DE19732784C1 - Positioniersystem und Verfahren zur exakten Positionsbestimmung eines manuell geführten Manipulators in einem MR-Tomographen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Positioniersystem zur exakten Ortsbestimmung eines manuell geführten Manipulators, insbe­ sondere der Spitze einer Biopsienadel, relativ zu einem mit­ tels bildgebender MR-Messung untersuchten Meßobjekt, das sich im Untersuchungsvolumen eines Kernspinresonanz (MR)-To­ mographen befindet, insbesondere dem Kopf, der Mamma oder einer Extremität eines Patienten, mit einem Halterahmen, mit dem der Manipulator über eine bewegliche Mechanik verbunden ist, welche eine Meßeinrichtung aufweist, über die die je­ weilige räumliche Position des Manipulators relativ zum Hal­ terahmen ermittelt werden kann.

MR-Tomographen mit der Möglichkeit nicht nur eines axialen Zugangs zum Einschieben des Meßobjekts, insbesondere eines Patienten in das Untersuchungsvolumen, sondern auch mit ei­ nem transversalen Zugang zum Untersuchungsvolumen sind bei­ spielsweise bekannt aus der US 5,168,211. Weiterentwick­ lungen derartiger MR-Tomographen, die dem behandelnden Arzt einen ausreichenden transversalen Zugang zum Untersuchungs­ volumen eröffnen, was beispielsweise zur Durchführung von minimal-invasiven Eingriffen bei gleichzeitigem Monitoren der Operation über simultan erzeugte MR-Schnittbilder ausge­ nutzt werden kann, sind beispielsweise bekannt aus DE 40 29 477 A1, US 5,414,360, US 5,463,364 oder US 5,545,997, wo verschiedene geometrische Anordnungen von Magnetsystemen und Gradientensystemen beschrieben sind, die einen solchen transversalen Zugang zum Untersuchungsvolumen erlauben.

Eine weitere Möglichkeit eines nahezu seitlichen Zugriffs zusätzlich zum Zugang zum Untersuchungsvolumen in axialer Richtung ist in der US 5,570,073 beschrieben, die eine MR-Scheibenspule zeigt, welche in axialer Richtung besonders kompakt aufgebaut ist, so daß man unter einem relativ großen Winkel schräg zur Achse der Anordnung auf das Untersuchungs­ volumen zugreifen kann. Damit wird ebenfalls die Möglichkeit zu einer minimal-invasiven chirurgischen Behandlung simultan zur Aufnahme von MR-Schnittbildern eröffnet.

Eine weitere denkbare Möglichkeit für ein Tomographiesystem mit seitlichem Zugriff auf das Homogenitätsvolumen ist eine sogenannte "inside-out"-Anordnung, bei der das Homogenitäts­ volumen durch die besondere Konstruktion des Magnetsystems außerhalb des eigentlichen Tomographen angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der DE 296 09 289 U1 beschrieben.

Bekannt ist weiterhin bei den obengenannten minimal-invasi­ ven Eingriffen, die beispielsweise mittels einer Biopsie­ nadel vorgenommen werden können, ein Computertomogra­ phie(CT)- oder ein MRI-Bild zu unterlegen. Dieses Tomogramm oder Projektionsbild wird jedoch bislang vorab gewonnen, ehe der Patient (oder das Untersuchungsobjekt) aus dem Tomogra­ phen herausbewegt und danach der Eingriff außerhalb des To­ mographen, insbesondere außerhalb des Untersuchungsvolumens vorgenommen wird. Dabei werden sowohl frei bewegliche Biop­ sienadeln mit aufgebrachten Markierungspunkten verwendet (siehe zum Beispiel Firmenprospekt "VectorVision" der Firma BrainLAB, Heimstetten, September 1996) als auch fest instal­ lierte Positioniersysteme (z. B. Zeitschriftenartikel von Hübner und Kühnapfel in: Computer Assisted Radiology, 751-756, 1996), bei denen die Halterung der Biopsienadel auf zwei Kreisen definiert verschiebbar und die Nadel definiert einschiebbar ist. Die Position der frei beweglichen Nadel wird beispielsweise optisch (siehe Firmenprospekt "VectorVision") mittels reflektierender, mitbewegter Kugeln bestimmt. Die Nadelposition wird in das vorab an einem ande­ ren Ort aufgenommene Bild eingeblendet. Hierbei müssen na­ türlich die beiden Koordinatensysteme jedesmal möglichst ex­ akt zur Deckung gebracht werden. Dies geschieht vermutlich mittels definierter mechanischer Anschläge. Dabei erscheint es zwingend, daß das Untersuchungsobjekt exakt positioniert wird und bleibt. Hierzu werden auf das Objekt gegebenenfalls aufgeklebte weitere optische Markierungspunkte verwendet.

Die bekannten Biopsieverfahren mit einer "freien" Nadel ha­ ben den Nachteil, daß die Nadel während der Biopsie nur so ruhig bleibt, wie es die Hand des Operateurs, der sie führt, erlaubt. Die bekannten Verfahren mit optischen Markierungs­ punkten lassen sich nur schwer ins Innere eines Tomographie­ magnetsystems für on-line-Untersuchungen übertragen, da dort unter den nach wie vor beengten Verhältnissen und vorgegebe­ nen Lagerungen einige Hindernisse im Weg sind und Lichtwege blockieren, nicht zuletzt der Patient selbst bzw. die Per­ son, die den Manipulator führt. Aus diesem Grund sind die definiert manuell geführten Manipulatoren, die beispielswei­ se an einem stereotaktischen Ring befestigt sind, bisher im­ mer nur außerhalb des Tomographen, bzw. außerhalb von dessen Untersuchungsvolumen mit homogenem Magnetfeld eingesetzt worden.

Andererseits kann beim eigentlichen Eingriff außerhalb der bildgebenden Apparatur beispielsweise die Lage eines inneren Ortes, welcher Ziel des Eingriffs ist (z. B. im Gehirn, der Nie­ re, der Mamma etc.), gegenüber der Situation während der Bildaufnahme verändert sein. So kann etwa durch den Trans­ port des Patienten eine Verlagerung des Organs eintreten, eine zum Eingriff eingesetzte Biopsienadel kann Gewebe ver­ schieben, ein Blutgefäß kann durch Pulsation seine räumliche Lage verändert haben usw.. Die Absolutposition des Manipula­ tors wird dann möglicherweise um mehrere Millimeter gegen­ über der Realposition verschoben angezeigt, so daß der Ein­ griff evtl. nicht zum gewünschten Erfolg führt, oder viel­ leicht sogar für den Patienten tödlich endet.

In dem oben zitierten Artikel von Hübner und Kühnapfel wird zwar allgemein erwähnt, daß die dort beschriebene Anordnung die Möglichkeit von simultaner Diagnose und on-line 3D-ge­ stützter Führungshilfe während chirurgischer Eingriffe bie­ tet, jedoch wird dort kein MR-Tomograph mit transversalem oder zumindest schrägem seitlichem Zugriff verwendet und die Operation wird auch nicht manuell von einem Arzt vorgenom­ men. Vielmehr wird ein "Biopsie-Roboter" vorgeschlagen, der dann wohl vollautomatisch innerhalb eines herkömmlichen To­ mographen ohne seitliche Zugriffsmöglichkeit, möglicherweise auch ferngesteuert die Biopsie vornehmen soll.

Abgesehen davon, daß derartige Systeme derzeit noch gar nicht konkret existieren und in der Praxis eingesetzt wer­ den, hätten sie aber den ganz erheblichen Nachteil, daß eine solche Roboteranordnung mit irgendeiner Art von Motoren aus­ gerüstet sein müßte, die ohne Zweifel ferromagnetische Teile umfassen würden, welche die Homogenität des Magnetfelds im Untersuchungsvolumen, in dem sich ja der Roboter befindet, erheblich beeinträchtigen. Dadurch würde im Endeffekt die Bildqualität der gewonnenen MR-Tomogramme derart schlecht, daß sie nicht zu einer exakten Positionierung der Biopsie­ nadel taugen würden. Dies mag auch der Grund dafür sein, weshalb die in dem oben zitierten Zeitschriftenartikel von Hübner und Kühnapfel theoretisch vorgeschlagene Biopsie-Ro­ boter-Anordnung in einem MR-Tomographen bisher nicht reali­ siert wurde.

Aus der EP 0 640 842 A1 schließlich ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur exakten Positionierung eines Manipula­ tors bekannt, wobei ein Halterahmen in Form einer verschieb­ baren perforierten Platte vorgesehen ist und die Position des Manipulators durch ein Kernresonanzbild eines Phantoms ermittelt wird, welches in der Spitze des Manipulators un­ tergebracht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Positioniersystem mit den eingangs beschriebenen Merkmalen vorzustellen, mit welchem bei minimal-invasiven Eingriffen, beispielsweise mittels einer Biopsienadel, die manuell in einem MR-Tomographen durchgeführt werden, die Position des dazu verwendeten Manipulators im Inneren des Meßobjekts mit­ tels simultan aufgenommener MR-Schnittbilder während des Eingriffs beobachtet und gegebenenfalls korrigiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Positioniersy­ stem mit den eingangs beschriebenen Merkmalen gelöst, wobei am Halterahmen mindestens ein Markierungspunkt befestigt ist, der sich innerhalb des Untersuchungsvolumens befindet, in dem das Magnetfeld des MR-Tomographen homogen und die Gradientenfelder linear sind, und der eine Substanz enthält, in der meßbare MR-Signale angeregt werden können, die über die bildgebende MR-Messung die räumliche Position des Halte­ rahmens im MR-Bild definieren, wobei mittels mechanischer, elektrischer, piezoelektrischer oder optischer Weglängenmes­ sungen die räumliche Position des Manipulators relativ zum Halterahmen ermittelt werden kann, wobei eine Auswerteein­ richtung zum Erzeugen eines MR-Bildes aus dem Innern des Meßobjekts oder ein damit verbundener Rechner die Position des Manipulators im MR-Bild, insbesondere die der Spitze ei­ ner Biopsienadel, rechnerisch aus der über bildgebende MR- Messung ermittelten Position des Halterahmens und der mit­ tels der Meßeinrichtung ohne MR-Messung ermittelten relati­ ven Position des Manipulators bestimmen kann, und wobei die gemessene Position des Manipulators auf dem MR-Bild ange­ zeigt wird.

Mit einem MR-Tomographen, der mit dem erfindungsgemäßen Po­ sitioniersystem ausgerüstet ist, können manuelle on-line-Un­ tersuchungen bzw. Operationen bei gleichzeitiger Beobachtung der Manipulation auf MRI-Bildern durchgeführt werden. Im Ge­ gensatz zu der theoretisch vorgeschlagenen Verwendung eines "Biopsie-Roboters" sind dabei praktisch keine Einschränkun­ gen der Homogenität des Magnetfelds im Untersuchungsvolumen zu befürchten, allerdings muß dafür ein ausreichender trans­ versaler Zugang zum Untersuchungsvolumen möglich sein.

Im Gegensatz zu indirekten Verfahren, bei denen beispiels­ weise über IR-optische Messungen am Halterahmen und mit am Patienten befestigten Markierungspunkten (beispielsweise Ku­ geln) die Positionsbestimmung durch Umrechnung der Kugelbe­ wegungen erfolgt, kann durch die Verwendung einer MR-meßba­ ren Substanz in einem Markierungspunkt die Lagebestimmung direkt über das MRI-Bild erfolgen. Dies ist auch vorteilhaft gegenüber Verfahren, bei denen der Manipulator, beispiels­ weise die Spitze einer Biopsienadel, während der Operation mittels MR-Schnittbild im Meßobjekt aufgenommen wird, da die Manipulatoren in der Regel metallisch-leitendes Material enthalten, was zu Bildartefakten und Verzerrungen gerade an der interessierenden Stelle im Meßobjekt führen kann. Die dabei entstehenden Bilder beispielsweise einer Biopsienadel in dem zu untersuchenden bzw. zu behandelnden Gewebe sind zudem sehr verschwommen, da die Nadel an sich keine eigent­ lichen MR-Signale aussendet, sondern lediglich Bildstörungen verursacht und daher als ein räumlich nicht exakt zuordenba­ rer Schatten abgebildet wird.

Anstelle einer relativen Positionsbestimmung im Inneren des Meßobjekts, bei der große Fehlermöglichkeiten aufgrund von Gradientenfehlern sowie aufgrund von Gewebeverschiebungen durch den Manipulator, durch pulsierende Gefäße etc. entste­ hen, so daß die Absolutposition beispielsweise einer Biopsi­ enadel eventuell um mehrere Millimeter verkehrt bestimmt wird, kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung aufgrund des MR-Bildes des am Halterahmen fixierten Markierungspunktes ohne großen technischen Aufwand mit einer Genauigkeit von besser als einem Millimeter die relative Position des Mani­ pulators gegenüber der mit extrem hoher Genauigkeit ermit­ telten Position des Halterahmens ausgerechnet und im MR-Bild mit einer Positionsgenauigkeit relativ zum umgebenden Gewebe dargestellt werden, die ebenfalls in der Größenordnung klei­ ner als ein Millimeter liegt.

Vorzugsweise ist die MR-meßbare Substanz im Markierungs­ punkt protonenhaltig, insbesondere wasserhaltig, da übli­ cherweise MRI-Bilder von biologischen Meßobjekten über die Kernspinresonanz von Protonen gewonnen werden.

Vorteilhafterweise liegt die MR-meßbare Substanz in Form eines Gels vor, welches leicht und auslaufsicher beispiels­ weise in einer Kunststoffkapsel untergebracht sein kann.

Besonders bevorzugt besteht das gesamte Positionierungssy­ stem ausschließlich aus nichtmagnetischen Materialien, so daß keine Gefahr einer Beeinträchtigung der Homogenität des Ma­ gnetfelds im Untersuchungsvolumen besteht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen MR-Tomographen sind weitere Markierungspunkte als Orientie­ rungshilfen vorgesehen, über die mittels mechanischer, elek­ trischer, piezoelektrischer oder optischer Weglängenmessun­ gen die räumliche Position des Manipulators relativ zum Hal­ terahmen ermittelt werden kann. Meßgeber für derartige We­ glängenmessungen sind ohne weiteres in einem Genauigkeitsbe­ reich von besser als einem Millimeter im Handel erhältlich.

Vorzugsweise ist auch ein Markierungspunkt mit einer MR- meßbaren Substanz vorgesehen, der starr mit dem Meßobjekt verbunden ist. Dadurch kann auch die Absolutposition des Meßobjekts selbst über MRI-Bilder bestimmt und mit der Abso­ lutposition des Halterahmens verglichen werden.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Erfindung, bei der der mechanisch fest mit dem Halterahmen verbundene Markierungspunkt identisch mit dem starr mit dem Meßobjekt verbundenen Markierungspunkt ist, so daß ein Vergleich der relativen Positionen entfallen kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Einrichtung zur mechani­ schen Führung des Manipulators in einem Raumwinkelbereich und zur Bestimmung der jeweiligen Raumwinkelposition des Ma­ nipulators vorgesehen ist.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zur mechanischen Führung des Manipulators eine kardanische Aufhängung, so daß beliebige Raumkoordinaten der Manipulatorstellung leicht angefahren werden können.

Vorzugsweise ist der Halterahmen entlang zweier im wesentli­ chen senkrecht aufeinanderstehender Kreisbögen verfahrbar.

Bei einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der jewei­ ligen axialen Position des Manipulators relativ zur Füh­ rungseinrichtung vorgesehen. Dadurch kann beispielsweise bei Anwendung einer Biopsienadel deren Eindringtiefe exakt zu jedem Zeitpunkt des Eingriffs festgestellt werden.

Weiterhin kann die Einrichtung zur mechanischen Führung des Manipulators auch ein Kugelgelenk umfassen, so daß Kippbewe­ gungen des Manipulators möglich sind.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfaßt der Manipulator eine Biopsienadel, die um einen vorzugsweise na­ he der Oberfläche des Meßobjekts gelegenen Punkt, in der Re­ gel um relativ kleine Winkel, definiert verschwenkbar ist. Damit kann die Biopsienadel neben der Bewegung um die drei Hauptkoordinaten (beispielsweise Position auf zwei orthogo­ nalen Kreisbögen sowie axiale Eindringtiefe) auch noch mini­ mal um eine feste Einstichstelle, beispielsweise ein Loch in der Schädeldecke eines Patienten bei einer Gehirnoperation, gekippt werden. Selbstverständlich müssen auch diese Frei­ heitsgrade, wenn sie freigegeben sind, ständig gemessen und angezeigt werden, um dem Operateur jederzeit eine genaue In­ formation über die aktuelle Position der Spitze der Biopsie­ nadel oder eines anderen Manipulationsgerätes zu geben.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Markierungspunkt mit MR-meßbarer Substanz mecha­ nisch fest mit der Führungseinrichtung verbunden bzw. die Führungseinrichtung enthält eine MR-meßbare Substanz. Da­ durch kann die Position des Manipulators selbst ebenfalls über MR-Messung ermittelt werden.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Ver­ fahren zur Positionierung eines manuell geführten Manipula­ tors, der im Untersuchungsvolumen eines MR-Tomographen mit stereotaktischem Positioniersystem eingesetzt wird, bei dem die Absolutposition des Halterahmens durch bildgebende MR- Messungen simultan während einer Betätigung des Manipulators aufgrund von Meßsignalen aus dem Markierungspunkt mit MR- meßbarer Substanz ermittelt wird und bei dem die relative Position des Manipulators zum Halterahmen simultan während einer Betätigung des Manipulators aufgrund mechanischer, elektrischer, piezoelektrischer oder optischer Meßsignale von entsprechenden Markierungspunkten permanent bestimmt wird.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird die Ab­ solutposition eines bestimmten Abschnitts des Manipulators, beispielsweise einer Nadelspitze, die sich während der Mani­ pulation im Inneren des Meßobjekts befindet, durch Computer­ berechnung ermittelt und in dem aufgenommenen MR-Bild ein­ geblendet.

Ebenso fällt in den Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Führen der Spitze z. B. einer Biopsienadel an einen vorgege­ benen Punkt im Innern eines Objekts in einem MR- Tomographen, wobei die Biopsienadel auf zwei Kreisbögen au­ ßerhalb des Meßobjekts definiert geführt und entlang einer auf den Kreisbögen im wesentlichen senkrecht stehenden Achse definiert verschoben werden kann, mit folgenden Verfahrens­ schritten:

• a) die Biopsienadel befindet sich zunächst außerhalb des Meßobjekts,
• b) ein MR-Bild des Meßobjekts wird gewonnen und angezeigt,
• c) auf diesem MR-Bild wird, vorzugsweise per Mausklick, ei­ ne gewünschte Position markiert,
• d) die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung ermittelt optimale Koordinaten entlang der Kreisbögen und der Achse,
• e) Abweichungen davon werden, vorzugsweise graphisch, in das MR-Bild eingeblendet und permanent aktualisiert,
• f) die angezeigten Abweichungen entlang der Kreisbögen wer­ den manuell minimiert und die so gefundene Position ent­ lang der Kreisbögen arretiert,
• g) die Abweichung entlang der Achse wird durch manuelles Einführen der Biopsienadel in das Meßobjekt entlang der Achse unter Berücksichtigung der permanent angezeigten und aktualisierten Abweichung minimiert, bis sich die Spitze der Biopsienadel am vorgegebenen Punkt befindet.

Dabei kann vorteilhafterweise die graphische Anzeige auch durch eine akustische unterstützt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergebet sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin­ dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be­ liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf­ ten Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an­ hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein MR-Tomographiesystem in schematischem Vertikal­ schnitt sowie angedeutetem Patienten und Operateur;

Fig. 2 ein stereotaktisches Positionierungssystem zur ex­ akten Bestimmung der Position eines Manipulators als Teil eines MR-Tomographen; und

Fig. 3 einen schematischen Horizontalschnitt durch den an­ gedeuteten Schädel eines Patienten mit eingeführter Biopsienadel und über ein Drehgelenk anhängendem Manipulator.

Der in Fig. 1 schematisch in einem Vertikalschnitt von der Seite gezeigte MR-Tomograph 1 erzeugt mittels eines Magnet­ systems 2, das beispielsweise aus gewickelten Magnetspulen und/oder permanentmagnetischen Elementen wie Ringen und der­ gleichen aufgebaut sein kann, ein homogenes Magnetfeld in einem Untersuchungsvolumen 3. Weiterhin umfaßt der MR-Tomo­ graph 1 ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Gradien­ tensystem, welches im Untersuchungsvolumen 3 linear vari­ ierende magnetische Gradientenfelder aufbauen kann. Schließ­ lich ist, ebenfalls nicht dargestellt, ein Hochfre­ quenz-Sende- und Empfangssystem zum Einstrahlen von HF-Im­ pulsen auf ein zu untersuchendes Meßobjekt 6 im Untersu­ chungsvolumen 3 sowie zum Empfangen von MR-Signalen aus dem Meßobjekt 6 vorgesehen. Zum MR-Tomograph 1 gehört auch eine Auswerteeinrichtung 8 und eine Anzeigeeinrichtung 9 zum Erzeugen und Anzeigen eines MR-Bildes aus dem Inneren des Meßobjekts 6. Wesentlich bei dem MR-Tomogra­ phen 1 ist, daß das Magnetsystem 2, das Gradientensystem 4 und das HF-Sende- und Empfangssystem 5 so aufgebaut sind, daß ein Zugang zum Untersuchungsvolumen 3 einerseits in axialer Richtung, andererseits aber auch in einer Richtung senkrecht dazu möglich ist. Dadurch kann ein Operateur 10 den als Meßobjekt 6 auf einer Patientenliege 14 liegenden Patienten bequem erreichen, um während der MR-Messung Unter­ suchungen am Patienten bzw. Operationen, im gezeigten Fall einen minimal-invasiven Eingriff ins Gehirn des Patienten vorzunehmen.

Dazu ist erfindungsgemäß ein stereotaktisches Positioniersystem zur exakten Positionsbestimmung eines manuell geführten Manipulators 12 vorgesehen, an dessen Ende sich beispielsweise die Spitze einer Biopsienadel befindet. Der im Untersuchungsvolumen 3 befindliche Körperteil, z. B. der Kopf des Patienten ist me­ chanisch fest mit einem Halterahmen 11 verbunden, welcher seinerseits über eine bewegliche Mechanik, die in Fig. 1 nicht im einzelnen dargestellt ist, mit dem Manipulator 12 verbunden ist. Diese bewegliche Mechanik weist eine Meßein­ richtung auf, über die die jeweilige räumliche Position des Manipulators 12 zum Halterahmen 11 ermittelt werden kann.

Zur Positionsbestimmung des Halterahmens 11 relativ zum Meß­ objekt 6 ist ein Markierungspunkt 13 innerhalb des Untersu­ chungsvolumens 3 fest mit dem Halterahmen 11 und vorzugswei­ se auch starr mit dem Meßobjekt 6 verbunden. Dieser Markie­ rungspunkt 13 enthält eine Substanz, in der meßbare MR-Si­ gnale angeregt werden können, die über bildgebende MR-Mes­ sungen die räumliche Position des Halterahmens in einem vom Meßobjekt 6 aufgenommenen MR-Schnittbild definieren. Die Auswerteeinrichtung 8 kann dann aufgrund der aus der Meßein­ richtung erhaltenen Signale die relative Position des Mani­ pulators 12 zu dem fest mit dem Patienten 6 verbundenen Hal­ terahmen 11 und damit im vorliegenden Beispiel die Position der Spitze einer Biopsienadel aus der über bildgebende MR- Messung ermittelten Position des Halterahmens 11 bestimmen und über die Anzeigeeinrichtung 9 dem Operateur als MR-To­ mogramm der untersuchten Region des Patienten 6 mit einge­ blendeter Nadelposition anzeigen. Dabei kann die Nadelspitze beispielsweise als Leuchtpunkt in das MRI-Bild eingeblendet werden, bei dem es sich um eine räumliche 3D-Darstellung oder ein 2D-Schnittbild handeln kann.

Die MR-meßbare Substanz im Markierungspunkt 13 wird in der Regel protonenhaltig, insbesondere wasserhaltig sein und kann beispielsweise in Form eines Gels in einer entsprechen­ den Verkapselung vorliegen.

Um eine Verzerrung der MR-Aufnahmen oder eine Beeinträchti­ gung von deren Bildqualität zu vermeiden, besteht das gesam­ te Positionierungssystem ausschließlich aus nichtmagnetischen Materialien. Die in Fig. 1 gezeigte Anzeigeeinrichtung 9 kann beispielsweise einen spez. "solid state"-Bildschirm mit LCD- oder TFT-Anzeige enthalten, wodurch die Erzeugung von störenden HF- und/oder Magnetfeldern mit negativem Einfluß auf die Bildqualität im Untersuchungsvolumen 3 vermieden wird.

Fig. 2 zeigt in größerem Detail als Fig. 1 ein in einem MR-Tomographen eingesetztes stereotaktisches Positionierungssystem zur exakten Positionsbestimmung des Manipulators 12, insbesondere einer in der Zeichnung nicht dargestellten, vom Manipulator 12 bewegten Biopsie­ nadel. Dabei ist ein Halterahmen 11 zu erkennen, der eine Einrichtung zur mechanischen Führung des Manipulators 12 in einem Raumwinkelbereich aufweist, welche zwei Schienen 15, 15' umfaßt, auf denen der Manipulator 12 mittels eines Schlittens 16 auf zwei aufeinander senkrechten Kreisbögen nach Art einer kardanischen Aufhängung verfahrbar ist.

In der Zeichnung nicht dargestellt ist die oben erwähnte Meßeinrichtung der beweglichen Mechanik, mit deren Hilfe die jeweilige Raumwinkelposition des Manipulators 12 relativ zum Halterahmen 11 ermittelt werden kann. Ebenso ist auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der jeweiligen axialen Position des Manipulators 12 bzw. einer Biopsienadel relativ zur me­ chanischen Führungseinrichtung vorgesehen, die in der Zeich­ nung nicht im einzelnen dargestellt ist. Auch können weitere Markierungspunkte vorgesehen sein, über die mittels mechani­ scher, elektrischer, piezoelektrischer oder optischer Weg­ längenmessung die räumliche Position des Manipulators 12 re­ lativ zum Halterahmen 11 ermittelt werden kann. Möglich ist es auch, einen Markierungspunkt mit MR-meßbarer Substanz mechanisch fest mit der oben erwähnten Führungseinrichtung zu verbinden oder die Führungseinrichtung so zu konstruie­ ren, daß sie eine Substanz enthält, in der MR-meßbare Si­ gnale angeregt werden können.

Fig. 3 zeigt in schematischer Schnittansicht einen Teil der Schädeldecke 19 eines Patienten 6, bei dem mittels einer Biopsienadel 18 durch ein Loch 20 in der Schädeldecke 19 ei­ ne Operation am Gehirn 21 vorgenommen werden soll. Dabei wird zunächst der Manipulator 12 mit der Biopsienadel 18 über den Schlitten 16 auf der Schiene 15 des Halterahmens 11 so verfahren, daß die relative Position zum beabsichtigten Operationsgebiet, insbesondere zum Loch 20 ungefähr erreicht wird. Mittels eines Kugelgelenks 17, das auf dem Schlitten 16 montiert ist, kann der Manipulator 12 und damit die Biop­ sienadel 18 in einem (in der Regel kleinen) Raumwinkelbe­ reich verschwenkt werden, um Feinkorrekturen der Positionie­ rung der Biopsienadel 18 vornehmen zu können.

Um den richtigen Weg der Nadelspitze während der Untersu­ chung bzw. Operation finden zu können, wird auf dem jeweils simultan erzeugten MR-Bild ein bestimmter Punkt (beispiels­ weise innerhalb eines Tumors) markiert, was vorzugsweise bei Einsatz eines Computers mittels "Mausklick" vorgenommen wer­ den kann. Auf dem Bildschirm der Anzeigeeinrichtung 9 er­ scheint dann entweder numerisch oder vorzugsweise graphisch die Abweichung der tatsächlichen von der idealen Position entlang der möglichen Verschieberichtungen. Die herausgezo­ gene Biopsienadel 18 wird auf den beiden orthogonalen Krei­ sen so lange verschoben, bis beide Abweichungen minimiert sind, d. h. die optimale Stelle für das Loch 20 in der Schä­ deldecke 19 gefunden ist. Beim anschließenden Einschieben der Biopsienadel 18 wird dann die Abweichung entlang dieser Koordinate dauernd angezeigt. Diese Anzeigen sind vorzugs­ weise graphisch eingeblendet, beispielsweise wie bei dem früher bei Radios üblichen "magischen Auge". Die Information kann zusätzlich auch numerisch angezeigt und/oder auch aku­ stisch unterstützt werden.

Claims (17)

1. Positioniersystem zur exakten Ortsbestimmung eines manuell geführten Manipulators (12), insbesondere der Spitze einer Biopsienadel (18), relativ zu einem mittels bildgebender MR-Messung untersuchten Meßob­ jekt (6), das sich im Untersuchungsvolumen (3) eines Kernspinresonanz(MR)-Tomographen (1) befindet, ins­ besondere dem Kopf, der Mamma oder einer Extremität eines Patienten, mit einem Halterahmen (11), mit dem der Manipulator (12) über eine bewegliche Mechanik verbunden ist, welche eine Meßeinrichtung aufweist, über die die jeweilige räumliche Position des Mani­ pulators (12) relativ zum Halterahmen (11) ermittelt werden kann, wobei am Halterahmen (11) mindestens ein Markierungspunkt (13) befestigt ist, der sich innerhalb des Untersuchungsvolumen (3) befindet, in dem das Magnetfeld des MR-Tomographen (1) homogen und die Gradientenfelder linear sind, und der eine Substanz enthält, in der meßbare MR-Signale angeregt werden können, die über die bildgebende MR-Messung die räumliche Position des Halterahmens (11) im MR- Bild definieren, wobei mittels mechanischer, elek­ trischer, piezoelektrischer oder optischer Weglän­ genmessungen die räumliche Position des Manipulators (12) relativ zum Halterahmen (11) ermittelt werden kann, wobei eine Auswerteeinrichtung (8) zum Erzeu­ gen eines MR-Bildes aus dem Innern des Meßobjekts (6) oder ein damit verbundener Rechner die Position des Manipulators (12) im MR-Bild rechnerisch aus der über bildgebende MR-Messung ermittelten Position des Halterahmens (11) und der mittels der Meßein­ richtung ohne MR-Messung ermittelten relativen Posi­ tion des Manipulators (12) bestimmen kann, und wobei die gemessene Position des Manipulators (12) auf dem MR-Bild angezeigt wird.

2. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die MR-meßbare Substanz im Markie­ rungspunkt (13) protonenhaltig, insbesondere wasser­ haltig ist.

3. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die MR-meßbare Substanz in Form eines Gels vorliegt.

4. Positioniersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Markie­ rungspunkt mit einer MR-meßbaren Substanz starr mit dem Meßobjekt (6) verbunden ist.

5. Positioniersystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mechanisch fest mit dem Halterah­ men (11) verbundene Markierungspunkt (13) identisch mit dem starr mit dem Meßobjekt (6) verbundenen Mar­ kierungspunkt ist.

6. Positioniersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Po­ sitionierungssystem ausschließlich aus nichtmagneti­ schen Materialien besteht.

7. Positioniersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrich­ tung zur mechanischen Führung des Manipulators (12) in einem Raumwinkelbereich und zur Bestimmung der jeweiligen Raumwinkelposition des Manipulators (12) vorgesehen ist.

8. Positioniersystem nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur mechanischen Füh­ rung des Manipulators (12) ein Kugelgelenk (17) um­ faßt.

9. Positioniersystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Manipulator (12) eine Biopsienadel (18) umfaßt, die um einen vorzugsweise nahe der Oberfläche des Meßobjekts (6) gelegenen Punkt defi­ niert schwenkbar ist.

10. Positioniersystem nach Anspruch 7 und ggf. 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur me­ chanischen Führung des Manipulators (12) eine karda­ nische Aufhängung (15, 15', 16) umfaßt.

11. Positioniersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator (12) auf dem Halterahmen (11) entlang zweier im we­ sentlichen senkrecht aufeinander stehender Kreisbö­ gen verfahrbar ist.

12. Positioniersystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrich­ tung zur Bestimmung der jeweiligen axialen Position des Manipulators (12) relativ zur Führungseinrich­ tung vorgesehen ist.

13. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Markierungspunkt mit MR-meßbarer Substanz mechanisch fest mit der Füh­ rungseinrichtung verbunden ist, bzw. daß die Füh­ rungseinrichtung eine MR-meßbare Substanz enthält.

14. Verfahren zur Positionsbestimmung eines manuell ge­ führten Manipulators, der im Untersuchungsvolumen eines MR-Tomographen (1) mit einem stereotaktischen Posi­ tioniersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutposition des Halterahmens (11) durch bildge­ bende MR-Messungen simultan während einer Betätigung des Manipulators (12) aufgrund von Meßsignalen aus dem Markierungspunkt (13) mit MR-meßbarer Substanz ermittelt wird und daß die relative Position des Manipulators (12) zum Halterahmen (11) simultan wäh­ rend einer Betätigung des Manipulators (12) aufgrund mechanischer, elektrischer, piezoelektrischer oder optischer Meßsignale von entsprechenden Markierungs­ punkten permanent bestimmt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutposition eines bestimmten Abschnitts des Manipulators (12), beispielsweise einer Nadel­ spitze, die sich während der Manipulation im Inneren des Meßobjekts (6) befindet, durch Computerberech­ nung ermittelt und in dem aufgenommenen MR-Bild ein­ geblendet wird.

16. Verfahren zur Positionsbestimmung eines manuell ge­ führten Manipulators (12) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche zum Führen der Spitze eines mini­ mal-invasiven Werkzeugs, insbesondere einer Biopsi­ enadel (18), an einen vorgegebenen Punkt im Innern eines Meßobjekts (6), wobei das Werkzeug auf zwei Kreisbögen außerhalb des Meßobjekts (6) de­ finiert geführt und entlang einer auf den Kreisbögen im wesentlichen senkrecht stehenden Achse definiert verschoben werden kann, mit folgenden Verfahrens­ schritten:

• a) das Werkzeug befindet sich zunächst au­ ßerhalb des Meßobjekts (6),
• b) ein MR-Bild des Meßobjekts (6) wird gewonnen und angezeigt,
• c) auf diesem MR-Bild wird, vorzugsweise per Maus­ klick, eine gewünschte Position markiert,
• d) die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung (8, 9) ermittelt optimale Koordinaten entlang der Kreis­ bögen und der Achse,
• e) Abweichungen davon werden, vorzugsweise gra­ phisch, in das MR-Bild eingeblendet und perma­ nent aktualisiert,
• f) die angezeigten Abweichungen entlang der Kreis­ bögen werden manuell minimiert und die so gefun­ dene Position entlang der Kreisbögen arretiert,
• g) die Abweichung entlang der Achse wird durch manu­ elles Einführen des Werkzeugs in das Meß­ objekt (6) entlang der Achse unter Berücksichti­ gung der permanent angezeigten und aktualisierten Abweichungen minimiert, bis sich die Spitze des Werkzeugs am vorgegebenen Punkt befindet.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die graphische Anzeige durch eine akustische un­ terstützt wird.