DE10122311A1 - Vorrichtung zur ferngesteuerten Navigation medizinscher Instrumente im Körper von Patienten während gleichzeitiger computertomographischer (CT-)Untersuchung - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur ferngesteuerten Navigation medizinischer Instrumente im Körper von Patienten während gleichzeitiger computertomographischer (CT-)Untersuchung. Der Begriff "medizinische Instrumente" umfasst in diesem Zusammenhang Biopsie- und Punktiernadel, Führungshülsen, Katheter, Kanülen, optische Geräte, Injektionssysteme usw.

CT-Untersuchungen werden heute u. a. durchgeführt, um Gewebeunregelmäßigkeiten im Körper des Patienten zu entdecken. Wird ein solches Gewebe mit verdächtigem pathologischen Veränderungen (z. B. Tumor) am CT visualisiert, ist eine Gewebeentnahme zur näheren Untersuchung geboten. Hierbei wird u. a. die Technik des Punktierens mit einer Nadel verwendet, indem das Instrument (z. B. Biopsienadel) vom Radiologen von Hand in den lokal betäubten Patienten eingeführt und zum Zielobjekt navigiert wird und von dort Gewebeproben mit Biopsie-Instrumenten entnommen werden können. Die Navigation des Instruments an die gewünschte Stelle wird in mehreren Schritten durchgeführt und gestaltet sich je nach Größe und Lage des Zielobjekts als schwierig und zeitaufwändig. Zur Planung und besseren Orientierung des Einstichbereichs und Einstichwinkels wird zuvor der Patient mit einem am Körper befestigten Referenzgitter im CT untersucht. Mit Hilfe dieses am Bildschirm 5 sichtbaren Gitters kann nun der geplante Einstichpunkt und -Winkel leichter auf den Patienten übertragen und das Instrument entsprechend anguliert werden. Das CT ist während der manuellen Positionsänderung des Instruments auf Grund der Strahlungsbelastung ausgeschaltet. Der Patient 1 liegt bei der Einführung von Hand auf dem verfahrbaren Schlitten 2 des CTs 3 außerhalb der CT-Röhre (Abb. 1). Das Ergebnis jeder Positionsänderung wird mit Hilfe von einzelnen CT-Aufnahmen kontrolliert. Nach jedem Kontrollschritt wird das Instrument weiter in Richtung Zielobjekt geführt. Unter Umständen ist sogar eine Reangulierung oder ein Neueinstich des Instruments notwendig, was oft mit zusätzlichen Schmerzen für den Patienten verbunden ist. Für diese Kontrollaufnahmen der Instrumentenposition muss der Patient mit eingeführtem Instrument jedes Mal zurück in die CT-Röhre gefahren werden. Das Personal muss während der Aufnahmen den CT- Raum 4 verlassen. Je nach Erfahrung und Begabung des Radiologen sowie nach Größe und Lage des Zielobjekts sind mehrere, zeitaufwändige Navigationsschritte erforderlich. Tieferliegende Zielobjekte kleiner als < 1 cm³ sind auf Grund dieser "blinden" Navigation vollkommen unzugänglich. Abb. 3 zeigt eine CT-Aufnahme eines Patienten mit eingeführter Biopsie-Nadel 6.

Es sind Geräte bekannt (z. B. WO 91/07922), die diesen Navigationsvorgang unterstützen, indem sie medizinische Instrumente aufnehmen und die Einstichrichtung und Einstichtiefe dieser Instrumente festlegen. Am eigentlichen diskontinuierlichen Ablauf des derzeitigen Verfahrens ändert dies jedoch nichts. Es besteht nun der Bedarf an einem automatisierten Einführungsgerät kleinerer Baugröße, welches in die Scan-Ebene des CT-Geräts ein- und ausgefahren werden kann und von einem Kontrollraum 7 (ausserhalb des CT-Raums 4) ferngesteuert werden kann. Damit ist eine permanente Überwachung der Instrumentenposition mit Hilfe des CT während des gesamten Navigationsvorgangs möglich. Die Erfindung beschreibt eine solche ferngesteuerte Einführung und Navigation medizinischer Instrumente im Körper des Patienten, während gleichzeitig computertomographische Bilder erzeugt werden können. Dadurch ergeben sich für die Erfindung folgende Vorteile:

• - Reduzierung der Navigationszeit und damit Verkürzung der gesamten Behandlungszeit. Es können mehr Patienten pro Tag und CT behandelt werden (Reduzierung der Behandlungskosten). Dies ist insbesondere für Entwicklungsländer von großem Interesse, da weder CTs noch erfahrenes Personal in ausreichender Zahl vorhanden sind.
• - Minimierung der Patientenbelastung (Schmerzen und Zeitdauer).
• - Qualitative Verbesserung und Absicherung des Einführungsprozesses durch permanente CT-Überwachung.
• - Auch Objekte kleiner als < 1 cm³ können reproduzierbar mit dem Instrument erreicht werden.
• - Komplizierte Einführungen im Nahbereich von Organen sind sicherer durchführbar.
• - Der Navigationsvorgang kann auf Atmungsbewegungen des Patienten abgestimmt werden.
• - Die Navigation durch den Radiologen kann mit Hilfe der Fernsteuerung und Datenfernübertragung von Bild- und Sensorinformationen auch von anderen Orten (Kliniken) aus durchgeführt werden.

Die beschriebene Vorrichtung besteht prinzipiell aus folgenden drei Systemen:

• - mehrachsiges Positionierungsgerät 8,
• - Instrumentenhalter 9 mit integriertem Antriebsmechanismus für die Instrumenteneinführung sowie
• - Fernbedienung 10 mit Kraftrückkopplung.

Diese Systeme in Verbindung mit einem CT werden anhand der folgenden Abbildungen näher dargestellt. Es zeigen

Abb. 1 Computertomograph (CT) 3 mit in z-Richtung verfahrbarer Patientenliege 2 und Positioniergerät 8 mit Instrumentenhalter 9 sowie Kontrollraum 7 mit Fernsteuerung 10.

Abb. 2 verschiedene Positionen des Instrumentenhalter 9 mit Patienten 1 in der CT-Röhre,

Abb. 3 CT-Aufnahme eines Patienten mit eingeführter Biopsie-Nadel 6,

Abb. 4 Instrumentenhalter mit Instrument in der Ausgangsposition mit offenen Zangenpaar und in der Endposition mit geschlossenen Zangenpaar,

Abb. 5 Stellungen der Haltezangen (geschlossen, halb offen und "Notaus"-Position)

Abb. 6 Zangenhalterung und Führung des Instrumentenhalters,

Abb. 7 Explosionsdarstellung der unteren Führung mit Zangenhalterung.

Das Positionierungsgerät 8 benötigt mindestens vier Achsen und hat folgende Hauptfunktionen:

• 1. Einfahren des Instrumentenhalters in die Scan-Ebene (Bewegung in z-Richtung),
• 2.  Positionierung des Instrumentenhalters 9 in der Scan-Ebene (x-y-Ebene),
• 3. Drehung des Instrumentenhalters 9 um die z-Achse.

Der am Ende des Positionierarms 11 befestigte Instrumentenhalter 9 wird in z-Richtung in das CT zwischen Patienten und Röhre eingefahren, bis das Instrument sich genau in der Scan-Ebene befindet. Damit ist die gemeinsame und gleichzeitige Betrachtung von Patient und Instrument auf dem CT-Bildschirm 5 gegeben. Die exakte Ausrichtung des Instrumentenhalters 9 zum Patienten in Bezug auf Einstichpunkt und Einstichwinkel wird durch entsprechende Positionierung des Positionsarms 11 in der xy-Ebene und durch Verdrehung des Instrumentenhalters 9 um die z-Achse erreicht (Abb. 2). Das Positioniergerät 8 kann dabei entweder als freistehende und transportable Einheit (Abb. 1) oder als am CT-Gerät befestigte Einheit ausgeführt sein. Vorteilhaft an der am CT befestigten Lösung ist, dass auch bei "gekippten" CT (z. B. bei schrägen Einstichen), die Positioniereinheit mit gekippt wird und damit eine zusätzliche Verstellbarkeit der Einführungsachse nicht gegeben sein muss.

Zu den Hauptfunktionen des Instrumentenhalters 9 gehören die

• 1. 1. Aufnahme verschiedener Instrumente unterschiedlicher Abmessungen (wie Biopsie- und Punktiernadeln, Katheter, Kanülen, optische Geräte, Injektionssysteme, usw.),
• 2. 2. Axialer Vorschub des Instruments in den Patienten,
• 3. 3. Messung der Einstichkräfte und Einstichtiefe des Instruments,
• 4. 4. Notlösevorrichtung des Instruments vom Instrumentenhalter.

Das zur Anwendung kommende Instrument 6 wird an seiner oberen Aufnahme 12 mechanisch über ein Zangenpaar 13 formschlüssig aufgenommen. Das für die Aufnahme von unterschiedlichen Instrumenten ausgelegte Zangenpaar ist an der Zangenhalterung 14 drehbar gelagert. Die obere Aufnahme 12 des Instruments 6 kann jedoch auch kraftschlüssig z. B. durch elektromagnetische oder pneumatische (Unterdruck)Kräfte erfolgen. Die axiale Bewegung der Zangenhalterung kann durch einen Linearmotor oder einen herkömmlichen Spindelantrieb 15 (Abb. 4) konstruktiv ausgeführt werden. Im Gegensatz zu Spindelantrieb mit herkömmlichem Elektromotor bauen Linearmotore kompakter, sind genauer und geben zugleich wichtige Informationen über die Position des Schlittens.

Das Instrument kann am unteren Ende des Instrumentenhalters zusätzlich über ein angebrachtes Zangenpaar 16 geführt werden. Das Zangenpaar und dessen Befestigung an der Zangenhalterung ist analog zur oberen Zangenhalterung ausgeführt. Zu beachten gilt, dass das Instrument in jedem Fall an dessen Einführungslänge 6 steril gehalten werden muss und der Kontakt zur unteren Zangenführung über eine sterile Ein- oder Mehrweg-Führungsbuchse 17 erfolgen muss. In der Ausgangsposition befindet sich die Instrumentenspitze 18 in der Führungsbuchse 17 des unteren Zangenpaars 16 und ist damit gegen Berührung geschützt. Alternativ kann die untere Zangenführungseinheit 19 komplett entfallen und die sterile Führungsbuchse 17 direkt am Patienten z. B. mit Heftpflastern angebracht werden. Die Führungsbuchse ist mit einem Einführtrichter versehen und konstruktiv derart ausgeformt, dass dieses Bauteil sowohl vom unteren Zangenpaar aufgenommen als auch direkt am Patienten befestigt werden kann.

Der dem Instrumentenhalter 9 zur Verfügung stehende Raum wird eingeschränkt zum einen durch den Röhrendurchmesser 20 des CT (hier: 700 mm) und zum anderen durch den in der Röhre liegenden Patienten 1 selbst. Die Abmessungen des Instrumenten­ halters sind deshalb unter Berücksichtigung einer maximalen Einführungslänge des Instruments 6 von 15 cm (ohne Aufnahme 12) auf ein Minimum reduziert, um ein Maximum an Patientenbeweglichkeit und Manövrierbereich 21 des Instrumentenhalters zu erreichen. Mit dieser freien Instrumentenlänge sind nahezu alle Bereiche des menschlichen Körpers zugänglich.

Untersuchungen haben gezeigt, dass zusätzliche in die CT-Scan-Ebene eingebrachte Materialien unerwünschte Schatten (Artefakte) am CT-Bild erzeugen können. Um die Qualität des CT-Bildes (Abb. 3) nicht negativ zu beeinflussen, befinden sich lediglich ein Teil der Zangenpaare 13 und 16, die untere Führungsbuchse 17 und das Instrument 6 selbst in der Scan-Ebene. Alle anderen Vorrichtungsteile sind konstruktiv ausserhalb der Scan-Ebene angebracht. Zudem sind die Zangen- und Führungsteile aus CT- verträglichen Kunststoffmaterialien hergestellt.

Die beschriebene Vorrichtung besitzt im Vergleich zu den bekannten Geräten zudem eine Notauslösung des Instruments 6 vom Instrumentenhalter 9. Die Notauslösung bewirkt ein sofortiges Öffnen beider Zangenpaare 13 und 16. Damit wird das bereits im Patienten eingeführte Instrument 6 vom Instrumentenhalter 9 losgelöst und die Verletzungsgefahr des Patienten reduziert. Die Notauslösung kann entweder bewusst durch Betätigung eines Schalters an der Fernsteuerung 10 durch den Radiologen und/oder durch den Patienten am CT selbst eingeleitet werden oder, insbesondere bei unachtsamen, grösseren Bewegungen des Patienten, automatisch aktiviert werden. Durch größere Patientenbewegungen werden über das Instrument Radialkräfte an die untere Zangenhalterung 19 und Axialkräfte an die obere Zangenhalterung 14 eingeleitet. Bei Überschreiten einer einstellbaren radialen Grenzkraft aus beliebiger Richtung verschiebt sich die untere Führungsplatte und löst einen Mikroschalter 22 aus. Die Einstellung dieser Grenzkraft wird über eine verstellbare Kugelhülse 23 bewerkstelligt. Der Mikroschalter 22 steuert an den Zangenhalterungen angeordnete Hubmagnete 24 an, welche wiederum die Verriegelungsbleche 25 der Zangenpaare 13 und 16 aushebeln. Die in der Zangenlagerung 26 befindlichen Torsionsfedern 27 öffnen die Zangenpaare (Abb. 5) und geben damit das Instrument frei. In der ganz geöffneten Endstellung (Abb. 5.3) befinden sich beide Zangenpaare 13 und 16 komplett hinter der Plattenkante 28, sodass ein Verklemmen zwischen Instrument 6 und Zangenpaare ausgeschlossen werden kann.

Erhöhte Kräfte in axialer Richtung (= Einstichrichtung) werden durch Kraftsensoren 29 und 30 (z. B. Dehnmessstreifen), die an der oberen Zangenhalterung 31 angebracht sind, gemessen und können bei Überschreiten eines Grenzwertes ebenfalls die Notauslösung aktivieren. Das elektrische Signal der Kraftsensoren 23 und 30 wird gemeinsam mit dem Messwert der Wegstrecke an das Fernsteuergerät 10 des Radiologen weitergegeben und dort wieder in eine entsprechende Kraft und Wegposition umgewandelt (Kraftrückkopplung!).

Eine weitere zusätzliche Möglichkeit der Notauslösung wäre, das Instrument 6 im Schnellgang aus dem Patienten herauszuziehen und in die Ausgangsposition (Abb. 4) zu fahren. Der Instrumentenhalter 9 kann dann ebenfalls aus dem Gefahrenbereich (CT-Röhre) herausgefahren werden. Diese alternative Notauslösung ist ohne zusätzlichen mechanischen Mehraufwand realisierbar und ist in Abhängigkeit der aktuellen Einführungstiefe des Instruments vorteilhaft.

Das Fernsteuergerät 10 mit integrierter Kraftrückkopplung dient dem Radiologen, den Einstichvorgang des Instruments 6 am Gerät zu simulieren. Dabei gibt der Radiologe Geschwindigkeit und Wegposition "Dummy"-Instruments an den Instrumentenhalter und erhält von den Kraftsensoren des Instrumentenhalters eine Kraftrückkoppelung geliefert, die dem Radiologen ein reelles Gefühl über die Einstichkraft vermittelt. Gleichzeitig ist die relative Position des Instruments zum Zielobjekt am Bildschirm 5 permanent erkennbar, sodass der Radiologe zu jedem Zeitpunkt eine Angulierung über das Fernsteuergerät vornehmen kann.

Das Instrument wird zu Beginn der Behandlung vom Radiologen in die Zangenpaare gesteckt und diese von Hand über die Zangenvorsätze 32 geschlossen. Die Verriegelungsbleche 25 arretieren mit Hilfe ihrer schräg angeformten Haken 33 das geschlossene Zangenpaar 13 und 16. Der Positionierungsvorgang des Instrumentenhalters vor dem Einführen als auch der Einstich und die Navigation werden vom Kontrollraum 7 ausgeführt. Das Instrument wird mit Hilfe des Positioniergeräts 8 in die gewünschte Position und Winkel gebracht. Anschließend wird das Instrument über die Antriebseinheit 15 der Instrumentenhalterung 9 in den Körper des Patienten eingeführt. Dabei dienen die Kraftsensoren 29 und 30 der oberen Zangenhalterung 31 der Messung von Einstichkräften. Das entsprechende elektrische Signal wird an die Fernbedienung des Radiologen übermittelt und erzeugt dort eine Gegenkraft. Dadurch erhält der Radiologe ein realistisches Gefühl über die während der Navigation auftretenden Kräfte.

Diese Methode ermöglicht die schnelle und effektivere Navigation des Instruments an das Ziel auch bei kleineren Objekten. Der Radiologe kann die Einführung des Instruments vom Kontrollraum 7 permanent überwachen und ggf. gegensteuern, um das Instrument zum Zielobjekt zu navigieren.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur exakten Positionierung und Navigation medizinischer Instrumente wie Nadeln, Katheter, Kanülen, Führungsrohre, Biopsiegeräte usw. an Zielobjekte (Gewebe, Blutgefäße, usw.) im Körper des Patienten während gleichzeitiger CT- Überwachung
   bestehend aus zumindest einer der drei Einheiten

   • 1. 1. Instrumentenhalterung 9,
   • 2. 2. mehrachsiges Positionierungsgerät 8 und
   • 3. 3. Fernsteuerung 10,

   dadurch gekennzeichnet, dass die Navigation des Instruments ferngesteuert erfolgen kann und der Vorgang der Instrumentennavigation durch eine gleichzeitige computertomographische (CT) Überwachung oder ähnliche Verfahren wie MRI (Magnetic Resonance Imaging) oder Ultraschall überwacht werden kann,
   dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile des Positionierungs-, Einstichs- oder Navigationsvorgangs des Instruments in der Scan-Ebene vom CT oder MRI überwacht werden können und die Instrumentenposition innerhalb und ausserhalb des Patienten fortwährend visuell am Bildschirm dargestellt werden kann,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Instrumentenhalter 9 mit Unterstützung eines Positionierungsgerätes 8 in die CT-Röhre zwischen Patienten und Röhre ein- und ausgefahren gefahren werden kann,
   dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierungsgerät 8 sowohl freistehend als auch am CT-Gerät fest angebracht werden kann,
   dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierungsgerät das Instrument des Instrumentenhalters relativ zum Patienten in der Scan-Ebene positioniert und damit Einstichpunkt und Einstichwinkel des Instruments bestimmen kann,
   dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierungsgerät selbst oder eine Antriebseinheit am Instrumentenhalter das Instrument in den Patienten ein- und/oder ausführen kann,
   dadurch gekennzeichnet, dass sich sämtliche Antriebsteile während der Navigation ausserhalb der Scan-Ebene befinden und nur Teile der Zangen und unteres Führungsteil in der Scan-Ebene liegen,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Instrumentenhalter universelle formschlüssige (in Form von z. B. Zangen) oder kraftschlüssige (elektromagnetisch oder pneumatisch) Ausprägungen zur Aufnahme unterschiedlicher Instrumentabmessungen aufweist,
   dadurch gekennzeichnet, dass die untere Führung des Instruments durch eine sterile Führungsbuchse geführt wird, welche sowohl im unteren Zangenpaar oder auf dem Patienten selbst angebracht werden kann,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Instrumentenhalter die axiale Einstichkraft über Kraftsensoren und die Wegposition messen kann und die Signale an die Fernsteuerung als Kraftrückkoppelung und Weginformation weitergibt,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Instrumentenhalter eine Notauslösevorrichtung aufweist, welche bewusst vom Radiologen oder/und vom Patienten selbst und/oder durch Überschreiten von Sollkräften das Instrument vom Instrumentenhalter trennt,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Instrumentenhalter radiale Kräfte vorzugsweise am unteren Ende erfasst und bei Überschreitung eines Sollwertes die Notauslösevorichtung aktiviert,
   dadurch gekennzeichnet, dass sich während der Navigation das Instrument in der Scan- Ebene des CT gemeinsam mit dem Patienten befindet,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezangen beim Öffnen komplett hinter einem Vorsprung verschwinden und somit das Instrument vollkommen frei beweglich ist.