DE69930638T2

DE69930638T2 - Verfahren zur herstellung einer individuell erzeugten chirurgischen halterung

Info

Publication number: DE69930638T2
Application number: DE69930638T
Authority: DE
Inventors: J. Ronald Bowdoinham FRANKLIN; I. Joel Durham FRANCK; C. Frederick Brunswick HAER
Original assignee: Neutar LLC
Current assignee: Neutar LLC
Priority date: 1998-07-06
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2019-07-03
Also published as: AU5088599A; US6327491B1; US20050085719A1; EP1094760B1; ATE321499T1; WO2000001316A1; DE69930638D1; EP1094760A1; US6738657B1

Description

Hintergrund
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausbildung von individuumspezifischen chirurgischen Fixierungseinrichtungen.
In der WO-A-95/13758 ist ein Verfahren zur Ausbildung eines Instrumententrägers offenbart. Aus Abtastdaten wird eine stereolithographische Kopie einer anatomischen Pathologie aufgebaut. Aus den Abtastdaten wird unter Verwendung eines analogen Modells eines Bereichs der anatomischen Pathologie eine kontrollierte Basis für den Instrumententräger gebildet. Die Basis wird an der anatomischen Kopie festgelegt, und es wird ein Instrumentenführungsrohr in ein härtbares Harz auf der Basis bei einer gewünschten Ausrichtung eingesetzt.
Viele Arten von chirurgischen Vorgängen beruhen auf dem genauen Führen eines Instruments in den Körper. Dies ist der Fall bei der stereotaktischen Chirurgie, bei der ein Zielpunkt in einem Körper, beispielsweise in einem Gehirn, in einem dreidimensionalen abgetasteten Bild des Körpers identifiziert wird. Ein detaillierter Überblick der stereotaktischen Chirurgie befindet sich im Textbook of Stereotactic and Functional Neurosurgery, P. L. Gildenberg und R. R. Tasker (Hrsg.), McGraw-Hill, Juni 1997 (ISBN: 0070236046). Bei einer typischen Methode der stereotaktischen Chirurgie wird ein Rahmen an dem Körper vor dem Abtasten befestigt. Nach dem Abtasten wird der Zielpunkt in dem Körper in dem abgetasteten Bild unter Bezug auf den Rahmen identifiziert. Dann wird während des Eingriffs eine einstellbare Instrumentenführung an dem Rahmen befestigt. Die Führung ist so eingestellt, dass sie mit dem Zielpunkt fluchtend ausgerichtet ist. Ein diesbezügliches Verfahren der stereotaktischen Chirurgie ist in der anhängigen US-Patentanmeldung 09/063 658, angemeldet am 21. April 1998 beschrieben, die hier als Referenz eingeschlossen ist. Bei dieser in der Gehirnchirurgie verwendeten Methode wird eine einstellbare Instrumentenführung direkt an dem Schädel befestigt. Nach der Festlegung wird sie so eingestellt, dass sie zu dem Zielpunkt fluchtend ausgerichtet ist.
Diese früheren Methoden der stereotaktischen Chirurgie erfordern eine Einstellung einer Instrumentenführung, damit das Instrument genau zum Zielpunkt in dem Körper bewegt werden kann.
Zusammenfassung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ausbildung einer individuumspezifischen chirurgischen Fixierungseinrichtung zum Befestigen an einem Körper und zum Bereitstellen eines Bezugsaufbaus zum Orten eines Ziels in dem Körper bereitgestellt, das gekennzeichnet ist durch

– Bearbeiten eines dreidimensionalen abgetasteten Bildes des Körpers einschließlich Bestimmen einer Position des Ziels in dem Körper und der Positionen von Einsätzen, die an einem Körper befestigt sind, und
– Bestimmen von Daten, die einen Aufbau der chirurgischen Fixierungseinrichtung kennzeichnen, die den Bezugsaufbau zum Führen eines chirurgischen Instruments aufweist, so dass die Fixierungseinrichtung, wenn sie in Bezug auf die Einsätze befestigt ist, den Bezugsaufbau in einer festgelegten Position und Ausrichtung bezüglich des Ziels in dem Körper hält.

Das Einstellen einer Instrumentenführung zum fluchtenden Ausrichten zu einem Zielpunkt in dem Körper kann komplex und zeitraubend sein. Bei einigen Verfahren müssen mehrere Punkte angezielt werden. Beispielsweise in der spinalen stereotaktischen Chirurgie werden Mehrfachziele an unterschiedlichen Spinalsegmenten verwendet. Anstatt eine einstellbare Instrumentenführung als Ziel zu nehmen, wird bei der vorliegenden Erfindung eine individuumspezifische Fixierungseinrichtung für einen speziellen Patienten so hergestellt, dass die Zielnahme unnötig oder stark vereinfacht wird. Zum Führen eines chirurgischen Instruments zu dem gewünschten Punkt ohne Justierung kann eine fixierte Instrumentenführung verwendet werden, die an der individuumspezifischen Fixierungseinrichtung befestigt ist.
Die Erfindung zeichnet sich durch ein Verfahren zur Ausbildung einer chirurgischen Fixierungseinrichtung zum Befestigen an einem Körper und zum Bereitstellen eines Bezugsaufbaus für ein genaues Orten eines Ziels in dem Körper aus, beispielsweise eines speziellen Punktes oder einer anatomischen Struktur in dem Körper. Zu dem Verfahren gehört das Bearbeiten eines dreidimensionalen abgetasteten Bildes des Körpers, beispielsweise einer CT- oder MRI-Abtastung. Das abgetastete Bild enthält das Ziel in dem Körper, beispielsweise einen Punkt oder einen Bereich des Körpers und eine Anbringstelle des Körpers. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen eines Aufbaus der chirurgischen Fixierungseinrichtung derart, dass, wenn die Fixierungseinrichtung an der Anbringstelle des Körpers festgelegt ist, sie einen Bezugsaufbau an einer festgelegten Position und Ausrichtung bezüglich des Ziels in dem Körper bildet.
Zu dem Verfahren können eine oder mehrere der folgenden Merkmale gehören.
In dem abgetasteten Bild kann eine Vielzahl von Anbringungspunkten identifiziert werden. Dann kann die geometrische Beziehung zwischen entsprechenden Anbringungspunkten an der Fixierungseinrichtung und dem Bezugsaufbau bestimmt werden. Das Verfahren kann weiterhin auch befestigende Anbringverankerungen an dem Körper aufweisen, bevor der Körper abgetastet wird. An den Verankerungen sind Abtastmarkierungen befestigt. Die identifizierten Anbringungspunkte sind dann die Positionen der Abtastmarkierungen in dem dreidimensionalen Bild.
Die Anbringungsposition für die Fixierungseinrichtung kann eine anatomische Struktur an den Körper sein. Für das Zusammenpassen mit der anatomischen Struktur wird eine Kontur einer Oberfläche der Fixierungseinrichtung bestimmt.
Das Verfahren kann auch das Identifizieren des Ziels an dem abgetasteten Bild aufweisen. Es kann auch eine Bahn zum Erreichen des Ziels identifiziert werden. Die Position und die Ausrichtung des Bezugsaufbaus werden dann unter Bezug auf die identifizierte Bahn bestimmt.
Der Aufbau der Fixierungseinrichtung kann in Form eines massiven Modells der Fixierungseinrichtung bestimmt werden, welches das von der Oberfläche der Fixierungseinrichtung geschlossene Volumen bestimmt. Das Verfahren kann dann auch das Herstellen der Fixierungseinrichtung entsprechend dem massiven Modell aufweisen.
Zu dem Verfahren kann das Befestigen einer Vielzahl von Aufspürmarkierungen an der chirurgischen Fixierungseinrichtung gehören. Beispielsweise kann die Vielzahl von Aufspürmarkierungen, wie Licht emittierende Dioden, an einer Aufspürfixierungseinrichtung festgelegt werden, die dann an der chirurgischen Fixierungseinrichtung befestigt wird. Zu dem Ver fahren gehört dann das Aufspüren der Positionen der Aufspürmarkierungen bezüglich einer entfernt liegenden Fühlvorrichtung, beispielsweise einer Kameragruppe oder Laseraufspüreinrichtung. Das Verfahren kann ferner das Aufspüren einer Position eines chirurgischen Instruments bezüglich der entfernt liegenden Fühlvorrichtung aufweisen, beispielsweise durch Aufspüren der Positionen der Aufspürmarkierungen, die an dem Instrument befestigt sind, und das Rechnen einer Relativposition des chirurgischen Instruments bezüglich der chirurgischen Fixiereinrichtung aufweisen, wobei die aufgespürte Position der Aufspürmarkierungen und des chirurgischen Instruments bezüglich der entfernt liegenden Fühlvorrichtung verwendet werden.
Der Körper kann ein Rückgrat einschließen, und die Anbringungsposition kann ein Spinalsegment aufweisen. Zu dem Verfahren kann auch die Ausbildung eines Modells der Wirbelsäule gehören. Das Verfahren kann ferner das Ausbilden eines korrigierten Modells der Wirbelsäule in einer korrigierten Konfiguration aufweisen. Der bestimmte Aufbau der chirurgischen Fixierungseinrichtung ist so beschaffen, dass sie, wenn sie befestigt ist, einen zweiten Bezugsaufbau an einer bestimmten Position und Ausrichtung bezüglich des Ziels in der korrigierten Konfiguration der Wirbelsäule bereitstellt.
Zu dem Verfahren können das Auswählen eines Modells einer Standardfixierungseinrichtung und das Umformen des Modells der Standardfixierungseinrichtung gehören, um das Standardmodell an das Ziel und die Anbringposition anzupassen.
Eine chirurgische Fixierungseinrichtung kann von einem Rechnermodell unter Verwendung einer schnellen Prototypbildungs- und Bearbeitungstechnik gebildet werden. Die Fixierungseinrichtung hat eine Vielzahl von Anbringungsabschnitten zum Befestigen der Fixierungseinrichtung an einem Körper an einer vorgegebenen Abringungsstelle an dem Körper sowie einen Bezugsaufbau, der mit den Anbringungsabschnitten zum Führen eines chirurgischen Instruments in den Körper gekoppelt ist. Wenn die Fixierungseinrichtung an dem Körper an der Anbringungsstelle befestigt ist, befindet sich der Bezugsaufbau in einer vorgegebenen Position und Ausrichtung zu einem Ziel innerhalb des Körpers. Die Fixierungseinrichtung kann eine Instrumentenführung aufweisen, die an dem Bezugsaufbau angebracht ist, um das Instrument in den Körper zu treiben.
Die Erfindung zeichnet sich auch durch eine Software aus, die auf einem rechnerlesbaren Medium gespeichert ist, um einen Rechner zu veranlassen, die Funktionen der Verarbeitung eines dreidimensionalen abgetasteten Bildes eines Körpers auszuführen, wobei das abgetastete Bild das Ziel in dem Körper und eine Anbringstelle des Körpers aufweist und ein Aufbau einer chirurgischen Fixierungseinrichtung so bestimmt wird, dass sie, wenn sie an der Anbringungsposition des Körpers festgelegt ist, einen Referenzaufbau in einer bestimmten Position und Ausrichtung bezüglich eines Ziels in dem Körper bereitstellt.
Zu den Vorteilen der Erfindung gehört, dass die Notwendigkeit für ein Zielen einer einstellbaren Leitfixierungseinrichtung basierend auf der Position von Zielpunkten in dem Körper vermieden wird. Dies verringert die Zeit, die für den Eingriff erforderlich ist und erhöht die Genauigkeit und Präzision der Zielerfassung.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die individuumspezifische Fixierungseinrichtung eine Anbringungsbasis in einer genauen Position bezüglich des Körpers bereitstellen kann. Dies vermeidet einen manuellen Deckungsvorgang der stereotaktischen Chirurgie, bei dem die Übereinstimmung zwischen dem abgetasteten Bild und dem physikalischen Körper hergestellt wird. Das manuelle Deckungsverfahren kann zeitraubend und ungenau sein.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass Aufspürmarkierungen, wie Lichtquellen oder Reflektoren, an vorgegebenen Stellen bezüglich des Körpers festgelegt werden können, ohne dass es erforderlich ist, dass Anbringungspunkte, wie Knochenverankerungen, sich in einer speziellen Konfiguration befinden, und ohne dass es ein manueller Deckungsschritt erforderlich wird, nachdem die Aufspürmarkierungen an dem Körper befestigt worden sind. Dies ergibt die Flexibilität in der Wahl, wo die Fixierungseinrichtung angebracht werden soll, und verringert die Zeit, die erforderlich ist, bevor der Eingriff beginnen kann, und bietet eine verbesserte Genauigkeit verglichen mit derjenigen, die typischerweise unter Verwendung der manuellen Deckung erreicht wird und vermeidet Fehler, die bei dem manuellen Deckungsschritt inhärent sind.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass die individuumspezifische Befestigungseinrichtung leicht an dem Körper festlegbar ist, beispielsweise durch Anpassen der Befestigungsvorrichtung an einen Satz von Verankerungen, die an dem Körper vor dem Abtasten festgelegt sind, oder in einem anderen Fall das Anpassen der Befestigungseinrichtung an die spezielle Anatomie des Patienten.
Ein anderer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die individuumspezifische Befestigungseinrichtung wiederholt an dem in dem Körper permanent implantierten Verankerungen wieder befestigt werden können, was Nachführungs- oder wiederholte Vorgänge ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die detaillierte Fixierungseinrichtungsauslegung auf einer gewünschten Konfiguration eines konfigurierbaren Teils des Körpers, wie der Wirbelsäule, basiert, anstatt allein auf der Konfiguration während des Abtastens. Dies ermöglicht, dass die Fixierungseinrichtung nicht nur zum Führen von Instrumenten in den Körper, sondern auch, wenn sie an dem Körper befestigt ist, dazu verwendet werden kann, die Konfiguration des Körpers zu erzwingen, beispielsweise eine Wirbelsäulen- oder orthopädische Knochendeformation für einen komplexen Bruch zu korrigieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und aus den Ansprüchen ersichtlich.
Beschreibung der Zeichnungen
1a und 1b zeigen Abtastmarkierungen und Knochenverankerungen, die zum Befestigen der Abtastmarkierungen an einem Schädel verwendet werden.
2 zeigt die Abtastphase.
3 zeigt ein abgetastetes Bild und positionierte Bildpunkte.
4 zeigt eine individuumspezifische Fixierungseinrichtung.
5a bis 5c zeigen eine weitere individuumspezifische Fixierungseinrichtung befestigt an einem Kopf und gesehen längs einer Zielbahn und von der Seite.
6 ist eine Seitenansicht der Fixierungseinrichtung, die eine Instrumentenführung trägt.
7 ist eine Fixierungseinrichtung, die eine einstellbare Instrumentenführung trägt.
8 zeigt eine am Kopf angebrachte Fixierungseinrichtung, die an die Konturen des Schädels angepasst ist.
9a und 9b zeigen eine individuumspezifische Fixierungseinrichtung für die Wirbelsäulenchirurgie.
10a und 10b zeigen eine spinale Befestigungseinrichtung, die zur Modifizierung der Krümmung der Wirbelsäule verwendet wird.
11 zeigt eine Computerimplementierung des Fixierungseinrichtungsauslegungsvorgangs.
12 zeigt die Befestigung von Aufspürmarkierungen an einer individuumspezifischen Fixierungseinrichtung.
13 zeigt eine sensoraufgespürte Bildführung eines chirurgischen Instruments bezüglich der Aufspürmarkierungen, die an einem Schädel mit einer individuumspezifischen Fixierungseinrichtung angebracht sind.
14 zeigt mehrere individuumspezifische Fixierungseinrichtungen, die Aufspürmarkierungen tragen, die dazu verwendet werden, die Position eines Oberschenkelknochens bezüglich des Beckens aufzuspüren.
Beschreibung
Ein Verfahren der stereotaktischen Chirurgie nach der Erfindung hat vier Phasen.
Abtasten und chirurgisches Planen
Es wird ein dreidimensional abgetastetes Bild eines Patienten genommen. Der Chirurg identifiziert einen Zielpunkt oder ein Zielvolumen in dem Körper und legt die Koordinaten des Bildes fest.
Fixierungseinrichtungsauslegung
Basierend auf dem abgetasteten Bild und dem identifizierten Zielpunkt wird ein „Massivrechnermodell" an einer individuumspezifischen Fixierungseinrichtung berechnet. Das massive Modell wird so berechnet, dass die sich ergebende Fixierungseinrichtung genau an dem Körper festgelegt werden kann. Die Fixierungseinrichtung wird weiterhin so ausgelegt, dass sie eine integrale Instrumentenführung oder eine Haltebasis für eine entfernbare Führung aufweist, um ein chirurgisches Instrument an dem Zielpunkt genau zu positionieren, wenn die Fixierungseinrichtung an dem Körper befestigt ist.
Fixierungseinstellungsherstellung
Basierend auf dem berechneten massiven Modell wird die individuumspezifische Fixierungseinrichtung unter Verwendung einer rechnergesteuerten schnellen Prototypbildungs- und Bearbeitungstechnik (RPT) hergestellt.
Eingriff
Die hergestellte individuumspezifische Fixierungseinrichtung wird an dem Patienten befestigt und unter Verwendung der Fixierungseinrichtung wird ein chirurgisches Instrument zu dem Zielpunkt geführt.
Gehirnchirurgie
Eine erste Ausführung der Erfindung richtet sich auf die Gehirnchirurgie. Mehrere alternative Ausgestaltungen, die nachstehend beschrieben werden, sind ebenfalls auf die Gehirnchirurgie gerichtet. Zusätzliche diesbezügliche Ausgestaltungen sind auch bei anderen Eingriffsarten verwendbar, wozu die Wirbelsäulenchirurgie gehört. Nachstehend wird die erste Ausführung beschrieben, die auf die Gehirnchirurgie gerichtet ist, wobei den oben zusammengefassten vier Phasen gefolgt wird.
Abtast- und chirurgische Planungsphase
Gemäß 1a wird in der ersten Phase, der Abtast- und chirurgischen Planungsphase, ein Satz von Knochenverankerungen 120 am Schädel 100 vor dem Abtasten des Patienten befestigt. Bei dem in 1 zur Veranschaulichung gezeigten Beispiel sind an dem Schädel drei Knochenverankerungen 120 befestigt. Es kann auch eine größere oder kleinere Anzahl von Verankerungen verwendet werden. Während der späteren chirurgischen Phase sind die Knochenverankerungen 120 die Befestigungspunkte für die hergestellte Fixierungseinrichtung.
Gemäß 1b hat jede der Knochenverankerungen 120 eine Gewindeöffnung für die Aufnahme von Gewindebolzen oder anderen Gewindebefestigungsmitteln. Insbesondere wird vor dem Abtasten jede Gewindeöffnung zur Aufnahme einer Abtastmarkierung 122 verwendet. Jede Abtastmarkierung 122 hat einen Gewindeabschnitt 124, der an einem Markierungsabschnitt 126 befestigt ist. Der Markierungsabschnitt 126 weist ein Material auf, das ein sichtbares Bild an dem abgetasteten Bild ergibt. Es können verschiedene Arten von Abtasttechniken verwendet werden, zu denn CT, PET, MRI, SPECT und der Laser gehören. Das Material in den Markierungsabschnitten 126 wird abhängig von der verwendeten Abtasttechnik gewählt.
Nachdem die Abtastmarkierungen 122 an den Knochenverankerungen 120 befestigt sind, wird gemäß 2 der Patient in einem Abtaster 210 (schematisch gezeigt) abgetastet, wobei ein dreidimensionales Bild 230 erzeugt wird. Dieses Bild wird auf einen Rechner 220 übertragen, wo es gespeichert wird.
Nachdem der Abtastprozess abgeschlossen ist, werden die Abtastmarkierungen 122 vom Patienten entfernt, die Knochenverankerungen 120 jedoch fest an Ort und Stelle belassen. Da die chirurgische Phase des Prozesses in einem typischen Fall nicht innerhalb mehrerer Stunden oder sogar mehrerer Tage beginnt, darf sich der Patient wieder bewegen oder zu diesem Zeitpunkt sogar nachhause zurückkehren.
Gemäß 3 plant ein Chirurg den anstehenden Eingriff unter Verwendung einer Rechneranzeige des Bildes 230 und in der stereotaktischen Chirurgie bekannter Techniken. Der Chirurg identifiziert einen Zielbildpunkt 310 an dem Bild 230, der einem Zielpunkt in dem Körper entspricht. Die dreidimensionalen Koordinaten des Zielbildpunkts in dem Koordinatensystem des Bilds 230 werden in dem Rechner gespeichert. Der Chirurg identifiziert auch einen Eintrittsbildpunkt 320, wobei eine geradlinige Bahn festgelegt wird, auf der ein chirurgisches Instrument den Zielpunkt erreichen kann, wobei kritische Strukturen im Gehirn vermieden werden. Die Koordinaten des Eintrittsbildpunkts werden ebenfalls gespeichert.
Gemäß 3 entsprechen die Markierungsbildpunkte 330 in dem Bild 230 den Markierungsabschnitten 126 der Abtastmarkierungen 122 (1b). Der Chirurg kann diese Punkte unter Verwendung der Rechneranzeige ähnlich zu der Positionierung des Ziel- und Eintrittspunkts orten. Alternativ ist in den Computer 220 ein automatischer Algorithmus implementiert, um Markierungsbildpunkte 330 basierend auf den Bildcharakteristika, wie Helligkeit oder Form, der Punkte zu orten. Auf jeden Fall werden die Koordinaten in dem Bild der Markierungsbildpunkte 330 gespeichert.
Zu diesem Zeitpunkt werden basierend auf der bekannten Korrespondenz des abgetasteten Bildes zum physikalischen Körper die Positionen des tatsächlichen Ziel- und Eintrittspunkts am Körper bezogen auf die Positionen der Abtastmarkierungen berechnet und im Rechner gespeichert. Diese Berechnung basiert auf den gespeicherten Koordinaten der entsprechenden Markierungs-, Ziel- und Eintrittsbildpunkten.
Eine Darstellung der Oberfläche des Schädels kann direkt aus dem abgetasteten Bild unter Verwendung bekannter Bildverarbeitungstechniken berechnet werden. Diese Oberflächendarstellung kann dazu verwendet werden, zu gewährleisten, dass eine entworfene Befestigungseinrichtung richtig über den Schädel passt, oder um andere Charakteristika des Schädels zu bestimmen, die zum Entwurf der Befestigungseinrichtung verwendet werden können.
Dies ist der Abschluss der Abtast- und chirurgischen Planungsstufe.
Fixierungseinrichtungs-Entwurfsphase
Die nächste Phase des Prozesses umfasst den Entwurf und die Herstellung der eigentlichen Fixierungseinrichtung. Die Entwurfserfordernisse der Fixierungseinrichtung lassen sich unter Bezug auf 4 verstehen, wo gezeigt ist, wie eine hergestellte Fixierungseinrichtung 400 an den Knochenverankerungen 120 in der chirurgischen Phase befestigt wird. Bei dieser Ausgestaltung wird die Fixierungseinrichtung 400 an den Knochenverankerungen 120 unter Verwendung von Bolzen 432 befestigt, die durch Öffnungen 430 in der Fixierungseinrichtung 400 hindurchgehen. Nach dem Befestigen an den Knochenverankerungen befinden sich die Anbringpunkte der Fixierungseinrichtung 400 an den vorherigen Positionen der Markierungsabschnitte 126 der Abtastmarkierungen 122.
Durch einen tatsächlichen Eintrittspunkt 420 geht eine geplante tatsächliche Bahn 460 zu einem tatsächlichen Zielpunkt 410 in Übereinstimmung mit dem geplanten Eintrittsbildpunkt 320 und dem Zielbildpunkt 310 (3). Die Bahn 460 geht durch die Fixierungseinrichtung 400 hindurch, wenn sie am Schädel befestigt ist.
Die Fixierungseinrichtung 400 weist eine Möglichkeit der Anbringung einer Instrumentenführung an ihr auf, um ein chirurgisches Instrument längs der Bahn 460 zu führen. Bei dieser Ausgestaltung hat die Fixierungseinrichtung 400 eine Anbringbasis 450 zum Befestigen einer Instrumentenführung. Die Anbringbasis 450 hat eine ebene Oberfläche mit einer zentralen Öffnung. Wenn die Fixierungseinrichtung 400 an dem Schädel befestigt ist, geht eine Bahn 460 durch die zentrale Öffnung der Anbringbasis hindurch und die ebene Fläche der Anbringbasis 450 ist senkrecht zur Bahn 460. Die Entfernung zwischen dem Zielpunkt 410 und der Anbringbasis wird ebenfalls vor der chirurgischen Phase bestimmt, beispielsweise indem die Fixierungseinrichtung so entworfen wird, dass diese Entfernung eine Standardentfernung bezogen auf den Typ des verwendeten Instruments ist.
Der Entwurf der Fixierungseinrichtung 400 für einen speziellen Patienten und das chirurgische Verfahren muss mehreren Einschränkungen genügen, zu denen eine oder mehrere der folgenden gehören:

– Die Anbringbasis 450 ist auf der geplanten Bahn zentriert und senkrecht zur Bahn ausgerichtet.
– Die Anbringpunkte der Fixierungseinrichtung 400 passen mit den Knochenverankerungen 120 zusammen.
– Die Entfernung zwischen dem Zielpunkt 410 und der Anbringbasis muss in Bezug auf das chirurgische Instrument und die Führung, die verwendet werden, der exakte Entfernung sein oder innerhalb eines speziellen Bereichs liegen.
– Die Ausrichtung der Fixierungseinrichtung an jedem der Anbringpunkte muss sich für die Ausrichtung der entsprechenden Knochenverankerungen eignen.
– Die Fixierungseinrichtung muss beim Anbringen einen ausreichenden Freiraum über dem Schädel haben.

5a bis 5c zeigen eine zweite beispielsweise Fixierungseinrichtung 500 befestigt am Kopf des Patienten (5a), in einer Ansicht längs der geplanten Bahn (5b) und im Querschnitt (5c). Die Fixierungseinrichtung 500 ist für eine Befestigung an vier Knochenverankerungen ausgelegt. Die Fixierungseinrichtung 500 hat eine zentrale Anbringbasis 550 in einem zentralen Abschnitt 520. Von dem zentralen Abschnitt aus erstrecken sich vier „Schen kel" 510 zu vier Anbringlaschen 530 mit Anbringlöchern 540, über die die Fixierungseinrichtung 500 an den Knochenverankerungen befestigt wird.
Der Vorgang zum Entsprechen der oben angegebenen Einschränkungen verwendet ein algorithmisches Verfahren. Das Verfahren lässt sich unter Bezug auf 5b und 5c verstehen. Gemäß 5c ist die Anbringbasis 550 auf der geplanten Bahn 460 zentriert. Bei diesem Beispiel wird die Entfernung zwischen dem Zielpunkt 410 und dem Mittelpunkt 562 der Anbringbasis auf eine vorgegebene Fixentfernung eingestellt.
Gemäß 5c sind zwei der Anbringpunkte 532 zusammen mit den Achsen der Knochenverankerungen gezeigt. Die Anbringlaschen 530 sind als ebene Abschnitte so ausgelegt, dass sie über den Anbringpunkten liegen und senkrecht zu den Achsen der Knochenverankerungen sind. Die Schenkel 510 werden dann als ebene Abschnitte ausgelegt, die sich an die Abringlaschen 530 und den zentralen Abschnitt 520 anschließen.
In 5c ist die Oberfläche des Schädels 534 zusammen mit dem Eintrittspunkt 420 gezeigt. Die Anbringlaschen, die Schenkel und der zentrale Abschnitt sind so ausgelegt, dass sie über dem Schädel liegen und einen ausreichenden Freiraum schaffen.
Der Schritt für die Auslegung der Fixierungseinrichtung 500 zur Ausrichtung der Anbringlaschen 530 senkrecht zu den Achsen der Knochenverankerungen beruht auf der Kenntnis der Ausrichtungen wie der Positionen der Knochenanker. Bei dem oben beschriebenen Schritt wird, wie in 1b gezeigt ist, ein einziger Markierungsabschnitt 126 in der Abtastmarkierung 122 für jede Knochenverankerung 120 befestigt. Deshalb wird nur die Stelle einer jeden Knochenverankerung durch Orten der Markierungsbilder der Abtastmarkierungen bestimmt.
Es kann eine von mehreren alternativen Methoden zur Bestimmung der Ausrichtung der Knochenverankerungen verwendet werden. Zuerst können alternative Abtastmarkierungen 122 verwendet werden. Die alternativen Abtastmarkierungen haben zwei Markierungsabschnitte 126, die längs der Achse der Abtastmarkierung getrennt sind. Die Ortung der Bilder der beiden Markierungsabschnitte bestimmt die Ausrichtung der Knochenverankerung. Die zweite Alternative besteht darin, eine Normalrichtung zu einem Oberflächenmodell des Schädels zu verwenden. Das Oberflächenmodell des Schädels kann direkt aus dem abgetasteten Bild unter Verwendung bekannter Bildverarbeitungstechniken berechnet werden. Die dritte Alternative ist die Annäherung der Ausrichtung der Knochenverankerungen durch Anpassen einer Oberfläche durch die Positionen der Abtastmarkierungen und fakultativ durch den Eintrittspunkt. Eine vierte Alternative beruht nicht darauf, dass die Anbringlaschen senkrecht zu den Achsen der Knochenverankerungen sind, sondern auf einem Anbringschritt, der weniger empfindlich hinsichtlich der Ausrichtung der Verankerungen ist. Beispielsweise kann eine Kugel auf jeder Knochenverankerung angebracht werden, und die Fixierungsvorrichtung kann entsprechende Sockel haben, die an die Kugeln angepasst sind.
Die in 5a bis 5c gezeigte Fixierungseinrichtung 500 setzt sich im Wesentlichen aus planaren Abschnitten zusammen. Es können alternative algorithmische Auslegungsschritte zum Entwerfen gekrümmter Aufbauten verwendet werden. Beispielsweise kann die Form der Fixierungseinrichtung bestimmt werden, indem mit den Anbringpunkten ein Oberflächenteil verwendet wird und die Anbringbasis Punkte sind, an denen Einschränkungen an die Koeffizienten der Keile bestimmt werden.
Der Entwurf der individuumspezifischen Fixierungseinrichtung wird in eine rechnergestützte Spezifikation eines massiven Modells umgewandelt. Ein massives Modell ist eine Rechnerdarstellung eines Volumens, das von einer Oberfläche umschlossen ist, die das gesamte Volumen umgibt. Es können verschiedene Arten von Rechnerdarstellungen des Volumens verwendet werden. Ein übliches Format ist eine „.stl"-Datei", die von vielen rechnergestützten Zeichensystemen (CAD) verwendet wird. Die .stl-Datei hat einen Satz von Darstellungen von Oberflächenflecken, die zusammen eine vollständige Oberfläche bilden, die das Volumen umschließt. Die .stl-Datei für die entworfene Fixierungseinrichtung wird dann als die Spezifizierung für die Herstellung der Fixierungseinrichtung verwendet.
Herstellung der Fixierungseinrichtung
Die Datei für das massive Modell wird auf eine schnelle Prototypbildungs- und -bearbeitungsmaschine (RPT) übertragen. Die Datei kann vor einem körperlichen Medium, beispielsweise einer Diskette, übertragen, über ein Datennetzwerk geschickt oder direkt bei dem Computer verwendet werden, bei dem sie berechnet wurde.
Zur Herstellung der Fixierungseinrichtung kann eine Vielzahl von RTP-Techniken verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform ist eine mit Schmelzabscheidung arbeitende Modelliermaschine (FDM), beispielsweise das Modell FMD2000, hergestellt von Stratasys, Inc., Eden Prairie Minnesota, zur Herstellung der dreidimensionalen Fixierungseinrichtung aus der .stl-Datei verwendet. Die FDM-Maschine legt vorzugsweise robotisch ein langes Band eines extrudierten Materials ab, wodurch langsam die modellierte Fixierungseinrichtung aufgebaut wird. Wenn das Material abgelegt wird, verschmilzt es mit dem vorher abgelegten Material und bildet einen homogenen Festköper. Das Verfahren ergibt eine hochgenaue Befestigungseinrichtung innerhalb 5 mil der Spezifikation in der .stl-Datei. Für die Fixierungseinrichtung können verschiedene Materialien verwendet werden. Bei dieser Ausgestaltung wird ABS mit medizinischem Gütegrad verwendet.
Nach der Herstellung in der FDM-Maschine kann eine weitere Material abhebende Bearbeitung für manche Fixierungseinrichtungsentwürfe erforderlich sein. Beispielsweise kann das ABS-Material gebohrt mit Innengewinde versehen werden, um Anbringungspunkte zu erzeugen, an denen eine Instrumentenführung befestigt wird.
Eingriff
Die fertige Fixierungseinrichtung wird zum Chirurgen zurückgeführt. Der Patient kehrt für die chirurgische Phase zurück, wobei die Knochenverankerungen noch intakt sind. Die Fixierungseinrichtung wird sterilisiert, und der Chirurg befestigt dann die sterilisierte Fixierungseinrichtung an den Knochenverankerungen in dem Schädel des Patienten und beginnt mit der chirurgischen Phase.
Die chirurgische Phase der Gehirnchirurgie umfasst mehrere Schritte, wozu das Öffnen eines Bohrlochs und das Einführen eines Instruments in das Bohrloch gehören. Das Bohrloch kann vor dem Befestigen der Fixierungseinrichtung oder unter Verwendung der Fixierungseinrichtung gebohrt werden. Im letzten Fall wird eine Bohrführung an der Anbringungsbasis befestigt und ein Bohrer durch die Bohrführung eingeführt, um das Bohrloch an dem geplanten Eintrittspunkt zu bohren.
Gemäß 6 wird für das Einführen eines chirurgischen Instruments in das Gehirn, um den geplanten Zielpunkt zu erreichen, eine Fixierungseinrichtung 400 zum Halten einer Instrumentenführung 600 verwendet. Bei dem in 6 zur Veranschaulichung gezeigten Beispiel hält eine Instrumentenführung 600 ein Einführrohr 620, durch das ein Instrument 610, beispielsweise eine Aufzeichnungselektrode, hindurchgeht. Das Instrument ist an einem Antrieb 630 an der Instrumentenführung 600 befestigt, um das Instrument zum Zielpunkt 410 manuell oder automatisch vorzutreiben. Da die Trennung des Zielpunkts 410 und der Anbringungsbasis 450 spezifiziert wird, wenn die Fixierungseinrichtung entworfen wird, kann, wenn die Länge des chirurgischen Instruments vorgegeben ist, die Instrumentenführung so geeicht werden, dass sie das Instrument genau zum Zielpunkt einführt. Wenn man beispielsweise weiß, dass das Instrument eine Standardlänge hat, kann die Trennung von Zielpunkt und Anbringungsbasis an der Fixierungseinrichtung so ausgelegt werden, dass, wenn sich der Instrumentenvortrieb in der voll eingeführten Position befindet, das Instrument den geplanten Zielpunkt erreicht hat.
In Verbindung mit einer individuumspezifisch hergestellten Fixierungseinrichtung können alternative Instrumentenführungen verwendet werden. Gemäß 7 ist an der Anbringungsbasis 450 eine einstellbare Instrumentenführung 700 befestigt. Da die Instrumentenführung einstellbar ist, ist es möglich, dass die tatsächliche Bahn des Instruments 610 in einen Konus mit einem Scheitel am Eintrittspunkt 420 fällt. Beispielsweise kann eine einstellbare Führungs-Fixierungseinrichtung verwendet werden, wie sie in der anhängigen US-Patentanmeldung 09/063 658, eingereicht am 21. April 1998 oder in der provisorischen Anmeldung 60/096 384, eingereicht am 12. August 1998 beschrieben ist. Diese beiden anhängigen Anmeldungen werden hier als Referenz eingeschlossen.
Da die einstellbare Instrumentenführung 700 in einer genauen Beziehung zum Zielpunkt 410 und zum Eintrittspunkt 420 befestigt ist, ist anzumerken, dass ein „In-Deckung-Bringungs"-Schritt der Art erforderlich ist, wie er gewöhnlich in der stereotaktischen Chirurgie ausgeführt und verwendet wird, um ein physikalisches Koordinatensystem auf ein Bildkoordinatensystem konform aufzutragen. Außerdem kann die Instrumentenführung 700 Kodiereinrichtungen aufweisen; die Signale erzeugen, welche die Einstellung der tatsächlichen Bahn bezüglich der geplanten Bahn kodieren und die Berechnung und Anzeige einer genauen optischen Rückkoppelung für einen Chirurgen ermöglichen. Die Instrumentenführung kann auch so betätigt werden, dass eine Fern- oder Robotsteuerung des Instruments und der Führung möglich ist.
Alternative Schritte
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die hergestellte Fixierungseinrichtung an den Knochenverankerungen befestigt. Alternative Ausgestaltungen befestigen die Fixierungseinrichtungen an dem Körper auf unterschiedliche Weisen. Beispielsweise können andere Arten von Einsätzen oder Knochenverankerungen an dem Schädel befestigt werden.
Anstatt zum Befestigen der Fixierungseinrichtung an einer Knochenverankerung kann die Fixierungseinrichtung auch so ausgelegt sein, dass sie sich genau auf dem Kopf des Patienten festspannt. Beispielsweise sind gemäß 8 zwei zueinander passende Hälften 810, 820 einer Fixierungseinrichtung 800 jeweils den Konturen der Wangenknochen und der Stirn sowie den Konturen der Kopfrückseite angepasst. Die Konturen des Kopfs des Patienten werden von dem Schädelmodell abgeleitet, das automatisch aus dem abgetasteten Bild errechnet wird.
Bei den oben beschriebenen Ausführungen wird die Festlegung (d.h. das massive Modell) der Fixierungseinrichtung algorithmisch aus den Positionen und Ausrichtungen von Punkten, einschließlich der Anbringungspunkte, des Zielpunkts und des Eintrittspunkts bestimmt. Ein alternativer Schritt für die Auslegung der Fixierungseinrichtung ist ein Zusammenwirken mit dem Chirurgen. Anstatt dass eine detaillierte Auslegung für die Fixierungseinrichtung spezifiziert werden muss, hat der Chirurg die Kontrolle über eine begrenzte Anzahl von Verformungen einer Standardfixierungseinrichtung. Eine spezielle Ausführung dieses Verformungsverfahrens benutzt eine Relationsgeometriemethode. Das US-Patent 5 627 969, ausgegeben am 17. März 1995 für John S. Letcher, Jr., beschreibt eine solche Relationsgeometriemethode sowie die Softwarearchitektur zur Ausführung des Verfahrens.
Es wird ein Satz von „Standard"-Fixierungseinrichtungen als Basis des Verfahrens verwendet. Jede der Standardfixierungseinrichtungen wird unter Verwendung eines „logischen Modells" beschrieben, bei welchem geometrische Beziehungen verschiedener Elemente der Fixierungseinrichtung explizit identifiziert sind. Beispiele von Einschränkungen, die in dem logischen Modell beschrieben sind, sind die Form der Anbringbasis (die nicht verformt ist) sowie die Verbindungen von Abschnitten, beispielsweise der Anbringungsschenkel und des zentralen Abschnitts. Bei der Auslegungsphase für die Fixierungsvorrichtung wählt der Chirurg eine der Standardfixierungseinrichtungen. Unter Verwendung einer computergestützten graphischen Auslegungsvorrichtung (CAGD) sieht der Chirurg sowohl eine Darstellung als auch eine Darstellung der Fixierungseinrichtung. Am Anfang genügt die Standardfixierungseinrichtung einer der Auslegungsbeschränkungen. Unter Verwendung des CAGD-Geräts justiert der Chirurg die Fixierungseinrichtungsauslegung derart, dass die Fixierungseinrichtung mit der Knochenverankerung zusammenpasst und dass die Anbringungsbasis die genaue Position und Ausrichtung bezüglich des Eintritts- und Zielpunkts hat. Außerdem kann der Chirurg andere Aspekte der Auslegung einstellen, beispielsweise das Verformen der Fixierungseinrichtung, um einen ausreichenden Spielraum für ein Ohr zu ermöglichen.
Spinalchirurgie
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist auf die Spinalchirurgie gerichtet. Wie bei dem Gehirnchirurgieschritt wird ein dreidimensionales abgetastetes Bild vom Patienten genommen, in diesem Fall von seiner Wirbelsäule. Bei dieser Ausführung müssen jedoch keine Verankerungspunkte oder Abtastmarkierungen auf der Wirbelsäule aufgebracht werden.
Der Chirurg verwendet in der stereotaktischen Spinalchirurgie bekannte Techniken und identifiziert gemäß 9a Zielpunkte 934 in dem Bild einer Wirbelsäule 920, beispielsweise Punkte, an denen Schrauben in die Wirbelsäule eingeführt werden. Der Chirurg plant ferner Bahnen 932 zum Erreichen der Zielpunkte, indem er beispielsweise die Winkel bestimmt, unter denen die Schraubenlöcher gebohrt werden.
Unter Verwendung bekannter Bildanalyse- und Modelliertechniken hat ein Rechnermodell der Segmente der Wirbelsäule 920 aus dem abgetasteten Bild geformt.
Der Chirurg identifiziert zwei Segmente 922, an denen eine individuumspezifische Fixierungseinrichtung 900 zu befestigen ist. Gemäß 9b werden die Modelle der Segmente 922 zur Bildung von Klemmabschnitten verwendet, die an die Konturen der Segmente angepasst sind. Ein Teil 910 des Klemmabschnitts wird in einem Stück mit dem Hauptabschnitt der Fixierungseinrichtung ausgebildet. Ein zweiter Teil 912 eines jeden Klemmabschnitts wird als besonderes Bauelement ausgebildet. Die beiden Teile des Klemmabschnitts werden zusammengezogen, um die Fixierungseinrichtung an den Spinalsegmenten zu befestigen. Die Fixierungseinrichtung 900 ist so ausgebildet, dass sie an die Krümmung der Wirbelsäule 910, wie sie abgetastet ist, angepasst ist. Beispielsweise entspricht die Trennung der Segmente 922 der Trennung in dem abgetasteten Bild. Für jeden der Zielpunkte wird in der Fixierungseinrichtung 900 eine gesonderte Instrumentenführung 930 ausgebildet. Beispielsweise kann jede Instrumentenführung ein lang gestrecktes Loch sein, in das eine Bohrung eingeführt ist. Die Instrumentenführungen können so ausgelegt sein, dass nicht nur die Ausrichtung sondern auch die Tiefe der in die Spinalsegmente gebohrten Löcher von den Instrumentenführungen genau bestimmt wird.
Nach dem Befestigen der Fixierungseinrichtung fährt der Chirurg mit den Eingriffen an jedem der Spinalsegmente fort, die in die Gesamtchirurgie eingeschlossen sind, ohne die Fixierungseinrichtung 900 neu zu positionieren.
Bei einer alternativen Ausgestaltung, die für die Spinalchirurgie gilt, werden vorher angebrachte Verankerungen und Abtastmarkierungen in den Spinalsegmenten oder Knochenstrukturen verwendet, um die Geometrie der individuumspezifischen Fixierungseinrichtung so zu definieren, dass sie an diese Verankerungen angepasst ist.
Eine weitere auf die Spinalchirurgie gerichtete Ausgestaltung spricht nicht nur an der Wirbelsäule auszuführende Eingriffe in der Konfiguration, wie sie abgetastet wurde, sondern auch das Bringen der Wirbelsäule in eine gewünschte Krümmung an, die sich von der in dem abgetasteten Bild unterscheidet. Zusätzlich zur Bildung eines Rechnermodells der Wirbelsäule, wie sie abgetastet ist, wird auch ein modifiziertes spinales Modell abgeleitet. Das modifizierte Modell zeigt die gewünschte Krümmung der Wirbelsäule. Entsprechend dem modifiziertem Modell wird eine zweite Fixierungseinrichtung ausgelegt. Nachdem die erste Fixierungseinrichtung entfernt ist, wird die zweite Fixierungseinrichtung befestigt, um die gewünschte Krümmung der Wirbelsäule zu erreichen.
Eine der dazugehörigen Ausgestaltung ist schematisch in 10a und 10b gezeigt. Diese Ausführung verwendet ebenfalls das modifizierte spinale Modell. Anstatt der Bildung einer zweiten Fixierungseinrichtung werden jedoch in der ersten Fixierungseinrichtung zusätzliche Führungen 1010 für den Zweck gebildet, die Wirbelsäule in die gewünschte Konfiguration zu bringen. Beispielsweise werden zusätzlich zu den Führungen 1020, die längs der Ausrichtungen 1022 zum Bohren der Segmente ausgebildet sind, zusätzliche Führungen 1010 in der Fixierungseinrichtung gebildet, die den Ausrichtungen 1012 der nach der Modifizierung der Krümmung gebohrten Löcher entspricht, und in die Löcher eingeführte Schrauben können zwangsweise in die gewünschten Ausrichtungen gebracht werden. Ähnliche Ausführungen können über eine Korrektur und für eine Reparatur einer orthopädischen Knochen- oder Gelenkverformung oder bei einem Bruch verwendet werden.
Andere chirurgische Verfahren
Die vorstehend angegebenen Ausgestaltungen sind im Zusammenhang mit der stereotaktischen Gehirn- oder Wirbelsäulenchirurgie beschrieben. Ähnliche Maßnahmen sind bei anderen Arten der stereotaktischen Chirurgie anwendbar.
Ähnliche individuumspezifische Fixierungseinrichtungen sind auch bei anderen Arten von chirurgischen Verfahren einsetzbar, bei denen eine Vorrichtung genau an einem Körper befestigt werden muss. Beispielsweise kann eine Präzisionsinstrumentenführung bezüglich Facialmerkmalen für die Augenchirurgie angebracht werden.
Sensorverfolgte Bildführung
Bei anderen alternativen Ausführungsformen werden eine oder mehrere individuumspezifische Fixierungseinrichtungen dazu verwendet, Aufspürmarkierungen zu halten, die bei der sensorgefolgten bildgeführten stereotaktischen Chirurgie verwendet werden. Gemäß 12 werden bei einer beispielsweisen Ausführungsform, bei der Aufspürmarkierungen verwendet werden, Knochenverankerungen 120 an einem Körper befestigt. Bei einem Vorgang der vorstehend beschriebenen Art werden an den Knochenverankerungen Abtastmarkierungen befestigt, und es wird die genaue Position der Knochenverankerungen bezüglich des Körpers aus einem abgetasteten Bild bestimmt.
Gemäß 12 wird eine individuumspezifische Fixierungseinrichtung 1200 so hergestellt, dass sie eine bekannte Geometrie hinsichtlich der Anbringungspunkte hat, die den Knochenverankerungen 120 entsprechen. Bei dieser Ausführungsform wird eine Aufspürfixierungseinrichtung 1210 an der individuumspezifischen Fixierungseinrichtung 1200 befestigt. Die Aufspürfixierungseinrichtung 1210 hat eine Anzahl von Aufspürmarkierungen 1215, die an ihr befestigt sind. Diese Markierungen werden während des Eingriffs verfolgt. Für Markierungen 1215 sind Licht emittierende Dioden oder andere Energieemitter oder -reflektoren geeignet, deren dreidimensionale Position unter Verwendung einer entfernt liegenden Fühlvorrichtung verfolgt werden kann, beispielsweise einer Kameraanordnung oder eines Laserfolgers.
Gemäß 13 ist die gezeigte Aufspürfixierungseinrichtung 1210 starr an dem Körper über die Knochenverankerungen 120 angebracht. Die Positionen der Knochenverankerungen bezüglich des Körpers werden aus dem abgetasteten Bild bestimmt. Die Geometrie der individuumsspezifischen Fixierungseinrichtung 1200 wird in der Fixierungseinrichtungs- Auslegungsphase bestimmt. Die Position der Aufspürmarkierungen 1215 an der Aufspürfixierungseinrichtung 1210 ist für die vorgegebene Geometrie der Aufspürfixierungseinrichtung bekannt. Die Positionen der Aufspürmarkierungen 1215 bezüglich der Knochenverankerungen 120 werden dann aus der Geometrie der individuumsspezifischen Fixierungseinrichtung und der Geometrie der daran befestigten Aufspürfixierungseinrichtung in einem wesentlichen „Berechnungsabdeckungs"-Schritt berechnet.
Gemäß 13 weist ein chirurgisches Instrument 1310, beispielsweise eine manuell positionierte Sonde, ebenfalls mehrere Aufspürmarkierungen 1315 auf. Ein Aufspürsystem, das eine entfernt liegende Fühlvorrichtung 1300 aufweist, in diesem Fall eine Kameraanordnung, wird dazu verwendet, die dreidimensionalen Positionen der Aufspürmarkierungen 1215 und 1315 aufzuspüren. Dabei wird eine vorgegebene Geometrie des chirurgischen Instruments 1310 verwendet, wozu die Positionen der Aufspürmarkierungen 1315 an dem Instrument und die bestimmten Positionen der Aufspürmarkierungen 1215 bezüglich der Knochenverankerungen gehören. Das Aufspürsystem wird zum Errechnen der relativen Position des chirurgischen Instruments am Körper verwendet. Das Aufspürsystem zeigt eine Darstellung eines chirurgischen Instruments 1310 an dem Anzeigesystem 1320 in einer richtigen Position und Ausrichtung bezüglich eines Bilds des Körpers.
Zu vermerken ist, dass eine manuelle In-Deckungs-Bringungs-Phase der Art, wie sie im Allgemeinen vor der konventionellen stereotaktischen Chirurgie mit Bildführung ausgeführt wurde, nicht erforderlich ist, um die relative Position des Instruments zum Körper zu bestimmten. Der oben beschriebene berechnete In-Deckungs-Bringungs-Schritt kann jedoch unter Verwendung eines manuellen Vorgehens bestätigt oder doppelt geprüft werden, beispielsweise durch Berühren des Endes des chirurgischen Instruments an vorgegebenen Stellen, beispielsweise den Positionen der Knochenverankerungen, und durch Überprüfen, dass das Aufspürsystem die Positionen genau berechnet. Außerdem braucht die entfernt liegende Fühlvorrichtung 1300 nicht an einer festen Stelle bezüglich des Körpers zu verbleiben, tatsächlich können sowohl der Körper als auch die Fühlvorrichtung 1300 frei herumbewegt werden, während die Stelle des chirurgischen Instruments bezüglich des Körpers fortlaufend aufgespürt wird.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung werden gemäß 14 mehrere Aufspürfixierungseinrichtungen 1210 verwendet. Die Aufspürfixierungseinrichtungen 1210 sind starr an Seg menten eines Gelenkverbindungsteils eines Körpers befestigt, um die relativen Positionen jener Segmente aufzuspüren. Bei einem Beispiel der Verwendung von mehreren Aufspürfixierungseinrichtungen ist, wie in 14 gezeigt ist, eine Aufspürfixierungseinrichtung 1210 an dem Becken 1410 unter Verwendung einer ersten individuumspezifischen Fixierungseinrichtung 1420 befestigt, während eine zweite Aufspürfixierungseinrichtung 1210 am Oberschenkelknochen 1430 unter Verwendung einer zweiten individuumspezifischen Fixierungseinrichtung 1440 festgelegt ist. Die individuumspezifischen Fixierungseinrichtungen 1420 und 1440 sind wie vorstehend beschrieben für die Anpassung an Anbringverankerungen oder Schrauben an dem Becken oder am Oberschenkelknochen ausgelegt und hergestellt. Beispielsweise werden in den Oberschenkelknochen 1430 Verankerungsschrauben 1442 eingeführt. An den Verankerungsschrauben 1442 werden vor dem Abtasten Abtastmarkierungen festgelegt. Die individuumsspezifische Fixierungseinrichtung 1440 ist so ausgelegt, dass sie eine bekannte Geometrie hat und mit den Verankerungsschrauben 1442 zusammenpasst. Die individuumspezifische Fixierungseinrichtung 1420 ist ähnlich für das Zusammenpassen mit Knochenverankerungen ausgelegt, die in den Beckenknochen eingeführt worden sind.
Während des Eingriffs wird eine entfernt befindliche Fühlvorrichtung 1300 zum Bestimmen der relativen Position und Ausrichtung der zwei Aufspürfixierungseinrichtungen 1210 verwendet. Basierend auf der berechneten Deckung jeder Aufspürfixierungseinrichtung mit dem starren Teil des Körpers, an dem sie befestigt ist, berechnet das Aufspürsystem die relative Position und Ausrichtung des Oberschenkelknochens 1430 und des Beckenknochens 1410 und zeigt Darstellungen des Oberschenkelknochens und des Beckenknochens an einem Anzeigesystem 1450 in ihrer richtigen geometrischen Beziehung an.
Zum Befestigen von Aufspürfixierungsvorrichtungen an anderen Teilen des Körpers, beispielsweise an mehreren Segmenten der Wirbelsäule, werden ähnliche individuumspezifische Fixierungseinrichtungen verwendet. Mehrfach-Aufspürfixierungseinrichtungen können auch zum Aufspüren der Form von Skelettgelenken während eines Eingriffs oder während anderer medizinischer Maßnahmen verwendet werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden Aufspürfixierungseinrichtungen, die integrierte Aufspürmarkierungen haben, an individuumspezifischen Fixierungseinrichtungen befestigt. Alternativ kann eine individuumspezifische Fixierungseinrichtung so ausgelegt und hergestellt werden, dass sie die Aufspürmarkierungen direkt trägt, wodurch sie eine individuumspezifische Aufspürfixierungseinrichtung (oder ein „Aufspürrahmen") ist, die eine vorgegebene geometrische Beziehung zwischen den Anbringpunkten der Fixierungseinrichtung und den Positionen der Aufspürmarkierungen hat.
Ausführung
Gemäß 11 weisen die Auslegung und Herstellung der Fixierungseinrichtung mehrere Schritte und Ausrüstungsteile auf. Ein Scanner 210 erzeugt ein Abtastbild 230, das zu einem Rechner 220 gebracht wird. Der Rechner 220 wird vom Chirurgen dazu verwendet, Ziel- und Eintrittspunkt sowie möglicherweise andere Punkte, wie Markierungsbildpunkte, zu identifizieren. Eine Anzeige und eine Eingabevorrichtung 1110 bildet für den Chirurgen eine Schnittstelle. Beispielsweise werden dem Chirurgen mehrere planare Ansichten des abgetasteten Bildes präsentiert und der Chirurg wählt unter Verwendung einer Maus Punkte aus. Ein Programmspeicher 1125 ist mit dem Rechner 220 für die Aufnahme von Software verbunden, die zur Ausführung von Maßnahmen verwendet wird, die vom Rechner 220 ausgeführt werden. Wie vorstehend beschrieben, kann eine Bibliothek von Standardfixierungseinrichtungen 1120 fakultativ an dem Rechner 220 angehängt werden. Diese Standardfixierungseinrichtungen werden unter Verwendung interaktiver Maßnahmen, die am Rechner 220 ausgeführt werden, verformt.
Das Produkt der von dem Rechner 220 ausgeführten Vorgänge ist ein massives Modell 1130, welches die Form der Fixierungseinrichtung vollständig spezifiziert. Dieses Modell wird zu einem Fertigungsrechner 1140 gebracht, der die Bearbeitungsinstruktionen 1150 ableitet, die zu der RPT-Maschine 1160 überführt werden. Die RPT-Maschine stellt die Fixierungseinrichtung gemäß den Bearbeitungsinstruktionen her.
Natürlich soll die vorstehende Beschreibung den Rahmen der Erfindung, der durch den Rahmen der beiliegenden Ansprüche definiert ist, erläutern und nicht beschränken. Weitere Ausgestaltungen liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zur Ausbildung einer individuumspezifischen chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) zum Befestigen an einem Körper und zum Bereitstellen eines Bezugsaufbaus zum Orten eines Ziels (310) in dem Körper und zum Verarbeiten eines dreidimensionalen abgetasteten Bildes des Körpers einschließlich der Bestimmung einer Position des Ziels (310) in dem Körper und der Positionen von Einsätzen (120), die an dem Körper befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem abgetasteten Bild Daten bestimmt werden, die einen Aufbau der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) kennzeichnen, die den Bezugsaufbau zum Führen eines chirurgischen Instruments aufweist, so dass die Fixierungseinrichtung, wenn sie in Bezug auf die Einsätze (120) befestigt ist, den Bezugsaufbau in einer festgelegten Position und Ausrichtung bezüglich des Ziels (310) in dem Körper hält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Einsätze (120) Knochenverankerungen aufweisen und die chirurgische Fixierungseinrichtung (400), wenn sie an den Knochenverankerungen befestigt ist, einen Bezugsaufbau in einer festgelegten Position oder Ausrichtung bezüglich des Ziels (310) in dem Körper bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei welchem weiterhin in dem abgetasteten Bild eine Vielzahl von Anbringungspunkten (330) für die chirurgische Fixierungseinrichtung (400) identifiziert werden und bei welchem zur Bestimmung der Daten, die den Aufbau der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) kennzeichnen, die Bestimmung einer geometrischen Beziehung zwischen entsprechenden Anbringungspunkten an der Fixierungseinrichtung und an dem Bezugsaufbau gehören.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem zu dem Verarbeiten des dreidimensionalen abgetasteten Bildes das Orten von Abtastmarkierungen (122) gehört, die an dem Körper in dem dreidimensionalen Bild befestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Einsätze (120) Verankerungen aufweisen, die zur Befestigung der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) an dem Körper geeignet sind und bei welchem zu dem Orten der Abtastmarkierungen (122) das Orten von Abtastmarkierungen gehört, die an den Verankerungen (120) befestigt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem weiterhin das Ziel (310) in dem abgetasteten Bild identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem weiterhin eine Bahn (460) zum Erreichen des Ziels (310) identifiziert und die Position und Ausrichtung des Bezugsaufbaus bezüglich der identifizierten Bahn bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem zu dem Bestimmen der Daten, die den Aufbau der Fixierungseinrichtung kennzeichnen, das Bestimmen eines massiven Modells der Fixierungseinrichtung gehört, das das Volumen definiert, das von der Oberfläche der Fixierungseinrichtung eingeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem der Bezugsaufbau so konfiguriert wird, dass ein Bezugsaufbau zum Führen eines Instruments zu dem Ziel (310) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem der Bezugsaufbau so konfiguriert wird, dass eine Vielzahl von Aufspürmarkierungen (1215) an der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) befestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem Einpassdaten berechnet werden, die auf den konfigurierten Positionen der Aufspürmarkierungen (1215) in der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) basieren.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem weiterhin die berechneten Einpassdaten zur Anzeige einer Darstellung einer Aufspürvorrichtung in Verbindung mit einem graphischen Bild des Körpers verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem der Körper mehrere Anbringpositionen (430) aufweist und der bestimmte Aufbau der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) so beschaffen ist, dass, wenn der Körper in Beziehung zu den Einsätzen (120) festgelegt ist, er mit den Anbringungspositionen in einer vorgegebenen geometrischen Beziehung gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem der Körper eine Wirbelsäule und die Anbringposition ein Spinalsegment aufweist und bei dem Verfahren weiterhin ein Modell der Wirbelsäule gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem weiterhin ein korrigiertes Modell der Wirbelsäule in einer korrigierten Konfiguration ausgebildet wird und der bestimmte Aufbau der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) so beschaffen ist, dass sie, wenn sie befestigt ist, einen zweiten Bezugsaufbau an einer bestimmten Position und Ausrichtung bezüglich des Ziels (310) in der korrigierten Konfiguration der Wirbelsäule bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem zu dem Bestimmen der Daten, die den Aufbau der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) charakterisieren, das Auswählen eines Modells einer Standardfixierungseinrichtung und das Umformen des Modells der Standardfixierungseinrichtung gehören, um das Standardmodell an das Ziel (310) und die Anbringposition anzupassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei welchem der Aufbau der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) einen Abschnitt (450) zum Befestigen eines chirurgischen Instruments aufweist, so dass, wenn im Einsatz die Fixierungseinrichtung (400) an der Anbringposition (330) an dem Körper befestigt ist, der Abschnitt (450) zum Befestigen des chirurgischen Instruments sich in einer vorgegebenen geometrischen Beziehung bezüglich des Ziels (310) befindet.
Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem zu dem Bestimmen der Daten, die den Aufbau der Fixierungseinrichtung (400) charakterisieren, das Bestimmen einer Position und einer Ausrichtung für den Abschnitt (450) zum Befestigen des chirurgischen Instruments bezüglich der Anbringstelle (330) gehört, wobei die Position des Ziels (310) und die Anbringposition (330) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem zu dem Bestimmen der Position und der Ausrichtung für die Instrumentenführung das Bestimmen einer Bahn (460) durch den Körper, die durch das Ziel (310) geht, das Bestimmen der Ausrichtung für den Abschnitt (450) zum Befestigen des Instruments basierend auf der Bahn (460) sowie das Bestimmen der Position für den Abschnitt (450) zum Befestigen des Instruments basierend auf einer Distanz längs der Bahn (460) vom Ziel (310) aus gehören.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei welchem der Abschnitt zum Befestigen des chirurgischen Instruments eine Haltebasis (450) zum Befestigen einer entfernbaren Instrumentenführung an der chirurgischen Fixierungseinrichtung (400) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die Haltebasis (450) einen planaren Bereich und der Abschnitt zum Befestigen des chirurgischen Instruments eine Öffnung durch die Fixierungseinrichtung an der Haltebasis aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem der planare Bereich der Haltebasis (450) sich in einer Ebene befindet, die senkrecht zu einer Bahn (460) von der Haltebasis aus zum Ziel (310) ist, wenn die Fixierungseinrichtung (400) an der Anbringposition (330) an dem Körper befestigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei welchem weiterhin die individuumspezifische Fixierungseinrichtung (400) entsprechend den bestimmten Daten hergestellt wird, die den Aufbau der individuumspezifischen Fixierungseinrichtung kennzeichnen.
Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem zu der Herstellung der individuumspezifischen Fixierungseinrichtung (400) die Ausbildung eines unitären Aufbaus unter Verwendung eines rechnergesteuerten Prozesses gehört.
Verfahren nach Anspruch 23 und 24, bei welchem zu der Herstellung der individuumspezifischen Fixierungseinrichtung (400) die Verwendung einer schnellen Prototypbildungs- und Bearbeitungstechnik (RPT) gehört.
Rechnerprogramm mit einem Code, der so ausgelegt ist, dass er alle Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 22 vornimmt, wenn das Programm auf einem Datenverarbeitungssystem ausgeführt wird.
Rechnerprogramm nach Anspruch 26 verwirklicht auf einem rechnerlesbaren Medium.
Rechnerimplementiertes System mit einem Rechenprogramm nach Anspruch 26.