DE69826611T2

DE69826611T2 - Rahmenlose stereotaktische chirurgische Vorrichtung

Info

Publication number: DE69826611T2
Application number: DE69826611T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey H. Solon Yanof; Ronald B. S. Euclid Sharpless; David Parma Jeri; Christopher Westlake Bauer; Daniel S. Concorde Furst
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2018-11-25
Also published as: DE69826611D1; EP0919202B1; JPH11253456A; EP0919202A3; US6035228A; JP4277964B2; EP0919202A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine stereotaktische chirurgische Vorrichtung, speziell in Bezug auf die interaktive bildgeführte Chirurgie. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung in Verbindung mit der in CT-Bildgebungssystemen vorgenommenen stereotaktischen Chirurgie, bei der ein mechanischer Arm zur Führung minimal invasiver chirurgischer Instrumente eingesetzt wird, und wird unter besonderer Bezugnahme hierauf beschrieben. Hervorzuheben ist jedoch, dass die Erfindung auch für Roboter- oder andere mechanische Armmechanismen geeignet ist, die als Führungshilfevorrichtungen in anderen Bildgebungssystemen verwendet werden, einschließlich Ultraschall- und Magnetresonanz-Bildgebungsvorrichtungen (MRI).
Vordem wurden verschiedene Arten von Mechanismen mit einem mechanischem Arm zur Führung chirurgischer Instrumente in interaktiven Bildgebungssystemen vorgeschlagen, um das präzise Platzieren von Kathetern, Drainageschläuchen, Biopsiesonden oder dergleichen im Körper eines Patienten zu ermöglichen. In der US-amerikanischen Patentschrift 5.142.930 wird ein mechanischer Arm mit einer festen Basis an einem ersten Ende und einem Instrumentenhalter am anderen Ende beschrieben. Der Instrumentenhalter ist zum Halten und Führen eines chirurgischen Instruments eingerichtet. Der mechanische Arm gehört zu einem Computer, der mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist, die ein oder mehrere von einer Bildgebungsvorrichtung erzeugte Bilder aus einem Abbildungsraum der Anatomie eines Patienten anzeigt. Der Computer verfolgt die Lage des chirurgischen Instruments durch den physikalischen Raum, transformiert Drehungen im physikalischen Raum in den Abbildungsraum, und veranlasst die Anzeigevorrichtung, die Lage des chirurgischen Instruments innerhalb des Abbildungsraums anzuzeigen. An jedem Kardangelenk des mechanischen Arms sind optische Codierer angeordnet, um Rotations- oder Winkelbewegungen der Armsegmente zu detektieren und die Spitze eines Instruments am Arm relativ zur Position von im oder am Patienten angeordneten Messmarkerimplantaten genau zu verfolgen.
Obwohl die Position des durch den Arm getragenen Instruments relativ zur Basis genau verfolgt wird, bleibt die Verwendung von Messmarkerimplantaten erforderlich, um eine Zuordnung zwischen dem internen Koordinatensystem des chirurgischen Bildes und dem externen Koordinatensystem des mechanischen Arms zu initialisieren. Darüber hinaus ist der beschriebene Arm in dem oben genannten System vorgeblich einfach zu manipulieren und zu nutzen, weil der Arm mit Hilfe herkömmlicher Gewichtausgleichtechniken ausbalanciert wird.
In der US-amerikanischen Patentschrift 5.078.140 wird ein mit Gelenken versehenen Roboterarm beschrieben, der nützlich für die präzise Ausrichtung chirurgischer Instrumente und anderer Geräte ist, die in der stereotaktischen Chirurgie oder verwandten Prozeduren an menschlichen Körperteilen benutzt werden. Der bei diesem System verwendete mechanische Arm hat sechs drehbare Gelenke und eine Reihe von Servomotoren, um den Arm in vorgegebene Ausrichtungen zu bewegen. Die Servomotoren haben elektromagnetische Bremsen, die aktiviert werden, sobald die Stromversorgung des Roboterarms unterbrochen wird. Außerdem enthalten alle Servomotoren optischer Inkrementalcodierer, die Rückmeldung über Position und Geschwindigkeit an das Servosystem liefern, das den Arm in die zuvor erwähnten vorgegebenen Ausrichtungen bewegt. Ein spezielles Computerprogramm mit Steuerungssoftware überwacht kontinuierlich die Winkel und Positionen zwischen allen Gelenken des Arms im Verhältnis zueinander sowie im Verhältnis zu einem Basiselement, das an einem Metallringelement eines Kopfrahmens befestigt ist, der am Kopf des Patienten fixiert wird. Der Roboterarm hat eine „freie" Betriebsart, die nützlich ist, um die Servomotoren von der aktiven Servosteuerung zu entkoppeln, so dass der Arm manuell bedient werden kann.
Ein Nachteil des oben genannten stereotaktischen chirurgischen Systems besteht jedoch darin, dass der mechanische Arm notwendigerweise mit einer festen Rahmenvorrichtung verbunden sein muss, die vom Abtasttisch getragen und an einem relativ unbeweglichen Körperteil des Patienten, in der Regel dem Kopf, angebracht ist. Der Rahmen ist sperrig und behindert häufig den Zugang zu einigen Körperteilen des Patienten.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine stereotaktische chirurgische Vorrichtung nach Anspruch 1 geschaffen. Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird in Anspruch 8 ein Verfahren zur Benutzung eines rahmenlosen mechanischen Arms mit einer stereotaktischen Bildgebungsvorrichtung geschaffen. Die rahmenlose stereotaktische Armvorrichtung kann direkt mit der Bildgebungsvorrichtung verbunden sein, beispielsweise von oben, anstatt mit dem Kopf des Patienten oder einem stereotaktischen Kopfrahmen oder dergleichen.
Vorteilhafterweise hat die rahmenlose stereotaktische chirurgische Vorrichtung einen Arm mit mehreren Armsegmenten, die sich in festen Positionen arretieren lassen, so dass eine präzise Ausrichtung und genaue Führung der chirurgischen Instrumente möglich ist. Vorzugsweise haben die arretierbaren Armsegmente an jedem beweglichen Gelenk Reibungsbremsen, um den Arm in jeder gewünschten Konstellation gegen die Schwerkraft zu arretieren, die in Notfallsituationen jedoch eine Bewegung des Arms in Reaktion auf das Anwenden einer Kraft zulassen, die eine vorgegebene Losbrechschwellenkraft überschreitet.
Möglichkeiten zur Ausführung der Erfindung werden im Folgenden anhand von Beispielen sowie unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines CT-Scanners mit einer rahmenlosen stereotaktischen Armvorrichtung zur Führung chirurgischer Instrumente gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht der rahmenlosen mechanischen Armvorrichtung mit einer Führungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung der mit der Vorrichtung aus 1 durchgeführten Planungsbildverarbeitung;
4 eine Querschnittsansicht des Basisgelenks der in 2 gezeigten mechanischen Armvorrichtung;
5 eine Querschnittsansicht des Schultergelenks der in 2 gezeigten mechanischen Armvorrichtung;
6 eine Querschnittsansicht des Ellbogengelenks der in 2 gezeigten mechanischen Armvorrichtung;
7 eine Querschnittsansicht des Unterarmgelenks der in 2 gezeigten mechanischen Armvorrichtung;
8 eine Querschnittsansicht des Handgelenks der in 2 gezeigten mechanischen Armvorrichtung;
9 ist eine repräsentative grafische Darstellung eines von der in 1 gezeigten Bildgebungsvorrichtung erzeugten Bremsbefehlsignals; und
10 eine schematische Darstellung eines Bremsreglers, der zur Erzeugung des in 9 gezeigten Signals dient, um den rahmenlosen stereotaktischen Arm aus 2 in vorgegebenen festen Ausrichtungen zu arretieren.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, hierbei zunächst auf 1, hat ein Patiententisch oder eine Patientenliege 10 eine Patientenauflagefläche 12, die so angebracht ist, dass sie eine Längsbewegung relativ zu einem Basisteil 14 zulässt. Der Basisteil 14 hat einen Motor, um die Patientenauflagefläche 12 anzuheben und abzusenken und die Patientenauflagefläche in Längsrichtung zu bewegen. Ebenfalls vorhandene Positionscodierer erzeugen elektrische Signale, die die Höhe und Längsposition der Patientenliege angeben. Die Patientenliege hat eine Kalibriermarkierung 16, die sich an einer bekannten, festgelegten Position befindet.
Eine Planungsvorrichtung, vorzugsweise eine volumetrische Bildgebungsvorrichtung für die Diagnostik 18, ist axial so auf den Patiententisch ausgerichtet, dass ein Patient oder Objekt auf der Patientenauflagefläche 12 in eine Bohrung 20 des volumetrischen Bildgebers hinein und durch sie hindurch bewegt werden kann. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem volumetrischen Bildgeber um einen CT-Scanner mit einer Röntgenröhre, die innerhalb einer vorgewählten Ebene wiederholt eine Kreisbewegung ausführt. Die Röntgenröhre projiziert ein fächerförmiges Strahlenbündel durch einen Ring 22 aus strahlendurchlässigem Material, durch die Patientenauflage 12, durch eine interessierende Region des Objekts sowie durch einen Ring oder Bogen aus Strahlungsdetektoren, die gegenüber der Röntgenröhre angeordnet sind. Wenn die Röntgenröhre innerhalb der Ebene rotiert, wird eine Reihe von Datenzeilen erzeugt, die von einem Rekonstruktionsprozessor in einer Steuerkonsole 24 zu mindestens einem Schichtbild rekonstruiert werden. Die Steuerkonsole befindet sich üblicherweise entfernt in einem abgeschirmten Raum neben dem Abtastraum, der die Bildgebungsvorrichtung 18 enthält. Genauer gesagt bewegt sich in der bevorzugten Ausführungsform die Patientenauflage 12 in der Längsachse, während sich die Röntgenröhre um das Objekt herum dreht, so dass ein gewähltes Volumen des Patienten entlang eines spiralförmigen Pfades oder einer Reihe von Schichten abgetastet wird. Die Position der Röntgenröhre wird von einem Drehpositionscodierer überwacht, und die Längsposition der Patientenauflage wird von einem Längspositionscodierer im Tisch 10 überwacht. Der Rekonstruktionsprozessor rekonstruiert anhand der erzeugten Datenzeilen eine volumetrische Bilddarstellung. Die Steuerkonsole 24 umfasst üblicherweise einen oder mehrere Monitore 26 sowie verschiedene standardmäßige Bedienereingabegeräte wie Tastatur, Trackball, Maus oder dergleichen. Wie dargestellt, ist an einem Schienensystem oberhalb des CT-Scanners eine Eingriffssteuerkonsole 28 befestigt.
Eine mechanische, rahmenlose stereotaktische Armbaugruppe 30 wird von oben von einem Träger 32 gehalten, der sich auf einem ovalen Schienensystem 34 bewegen lässt, das wie allgemein gezeigt oben auf der volumetrischen Bildgebungsvorrichtung für die Diagnostik 18 befestigt ist. Vorzugsweise lässt sich die Gantry an einer oder mehreren festgelegten Stellen auf dem Schienenoval arretieren, so dass ein Operateur bei der Vorbereitung und Durchführung eines chirurgischen Eingriffs ein Instrument für die minimal invasive Chirurgie 36, das von einer erfindungsgemäß gestalteten, auswechselbaren Führungsvorrichtung für chirurgische Instrumente 100 gehalten wird, in überwachte Positionen und Ausrichtungen bringen kann. Das in der FIGUR dargestellte chirurgische Instrument hat eine lasergeführte Biopsienadel 38, die von einer kombinierten Laser- und Kanülenführungsvorrichtung 102 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im Folgenden beschrieben wird, gehalten wird. Insgesamt werden jedoch die Position und Ausrichtung der Führungsvorrichtung und des hiervon gehaltenen chirurgischen Instruments von der Position der mechanischen Armbaugruppe 30 und der Lage des Trägers 32 auf dem ovalen Schienensystem 34 bestimmt.
Die rahmenlose stereotaktische Armbaugruppe 30 ist in 2 allgemein dargestellt und beinhaltet mehrere Armsegmente, die durch Drehelemente miteinander verbunden sind, welche die Gelenke zwischen den Armsegmenten bilden. Auf diese Weise kann ein freies Ende 40 des Arms selektiv nach Bedarf in mehrere Richtungen bewegt werden, um das chirurgische Instrument 36 in verschiedene gewünschte Positionen über der Patientenauflage 12 zu bringen. Ein Basiselement 42 ist mittels geeigneter Befestigungen, Epoxidharzen oder dergleichen, starr mit dem Träger 32 verbunden. Ein Basisgelenk 44 ermöglicht die Drehung eines primären Stützelement 46 in die mit A gekennzeichnete Richtung. Auf ähnliche Weise ermöglicht ein Schultergelenk 48 am unbeweglichen Basisende des Arms die Drehung eines Oberarmelements 50 in die mit B markierte Richtung, ein Ellbogengelenk 52 die Drehung eines Unterarmelements 54 in die mit C markierte Richtung, ein Unterarmgelenk 56 die Drehung eines Knöchelelements 58 in die mit D markierte Richtung, und schließlich ein Handgelenk 60 die Drehung eines Handgelenkelements 62 in die mit E markierte Richtung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung befindet sich an jedem Gelenk der mechanischen Armbaugruppe 30 mindestens ein Stellungsmelder und eine elektromagnetische Bremse, vorzugsweise ein optischer Inkrementalcodierer bzw. eine Reibungsbremse, um schrittweise Gelenk- und Drehbewegungen der Armelemente relativ zueinander zu überwa chen und den Arm selektiv in seiner Stellung zu arretieren. Die optischen Inkrementalcodierer erzeugen Rückkopplungsimpulse, die auf bekannte Weise die Bewegung und die relative Position der verschiedenen Armelemente in Beziehung zueinander angeben. Die Rückkopplungsimpulse werden über geeignete Drähte oder flexible geschirmte Kabel, die durch die zahlreichen Elemente der Armbaugruppe verlaufen, zu einer Steuerschaltung der Bildgebungsvorrichtung zurückgeführt. Auf diese Weise erhält die Bildgebungsvorrichtung Informationen über die Position und Ausrichtung des Handgelenkelements 62 in Bezug auf den Referenzrahmen der Bildgebungsvorrichtung und auf die volumetrische Bilddarstellung.
Ferner ist gemäß vorliegender Erfindung ein Paar Membranschalter 29, 31 auf sich gegenüberliegenden Seiten des Handgelenkelements 62 vorgesehen. Die Membranschalter schaffen für den Operateur eine sehr komfortable Möglichkeit, um die jeweiligen mechanischen Gelenke des Arms gleichzeitig zu entriegeln und die Führungsvorrichtung für chirurgische Instrumente 100 in unterschiedlichen Ausrichtungen zu positionieren. Die Membranschalter sind durch den mechanischen Arm mit der in 10 dargestellten Steuerschaltung verbunden. Ein wesentlicher Vorteil, die Membranschalter auf sich gegenüberliegenden Seiten des Handgelenkelements zu platzieren, besteht darin, dass ihre dortige Lage es dem Operateur ermöglicht, nur eine Hand zu benutzen, um den mechanischen Arm sowohl zu arretieren als auch zu entriegeln und um dessen freies Ende, während der Arm entriegelt ist, in die gewünschte Position zu bringen. Als Alternative zu dem Paar von Membranschaltern könnten gleichermaßen jedoch auch geeignete Umschalttasten, Fußschalter oder Spracherkennungssysteme verwendet werden. Das Paar sich gegenüberliegender Membranschalter wird jedoch bevorzugt, weil ihre Position und Ausrichtung sicherstellt, dass der Operateur das Ende des Arms fest im Griff hat, wenn die Bremse in Reaktion auf die Doppelbetätigung der Schalter gelöst wird. Der Operateur muss die Schalter gemeinsam drücken, um die Bremsen zu lösen. Daher braucht der Operateur nur eine Hand, um den Arm zu halten, das Handgelenk des Arms in Position zu bringen und die Bremsen je nach Bedarf selektiv zu arretieren oder zu entriegeln.
Die Position und Ausrichtung des von der Armbaugruppe gehaltenen chirurgischen Instruments relativ zum Referenzrahmen der Bildgebungsvorrichtung und der von der Bildgebungsvorrichtung erhaltenen volumetrischen Bilddarstellung werden aufgelöst, indem auswechselbare Führungsvorrichtungen für chirurgische Instrumente 100 mit einem eindeutigen Identifikationssignal geschaffen werden. Das eindeutige Identifikationssignal wird von der Steuerschaltung der Bildgebungsvorrichtung verwendet, um eine Verweistabelle für das Abrufen verschiedener physikalischer Abmessungen und anderer funktioneller Parameter zu indizieren, die einer oder mehreren mit dem Handgelenkelement 62 verbundenen Führungsvorrichtungen entsprechen. Auf diese Weise liefern die physikalischen Abmessungen und anderen funktionellen Parameter zusammen mit den von den Stellungsmeldern und Codierern gemessenen Daten der mechanischen Verbindung eine genaue Angabe zur Position und Ausrichtung der Führungsvorrichtung 100 relativ zum CT-Scanner und damit relativ zu dem vom CT-Scanner erfassten Bild.
Nun Bezug nehmend auf 3 bestimmt eine Instrumentenkoordinatenschaltung 72 die Position und Bahn des chirurgischen Instruments 36 im Instrumentenraum, insbesondere ein Koordinatensystem des Instruments. Die Instrumentenkoordinatenschaltung umfasst eine Identifizierungsschaltung für die Führungsvorrichtung 74 sowie eine Positionierungsschaltung für die mechanische Armbaugruppe 76. Die Identifizierungsschaltung für die Führungsvorrichtung 74 empfängt das Vorrichtungsidentifizierungssignal einer oder mehrerer mit dem mechanischen Arm verbundenen Führungsvorrichtungen und indiziert eine Verweistabelle 78, um abmessungsbezogene und funktionelle Informationen abzurufen. Die Positionierungsschaltung für den mechanischen Arm 76 ist mit den Inkrementalstellungsmeldern an der mechanischen Armbaugruppe 30 verbunden, um Signale zu empfangen, die Änderungen der Position und Ausrichtung des mechanischen Arms im Instrumentenraum anzeigen. Ein Instrument-Planungs-Scanner-Korrelationsprozessor 80 bestimmt die Korrelation oder Transformation zwischen dem Koordinatensystem des chirurgischen Instruments 36 und dem Koordinatensystem des Volumenscanners 18. Die Korrelation oder Transformation wird im Allgemeinen als Versatz, insbesondere als Versatz entlang der Achse der Patientenauflage, Winkelversatz oder -drehung und Skalierung beschrieben. In einer Ausführungsform hat ein Kalibrierinstrument Kontakt zu einer Reihe voneinander abgesetzter Marken, vorzugsweise acht, die in einer bekannten Beziehung zum Koordinatensystem des Volumenscanners angeordnet sind. Die Marken haben vorzugsweise die Form eines Kalibrierphantoms, das sich im Kalibriermarkenbereich 16 befindet. Indem man beim Berühren jeder Marke die Koordinaten des Kalibrierinstruments im Instrumentenkoordinatensystem misst, werden sechs oder mehr gemeinsame Punkte in den beiden Koordinatensystemen bestimmt. Indem man einen Massenmittelpunkt, ein Zentroid oder einen anderen charakteristischen Punkt der gemeinsamen Punkte bestimmt, wird der Versatz zwischen den beiden Koordinatensystemen ermittelt. Indem man die Winkeldiffe renz zwischen den Strahlen von dem Massenmittelpunkt zu jedem Punkt in jedem Koordinatensystem bestimmt, wird der Winkelversatz gemessen. Indem man eine Differenz bei der physikalischen Verschiebung zwischen dem Massenmittelpunkt und den entsprechenden Punkten in jedem Koordinatensystem bestimmt, wird der Skalierfaktor ermittelt. Natürlich braucht bei einem System wie der abgebildeten Ausführungsform, bei der das Instrument und der Volumenscanner mechanisch verbunden sind, die Transformation oder Korrelation zwischen dem Volumenscanner und dem Instrumentenkoordinatensystem nur einmal kalibriert zu werden und wird anschließend von der mechanischen Verbindung zwischen den Komponententeilen vorbestimmt. Das Kontaktieren der Marken muss nur einmal durchgeführt zu werden und dient im Folgenden lediglich als Bestätigung dafür, dass sich zwischen interventionellen Prozeduren keine Fehlausrichtungen hinsichtlich der Instrumenten- und CT-Scannerkoordinaten ergeben haben.
Mit Hilfe analoger Mathematik oder bekannter mechanischer Beziehungen wie oben bestimmt ein Instrument-zu-Patiententisch-Korrelationsprozessor 82 die Korrelation oder Transformation zwischen dem Patiententisch und dem chirurgischen Instrument. Vorzugsweise ist das oben beschriebene Kalibrierphantom mit der Vielzahl von Marken in einer bekannten Position auf dem Tisch positioniert, um eine große Anzahl übereinstimmender Punkte in beiden Koordinatensystemen für den Korrelationsvorgang zu schaffen. Bilder des Phantoms können benutzt werden, um Transformationen zwischen Patiententischraum und Planungs- oder Echtzeitbildkoordinatensystemen abzuleiten.
Im Patiententisch platzierte Tischstellungsmelder 84 tragen Versätze in vertikaler Richtung und in Längsrichtung zu der Korrelation zwischen dem chirurgischen Instrument und dem Patiententisch bei, wenn der Tisch angehoben oder abgesenkt wird und wenn die Patientenauflage 12 axial bewegt wird. Ein Instrument-zu-Patient-Korrelationsprozessor 86 bestimmt eine Korrelation zwischen dem Chirurgieinstrumentensystem und einem Patientenkoordinatensystem. Dies erfolgt vorzugsweise, indem das chirurgische Instrument an drei oder mehr bekannten Referenzpunkten am Patienten platziert wird. Derartige Punkte könnten leicht identifizierbare anatomische Strukturen wie die Nasenspitze, ausgeprägte Knochenpunkte oder Messmarken, die während des volumetrischen Bildgebungsvorgangs ausgerichtet werden, oder dergleichen sein.
Ein Instrument-zu-Volumenbildkoordinatensystem-Transformationsprozessor 88 empfängt die Korrelation oder Transformation vom Chirurgieinstrument-Planungsbild-Prozessor 80. Der Instrument-zu-Volumenbild-Prozessor arbei tet mit Eingabepositions- und Ausrichtungskoordinaten im Armraum, um sie in einen Volumenbilddatenraum zu transformieren, und umgekehrt. Indem man die Position des chirurgischen Instruments im Volumen- oder Planungsdatenraum kennt, können die Instrumentenposition und -ausrichtung den volumetrischen Planungsbilddaten überlagert werden.
Während einer medizinischen Prozedur befindet sich der Patient im volumetrischen Planungsscanner und es wird ein Volumenbild erzeugt. Das Volumenbild wird in einem Volumen- oder Planungsdatenspeicher 90 gespeichert. Die Position des Patiententischs während der Erzeugung der Planungsdaten, insbesondere beim Bewegen des Tischs zur Erzeugung von Spiral- oder Schichtdaten, wird in Verbindung mit den volumetrischen Planungsdaten gespeichert, so dass die Daten mit dem Patiententischkoordinatensystem korreliert werden. Die Position des freien Endes des Arms relativ zum Körper des Patienten steuert den volumetrischen Planungsbilddatenspeicher oder einen Videoprozessor 92 auf eine solche Weise, dass ausgewählte Schichten, Projektionsbilder, Oberflächenwiedergaben oder andere konventionelle Datenanzeigen für die Anzeige auf einem Planungsbildsichtgerät 94 erzeugt werden. Vorzugsweise beinhaltet das Planungsbildsichtgerät entsprechende sagittale, koronare, axiale und oblique Schichten, die durch einen gemeinsamen Schnittpunkt verlaufen.
Da die Erzeugung der Planungsbildanzeige vor der medizinischen Prozedur erfolgt, wird die Planungsbewegung des chirurgischen Instruments vorzugsweise im Planungsbild angezeigt. Die Koordinaten und die Bahn des chirurgischen Instruments werden zum Instrument-zu-Planungsbild-Transformationsprozessor 88 zur Umwandlung in das Planungsbildkoordinatensystem weitergeleitet. Die Lage und die Bahn des Instruments im Planungsbildkoordinatensystem werden dem Videoprozessor 92 übermittelt, der die Position des chirurgischen Instruments und die Bahn der CT-Datenanzeige überlagert. Die Position und Ausrichtung dieser stereotaktischen Armbaugruppe 30 wird zur Operateur-Steuerkonsole 28 übermittelt, die Cursorpositionssignale und virtuelle Nadelanzeigen erzeugt, die wiederum in das Planungsbildkoordinatensystem 94 transformiert und dem Videoprozessor 92 übermittelt werden, um einen beweglichen Cursorpunkt und eine virtuelle Nadeldarstellung auf dem Planungsbildsichtgerät 94 zu erzeugen. Vorzugsweise befindet sich der Cursor am Schnittpunkt gleichzeitig angezeigter transversaler, koronarer und sagittaler Ansichten auf dem Volumenbildsichtgerät 94. Wenn der Operateur das freie Ende der stereotaktischen Armbaugruppe durch den Volumenbilddatenraum bewegt, und wenn das chirurgische Instrument 36 an der mechanischen Armbaugruppe 30 über Zielbe reiche des Patienten bewegt wird, ändern sich automatisch die transversalen, koronaren und sagittalen Ansichten entsprechend.
In den 4–8 sind die Bremsen- und Codiererbaugruppen in dem Basis-, Schulter-, Ellbogen-, Unterarm- bzw. Handgelenk der mechanischen Armbaugruppe dargestellt. Nun Bezug nehmend auf diese FIGUREN, zunächst jedoch mit besonderem Bezug auf 4, wird das Basisgelenk 44 generell durch ein Hauptgehäuseteil 100 gebildet, das an einem Ende durch eine Abdeckungsbaugruppe 102 umschlossen wird. Die Abdeckungsbaugruppe ist an einem Ende dafür eingerichtet, einen elektrischen Steckverbinder 104 mit einer Vielzahl von Kontaktstiften für die Übermittlung verschiedener Energie-, Logik- und Befehlssignale zwischen der mechanischen Armbaugruppe und einer Armpositions- und Bremsensteuerungsschaltung aufzunehmen, die weiter unten beschrieben wird. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform verteilt der elektrische Steckverbinder die Armpositions- und Bremsbefehlssignale auf ein Paar von Steckverbindern, einschließlich eines 11-poligen Fisher-Steckverbinders und eines 4-poligen Molex-Steckverbinders.
Wie aus der Ansicht des im Teilquerschnitt gezeigten Basisgelenks offensichtlich wird, ist die Abdeckungsbaugruppe 102 dafür eingerichtet, die mechanische Armbaugruppe starr mit der Überkopf-Gantry (1) zu verbinden. Die starre Verbindung zwischen der Tragarm-Abdeckungsbaugruppe und einer an der Gantry befestigten Brücke stellt sicher, dass vom elektrischen Steckverbinder abgehende Kabel, Drähte oder dergleichen sich beim Bewegen des mechanischen Arms nicht mit ihm verwickeln oder verheddern. Es können verschiedene in der Technik bekannte Arten von Kabelhandhabungssystemen vorgesehen sein, um Kabelverwicklungen und -brüche zu vermeiden. Das Hauptgehäuseteil 100 stützt einen nach unten abgehenden Schaft 106, der auf Präzisionslagern 108 drehbar ist. Ein Bremsanker 112 und eine Codierscheibe 114 sind mit einer Schraube mit Halbrundkopf 110 an einem freien Ende 116 des Schafts 106 befestigt. Wenn sich der Schaft dreht, bewegen sich daher der Bremsanker und die Codierscheibe in Bezug zur Abdeckungsbaugruppe 102 im Wesentlichen in einer Weise wie gezeigt. Auf ähnliche Weise wird ein Codierlesegerät 120 vom Hauptgehäuseteil neben einem äußeren Ende der Codierscheibe aufgenommen, wie gezeigt.
Während des Betriebs, wenn sich die Codierscheibe 114 relativ zum Codierlesegerät 120 bewegt, wird eine Reihe von Impulssignalen erzeugt und unter Verwendung geeigneter elektrischer Verbindungen zur Armpositions- und Bremssteuerungsschaltung an die Instrumentenkoordinatenschaltung 72 (3) weitergeleitet. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform wird das Codierlesegerät von Immersion hergestellt und ist als Katalognummer 1325 erhältlich. Zusätzlich ist die von den oben beschriebenen Spulen- und Ankerbaugruppen gebildete elektromagnetische Bremse 122 von Electroid unter der Teilenummer DC86451 erhältlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die im Handel erhältliche Bremsvorrichtung jedoch mittels verschiedener Formen und Typen von Kupplungsmaterialien und verschiedener Formen und Typen von Federn selektiv modifiziert, um die bevorzugten Haltekräfte an jedem der Armgelenke wie unten ausgeführt zu realisieren.
Weiterhin gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektromagnetische Bremse 122 dafür eingerichtet, den Schaft 106 zu arretieren, wenn die Spulenbaugruppe 118 keine elektrische Energie mehr erhält. Nachdem elektrische Energie an die Bremsspulenbaugruppe 118 angelegt wird, wird der Eingriff des Bremsankers 112 in die Spulenbaugruppe gelöst, um eine relative Bewegung zwischen dem Schaft 106 und mit dem Überkopf-Träger 32 verbundenen Hauptgehäuseteil 100 zu ermöglichen.
In der nachstehenden Tabelle I sind die bevorzugten Typen von Bremsen und optischen Codierern aufgeführt, die für jedes Gelenk des mechanischen Arms gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden.
Tabelle I
Als Nächstes zu 5 kommend ist im Schultergelenk 48 zwischen dem primären Stützelement 46 und dem Oberarmelement 50 eine elektromagnetische Schultergelenkbremse 130 vorgesehen. Ein Schaft 132 trägt einen Bremsanker 134 und eine Codierscheibe 136. Der Schaft ist mittels eines Bolzens 138 mit dem Oberarmelement 50 verbunden und durch ein Schultergelenkbasiselement 140 auf Präzisionslagern 142 drehbar gelagert. Die Bremsspulenbaugruppe 144 wird elektrisch aktiviert, um eine freie relative Bewegung zwischen dem primären Stützelement 46 und dem Oberarmelement 50 freizugeben und zu ermöglichen. Innerhalb des Basiselements ist neben der Codierscheibe 136 ein Codierlesegerät 146 auf eine im Wesentlichen wie gezeigte Weise angeordnet.
Als Nächstes zu 6 kommend ist im Ellbogengelenk 52 zwischen dem Oberarmelement 50 und dem Unterarmelement 54 eine elektromagnetische Ellbogenbremse 150 vorgesehen. Ein Schaft 152 trägt einen Bremsanker 154 und eine Codierscheibe 156. Der Schaft ist mittels eines Bolzens 158 mit dem Oberarmelement 50 verbunden und durch ein Schultergelenkbasiselement 160 auf Präzisionslagern 162 drehbar gelagert. Die Bremsspulenbaugruppe 164 wird elektrisch aktiviert, um eine freie relative Bewegung zwischen dem Oberarmelement 50 und dem Unterarmelement 54 zu ermöglichen. Innerhalb des Basiselements ist neben der Codierscheibe 156 ein Codierlesegerät 166 auf eine im Wesentlichen wie gezeigte Weise angeordnet.
Als Nächstes zu 7 kommend ist im Unterarmgelenk 56 zwischen dem Unterarmelement 54 und dem Knöchelelement 58 eine elektromagnetische Unterarmbremse 170 vorgesehen. Ein Schaft 172 trägt einen Bremsanker 174 und eine Codierscheibe 176. Der Schaft ist mittels einer Mutter 178 mit dem Unterarmelement 54 verbunden und durch ein Basiselement 180 auf Präzisionslagern 182 drehbar gelagert. Die Bremsspulenbaugruppe (nicht abgebildet) wird elektrisch aktiviert, um eine freie relative Bewegung zwischen dem Unterarmelement 54 und dem Handgelenkelement 62 freizugeben und zu ermöglichen. Innerhalb des Basiselements ist neben der Codierscheibe ein Codierlesegerät (nicht abgebildet) auf eine in der Technik bekannte Weise angeordnet.
Als Nächstes zu 8 kommend ist im Handgelenk 60 zwischen dem Knöchelelement 58 und dem Handgelenkelement 62 eine elektromagnetische Unterarmbremse 190 vorgesehen. Ein Schaft 192 trägt einen Bremsanker 194 und eine Codierscheibe (nicht abgebildet). Der Schaft ist mittels eines geeigneten Befestigungselementen mit dem Oberarmelement 50 verbunden und durch ein Handgelenkbasiselement 200 auf Präzisionslagern 202 drehbar gelagert. Die Bremsspulenbaugruppe 204 wird elektrisch aktiviert, um eine freie relative Bewegung zwischen dem Knöchelelement 58 und dem Handgelenkelement 62 freizugeben und zu ermöglichen. Innerhalb des Basiselements ist neben der Codierscheibe ein Codierlesegerät (nicht abgebildet) angeordnet.
Zuletzt zu den 9 und 10 kommend werden die oben beschriebenen Bremsen in der mechanischen Armvorrichtung durch ein Freigabebefehlsspannungssignal 210, das von einer Bremsensteuerung 212 erzeugt wird, in eine Freigabeposition gebracht. Wenn das Freigabebefehlssignal 210 nicht anliegt, werden die Bremsen in eine arretierte oder gestoppte Position gebracht. Auf diese Weise sorgen die Bremsen für einen ausfallsicheren Betrieb des mechanischen Arms. Spannungsausfälle oder dergleichen verursachen keine Freigabe des Arms.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Freigabebefehlsspannungssignal 210 in einem zweistufigen Vorgang wie in 9 dargestellt gleichzeitig an jede der elektromagnetischen Bremsen angelegt. Während einer ersten Periode 214 wird ein Bremsenentriegelungssignal 216 an jede der Bremsspulenbaugruppen angelegt, um den Eingriff der Bremsanker in die Spulenbaugruppen im Wesentlichen gemäß den Spezifikationen des Herstellers zu lösen. In dieser Hinsicht ist das Bremsenentriegelungssignal vorzugsweise ein 24-Volt-Gleichstrom-Befehlssignal, das für die Dauer von einer (1) Sekunde an die Bremsspulenbaugruppe angelegt wird.
Nach der ersten Periode wird während einer zweiten Periode 220 ein Bremsunterstützungssignal 218 so lange an die Bremsspulenbaugruppen angelegt, wie es für den Operateur erforderlich ist, um den Arm in einer gewünschten Position zu justieren. Um zu vermeiden, dass die Bremsspulenbaugruppen überhitzen und, noch wichtiger, starke Wärme erzeugen, die dazu führt, dass die mechanische Armvorrichtung von ihren Kalibrierparametern abweicht, hat das Bremsunterstützungssignal 218 gemäß der Erfindung einen reduzierten Spannungspegel, vorzugsweise 17 Volt.
Nun noch näher auf 10 eingehend empfängt die Bremsensteuerung 210 ein Paar Armfreigabesignale 222, 224 von dem Paar Membranschalter 29, 31, das am freien Ende 40 der mechanischen Armvorrichtung 30 im Wesentlichen wie oben beschrieben angeordnet ist. Die Armfreigabesignale werden in einer UND-Schaltung 226 empfangen, die dafür eingerichtet ist, ein Armfreigabe-Auslösesignal 228 zu erzeugen. Ein Prozessor 230 enthält ein Paar interner Zeitgeber, um ein Paar Elektronikschalter 232, 234 sequentiell derart zu aktivieren, dass während der ersten Periode 214 eine erste 24-Volt-Spannungsquelle 236 mit den Bremsspulenbaugruppen verbunden wird. Nach Ablauf der ersten Zeitperiode, wie sie vom ersten Zeitgeber im Prozessor 230 festgelegt ist, wird der zweite Schalter 234 elektronisch geschlossen und der erste Schalter geöffnet, wodurch die Bremsspulenbaugruppen mit der zweiten 17-Volt-Quelle 238 verbunden werden.
Schließlich wird in Verbindung mit der in 10 gezeigten Bremsensteuerung ein Tiefpassfilter 240 verwendet, um das Bremssignal so aufzubereiten, dass das während der Übergänge des Logiksignals erzeugte Rauschen im Wesentlichen beseitigt wird. Ohne den Tiefpassfilter wirkt sich das von den Bremssignalübergängen erzeugte Rauschen machteilig auf die Codiersignale aus. Ein Vorteil, der sich direkt durch den Tiefpassfilter ergibt, besteht in der Möglichkeit, ungeschirmte Drähte zwischen den Bremsspulenbaugruppen und der Bremsensteuerung verwenden zu können. Dies reduziert das Gewicht der mechanischen Armvorrichtung und macht sie weniger steif, da dünnere Drähte flexibler sind.

3

74: Identifizierungsschaltung für die Führungsvorrichtung
76: Schaltung für Armbaugruppenposition
78: Verweistabelle
80: Instrument-Planungsbild-Korrelation
82: Instrument-Patiententisch-Korrelation
84: Tischstellungsmelder
86: Instrument-Patient-Korrelation
88: Instrument-Planung-Transformationsprozessor
90: Planungsbilddatenspeicher
92: Videoprozessor
Position analyzer: Positionsanalysierer
Resolvers: Stellungsmelder
Real Time Image Coordinates: Echtzeitbildkoordinaten
Planning/Real Time Transform Processor: Planung-Echtzeit-Transformationsprozessor
Planning Image Transform: Planungsbildtransformation
Cursor Control: Cursorsteuerung

9

Brake Release Command Bremsenfreigabebefehl
Time Zeit
24 v. 24 Volt
17 v. 17 Volt

Claims

Stereotaktische chirurgische Vorrichtung, die Folgendes umfasst: – eine Bildgebungsvorrichtung (18) zur Erzeugung von Bildinformationen in Bezug auf einen neben der Bildgebungsvorrichtung angeordneten Prüfkörper, – eine mechanische Armbaugruppe (30) mit einem Basisteil (42), einem freien Ende (40), das dafür eingerichtet ist, in verschiedene Positionen neben dem Prüfkörper bewegt zu werden, und mindestens einem Drehgelenk (44, 48, 52, 56, 60) zwischen dem Basisteil und dem freien Ende, um eine selektive relative Bewegung zwischen dem Basisteil und dem freien Ende zuzulassen, und – eine Bremsvorrichtung (122, 136, 146, 156, 166, 176), die dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf ein Bremsbefehlssignal (210), das durch eine operativ mit der Bildgebungsvorrichtung verbundene Steuerschaltung (212) erzeugt wird, das Basisteil selektiv an dem freien Ende zu arretieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil in einer festen und vorgegebenen Beziehung zur Bildgebungsvorrichtung angebracht ist, und wobei der mechanische Arm rahmenlos ist.
Rahmenlose stereotaktische chirurgische Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin eine Positionsrückmeldevorrichtung (136, 146, 156, 166, 176, 186, 196, 206) umfassend, die ein Gelenkpositionssignal erzeugt, das eine Ausrichtung des freien Endes (40) der mechanischen Armbaugruppe relativ zum Basisteil (42) angibt.
Rahmenlose stereotaktische chirurgische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei: das Gelenkpositionssignal Gelenkpositionssignalinformationen in Armraumkoordinaten enthält, die die mechanische Armbaugruppe mit der Bildgebungsvorrichtung in Beziehung setzen; die Bildinformationen in Scanner-Raumkoordinaten vorliegen, die den Prüfkörper mit der Bildgebungsvorrichtung in Beziehung setzen; und ein Transformationsprozessor (88) enthalten ist, um die Position des freien Endes der mechanischen Armvorrichtung in den genannten Armraumkoordinaten auf eine Position in den genannten Scanner-Raumkoordinaten abzubilden.
Rahmenlose stereotaktische chirurgische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die genannte Bildgebungsvorrichtung dafür eingerichtet ist, das genannte Bremsbefehlssignal auf einer ersten Ebene (216) für eine erste vorgegebene Zeitperiode zu erzeugen und das genannte Bremsbefehlssignal auf einer zweiten Ebene (218) für eine zweite vorgegebene Zeitperiode zu erzeugen; die genannte Bildgebungsvorrichtung einen Tiefpassfilter (240) beinhaltet, um hochfrequente Rauschkomponenten aus dem genannten Bremsbefehlssignal herauszufiltern; die genannte Bremsvorrichtung (122, 136, 146, 156, 166) dafür eingerichtet ist, die genannte mechanische Armbaugruppe gegen die Schwerkraft in einer vorgegebenen arretierten Position zu halten; und die genannte Bremsvorrichtung (122, 136, 146, 156, 166) dafür eingerichtet ist, eine Bewegung der genannten mechanischen Armbaugruppe aus der genannten vorgegebenen festen Position gegen eine erste Versatzkraft, die etwas größer als die genannte Schwerkraft ist, und gegen eine Haltekraft der genannten Bremsvorrichtung zuzulassen.
Rahmenlose stereotaktische chirurgische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die genannte mechanische Armbaugruppe Folgendes beinhaltet: ein primäres Stützelement (46), das durch ein Basisgelenk (44) mit dem genannten Basisteil (42) verbunden ist; ein Oberarmelement (50), das durch ein Schultegelenk (48) mit dem genannten primären Stützelement verbunden ist; ein Unterarmelement (54), das durch ein Ellbogengelenk (52) mit dem genannten Oberarmelement verbunden ist; ein Knöchelelement (58), das durch ein Unterarmgelenk (56) mit dem genannten Unterarmelement verbunden ist; und ein Handgelenkelement (62) am freien Ende der mechanischen Armbaugruppe, das durch ein Handgelenk (60) mit dem genannten Knöchelelement verbunden ist.
Rahmenlose stereotaktische chirurgische Vorrichtung nach Anspruch 5, die weiterhin Folgendes umfasst: eine elektromagnetische Basisgelenk-Bremsvorrichtung (122) an genanntem Basisgelenk (44), die dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf das genannte Bremsbefehlsignal (210) das Basisteil (42) selektiv an dem primären Stützelement (46) zu arretieren; eine elektromagnetische Schultergelenk-Bremsvorrichtung (130) an dem genannten Schultergelenk (48), die dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf das genannte Bremsbefehlsignal (210) das primäre Stützelement (46) selektiv an dem Oberarmelement (50) zu arretieren; eine elektromagnetische Ellbogengelenk-Bremsvorrichtung (150) an dem genannten Ellbogengelenk (52), die dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf das genannte Bremsbefehlsignal (210) das Oberarmelement (50) selektiv an dem Unterarmelement (54) zu arretieren; eine elektromechanische Unterarm-Bremsvorrichtung (170) an dem genannten Unterarmgelenk (56), die dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf das genannte Bremsbefehlsignal (210) das Unterarmelement (54) selektiv an dem Knöchelelement (58) zu arretieren; und eine elektromechanische Handgelenk-Bremsvorrichtung (190) an dem genannten Handgelenk (60), die dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf das genannte Bremsbefehlsignal (210) das Knöchelelement (58) selektiv an dem Handgelenkelement zu arretieren.
Rahmenlose stereotaktische chirurgische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei: die elektromagnetische Basisgelenk-Bremsvorrichtung eine Haltekraft von etwa 4,99 Nm (44,2 in-lb) hat; die elektromagnetische Schultergelenk-Bremsvorrichtung eine Haltekraft von etwa 4,99 Nm (44,2 in-lb) hat; die elektromagnetische Ellbogengelenk-Bremsvorrichtung eine Haltekraft von etwa 2,20 Nm (19,5 in-lb) hat; die elektromechanische Unterarmgelenk-Bremsvorrichtung eine Haltekraft von etwa 1,02 Nm (9 in-lb) hat; und die elektromechanische Handgelenk-Bremsvorrichtung eine Haltekraft von etwa 0,34 Nm (3 in-lb) hat.
Verfahren zur Benutzung eines rahmenlosen mechanischen Arms (30) mit einer stereotaktischen Bildgebungsvorrichtung (18), die dafür eingerichtet ist, einen Patienten auf einem Patientenaufnahmetisch zur Vorbereitung einer chirurgischen Prozedur aufzunehmen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Benutzen der Bildgebungsvorrichtung (18); Erzeugen von Bildinformationen in Scanner-Raumkoordinaten, die einen Patienten auf dem Patientenaufnahmetisch betreffen; Erzeugen (76) von Führungsspitzenpositionsinformationen in Führungsraumkoordinaten, die eine Position des freien Endes des rahmenlosen mechanischen Arms relativ zu einem Basisende des rahmenlosen mechanischen Arms angeben; Umwandeln (80) der Führungsspitzenpositionsinformationen in den genannten Führungsraumkoordinaten in eine Führungsspitzenposition in den genannten Scanner-Raumkoordinaten, um den rahmenlosen mechanischen Arm in Beziehung zur Bildgebungsvorrichtung zu bringen; Umwandeln (88) der Bildinformationen und der Führungsspitzenpositionsinformationen in den genannten Scanner-Raumkoordinaten in Bildraumkoordinaten, die für eine visuell lesbare Anzeige auf einem Monitor eingerichtet sind; und Anzeigen (92) der genannten Bildinformationen in den genannten Bildraumkoordinaten zusammen mit den genannten Führungsspitzenpositionsinformationen in den genannten Bildraumkoordinaten auf einem visuell lesbaren Monitor (28, 94), um einem Operateur eine visuelle Darstellung des rahmenlosen mechanischen Arms zusammen mit einem Bild des Patienten auf dem Patientenaufnahmetisch zu geben.