WO2001085046A1 - Sensoranordnung zur erfassung von lage- und positionsveränderungen eines probanden in einem neuronavigationssystem - Google Patents

Sensoranordnung zur erfassung von lage- und positionsveränderungen eines probanden in einem neuronavigationssystem Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for detecting changes in the position and position of a subject in a neuronavigation system, which is used to carry out and support surgical interventions, the arrangement being fixable on the subject's head and the output signals being supplied to a system computer as correction data , according to the preamble of claim 1.
  • a neuronavigation system and a tracking device for medical applications are previously known from PCT WO96 / 08209.
  • a tracking device is used to determine the current position of an instrument and to derive representations of the patient's anatomy on the basis of the recordings stored in the image database.
  • Means for extracting anatomical structures from the raw data sets of the preoperative recordings and providing these structures in the form of visualizable 3D image data sets are also provided there.
  • a transmitter generates a magnetic field in the navigation environment, the pointer navigation instrument having a magnetic field sensor. The position of the instrument can be determined by an appropriate field strength determination.
  • a further sensor is provided, which is fixed in the area of the nose with the aid of a clip on the patient's head.
  • a correction sensor that detects changes in the position of the subject's head is unreliable and is particularly troublesome when neurosurgical interventions or surgical measures are provided in the ear, nose and throat area.
  • a navigation system for carrying out and supporting surgical interventions uses a special constant-field transmitter, an integral magnetic field sensor being provided in the pointer navigation instrument.
  • the transmitter for generating the DC magnetic field of the tracking device is arranged there on the operating table or a headrest provided there, but outside the operating field, as a result of which a fixed, reproducible positional relationship between the patient's organ to be navigated and the transmitter is independent of the position of the operating table results in space.
  • the magnetic field sensor according to the teaching already proposed provides signals for deriving the position and / or direction of movement of the pointer navigation instrument on the basis of the defined constant magnetic field and its field orientation, these signals being able to be displayed on a PC monitor as well as for controlling the reloading and Update processes of an image processing module are used.
  • a further magnetic field sensor which can be attached directly to the test subject, preferably to the head, in order to detect changes in position and position in relation to the direct field transmitter.
  • the output signals of this second magnetic field sensor are supplied to the control computer as correction data in order to determine a quasi-dynamic coordinate system or one that is variable with respect to the change of origin.
  • a sensor arrangement for detecting changes in the position and position of a test subject in a neuronavigation system, which is used to carry out and support surgical interventions.
  • the arrangement to be created should be securely fixable on the subject's head without the operator being hampered in his work.
  • the sensor arrangement must be easy to install preoperatively and without effort and must not lead to unnecessarily high costs or expenses with regard to the type of fastening.
  • Toothed splint and sensor capsule are provided with means for releasable mutual holding.
  • the toothed splint itself serves to hold a fixing adhesive, e.g. a conventional two-component dental impression compound. With the help of this adhesive, the dental splint is fixed to a row of teeth in the patient's mouth.
  • the sensor capsule can preferably be connected to a section of the profiled toothed rail by means of a prismatic guide, in particular a flat or dovetail guide.
  • a prismatic guide in particular a flat or dovetail guide.
  • the sensor capsule itself has an essentially rectangular housing shape, the guide means complementary to the toothed rail being formed on the longitudinal side of the housing, and a fastening device for a sensor cable being provided on the housing.
  • This fastening device can be a moisture-protected plug connection, which interacts with an associated plug device at the end of the cable.
  • the toothed splint preferably has a slightly curved shape which essentially corresponds to a section of a row of teeth.
  • the area between the inner circle and the outer circle has openings or cutouts which serve to fix the fixing adhesive, so that the toothed rail attached to the row of teeth cannot slip.
  • the profile of the toothed rail is U-shaped, one profile leg having a first smaller thickness and the further profile leg having a second, greater thickness.
  • the profile leg of greater thickness serves to accommodate the means for releasably holding the sensor capsule.
  • the arrangement in the subject's mouth is attached to a row of teeth by means of the abovementioned adhesive, the profile leg of greater thickness with the sensor capsule attached there being oriented toward the outside of the row of teeth in the cheek direction.
  • the oral cavity of the test subject remains essentially free, so that there are no restrictions for the surgeon.
  • the immediate proximity of the arrangement to the opera field ensures a high degree of accuracy by minimizing the error vectors.
  • the image registration for the neuronavigation can be carried out without any further means than the sensor arrangement described, even with the subject's head moving freely.
  • the data obtained from the sensor arrangement e.g. Magnetic field data are taken into account when calculating the position of the actual neuronavigation pointer instrument and fed to a computer in the system.
  • the dental splint can be designed as a disposable part for hygienic reasons, but it is also possible to manufacture it from a sterilizable material for the purpose of multiple use.
  • Figure 1 is a view of the sensor capsule and profiled toothed rail before connecting.
  • FIG. 2 shows a view of a sensor capsule which is connected to the toothed rail in a latching manner by means of a suitable guide; 3 shows a sensor arrangement used in the mouth of a test subject; and
  • the sensor arrangement comprises a profiled toothed rail 1 with a profile leg of greater thickness 2 and a profile leg of smaller thickness 3.
  • the section 4 connecting the legs has circular openings 8 or bores in the exemplary embodiment shown, which serve to better absorb the fixing adhesive 9 that an undesirable displacement of the arrangement is excluded.
  • a longitudinal groove is made which is complementary to a guide projection 5 on the housing 6 of the sensor capsule.
  • the guide can be implemented as a flat, prism or dovetail guide, with the guide projection 5 also being able to be implemented on the leg of greater thickness 2 and the complementary groove on the sensor capsule or the housing 6.
  • the shape of the housing 6 is substantially rectangular and elongated in the embodiment, so that the sensor capsule can be accommodated in the space between the row of teeth and the inner cheek region.
  • the type of attachment of the sensor arrangement is illustrated in FIG. 3, it also becoming clear that the oral cavity remains free, for example to accommodate a tube.
  • the toothed splint 1 has a slightly curved shape which corresponds to the course of a section of a row of teeth.
  • the toothed splint 1 is fastened to the inside of the test subject with the aid of the adhesive 9, the profile leg of greater thickness 2 with the sensor capsule attached there being oriented toward the outside of the row of teeth in the cheek direction.
  • Two-component tooth impression compound is preferably used as the adhesive compound 9.
  • the toothed splint which can be separated from the sensor capsule, can be manufactured as a disposable part in a particularly inexpensive form or can be made of a sterilizable material for multiple use.
  • the presented invention succeeds in keeping the patient's head movable, which has operational advantages compared to a rigid fixation that was previously required.
  • correction data can be acquired by simply and securely fixing the sensor in the subject's mouth, so that changes in the position and position of the head can be easily recorded online and taken into account when determining the position of the pointer instrument.
  • the profile of the toothed splint can also deviate from a U-shape as long as it can be securely adhered to a row of teeth.
  • the sensor arrangement is attached using the toothed splint and the quick-setting impression material at the time of patient preparation in the operating room after the patient has been entubated. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung der Lage- und Positionsveränderungen eines Probanden in einem Neuronavigationssystem, welches der Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen dient, wobei die Anordnung am Kopf des Probanden fixierbar ist und die Ausgangssignale als Korrekturdaten einem Systemrechner zugeführt sind. Erfindungsgemäss ist eine profilierte Zahnschiene zur Aufnahme einer Befestigungshaftmasse und eine Sensorkapsel mit Mitteln zum lösbaren Halten an der Zahnschiene vorgesehen. Die profilierte Zahnschiene wird mit Hilfe der Befestigungshaftmasse im Mundraum des Probanden befestigt, wobei die Sensorkapsel zur Aussenseite der Zahnreihe in Wangenrichtung orientiert ist, so dass die Mundhöhle im wesentlichen frei bleibt.

Description

Sensoranordnung zur Erfassung von Lage- und
Positionsveränderungen eines Probanden in einem
Neuronavigationssyste
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung von Lage- und Positionsveränderungen eines Probanden in einem Neuronavigationssystem, welches zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen dient, wobei die Anord- nung am Kopf des Probanden fixierbar ist und die Ausgangs- signale als Korrekturdaten einem Systemrechner zugeführt sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der PCT WO96/08209 ist ein Neuronavigationssystem sowie eine Tracking-Einrichtung für medizinische Anwendungen vorbekannt. Dort ist eine Bilddatenbank für präoperativ angefertigte Kernspin- oder Computertomographieaufnahmen vorhanden und ein Personal -Computer oder Steuerrechner steht mit einem Monitor zur Bilddatenverarbeitung und -darstellung in Verbindung. Eine Tracking-Einrichtung dient dem Bestimmen der momentanen Position eines Instruments und Ableiten von Darstellungen der Patientenanatomie anhand der in der Bilddatenbank abgelegten Aufnahmen. Weiterhin sind dort Mittel zum Extrahieren von anatomischen Strukturen aus den Rohdatensätzen der präopera- tiven Aufnahmen und Bereitstellen dieser Strukturen in Form von visualisierbaren 3D-Bilddatensätzen vorgesehen. Ein Transmitter erzeugt ein magnetisches Feld in der Navigationsumgebung, wobei das Zeigernavigationsinstrument einen Magnetfeldsensor besitzt. Die Position des Instruments kann durch eine entsprechende Feldstärkebestimmung ermittelt werden.
Zur Bestimmung einer Bezugslage ist ein weiterer Sensor vorgesehen, welcher mit Hilfe einer Klammer am Kopf des Patienten im Bereich der Nase fixiert wird. Eine solche Befestigungsart für einen Korrektursensor, der Lageveränderungen des Kopfes des Probanden aufnimmt, ist jedoch unzuverlässig und stört insbesondere dann, wenn neurochirurgische Eingriffe oder chirurgische Maßnahmen im Hals-Nasen-Ohrenbereich vorgesehen sind.
Bei einer älteren, auf die Anmelderin zurückgehenden Lehre wird bei einem Navigationssystem zur Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen auf einen speziellen Gleichfeld- Transmitter zurückgegriffen, wobei im Zeigernavigationsin- strument ein integraler Magnetfeldsensor vorgesehen ist . Der Transmitter zum Erzeugen des magnetischen Gleichfelds der Tracking-Einrichtung ist dort am Operationstisch oder einer dort vorgesehenen Kopfaufläge, jedoch außerhalb des Operationsfelds angeordnet, wodurch sich eine feste, reproduzierbare Lagebeziehung zwischen dem zu navigierenden Organ des Patienten und dem Transmitter unabhängig von der Lage des Operationstisches im Raum ergibt. Der Magnetfeldsensor gemäß der bereits vorgeschlagenen Lehre liefert Signale zum Ableiten von Position und/oder Bewegungsrichtung des Zeigernavigations- instruments anhand des definierten magnetischen Gleichfelds und dessen Feldorientierung, wobei diese Signale sowohl auf einem PC-Monitor darstellbar sind, als auch zur Steuerung der Nachlade- und Aktualisierungsvorgänge eines Bildbearbeitungsmoduls dienen .
Ebenfalls wurde dort vorgeschlagen, einen weiteren Magnetfeldsensor anzuordnen, wobei dieser unmittelbar am Probanden, bevorzugt am Kopf befestigbar ist, um Lage- und Positionsveränderungen bezogen auf den Gleichfeld-Transmitter zu erfassen. Die Ausgangssignale dieses zweiten Magnetfeldsensors werden als Korrekturdaten dem Steuerrechner zugeführt, um ein quasi dynamisches oder bezogen auf die Ursprungsänderung veränderliches Koordinatensystem festzulegen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Befestigung des weiteren Sensors am Kopf eines Probanden bzw. Patienten nicht unproblematisch ist, da ein sicheres Fixieren erforderlich wird und andererseits aber der Operateur in seiner Tätigkeit durch diesen weiteren Sensor nicht behindert werden darf.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Sensoranordnung zur Erfassung von Lage- und Positionsveränderungen eines Probanden in einem Neuronavigationssystem anzugeben, welches der Durchführung und Untersützung von chirurgischen Eingriffen dient. Die zu schaffende Anordnung soll sicher am Kopf des Probanden fixierbar sein, ohne daß der Operateur in seiner Arbeit behindert ist . Darüber hinaus muß die Sensoranordnung präoperativ leicht und ohne Aufwand angebracht werden können und darf bezüglich der Befestigungsart nicht zu unnötig hohen Kosten oder Aufwendungen führen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Sensoranordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt demnach in einer zweiteiligen Sensoranordnung, die einerseits eine profilierte Zahnschiene und andererseits eine Sensorkapsel um aßt. Zahnschiene und Sensorkapsel sind mit Mitteln zum lösbaren gegenseitigen Halten versehen. Die Zahnschiene selbst dient der Aufnahme einer Befestigungshaftmasse, z.B. einer üblichen Zweikomponenten-Zahnabdruckmasse . Mit Hilfe dieser Haftmasse wird die Zahnschiene an einer Zahnreihe des Patienten im Mundraum fixiert.
Die Sensorkapsel kann bevorzugt mittels einer Prismen-, insbesondere Flach- oder Schwalbenschwanzführung mit einem Abschnitt der profilierten Zahnschiene verbunden werden. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Sensorkapsel in üblicher Weise durch Schrauben oder in ähnlicher Art kraftschlüssig an der profilierten Zahnschiene zu befestigen. Die Sensorkapsel selbst besitzt bei einem Ausführungsbeispiei eine im wesentlichen rechteckige Gehäuseform, wobei an der Gehäuselängsseite das zur Zahnschiene komplementäre Führungs- mittel ausgebildet und weiterhin am Gehäuse eine Befestigungs- einrichtung für ein Sensorkabel vorgesehen ist. Diese Befestigungseinrichtung kann eine feuchtigkeitsgeschützte Steckverbindung sein, die mit einer zugehörigen Steckeinrichtung am Kabelende wechselwirkt .
Die Zahnschiene weist bevorzugt eine leicht gekrümmte Form auf, die im wesentlichen einem Abschnitt einer Zahnreihe entspricht. Die Fläche zwischen Innenkreis und Außenkreis besitzt Durchbrüche oder Aussparungen, die dem Fixieren der Befestigungs- haftmasse dienen, so daß ein Verrutschen der an der Zahnreihe befestigten Zahnschiene ausgeschlossen wird.
Das Profil der Zahnschiene ist bei einem Ausführungsbeispiei U- förmig ausgebildet, wobei ein Profilschenkel eine erste geringere Dicke und der weitere Profilschenkel eine zweite, größere Dicke aufweist. Der Profilschenkel größerer Dicke dient der Aufnahme des Mittels zum lösbaren Halten der Sensorkapsel. Zum Beispiel kann in diesem Profilschenkel mit größerer Dicke eine Nut zur Aufnahme einer Schwalbenschwanz- oder Flachführung, d.h. eines entsprechend am Sensorkapselgehäuse geformten Steges eingebracht sein.
Im Gebrauchszustand wird die Anordnung im Mundraum des Probanden mittels der vorerwähnten Haftmasse an einer Zahnreihe befestigt, wobei der Profilschenkel größerer Dicke mit der dort angebrachten Sensorkapsel zur Außenseite der Zahnreihe in Wangenrichtung orientiert ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Mundhöhle des Probanden im wesentlichen frei bleibt, so daß hier keinerlei Einschränkungen für den Chirurgen gegeben sind. Insbesondere kommt es zu keinen Behinderungen mit anderen medizinischen Gerätschaften, z.B. einem Tubus der Anästhesie. Die unmittelbare Nähe der Anordnung zum Opera- tionsfeld sichert weiterhin ein hohes Maß an Genauigkeit durch Minimierung der Fehlervektoren.
Die Bildregistrierung für die Neuronavigation kann bereits bei freier Kopfbewegung des Probanden ohne weitere Mittel als die beschriebene Sensoranordnung erfolgen.
Die von der Sensoranordnung erhaltenen Daten, z.B. Magnetfelddaten, werden bei der Berechnung der Position des eigentlichen Neuronavigations-Zeigerinstruments entsprechend berücksichtigt und einem im System vorhandenen Rechner zugeführt .
Selbstverständlich sind abweichend von der beschriebenen Flach-, Prismen- oder Schwalbenschwanzführung auch rastende, d.h. sogenannte Snap-in-Verbindungen zwischen Sensorkapsel und Zahnschiene denkbar, ohne daß das vorgestellte Prinzip der Erfindung verlassen wird.
Die Zahnschiene kann aus hygienischen Gründen als Einwegteil ausgebildet sein, wobei aber auch die Möglichkeit besteht, diese aus einem sterilisierbaren Material zum Zwecke der Mehrfachnutzung zu fertigen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei- spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht von Sensorkapsel und profilierter Zahnschiene vor dem Verbinden;
Fig. 2 eine Ansicht einer Sensorkapsel, die mit der Zahnschiene über eine geeignete Führung rastend verbunden ist; Fig. 3 eine im Mundraum eines Probanden eingesetzte Sensoranordnung; und
Fig. 4 eine Darstellung der Sensoranordnung mit Befestigungs- haftmasse nach Entfernen aus dem Mundraum des Probanden.
Gemäß den Figuren umfaßt die Sensoranordnung eine profilierte Zahnschiene 1 mit einem Profilschenkel größerer Dicke 2 und einem Profilschenkel kleinerer Dicke 3. Der die Schenkel verbindende Abschnitt 4 weist beim gezeigten Ausführungsbeispiei kreisförmige Durchbrüche 8 oder Bohrungen auf, die der besseren Aufnahme der Befestigungshaftmasse 9 dienen, so daß ein unerwünschtes Verschieben der Anordnung ausgeschlossen wird.
Im Bereich des Schenkels größerer Dicke 2 ist eine Längsnut eingebracht, die komplementär zu einem Führungsvorsprung 5 am Gehäuse 6 der Sensorkapsel ausgebildet ist.
Beispielsweise kann die Führung als Flach-, Prismen- oder Schwalbenschwanzführung realisiert werden, wobei selbstverständlich der Führungsvorsprung 5 auch am Schenkel größerer Dicke 2 und die hierzu komplementäre Nut an der Sensorkapsel bzw. dem Gehäuse 6 ausführbar ist.
Am Gehäuse 6 ist eine nicht gezeigte Steckbuchse zum mechanischen Befestigen und elektrischen Kontaktieren eines Kabels 7 vorhanden .
Die Form des Gehäuses 6 ist beim Ausführungsbeispiei im wesentlichen rechteckig und langgestreckt, so daß die Sensorkapsel im Raum zwischen Zahnreihe und Wangeninnenbereich Platz findet .
Die Art der Befestigung der Sensoranordnung ist in der Fig. 3 illustriert, wobei auch deutlich wird, daß die Mundhöhle frei bleibt, um z.B. einen Tubus aufzunehmen. Die Zahnschiene 1 weist eine leicht gekrümmte Form auf, die dem Verlauf eines Abschnitts einer Zahnreihe entspricht.
Im Gebrauchszustand wird die Zahnschiene 1 mit Hilfe der Haft- masse 9 an einer Zahninnenseite des Probanden befestigt, wobei der Profilschenkel größerer Dicke 2 mit der dort angebrachten Sensorkapsel zur Außenseite der Zahnreihe in Wangenrichtung orientiert ist. Als Haftmasse 9 wird bevorzugt Zweikomponenten- Zahnabdruckmasse verwendet.
Die Zahnschiene, welche von der Sensorkapsel trennbar ist, kann als Einwegteil in besonders preiswerter Form gefertigt oder zur Mehrfachnutzung aus einem sterilisierbaren Material hergestellt werden.
Alles in allem gelingt es mit der vorgestellten Erfindung, den Patientenkopf beweglich zu halten, was im Vergleich zu einer bisher erforderlichen starren Fixierung operative Vorteile nach sich zieht. Darüber hinaus kann durch das einfache und sichere Fixieren des Sensors im Mundraum des Probanden eine Korrekturdatenerfassung erfolgen, so daß Lage- und Positionsveränderungen des Kopfes ohne weiteres online erfaßt und bei der Bestimmung der Lage des Zeigerinstruments berücksichtigt werden können .
Es liegt im Sinne der Erfindung, daß die Profilierung der Zahnschiene auch von einer U-Form abweichen kann, solange diese sicher haftend an einer Zahnreihe befestigbar ist. Das Anbrin- gen des Sensoranordnung mit Hilfe der Zahnschiene und der schnell abbindenden Abdruckmasse geschieht zum Zeitpunkt der Patientenvorbereitung im Operationsraum nach der Entubation des Patienten. Bezugszeichenliste
1 Zahnschiene 2 Schenkel größerer Dicke
3 Schenkel kleinerer Dicke
4 Verbindungsabschnitt der Schenkel
5 Führungsvorsprung
6 Gehäuse 7 Kabel
8 Durchbrüche im Verbindungsabschnitt
9 Haftmasse

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung zur Erfassung von Lage- und Positionsveränderungen eines Probanden in einem Neuronavigationssystem, welches der Durchführung und Unterstützung von chirurgischen Eingriffen dient, wobei die Anordnung am Kopf des Probanden fixierbar ist und die Ausgangssignale als Korrekturdaten einem Systemrechner zugeführt sind, umfassend eine gekrümmte Zahnschiene zur Aufnahme einer Befestigungs- haftmasse und eine Sensorkapsel mit Mitteln zum lösbaren Halten an der Zahnschiene, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche zwischen Innenkreis und Außenkreis der gekrümmten Zahnschiene Durchbrüche oder Aussparungen zum Fixieren der Befestigungshaftmasse umfaßt, die Zahnschiene ein im wesentlichen U-förmiges Profil besitzt, wobei ein Profilschenkel eine erste geringe Dicke und der weitere Profilschenkel eine zweite größere Dicke aufweist und am Profilschenkel größerer Dicke das Mittel zum lösbaren Halten der Sensorkapsel ausgebildet ist, und daß im Gebrauchszustand die Zahnschiene im Mundraum des Probanden mittels der Haftmasse so an einer Zahnreihe befestigt ist, daß der Profilschenkel größerer Dicke mit dort angebrachter Sensorkapsel zur Außenseite der Zahnreihe in Wangenrichtung orientiert ist, um die Mundhöhle im wesentlichen frei zu halten.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum lösbaren Halten als Prismen-, insbesondere Flach- oder Schwalbenschwanzführung ausgebildet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorkapsel eine im wesentlichen rechteckige Gehäuseform aufweist, wobei an der Gehäuselängsseite das zur Zahnschiene komplementäre Führungsmittel ausgebildet und weiterhin am Gehäuse eine Befestigungseinrichtung für ein Sensorkabel vorgesehen ist .
4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnschiene als Einwegteil ausgebildet oder zur Mehrfach- nutzung aus einem sterilisierbaren Material gefertigt ist .
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