DE69922980T2

DE69922980T2 - Verfahren und vorrichtung zur positionierung eines geräts in einem körper

Info

Publication number: DE69922980T2
Application number: DE69922980T
Authority: DE
Inventors: L. Charles TRUWIT; Haiying Liu
Original assignee: University of Minnesota Twin Cities
Current assignee: University of Minnesota Twin Cities
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2019-10-09
Also published as: CA2346613A1; JP2002526152A; AU1109000A; US20010014771A1; JP4624561B2; WO2000019927A9; CA2346613C; US6195577B1; DE69922980D1; WO2000019927A1; EP1121061B1; EP1121061A1; US6782288B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Medizin und insbesondere das Positionieren einer Eingriffsvorrichtung in einem Körper unter Verwendung eines medizinischen Abbildungssystems.
Seit den frühen Tagen des CT-Scannens wurden mittels Computertomographie (CT) geführte Biopsien durchgeführt, als es klar wurde, daß die Abbildung von Querschnitten vorher nicht gekannte Möglichkeiten zur Visualisierung der Nadel im Querschnitt zum Überprüfen der Position in einer Läsion bietet. In den letzten 15 Jahren blieb jedoch das Verfahren der CT-geführten Biopsie im wesentlichen auf die Methode Versuch und Irrtum beschränkt. Im wesentlichen wird dabei der entsprechende Körperteil abgescannt und mental die Trajektorie berechnet, gefolgt von einer Tiefenberechnung an der Computerkonsole. Die Tiefe wird dann auf die entsprechend markierte Eingriffsvorrichtung übertragen. Die Eingriffsvorrichtung wird anschließend eingeführt und wiederholt entfernt und erneut eingeführt, wobei ein Scannen der entsprechenden Position der Eingriffsvorrichtung erfolgt, um die richtige oder falsche Plazierung zu bestätigen. Offensichtlich sind die Folgen dieses Verfahrens von Versuch und Irrtum unerwünschte Verzögerungen, Risiken, Kosten und in manchen Fällen auch das Aufnehmen unerwünschter Strahlung.
Außer auf dem Gebiet der CT-geführten Biopsien wurde in letzter Zeit viel auf dem Gebiet der MR-geführten Chirurgie gearbeitet, was Biopsien und andere minimal invasive Vorgänge einschloß. Gegenwärtig beruhen die Verfahren zur Lokalisierung von Trajektorien unter MR im wesentlichen auf bildlosen stereotaktischen Konzepten. In manchen Situationen sind solche Verfahren gut anwendbar, dabei bleibt jedoch die Frage der Kosten offen. Bisher gibt es kein Verfahren für die MR-Einstellung, das einfach, genau und kostengünstig ist.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Verfahren zum Lokalisieren einer Eingriffsvorrichtung in einem Körperteil, das schneller und praktischer ist.
Aus der EP-A-0832611 ist eine intraoperative Lokalisierungsvorrichtung bekannt, die in einer Biopsiehülse untergebracht ist, um die Schwenkausrichtung der Hülse vor dem Verwenden der Hülse zum Führen einer chirurgischen Vorrichtung längs einer Trajektionslinie zu erleichtern Die Vorrichtung weist Infrarotdioden auf, die von einem Positionssensor verfolgt werden, um dadurch die Position der Vorrichtung zu bestimmen, die dann in das Koordinatensystem einer Abbildungsvorrichtung umgewandelt wird. Die Informationen über die erfaßte Position werden in einer Abbildungsebene der Abbildungsvorrichtung angezeigt.
Die Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den anhängenden Patentansprüchen genannt.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfaßt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Positionieren einer Eingriffsvorrichtung in einem Körper unter Verwen dung einer um einen Schwenkpunkt schwenkbaren Führung, wobei die räumlichen Koordinaten (oder die Bildanzeige eines diesen Koordinaten entsprechenden Punktes, auch wenn die Koordinaten nicht ausdrücklich angegeben werden, da ein Computer die mathematische Beziehung der Anzeige zu den echten Koordinaten bestimmen kann) eines Zielpunkts und des Schwenkpunkts lokalisiert werden, ein dritter Punkt außerhalb des Körpers bestimmt wird, der auf oder in der Nähe der durch den Zielpunkt und den Schwenkpunkt verlaufenden Linie liegt, und die Achse der Führung mittels eines Abbildungssystems auf den dritten Punkt ausgerichtet wird.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfaßt die Erfindung ein medizinisches Abbildungssystem mit einer Verarbeitungseinheit und einer auf der Verarbeitungseinheit laufenden Computersoftware, mit der der Operator des Systems die räumlichen Koordinaten eines Zielpunkts und des Schwenkpunkts einer Führung lokalisieren kann und einen dritten Punkt außerhalb des Körpers bestimmen kann, der auf oder in der Nähe der durch den Zielpunkt und den Schwenkpunkt verlaufenden Linie liegt. Dieses medizinische Abbildungssystem kann des weiteren auf der Verarbeitungseinheit laufende Computersoftware umfässen, die den Operator darin unterstützt, eine Abbildung zu erhalten, mit der die Achse der Führung mittels eines Abbildungssystems auf den dritten Punkt ausgerichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Verwenden des MR-Signals von einer oder mehreren Hochfrequenz-Mikrospulen, die sich auf dem Trajektorie-Ausrichtstab am Schwenkpunkt und auf dem wenigstens dritten Punkt befinden, zum Bestimmen der räumlichen Orte dieser beiden Spulen und damit der Position des Ausrichtstabes einschließlich dessen Orientierung. Mit diesen Informationen, die dem MR-Scannercomputer bekannt sind, kann der Trajektorie-Ausrichtstab so ausgerichtet werden, daß er die gewünschte Trajektorie anzeigt, wobei die Ausrichtung entweder manuell, durch Fernsteuerung oder Robotersteuerung oder durch entsprechendes Steuern des MR-Scannercomputers selbst mittels eines Interfaces zu einem Servomechanismus erfolgen kann, der direkt oder indirekt am Trajektorie-Ausrichtstab angebracht ist oder damit in Beziehung steht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Erfindung einen Herstellungsgegenstand mit einem auf einem Träger einkodierten Computerprogramm, wobei das Programm auf der Verarbeitungseinheit eines medizinischen Abbildungssystems läuft und den Operator des Systems in die Lage versetzt, die räumlichen Koordinaten eines Zielpunkts und des Schwenkpunkts einer Führung zu lokalisieren und einen dritten Punkt außerhalb des Körpers zu bestimmen, der auf oder in der Nähe der Linie liegt, die durch den Zielpunkt und den Schwenkpunkt verläuft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, daß die Achse der Führung automatisch oder unter einer Softwaresteuerung ausgerichtet wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A, 1B und 1C sind MRI-Abbildungen, die ein beispielhaftes Verfahren der Erfindung zeigen, wobei die Abbildung der 1B längs der Linie 1B-1B in der 1A gesehen wird.
2A und 2B zeigen Abbildungsansichten nach dem Ausrichten.
3 ist ein Flußdiagramm für ein beispielhaftes Verfahren der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein medizinisches Abbildungssystem und Softwarekomponenten gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine beispielhafte Trajektorieführung.
6 und 7 zeigen alternative Ausführungsformen der Erfindung.
Genaue Beschreibung der Erfindung
In der folgenden genauen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen erfolgt ein Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil davon darstellen und in denen beispielhaft bestimmte Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es ist klar, daß auch andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle Änderungen erfolgen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die im folgenden beschriebene Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten einer geraden (oder im wesentlichen geraden), langen, spitzen, um einen Punkt schwenkbaren Eingriffsvorrichtung auf eine Orientierung in einem menschlichen oder tierischen Körper. Die Bezeichnung "Eingriffsvorrichtung" umfaßt hier jedes medizinische Instrument, etwa eine Biopsienadel, eine Biopsiesonde oder eine andere Art von Nadel (usw.). Die Erfindung wird im folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben, die die Positionierung einer Eingriffsvorrichtung in einem menschlichen Gehirn betrifft. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung in keiner Weise auf die Positionierung von Eingriffsvorrichtungen im Gehirn beschränkt ist, sondern allgemein auf die Positionierung von Eingriffsvorrichtungen in jedem Teil eines menschlichen oder tierischen Körpers angewendet werden kann.
Beispielhaftes Verfahren unter Verwendung der Kernspintomographie (MRI)
Die im folgenden beschriebene beispielhafte Ausführungsform umfaßt ein Verfahren zur MRI-geführten Biopsie an einer intrakranialen Läsion längs einer Trajektorie, die in etwa parallel zur Längsachse des Patienten verläuft, wie sie für eine Biopsie einer hohen frontalen Lobusläsion verwendet werden kann. Die Längsachse des Patienten ist die Achse, die im wesentlichen koaxial zur Länge des Körpers des Patienten verläuft. Dieses Verfahren wird mit Bezug zu den 1A, 1B und 1C beschrieben, die MRI-Abbildungen 2A, 2B und 2C zeigen. Entweder vor oder, bei einer beispielhaften Ausführungsform, nach dem Verabreichen eines intravenösen Kontrastmittels wird ein begrenzter MRI-Scan durch den Kopf 5 erhalten, der insbesondere den Bereich des geplanten Zielpunkts 12 umfaßt.
Der Nutzen des Vorab-Zuführens eines Kontrastmittels ist zweifach. Erstens ergibt sich oft eine Kontrastverstärkung der betroffenen Läsion selbst, was es leichter macht, die Läsion zu identifizieren, und zweitens ergibt sich oft eine Kontrastverstärkung der Rindenvenen, die über dem Bereich der geplanten Trajektorie liegen. Da diese Strukturen nach Möglichkeit zu vermeiden sind, um mögliche Blutungen auszuschließen, ist es hilfreich, diese Venen vor dem Bestimmen der Trajektorie zu identifizieren.
Nachdem der Zielpunkt 12 identifiziert ist, wird mit Hilfe des Scanners die Trajektorie festgelegt. Ein Punkt auf der Kopfhaut wird als Zugangspunkt gewählt, wodurch ein chirurgischer Zugangsweg festgelegt wird. Der Zugangsweg kann entweder durch eine multiplanare Rekonstruktion der bereits erhaltenen Abbildungsdaten oder einfach dadurch geprüft werden, daß eine neue einzige Abbildung in der Ebene längs der gewünschten Trajektorie erhalten wird. Bei dem letzteren Verfahren kann die Abtastebene erforderlichenfalls leicht verändert werden, bis feststeht, daß der chirurgische Zugangsweg längs der Achse der gegenwärtigen Abtastebene liegt. Alternativ wird der Zugangspunkt durch eine andere Vorgehensweise bestimmt.
Nachdem der Zugangspunkt bestimmt ist, wird entweder auf der Oberfläche des Schädeldachs oder in einem Trepanationsloch, das an dieser Stelle gebohrt wird, chirurgisch eine Trajektorieführung 10 implantiert. Der Aufbau der Trajektorieführung 10 ist für die Erfindung nicht wichtig, solange sie nur, wie bei der beispielhaften Führung 10 der 5 gezeigt, ein Führungselement 17 aufweist, das um einen Schwenkpunkt schwenkbar ist. Wie in der 5 gezeigt, umfaßt das Führungselement 17 einen unteren Abschnitt 17A, der schwenkbar mit einer Basis 16 verbunden ist, und einen oberen Abschnitt 17B, der eine Eingriffsvorrichtung aufnehmen kann, oder einen Führungsstab 18, der während des Ausrichtprozesses verwendet wird. Weitere Informationen über die in der 5 gezeigte beispielhafte Trajektorieführung 10 und Informationen über andere mögliche Führungen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind in der US 5 993 463 zu finden.
Der Schwenkpunkt der beispielhaften Führung 10 befindet sich in der Nähe der Oberfläche des Körpers. Der Schwenkpunkt kann aber auch über der Oberfläche des Körpers liegen, zum Beispiel wenn er durch einen Gelenkarm oberhalb oder außerhalb des Körpers gehalten wird.
Nachdem die Trajektorieführung 10 und der Ausrichtstab 18 an Ort und Stelle sind und die Trajektorie in der Abtastebene liegt (was in der 1A eine Abbildung in der Ebene ergibt, die den Zielpunkt 12 und zumindest die Basis 16 der Trajektorieführung 10 umfaßt), lassen sich im 3D-Raum des MRI-Scans mehrere räumliche Lokalisierungspunkte lokalisieren: Einer im Kopf, einer in der Nähe oder über der Oberfläche des Kopfes und einer außerhalb. Zuerst werden die x-, y- und z-Koordinaten des Zielpunkts 12 vom Operator aus den beim anfänglichen MRI-Scan des Kopfes erhaltenen Abbildungen bestimmt. Dann werden die x-, y- und z-Koordinaten des Schwenkpunkts des Führungselements vom Operator aus dem (den) MRI-Scan-Abbildern) bestimmt.
Nachdem diese zwei Punkte bekannt sind, wird mathematisch eine Linie 30 bestimmt, die sich vom Zielpunkt 12 durch den Schwenkpunkt des Führungselements 17 in den Raum 32 außerhalb des Kopfes 5 erstreckt. Diese Linie, die auf der Scanebene (die mit dem chirurgischen Zugangsweg ausgerichtet ist) des gegenwärtigen oder eines wiederkonstruierten Abbilds angezeigt werden kann, stellt die Trajektorie dar, die zum Erreichen des gewünschten Zielpunkts mit einer Eingriffsvorrichtung erforderlich ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Linie 30 etwa zwei Drittel des Abstandes von der Basis 16 bis zum freien Ende des Stabes 18 von der Basis 16 weg. Längs der Linie 30 wird dann ein Punkt 34 gewählt. Der Punkt 34 liegt auf dem 3D-Umfangsbogen, der von dem Ausrichtstab 18 der Trajektorieführung beschrieben wird, der bei einer beispielhaften Ausführungsform eine in der Kernspintomographie sichtbare Markierung 19 enthält, die sich etwa im gleichen Abstand von der Basis 16 befindet als der Abstand des Punktes 34 von der Basis 16, um ihn in einer neuen Abbildung in der Ebene der gegenwärtigen oder einer wiederkonstruierten Abbildung deutlich sichtbar zu machen. Der Stab 18 kann aus einem vollständig im MRI sichtbaren Markierungsmaterial bestehen, die Markierung 19 kann aber auch auf ein Segment des Stabes 18 beschränkt sein. Der Punkt 34 auf der Linie 30 kann vom Operator auf der Scanneranzeige gewählt werden, er kann aber auch ohne Zutun des Operators mathematisch bestimmt werden.
Es ist anzumerken, daß, während die vorliegende Beschreibung auf mathematischen Vorschriften beruht, es in Wirklichkeit bei den meisten modernen CT- und MR-Scannern und anderen Abbildungsgeräten nicht mehr erforderlich ist, daß der Operator manuell Koordinaten eintippt, wie es oben beschrieben ist. Die meisten Scannerkonsolen arbeiten wie Heimcomputer mit einer Maus, mit der ein Cursor zu einem Punkt auf dem Bildschirm geführt werden kann und mit der an der Operatorkonsole eine Linie von einem Punkt zu einem anderen gezogen werden kann, auch ohne daß der Operator die wahren Koordinaten der Punkte kennt, die zum Bestimmen der Linie verwendet werden. Hinter der Fassade des Bildschirms ermittelt der Computer jedoch trotzdem noch die räumlichen Koordinaten der angezeigten Punkte und folgt mathematischen Modellen. In der Praxis brauchen daher in der Regel die Operatoren bei den dargestellten Verfahren nicht die vorgeschlagenen Schritte ausführen, sondern sie brauchen nur entsprechend mit einer Computermaus oder einem ähnlichen Gerät zu zeigen und zu klicken, um die geometrische Ebene der beschriebenen Trajektorie zu erzeugen.
Neben dem einfachen Verfahren, das oben beschrieben wurde und weiter beschrieben wird, ist es möglich, die Ausrichtung des Trajektorie-Ausrichtstabes mittels anderen Visualisierungsmethoden auszuführen, etwa mit Lasern, Infrarotstrahlen oder Licht anderer Frequenz oder mit anderen Energiequellen, die auf einen Punkt im Raum fokussiert werden, der vom Operator als Ort des Punktes 34 angegeben wird. Man kann sich auch leicht vorstellen, daß das Erkennungsverfahren für den Operator zum besseren Ausrichten des Trajektorie-Ausrichtstabes auf die Linie 30 nicht einmal visuell zu sein braucht, sondern auch hörbar sein kann, derart, daß sich zum Beispiel die Wiederholrate eines sich wieder holenden Tons in Abhängigkeit vom Erfolg oder Mißerfolg verschiedener Bewegungen zum Ausrichten des Stabes ändern kann (Verlangsamen der Tonfolge bei einer Bewegung des Stabes von der Linie 30, Erhöhen der Wiederholrate der Tonfolge bei der Annäherung an die Linie 30, und Abgabe eines kontinuierlichen Tons, wenn die Ausrichtung erfolgreich gewesen ist).
Unter Verwendung der x-, y- und z-Koordinaten des Punktes 34, die entweder automatisch berechnet werden oder die aus dem vom Operator auf der Linie 30 gewählten Punkt erhalten werden, wird die Abtastebene 36 so gewählt, daß sie den Punkt 34 einschließt, auch wenn der Zielpunkt selbst in der Ebene nicht zu sehen ist. Der Punkt 34 wird dann in der Trajektorieführungs-Ausrichtebene markiert (38). Längs der Ebene 36 werden dann aufeinanderfolgend mit einer interaktiven Positionierung des Trajektorieführungs-Ausrichtstabes 18 zweidimensionale (2D) Scans erhalten (1B), bis die im MRI sichtbare Markierung 19 auf dem Ausrichtstab 18 zu sehen ist und sich an den gewünschten x-, y- und z-Koordinaten befindet. Wie in der 1B gezeigt befindet sich der Stab 18 derart in unmittelbarer Nähe der Markierung 38, daß der Stab 18 leicht unter Ausrichtung der Markierung 38 zu einem einzigen Punkt im Raum an Ort und Stelle gebracht werden kann, wozu in der Perspektive der 1B nur eine Ausrichtung hinsichtlich der "x"- und "y"-Koordinaten erforderlich ist, die in der Trajektorieführungs-Ausrichtebene liegen. Wenn der Stab 18 zu den Punkten "x" und "y" ausgerichtet ist, steht fest, daß er koaxial zu der Linie 30 ausgerichtet ist. Der Ausrichtstab 18 der Trajektorieführung 10 wird dann entsprechend ausgerichtet (siehe 1C), und das Führungselement 17 kann an dieser Stelle fixiert werden, damit eine Eingriffsvorrichtung oder ein anderes Instrument eingeführt werden kann.
Obwohl es am einfachsten erscheint sich vorzustellen, daß die Linie die Trajektorieführungs-Ausrichtebene schneidet, ist in Wirklichkeit nur erforderlich, daß der Schnittpunkt derart berechenbar ist, daß der wirkliche Schnittpunkt in der Abbildung der Trajektorieführungs-Ausrichtebene bestimmbar ist und die Orientierung des Trajektorieführungs-Ausrichtstabes im Querschnitt zur Längsachse so eingestellt werden kann, daß die beiden Punkte zueinander ausgerichtet werden können.
Zur Überprüfung werden, auch wenn es nicht unbedingt erforderlich ist, an dieser Stelle ein oder mehrere Scans durch den vorgesehenen Zielpunkt und über die Länge der Trajektorieführung aufgenommen. Vorzugsweise werden bei einer Kernspintomographie Scans in einer senkrechten (oder in etwa senkrechten) Ebene aufgenommen, um die richtige Ausrichtung sicherzustellen. Alternativ kann eine orthogonale (oder in etwa orthogonale) multiplanare Rekonstruktion an der Operatorkonsole ausgeführt werden, die klar zeigen sollte, daß der Ausrichtstab 18 richtig längs der vorgesehenen Trajektorie zum Zielpunkt ausgerichtet ist. Beispiele für solche Scans sind in den 2A und 2B gezeigt.
Nachdem die Trajektorieführung in Position gebracht und fixiert wurde, wird der Ausrichtstab 18 von der Trajektorieführung abgenommen und entweder ein Spiralbohrer oder, wenn bereits ein Loch in die Schädeldecke gemacht wurde, die Eingriffsvorrichtung selbst oder eine andere Sonde oder ein anderes Instrument, je nachdem was gerade erforderlich ist, durch Messen an den Bestätigungsscans oder der multiplanaren Rekonstruktion in eine bestimme Tiefe vorgeschoben werden. Es können auch wiederholte Scans durch den Zielpunkt aufgenommen werden, die entweder die Trajektorie enthalten, wenn der Kopf des Patienten so geneigt wurde, daß die Trajektorieführung in der Ebene liegt, oder die nur den Zielpunkt zeigen, wobei die Ankunft der Spitze des Instruments dann in einem der aufeinanderfolgenden Scans erscheint.
Die mit dem obigen Beispiel beschriebene Vorgehensweise betrifft eine Läsion, zu der längs der Längsachse des Patienten gelangt wird. Die gleiche Vorgehensweise ist jedoch auch bei anderen Orientierungen zur Längsachse des Scanners anwendbar. Mit anderen Worten kann längs einer Orientierung senkrecht zur Längsachse des Patienten zu einem Schläfenlappen gelangt werden. Im ersten Fall ist das, was als "Trajektorieführungs-Ausrichtebene" bezeichnet wird, in etwa senkrecht zur Längsachse des Patienten orientiert. Im zweiten Fall ist diese Ebene in etwa zur Längsachse des Patienten ausgerichtet, was auch als axial oder transversal bezeichnet wird, oder schräg axial oder schräg transversal ausgerichtet, typisch sagittal oder koronal mit Bezug zum Patienten, oder irgendwo zwischen diesen beiden Orientierungen.
Obwohl es am einfachsten erscheint sich vorzustellen, daß die Linie die Trajektorieführungs-Ausrichtebene schneidet, ist in Wirklichkeit nur erforderlich, daß der Schnittpunkt derart berechenbar ist, daß der wirkliche Schnittpunkt in der Abbildung der Trajektorieführungs-Ausrichtebene bestimmbar ist und die Orientierung des Trajektorieführungs-Ausrichtstabes im Querschnitt zur Längsachse so eingestellt werden kann, daß die beiden Punkte zueinander ausgerichtet werden können.
Beispielhaftes Verfahren unter Verwendung der Computertomographie (CT)
Die mit dem obigen Beispiel beschriebene Vorgehensweise betrifft unter der Führung einer MR-Abbildung durchgeführte chirurgische Prozeduren. Die Vorgehensweise kann jedoch ganz ähnlich auch bei einer einer CT-Abtastungsführung angewendet werden. In einem solchen Fall wird vorzugsweise, auch wenn es nicht unbedingt erforderlich ist, aus Zeit- und Wirksamkeitsgründen ein Spiral-CT-Scanner verwendet. Bei dem Beispiel einer Gehirnläsion, auf die in etwa längs der Längsachse des Patienten zugegriffen wird, wird in der Regel, wenn auch nicht notwendigerweise, ein Basislinien-Spiral-CT-Scan aufgenommen, gefolgt von der Injektion eines intravenösen jodierten Kontrastmittels. Der Zielpunkt wird anhand der Axialabbildungen gewählt, die an der Scannerkonsole dargestellt werden, und der entsprechende Zugangspunkt auf der Kopfhaut/dem Schädel gewählt. Danach erfolgt eine multiplanare Rekonstruktion des spiralen (oder nichtspiralen) Datensatzes, und es wird so vorgegangen, wie es oben für die Kernspintomographie beschrieben wurde. Dabei ist das, was im folgenden als "die Trajektorieführungs-Lokalisierungsebene" bezeichnet wird, in etwa senkrecht zur Längsachse des Patienten orientiert, und es wird wahrscheinlich überhaupt nicht der Patient abgetastet, sondern die Luft über den Kopf des Patienten, in jedem Fall erfolgt jedoch der Scan durch den Trajektorie-Führungsstab 18. Nach dem Ausrichten kann, auch wenn es nicht unbedingt erforderlich ist, zum Zwecke der Bestätigung ein wiederholter spiraler (oder nichtspiraler) Datensatz durch den Patienten und den Trajektorie-Führungsstab 18 erhalten werden, und es können (in etwa) orthogonale multiplanare rekonstruierte Abbbildungen längs der Länge der tatsächlichen Trajektorie erhalten werden.
Die Vorgehensweise kann auch in Verbindung mit einer CT für Läsionen verwendet werden, auf die längs Trajektorien Zugang erhalten wird, die anders ausgerichtet sind als longitudinal zum Patienten. Eine CT ist jedoch etwas anderes als die MRI, und das vorgeschlagene Verfahren ist nicht optimal, wenn es in der echten Axialebene (senkrecht zur Längsachse des Patienten) angewendet wird. Durch eine kleine Modifikation der typischen Abtast-Vorgehensweise kann jedoch dieses Trajektorieverfahren auch dann erfolgreich angewendet werden, wenn in der Axialebene auf eine Läsion zugegriffen wird. Dafür werden im folgenden drei verschiedene Verfahren beschrieben.
Erstens kann der Trajektorie-Ausrichtstab 18 leicht in die Abbildungsebene gebracht werden. Es können sowohl der Zielpunkt als auch die Vorrichtung in dieser Ebene sichtbar gemacht werden, und solange die volle Länge der Nadel sichtbar ist, ist sichergestellt, daß ein relativ genauer Zugang gegeben ist.
Zweitens kann der Zielpunkt 12 so gewählt werden, daß durch Abtasten in der Axialebene, typischerweise als Spiralaufnahme eines Gewebevolumens, eine multiplanare Reformatierung erfolgen kann. Es kann dann ein etwas schräg weg von der ursprünglichen echten Axialebene liegender Zugangspunkt gewählt werden, wobei die Abtastebene so schräg gestellt wird, wie es bei allen CT-Scannern üblich ist, daß die Abbildungsebene unter einem bestimmten Winkel zur geplanten Trajektorie liegt (zum Beispiel etwa 5 bis 15 Grad zu der wirklichen Axialebene). Der Scanner kann in der Gegenrichtung zu der abgewinkelten Abtastebene schräg gestellt werden, um die Trajektorieführungs-Ausrichtebene zu erhalten. Wenn die Trajektorieführung an Ort und Stelle fixiert ist, kann der Patient auf der Liege so nach vorne oder hinten bewegt werden, daß die Trajektorieführungs-Ausrichtebene so liegt, daß der Zielpunkt zu sehen ist. Mit der gleichen Abbildungsebene, die zum Positionieren der Führung gedient hat, kann damit die Ankunft der Eingriffsvorrichtung am Zielpunkt festgestellt werden. Auch dabei gelten jedoch nach wie vor die oben beschriebenen mathematischen Berechnungen, und es wird ein vorhersagbarer Schnittpunkt der Trajektorie mit der Trajektorieführungs-Ausrichtebene erhalten.
Schließlich wird bei der dritten Vorgehensweise, nachdem der Zielpunkt und der Zugangspunkt (in der Axialebene) gewählt wurden, die Liege so gedreht (wieder zum Beispiel um etwa 5 bis 15 Grad), daß der Winkel der neuen Abtastebene so liegt, daß die Trajektorielinie und die Trajektorie-Ausrichtebene sich schneiden.
Beim ersten und dritten Verfahren kann die Trajektorie echt axial zum Patienten liegen. Beim zweiten Verfahren wird die Trajektorie für einen schräg axialen Zugang mo difiziert. Dies ist ein typischer Fall für eine Leber-Biopsie, bei der die Rippen oft in der Zugangslinie für eine axiale Trajektorie liegen.
Wie beschrieben umfaßt die Erfindung somit in der beispielhaften Ausführungsform das folgende Verfahren (wobei die Schritte nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden), das in der 3 dargestellt ist:

1. Der interessierende Bereich im Körper wird abgebildet, um den Zielpunkt und den Zugangsweg zu lokalisieren (40).
2. An, in oder in der Nähe des Körpers wird eine Trajektorieführung plaziert. Die Trajektorieführung ist um einen festen Punkt schwenkbar, der in der Nähe der Oberfläche des Körpers liegt oder auch nicht, typischerweise sich jedoch an der Oberfläche oder außerhalb des Körpers befindet (41).
3. Es werden die Koordinaten des Zielpunkts und des Schwenkpunkts sowie die Orientierung der Abbildungsebene bestimmt (42).
4. Der Trajektorieführungs-Ausrichtstab wird in einer Ebene abgebildet, deren Orientierung in etwa senkrecht zu der Richtung der Führung ist, oder derart, daß die Ebene zumindest den Ausrichtstab schneidet, wenn er in der gewünschten Zugangslinie ausgerichtet ist. Dies wird im folgenden als "Trajektorieführungs-Ausrichtebene" bezeichnet (43).
5. Es wird der Schnittpunkt der durch die beiden Punkte definierten Linie mit der Trajektorieführungs-Ausrichtebene bestimmt (44).
6. Der Schnittpunkt wird als Zielpunkt in der Ebene in der Trajektorieführungsabbildung angezeigt (45).
7. Die Abbildung des Führungsstabes, der im wesentlichen so gesehen wird, wie wenn man seine Achse "entlangschaut", wird auf den Zielpunkt in der Ebene der Trajektorieführungsabbildung ausgerichtet (im wesentlichen durch Bewegen des Stabes in der "x"- und "y"-Richtung), vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise in Echtzeit (46).

Es ist anzumerken, daß die Trajektorieführungs-Ausrichtebene nicht genau senkrecht zu der Linie liegen muß, die den Zielpunkt und den Schwenkpunkt schneidet. Es ist nur erforderlich, daß die Linie nicht zur Gänze in der Trajektorieführungs-Ausrichtebene liegt, so daß der Stab der Führung die Ebene schneidet.
Beispielhafte Ausführungsform der Abbildungssoftware/Abbildungsvorrichtung
Gemäß einer Ausführungsform umfaßt die Erfindung eine Abbildungssoftware, die zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens auf einer Abbildungseinrichtung läuft. Wie in der Blockdarstellung der 4 gezeigt, umfaßt das Abbildungssystem 50 eine Abbildungseinrichtung 52, eine Computer-Verarbeitungseinheit 54 mit einer Software 56 und eine Anzeigeeinheit 58. Die Abbildungseinrichtung 52 kann eine Röntgenstrahl-Abbildungseinheit, eine Kernspintomographie-(MRI)-Abbildungseinheit oder eine Ultraschall-Abbildungseinheit sein. Die Einrichtung 52 führt der Computer-Verarbeitungseinheit 54 Abbildungsdaten zu, die dort unter der Kontrolle der Software 56 verarbeitet werden, um Abbildungen zu erzeugen, die auf der Anzeigeeinheit 58 dargestellt oder zu einem Abbildungsausdrucksystem (nicht gezeigt) ausgegeben werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Software 56 eine oder mehrere Softwarekomponenten 60, die ein Nutzerinterface und unterstützende Anweisungen zur Computerverarbeitung enthalten, um einen Operator durch die Anwendung der Verfahren der vorliegenden Ausführungsformen zu führen. Dieses Nutzerinterface und die unterstützenden Verarbeitungsanweisungen umfassen vorzugsweise mindestens Operatortools zum Identifizieren der Koordinaten des Zielpunkts und des Schwenkpunkts der Führung und zum Bestimmen der durch diese Punkte laufenden Linie und des Schnittpunkts dieser Linie mit der Trajektorieführungs-Ausrichtebene, um an der Anzeigeeinheit den Ausrichtpunkt auf der Abbildungsebene sicherzustellen und zu markieren. Diese Tools umfassen in einer beispielhaften Ausführungsform die Möglichkeit, mit einer Zeigevorrichtung wie einer Maus eine Cursormarkierung auf den Zielpunkt und den Schwenkpunkt zu "setzen", um die Koordinaten zum Berechnen der Linie 30 zu finden, was dann automatisch erfolgen kann, wenn die Cursormarkierungen festgelegt sind. Diese Cursormarkierungen können "gezogen und abgelegt" werden, um sie auf der Anzeige zu bewegen, falls erforderlich. Die Komponenten 60 umfassen vorzugsweise auch Tools, die den Operator bei der Angabe des Orts für die Trajektorieführungs-Ausrichtebene unterstützen, und wenn der Ausrichtpunkt identifiziert ist, ermöglichen sie eine Auswahl der Ansicht der Abbildungsebene, die eine Ausrichtung des Ausrichtstabes zu dem markierten Ausrichtpunkt ermöglicht. Außerdem ist vorgesehen, daß der Operator, nachdem er den Zielpunkt und den Schwenkpunkt markiert hat, die Komponenten 60 dazu veranlassen kann, automatisch in mehreren gleichzeitigen Fenstern in der Scanneranzeige Abbildungen wie in den Bildern der 1B, 2A und 2B anzuzeigen, so daß der Stab 18 mit Bezug zu der Trajektorieführungs-Ausrichtebenenabbildung ausgerichtet werden kann, und gleichzeitig die Bestätigungsabbildungen der 2A und 2B anzuzeigen (die abwechselnd aktualisiert werden können), damit der Stab 18 anschließend entfernt und die Eingriffsvorrichtung an die gewünschte Stelle gebracht werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt diese eine Ausführungsform, bei der das Positionieren des Führungsstabes automatisch unter der Kontrolle der Verarbeitungseinheit 54 und mittels einer elektromechanischen Steuerung 62 erfolgt, wie es in der 4 gestrichelt gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform umfassen die Softwarekomponenten 60 Computeranweisungen zum Steuern der elektromechanischen Verbindung über ein geeignetes Interface an der Einheit 54, um den Stab 18 zu bewegen, bis er zu den (x, y, z)-Koordinaten des Ausrichtpunktes ausgerichtet ist, wozu die Position der Markierung 19 mit dem gewünschten Ausrichtpunkt verglichen wird. Die mechanische Verbindung 64 kann von jedem Aufbau sein, der mit der Abbildungsumgebung vereinbar ist, etwa wie in der US 5 993 463 beschrieben.
Die 6 und 7 zeigen weitere alternative Ausführungsformen der Erfindung, mit denen eine Ausrichtung des Führungsstabes erreicht wird. Gemäß einer Ausführungsform gibt die Verarbeitungseinheit 54 ein Audiosignal aus, das anzeigt, wenn sich der Stab an die Ausrichtung annähert oder davon weg bewegt, oder zumindest eine Anzeige, wenn der Stab richtig ausgerichtet ist. Diese Anzeige kann zum Beispiel ein Ton variabler Frequenz sein, wobei das eine Ende des Frequenzbereichs die am weitesten weg befindliche Position und das andere Ende des Bereichs die Ausrichtung anzeigt. Die Bestimmung der Ausrichtung des Stabes kann durch eine Abbildungsanalyseeinheit 54 erhalten werden. Alternativ kann, wie in der 7 gezeigt, der Stab eine Mikrospule 72 umfassen, die ein Signal von einer Signalquelle 74 aufnimmt, oder er kann passiv sein und so ausgestaltet, daß er bei einer bekannten Frequenz in Resonanz gerät. Die Verarbeitungseinheit 54 kann so aufgebaut sein, daß sie das von der Spule 72 erzeugte Signal erfaßt und die räumlichen Koordinaten des Stabes bestimmt. Die 6 zeigt auch eine Laserlicht-Steuereinheit 80, die ein Ausgangssignal der Einheit 54 aufnimmt, das den Punkt im Raum anzeigt, mit dem der Stab 18 ausgerichtet ist. Die Einheit 80 steuert zwei Laser 82 und 84, die durch eine mechanische Verbindung oder anderweitig so ausgerichtet werden, daß die Strahlen 83 und 85 sich an dem Punkt (z.B. 34) im Raum schneiden, auf den der Stab 18 ausgerichtet werden soll. Der Stab 18 kann dann leicht auf den Schnittpunkt der Strahlen ausgerichtet werden, ohne daß auf die Abbildungsanzeige Bezug genommen werden muß. Natürlich kann die Ausrichtung dann mit den von der Abbildungseinrichtung erzeugten Abbildungen überprüft werden. Bei einer anderen Ausführungsform werden anstelle von Laserlicht andere Lichtquellen verwendet, etwa Infrarot oder Licht einer anderen Frequenz, oder andere Energiequellen, die auf einen Punkt im Raum fokussiert werden.
Die Erfindung umfaßt des weiteren, daß die Komponenten 60 im Abbildungssystem 50 enthalten sind oder in ein Trägermedium wie ein magnetisches Medium einkodiert sind oder als digitale Daten über ein elektrisches oder optisches Medium verbreitet werden.
Theoretische Basis der Berechnungen
Es folgt eine beispielhafte Technik zum graphischen Festlegen einer Linie oder Trajektorie durch zwei Punkte im Raum, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In diesem Beispiel wird angenommen, daß der Zielpunkt und der Schwenkpunkt dargestellt werden durch
Bei der Erfindung werden die Koordinaten dieser zwei Punkte mittels des Abbildungssystems gemessen. Die gewünschte Trajektorie wird durch die Linie definiert, die diese zwei Punkte (T und P) verbindet, sie ist mathematisch definiert als r → – r →p = kr ^TP wobei r den Vektor eines Punktes längs der Linie,
r_TP den Vektor vom Zielpunkt T zum Schwenkpunkt P und k einen Parameter bezeichnet, der den Abstand längs der Linie vom Zielpunkt "T" angibt.
In kartesischen Koordinaten kann eine Ebene allgemein definiert werden durch αx+βy+γz=1, wobei αβγ die drei Parameter für die Normale auf die Ebene sind, die die folgende Beziehung erfüllen:
Alternativ kann eine Ebene durch den Punkt (r₀) definiert werden durch r → – r →0 = m1r ^1+ m2r ^2 wobei r den Vektor irgendeines Punktes in der Ebene bezeichnet,
(I = 1, 2) zwei Einheitsvektoren parallel zu der Ebene darstellt und m₁ und m₂ zwei reelle Zahlen sind. Die beiden Einheitsvektoren können so gewählt werden, daß sie aufeinander senkrecht stehen. Wenn sie orthogonal zueinander sind, ist das Skalarprodukt der beiden Einheitsvektoren gleich Null: r ^1·r ^2 = 0
Der Normalvektor der Ebene wird durch das Vektorprodukt angegeben: n ^ = r ^1 × r ^2
Im allgemeinem kann ein Punkt in der Ebene ausgedrückt werden durch r → = r →0 + m1r ^1 + m2r ^2
Diese Gleichung impliziert, daß jeder Punkt in der Ebene eindeutig durch ein Zahlenpaar (m₁ und m₂) angegeben wird.
Der Schnittpunkt zwischen der Linie und der Ebene wird durch die Lösung der folgenden Vektorgleichung erhalten: r →p + kr ^TP = r →0 + m1r ^1 + m2r ^2
Durch numerisches Lösen dieser Vektorgleichung können sowohl m₁ und m₂ als auch der Parameter k für den Schnittpunkt erhalten werden. Dieser absolute Schnittpunkt kann zu einem Punkt der aufgenommenen Abbildung übertragen werden, die ein begrenztes Gesichtsfeld und eine begrenzte Auflösung aufweist, und graphisch angezeigt werden. Wenn die Abbildung der Referenzführung so eingestellt wird, daß sie mit dem Zielpunkt in der Ebene der Abbildung zusammenfällt, ist sichergestellt, daß die Referenzführung in der Richtung liegt, die durch die beiden Punkte (Zielpunkt und Schwenkpunkt) definiert wird.
Es wurde somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Positionieren einer Eingriffsvorrichtung in einem Körper unter Verwendung eines Schnittbild-Abbildungssystems beschrieben. Auch wenn die Erfindung in einer Ausführungsform als ein Verfahren zum Durchführen einer Biopsie im Gehirn eines Menschen beschrieben wurde, ist sie in keiner Weise auf das Durchführen von Biopsien oder auf die Anwendung am Menschen beschränkt. Obwohl die Erfindung oben mit Bezug zu einem MRI-Scanner beschrieben wurde, ist sie genausogut anwendbar bei einem beliebigen Querschnitt-Abbildungs/Abtastsystem, wie einem CT-Scanner, einem PET-Scanner oder einem Ultraschallscanner. Die Erfindung stellt einen schnellen und genauen Weg zum Erhalten der richtigen Ausrichtung der Führung dar, wodurch sich die Scannerausrüstung besser verwenden läßt und der Vorgang beschleunigt wird und die Zeit, während der ein Patient Unannehmlichkeiten zu ertragen hat, verkürzt wird. Auch wenn die Erfindung in einer bevorzugten Form beschrieben wurde, ist dies nur so zu verstehen, daß viele Modifikationen und Änderungen erfolgen können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben ist.

Claims

System zum präoperativen Positionieren einer Führung (17) für eine in einen Körper einzuführende Eingriffsvorrichtung, mit einer Abbildungseinrichtung zum Erzeugen von Abbildern des Körpers in auswählbaren Bildebenen; wobei die Führung ein Führungselement und eine Schwenkeinrichtung aufweist, die eine Schwenkbewegung der Achse des Führungselements um einen Schwenkpunkt ermöglicht; mit einer Verarbeitungseinheit (54) mit einer Einrichtung zum Definieren einer Trajektorie für die Eingriffsvorrichtung, die durch einen Zielpunkt (12) und den Schwenkpunkt verläuft; wobei die Verarbeitungseinheit ferner zur Steuerung der Abbildungseinrichtung derart in der Lage ist, daß während des Ausrichtens eine Abbildung angezeigt wird, die eine Anzeige der tatsächlichen Position des Führungselements enthält, um eine Ausrichtung des Führungselements an der Trajektorie zu ermöglichen; dadurch gekennzeichnet, daß während des Ausrichtens die Abbildungseinrichtung die Abbildung einer Führungsausrichtebene im Raum außerhalb des Körpers erzeugt, worin eine zum Führungselement gehörende Position sichtbar ist, und dadurch, daß die Verarbeitungseinheit zum Berechnen der Koordinaten eines dritten Punktes (34) dient, der die gewünschte Position des Führungselements an einer Stelle in der Führungsausrichtebene angibt, die auf der oder in der Nähe einer imaginären Linie (30) liegt, die durch den Zielpunkt und den Schwenkpunkt verläuft, und die Verarbeitungseinheit außerdem dazu dient, in die Abbildung eine die gewünschte Position des Ausrichtstabes angebende Markierung an den berechneten Koordinaten einzufügen.
System nach Anspruch 1, mit einer Computersoftware (56) für die Verarbeitungseinheit, die es dem Benutzer des Systems ermöglicht, die räumlichen Koordinaten des Zielpunkts und des Schwenkpunkts zu lokalisieren und den dritten Punkt zu bestimmen.
System nach Anspruch 2, wobei die Computersoftware für die Verarbeitungseinheit ferner dazu dient, den Benutzer dabei zu unterstützen, die Abbildung zu erhalten, mittels der die Achse des Führungselements am dritten Punkt ausgerichtet werden kann.
System nach Anspruch 3, wobei die Computersoftware für die Verarbeitungseinheit ferner dazu dient, die Markierung des Zielpunkts und des Schwenkpunkts mittels eines Zeigegeräts zu ermöglichen, um die durch den Zielpunkt und den Schwenkpunkt verlaufende Linie automatisch zu berechnen und um das entlang der Führungsausrichtebene aufgenommene Bild zu bestimmen und anzuzeigen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausrichtebene orthogonal oder im wesentlichen orthogonal zur Führungsachse ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingriffsvorrichtung eine Biopsienadel oder eine Medikamentenzuführsonde ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durch den Zielpunkt und den Schwenkpunkt verlaufende imaginäre Linie im wesentlichen parallel zur Längsachse des Patienten ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durch den Zielpunkt und den Schwenkpunkt verlaufende Linie im wesentlichen orthogonal zur Längsachse des Patienten ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abbildungseinrichtung eines der folgenden Geräte umfaßt: einen Computertomographiescanner, ein Kernspintomographie-Abbildungsgerät oder ein Ultraschall-Abbildungsgerät.
Verfahren zum Betreiben des Systems nach Anspruch 1 zum präoperativen Positionieren einer Führung (17) für eine in einen Körper einzuführende Eingriffsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ausrichtens die Abbildungseinrichtung die Abbildung einer Führungsausrichtebene im Raum außerhalb des Körpers erzeugt, worin eine zum Führungselement gehörende Position sichtbar ist, und dadurch, daß die Verarbeitungseinheit die Koordinaten eines dritten Punktes (34) berechnet, der die gewünschte Position des Führungselements an einer Stelle in der Führungsausrichtebene angibt, die auf der oder in der Nähe einer imaginären Linie (30) liegt, die durch den Zielpunkt und den Schwenkpunkt verläuft, und die Verarbeitungseinheit außerdem in die Abbildung eine die gewünschte Position des Ausrichtstabes angebende Markierung an den berechneten Koordinaten einfügt.
Computerlesbares Speichermedium, das Anweisungen zum Steuern des Systems zur Ausführung aller Schritte des Verfahrens nach Anspruch 10 enthält.