bzw. Sendern Strahlung von den Strah­ lungssendern empfängt bzw. Strahlung an die Strahlungs­ empfänger richtet und aus der Strahlungsrichtung und/oder der Strahlungslaufzeit und/oder der Stärke oder Frequenz der Strahlungsfelder die Lage jedes Strahlungssenders bzw. Strahlungsempfängers bestimmt.

Wesentlich ist also für die Erfindung, daß die Strahlungs­ empfänger oder Strahlungssender nicht mehr in relativ großer Entfernung von dem zu überwachenden Körperteil an einen Rahmen oder eine Klemme festgelegt werden, sondern direkt an den Knochenschrauben, die in den Körperteil ein­ geschraubt sind und die somit relativ zu dem Körperteil mit der erforderlichen Sicherheit unbeweglich sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die Strahlungssender bzw. Strahlungs­ empfänger relativ zu dem überwachten Körperteil während der gesamten Operation zuverlässig ihre Relativposition einhal­ ten. Insgesamt ergibt sich dabei eine wesentlich erhöhte Genauigkeit der Positionsüberwachung, außerdem läßt sich dieses Verfahren auch dann verwenden, wenn bei bestimmten Operationen auf die Verwendung eines an den Körperteil an­ gelegten Rahmens oder eine Klemme verzichtet wird. Es kön­ nen zur Festlegung der Strahlungsempfänger bzw. Strahlungs­ sender die ohnehin in den Körperteil eingedrehten Knochen­ schrauben verwendet werden, die als Markierelemente für die Korrelation von Körperteil und Schichtbildern dienen. Günstig ist es dabei, wenn man als Strahlungssender eine Leuchtdiode verwendet. Diese sendet Strahlung aus, die von ortsfesten Strahlungsempfängern empfangen werden kann. Selbstverständlich könnte an den Knochenschrauben auch ein Strahlungsempfänger für eine sichtbare Strahlung angeordnet sein, jedoch ist es vorteilhaft, den Strahlungssender an der Knochenschraube festzulegen, da üblicherweise die Strahlungssender kleiner sind als die Strahlungsempfänger.

Auch andere physikalische Sender/Empfänger-Kombinationen sind denkbar, beispielsweise Ultraschallsender und Ultra­ schallempfänger oder Strahlungssender und Strahlungs­ empfänger im nicht sichtbaren Bereich, Licht reflektierende Punkte und Strahlungsempfänger oder Spulen, die elektromag­ netische Strahlung empfangen und senden.

Günstig ist es, wenn man Knochenschrauben verwendet, die nur wenige Millimeter über die Oberfläche des Körperteils vorstehen. Dadurch ergeben sich keine großen Hebelarme zwi­ schen Körperteil und Strahlungssender bzw. Strahlungs­ empfänger, d. h. die Relativpositionen des Strahlungssen­ ders bzw. des Strahlungsempfängers relativ zum Körperteil ist in diesem Falle praktisch unverändert.

Üblicherweise wird man eine größere Anzahl von Knochen­ schrauben mit Strahlungssender bzw. mit Strahlungsempfänger verwenden, um auf diese Weise verschiedene Freiheitsgrade der Körperteilbewegung bestimmen zu können. Günstig ist es dabei, wenn man die Relativpositionierung dieser Knochen­ schrauben untereinander überwacht und wenn man die Posi­ tionsdaten eines Strahlungssenders bzw. Strahlungs­ empfängers bei der Positionsbestimmung des Körperteils un­ berücksichtigt läßt, dessen Position sich gegenüber der Po­ sition der übrigen Strahlungssender bzw. Strahlungs­ empfänger geändert hat. Wenn bei einer größeren Anzahl von am Körperteil festgelegten Strahlungssendern oder Strah­ lungsempfängern einer dieser Strahlungssender bzw. Strah­ lungsempfänger gegenüber allen anderen eine geänderte Posi­ tion zeigt, so ist dies ein Indiz dafür daß sich dieser Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger ungewollt ver­ schoben hat, sei es dadurch, daß er sich von der Knochen­ schraube gelöst hat, sei es dadurch, daß bei der Operation der die Knochenschraube tragende Knochen selbst beschädigt worden ist. Sobald dies auftritt, kann das Datenverarbei­ tungssystem selbständig die Daten dieses geänderten Strah­ lungssenders bzw. Strahlungsempfängers ausscheiden und die Positionierung des Körperteils nur aufgrund der Positions­ daten der übrigen Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger bestimmen, so daß diese unbeabsichtigte Abweichung nicht in das Positionsbestimmungsergebnis eingeht. Außerdem kann bei Bedarf ein Warnsignal gegeben werden, das auf die Verschie­ bung eines Strahlungssenders bzw. Strahlungsempfängers hin­ weist.

Bei einem Ortsbestimmungssystem der eingangs beschriebenen Art wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strahlungssender oder Strahlungsempfänger an Knochenschrauben angeordnet sind.

Günstig ist es, wenn die Strahlungssender oder Strahlungs­ empfänger in die Knochenschraube eingesteckt sind, bei­ spielsweise in eine Einschrauböffnung der Knochenschraube, die bei abgenommenem Strahlungssender bzw. Strahlungs­ empfänger ein Eindrehwerkzeug aufnehmen kann.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Knochenschraube, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen Strahlungs­ sender oder Strahlungsempfänger trägt.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Lagebestim­ mungssystems und

Fig. 2 eine Teilschnittansicht einer Knochenschraube mit eingesetzter Leuchtdiode als Strahlungs­ sender.

In Fig. 2 ist eine übliche Knochenschraube 1 mit einem Ge­ winde 2, einem Kopf 3 und einer im Kopf angeordneten, sechseckigen Einstecköffnung 4 für ein Eindrehwerkzeug dar­ gestellt. An die Einstecköffnung 4 schließt sich an deren Boden konzentrisch zur Einstecköffnung 4 eine zylindrische Sacklochbohrung 5 an.

In diese Knochenschraube 1 ist eine Leuchtdiode 6 einge­ setzt, die einen Diodenkopf 7 sowie einen Einsteckfuß 8 um­ faßt. Dieser greift mit einem Einsteckstift 9 in die Sack­ lochbohrung 5 ein und wird dort im Klemmsitz gehalten. Eine Erweiterung 10 des Einsteckfußes 8 ist dabei in der Ein­ stecköffnung 4 der Knochenschraube 1 aufgenommen.

Der Diodenkopf 7 stützt sich mit seiner Unterseite 11 an der oberen Kante des Kopfes 3 ab und nimmt somit im einge­ setzten Zustand gegenüber der Knochenschraube 1 eine genau definierte Lage ein. In aus Fig. 2 nicht ersichtlicher Weise wird die Leuchtdiode 6 über ein Kabel mit einer Ener­ giequelle verbunden, so daß die Leuchtdiode 6 nach Bedarf zum Leuchten gebracht werden kann. Ein solches Kabel 12 ist in der Darstellung der Fig. 1 ersichtlich.

Dort ist weiterhin gezeigt, wie mehrere Knochenschrauben 1 in einem beliebigen Muster an einem Körperteil festgelegt werden können, im dargestellten Beispiel am Kopf 13 eines Patienten. Bei einer präoperativen Untersuchung werden die Knochenschrauben 1 in diesem gewünschten Muster in den Schädelknochen des Patienten eingedreht und bilden dort in der Umgebung der geplanten Eingriffsstelle ein Muster von Markierelementen oder fiducials, die bei der Aufnahme von Computertomogrammen mit erfaßt werden, so daß bei der Er­ stellung von Schnittbildaufnahmen deren relative Lage zum Kopf 13 des Patienten bestimmbar ist.

Bei einer nachfolgenden Operation werden in jede Knochen­ schraube 1 Leuchtdioden 6 eingesetzt, die dann über Kabel 12 mit einer gemeinsamen Energie- und Steuerquelle verbun­ den werden. Die von den Leuchtdioden 6 ausgesandte Strah­ lung trifft auf mehrere ortsfeste Strahlungsempfänger 14, und zwar durch deren unterschiedliche Anordnung mit unter­ schiedlichem Auftreffwinkel und gegebenenfalls auch nach einer unterschiedlichen Laufzeit. Diese Daten werden von den Strahlungsempfängern 14 einer Datenverarbeitungsanlage 15 zugeführt, die aufgrund dieser unterschiedlichen Daten die relative Lage jeder Leuchtdiode 6 relativ zu den Strah­ lungsempfängern 14 bestimmt. Durch die Lagebestimmung sämt­ licher Leuchtdioden 6 ergibt sich eine vollständige Lage­ und Orientierungsbestimmung des Kopfes 13. Diese Lage- und Orientierungsbestimmung kann während der gesamten Operation laufend wiederholt werden, so daß auch bei einer Bewegung des Kopfes 13 relativ zu den Strahlungsempfängern 14 die relative Lage jederzeit zu bestimmen ist.

Sollte sich die Position einer Leuchtdiode 6 relativ zur Position der anderen Leuchtdioden ändern, so wird dies ebenfalls von der Datenverarbeitungsanlage festgestellt, und dies ist dann ein Zeichen dafür, daß unvorhergesehen entweder die entsprechende Leuchtdiode 6 nicht mehr richtig in der zugeordneten Knochenschraube 1 gehalten ist oder so­ gar diese Knochenschraube selbst nicht mehr in der vorgese­ henen Weise am Kopf 13 fixiert ist. Die Positionsdaten die­ ser Knochenschraube 1 und dieser Leuchtdiode 6 werden von der Datenverarbeitungsanlage 15 in einem solchen Falle ig­ noriert und nicht zur Bestimmung der Lage und Orientierung des Kopfes verwendet, so daß keine Fehlbestimmungen eintre­ ten können. Außerdem kann gegebenenfalls ein Warnungssignal erzeugt werden, das den Operateur auf eine Kontrolle dieser fehlpositionierten Leuchtdiode hinweist.

Die Leuchtdioden 6 können von den Knochenschrauben 1 ein­ fach durch Herausziehen entfernt werden, so daß der Patient nach der Operation mit verbleibenden Knochenschrauben 1 versorgt werden kann, beispielsweise können diese Knochen­ schrauben 1 bei einer nachfolgenden Untersuchung von Bedeu­ tung sein, etwa bei der Aufnahme neuer Schichtbildaufnahmen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Ortsbestimmung eines Körperteiles, bei welchem man Knochenschrauben in den Knochen des Kör­ perteils einschraubt, dadurch gekennzeichnet, daß man an den Knochenschrauben jeweils einen Strah­ lungssender oder einen Strahlungsempfänger anordnet und daß man mit mehreren ortsfesten Empfängern bzw. Sendern Strahlung von den Strahlungssendern empfängt bzw. Strahlung an die Strahlungsempfänger richtet und aus der Strahlungsrichtung und/oder der Strah­ lungslaufzeit und/oder der Stärke oder Frequenz des Strahlungsfeldes die Lage jedes Strahlungssenders bzw. Strahlungsempfängers bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Strahlungssender eine Leuchtdiode ver­ wendet.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Knochenschrauben verwendet, die nur wenige Millimeter über die Oberfläche des Körperteils vorstehen.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine größere Anzahl von Knochenschrauben mit Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger verwendet, deren Relativposi­ tionierung untereinander überwacht und die Posi­ tionsdaten eines Strahlungssenders bzw. Strahlungs­ empfängers bei der Positionsbestimmung des Körper­ teils unberücksichtigt läßt, dessen Position sich gegenüber der Position der übrigen Strahlungssender bzw. Strahlungsempfänger geändert hat.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Knochenschrauben nach Abnahme der Strahlungssender bzw. Strahlungs­ empfänger als Markierungselemente benutzt.

6. Ortsbestimmungssystem für ein Körperteil mit meh­ reren Strahlungssendern bzw. Strahlungsempfängern und mit mehreren ortsfesten Empfängern bzw. Sendern sowie mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, die aus der Richtung und/oder der Laufzeit der übertra­ genen Strahlung und/oder der Stärke oder Frequenz des Strahlungsfeldes die Positionen der Strahlungs­ sender bzw. Strahlungsempfänger bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungssender (6) oder Strahlungsempfänger an Knochenschrauben (1) ange­ ordnet sind.

7. Ortsbestimmungssystem nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahlungssender (6) eine Leuchtdiode ist.

8. Ortsbestimmungssystem nach Anspruch 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Strahlungssender (6) oder Strahlungsempfänger in die Knochenschraube (1) eingesteckt ist.

9. Knochenschraube, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Strahlungssender (6) oder einen Strahlungs­ empfänger trägt.

10. Knochenschraube nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungssender (6) eine Leucht­ diode ist.

11. Knochenschraube nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahlungssender (6) oder Strahlungsempfänger in die Knochenschraube (1) ein­ gesteckt ist.