Stereotaktische Vorrichtung zum Schneiden von Hartgewebe am Schädelknochen mit energetischer Strahlung Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft eine stereotaktische Vorrichtung zum Schneiden von Hartgewebe am Schädelknochen eines Patienten, die einen stereotaktischen Rahmen, der zur Befestigung am Kopf des Patienten ausgebildet ist, und einen am stereotaktischen Rahmen über wenigstens ein Drehgelenk befestigten stereotaktischen Bogen aufweist, der bei einer Befestigung des stereotaktischen Rahmens am Kopf des Patienten durch das Drehgelenk über den Kopf verkippbar ist. In der Neurochirurgie wurden in den letzten Jahren neuartige Therapiemethoden entwickelt, die die Lebensqualität und Überlebensrate schwer kranker Patienten deutlich verbessern. Diese Methoden setzen voraus, dass der Patient im Wachzustand operiert wird, da während der Operation komplexe Funktionen wie z. B. das Sprechen getestet werden müssen. Dies betrifft einerseits Operationen zur tiefen Hirnstimulation (THS), bei denen mit hoher Genauigkeit Elektroden in definierte Zielgebiete im Gehirn implantiert werden, um komplexe Bewegungsstörungen (z.B. M. Parkinson, Dystonie oder Essentiellen Tremor) zu behandeln. Durch die tiefe Hirnstimulation können Patienten dauerhaft symptomfrei leben, deren Motorik so stark beeinträchtigt war, dass sie zu sozial isolierten Pflegfällen wurden. Wachoperationen gewinnen zudem in der Behandlung von niedriggradigen Gliomen (häufigster Hirntumor) immer mehr an Bedeutung, da gezeigt werden konnte, dass bei diesen infiltrativ wachsenden Tumoren eine möglichst ausgedehnte Tumorentfernung bis an die Grenze zum Verlust von Hirnfunktionen erforderlich ist, um ein möglichst langes Überleben bei guter Lebensqualität zu erzielen. Trotz der Erfolge verzichtet die Mehrheit der
Patienten mit massiven Bewegungsstörungen oder einem Hirntumor auf einen Eingriff im Wachzustand. Grund hierfür ist das traumatische Erlebnis beim Aufbohren oder Auffräsen des Schädelknochens. Dieser Vorgang, begleitet von immensem Lärm und starken Vibrationen, wird als angsteinflößend und extrem belastend empfunden. Stand der Technik Die Schädelöffnung erfolgt derzeit bei der tiefen Hirnstimulation mit einem mechanischen Bohrer (Durchmesser 12 mm), dessen Rotation am Durchstoßpunkt automatisch stoppt. Es kommt dabei leider in etwa 10 % der Fälle zu Verletzungen der unter dem Knochen liegenden Hirnhaut. In seltenen Fällen wird auch das Gehirn verletzt. Bei der Wachoperation von Hirntumoren wird der Schädel nach Setzen eines Bohrloches mit einer handgeführten Fräse großflächig aufgefräst (Kraniotomie). An der Fräse ist zusätzlich ein abgewinkelter Schuh aus Metall befestigt der die Hirnhaut (Dura) und das Gehirn vor Verletzungen durch die Fräse schützen sollen. Es treten trotzdem häufig Verletzungen der Hirnhaut oder sogar der Blutleiter unter dem Knochen (Sinus) beim Kraniotomieren auf. Auch lasergestützte Schneideverfahren sind im Bereich medizinischer Operationen bekannt. So wurde bspw. ein System für die roboterunterstütze Osteotomie aufgebaut. Ein Roboterarm bewegt dabei einen Laserkopf mit Scanner über das zu schneidende Knochengewebe oder positioniert diesen vor dem Operationssitus, um durch Verteilung der Laserenergie über den Scanner Knochengewebe zu schneiden. Allerdings werden mit dem Roboterarm und dem Bearbeitungskopf erhebliche Massen bewegt, sodass ein sehr hohes Sicherheitsrisiko bei Operationen am Kopf besteht. Auch die erforderliche genaue Schnittführung am Kopf des Patienten stellt dabei eine Herausforderung dar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine stereotaktische Vorrichtung zum Schneiden von Hartgewebe am Schädelknochen eines Patienten mit energetischer Strahlung anzugeben, die eine geringere Gefahr der Verletzung für den Patienten mit sich bringt, eine hohe Schneidgenauigkeit gewährleistet und eine für den Patienten weitgehend belastungsfreie Öffnung des Schädels ermöglicht. Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist einen stereotaktischen Rahmen auf, der zur Befestigung am Kopf eines Patienten ausgebildet ist. Am stereotaktischen Rahmen ist über wenigstens ein Drehgelenk ein stereotaktischer Bogen in Form einer bogenförmigen Schiene befestigt, auch als Zielbügel bezeichnet, der bei einem Befestigen des stereotaktischen Rahmens am Kopf des Patienten mittels des Drehgelenks über den Kopf verkippbar ist, beispielsweise längs des Kopfes, also in sagittaler Richtung. Die vorgeschlagene Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass am stereotaktischen Bogen ein Laserapplikator angebracht und über einen motorischen Antrieb entlang des stereotaktischen Bogens verfahrbar ist. Auch der stereotaktische Bogen selbst ist über einen weiteren motorischen Antrieb am stereo- taktischen Rahmen verkippbar. Der Laserapplikator weist eine dynamische 2D-Strahlablenkeinrichtung und eine Fokussieroptik auf. Die Fokuslage ist dabei über die Fokussieroptik oder andere optische Elemente im Laserapplikator verstellbar. Über die 2D-Strahlablenkeinrichtung kann ein in den Laserapplikator eingekoppelter Bearbeitungslaserstrahl über einen Bereich des mit dem Laserstrahl zu schneidenden Hartgewebes geführt werden. Die Fokussieroptik mit
verstellbarer Fokuslage ermöglicht die Nachführung des Fokus des Bearbeitungslaserstrahls in Abhängigkeit von der jeweiligen Schnitttiefe und eventuellen Änderungen des Abstandes des Laserapplikators zur Schädeldecke während der Bearbeitung. Der Laserapplikator weist auch eine Messeinrichtung auf oder ist mit einer Messeinrichtung verbunden, mit der die Schneidtiefe der mit dem Bearbeitungslaserstrahl erzeugten Schnittfuge und die Restdicke des Schädelknochens in der Schnittfuge – zumindest bei geringer Restdicke von ≤ 200 μm - gemessen werden kann. Hierzu können unterschiedliche Messtechniken, beispielsweise Ultraschallmesstechnik oder optische Messtechnik, eingesetzt werden. Vorzugsweise wird eine OCT-Messeinrichtung (OCT = Optical Coherence Tomography) eingesetzt, die einen Messstrahl zur Messung der Schneidtiefe und der Restdicke der Schädeldecke koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl auf das zu schneidende Hartgewebe richtet. Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung lässt sich der Schädelknochen sicher, geräusch- und vibrationsfrei für den Patienten bei lokaler Schmerzbetäubung nahezu unmerklich öffnen. Durch die Überwachung der Restdicke des Schädelknochens mit der Messeinrichtung wird eine ungewollte Verletzung des Gewebes unter dem Schädelknochen vermieden. Der Laserschneidprozess wird über den Laserapplikator realisiert, der Laserpulse eines Kurzpulslasers mit der dynamischen 2D-Strahlablenkeinrichtung so entlang der Schnittlinie verteilt, dass der Laserschnitt im Knochen effizient und ohne thermische Gewebeschädigung erfolgt. Die im Laserapplikator angeordnete oder mit dem Laserapplikator verbundene Messeinrichtung vermisst während des Schneidens bzw. Abtragens die Schneidtiefe und Knochenrestdicke, im Falle einer OCT-Messeinrichtung beispielsweise durch den mit dem Bearbeitungslaserstrahl mitgeführten Messstrahl. Diese online-Kontrolle verhindert
die Verletzung der unter dem Knochen liegenden harten Hirnhaut (Dura) und des Gehirns. Bei kleinen Schädelöffnungen bleibt der Laserapplikator ortsfest und die Schnittführung erfolgt über die dynamische 2D-Strahlablenkeinrichtung, die beispielsweise durch einen 2D-Scannerspiegel oder durch zwei getrennte 1D- Scannerspiegel, die für eine Strahlablenkung in zwei zueinander orthogonalen Drehachsen angeordnet sind, gebildet sein kann. Für große Schädelöffnungen wird der Laserapplikator zusätzlich mit einem Motorantrieb entlang des Bogens bewegt und der Bogen als Ganzes mit einem weiteren Motorantrieb verkippt, beispielsweise entlang der Schädellängsachse. Zur Bewegung des Laserapplikators entlang des Bogens weist dieser vorzugsweise einen entlang des Bogens verfahrbaren Schlitten auf, an dem der Laserapplikator, vorzugsweise über eine lösbare Verbindung, angebracht ist und der mit dem motorischen Antrieb entlang des Bogens verfahren wird. Da der Kopf des Patienten während des Eingriffs bzw. Schnitts in dem stereotaktischen Rahmen fixiert ist, kann keine ungewollte relative Bewegung zwischen Laserstrahl und Schädeldecke erfolgen. Die Schnittplanung erfolgt dabei vor Beginn des Eingriffs, indem eine CT- oder MRT-Aufnahme des Kopfes mit dem daran fixierten stereotaktischen Rahmen erfolgt, um die genaue Bezugslage von stereotaktischem Rahmen und der jeweiligen Schnittposition zu erhalten. Die Führung des Laserapplikators und damit des Bearbeitungslaserstrahls erfolgt über die Steuerung der motorischen Antriebe gemäß der Schnittplanung mittels einer dafür ausgebildeten Steuereinheit vollkommen automatisiert. Die Bewegung des Laserapplikators wird über ein Messsystem, bspw. mittels geeigneter Inkrementalgeber, mit hoher Genauigkeit überwacht und geregelt. Dieses automatisierte Stereotaxiesystem, im Folgenden auch als Stereotaxieroboter bezeichnet, ermöglicht einen Materialabtrag mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich (ca. 0,1 mm). Dies
eröffnet die Möglichkeit, auch sehr nah an kritischen Strukturen (z.B. im Bereich der Schädelbasis und der kaudalen Hirnnerven) sicher Knochen abzutragen. Die Verletzung der unter dem Knochen liegenden Hirnhaut wird durch eine Steuerung des Prozesses mit kontinuierlicher Messung der Knochenrestdicke, vorzugsweise mittels optischer Kohärenztomographie (OCT), vermieden. Die Steuereinheit ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie bei Erreichen einer Soll-Restdicke die Bearbeitung mit dem Bearbeitungslaserstrahl stoppt. Die Steuereinheit kann beispielsweise im oder am Laserapplikator angeordnet sein, aber auch getrennt davon. Durch die Automatisierung des Stereotaxiesystems können bei komplexen Operationen, in denen eine Vielzahl von Löchern im Schädelknochen gebohrt und Elektroden an verschiedenen definierten Stellen im Gehirn platziert werden müssen (Stereo-Elektroenzephalogramm, Stereo-EEG), diese Stellen gemäß der präoperativen Planung vom System automatisiert angefahren werden. Dies entlastet den Operateur, der bisher die Koordinaten von Hand einstellen muss und reduziert die Fehleranfälligkeit bei der Positionierung der Elektroden. Der Stereotaxieroboter bewegt keine großen Massen wie ein Roboterarm. Konzeptbedingt kann die bewegte Masse des Applikators auch nicht mit dem Kopf des Patienten kollidieren. Als Bearbeitungslaser wird bei der vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise ein CO2-Laser eingesetzt, der gepulste Laserstrahlung mit Pulslängen im Piko-, Nano- oder Mikrosekundenbereich, vorzugsweise mit Emissionswellenlängen zwischen 9,3 µm und 10,6 µm, oder ein gepulster Festkörperlaser mit Pulslängen im Piko-, Nano- oder Mikrosekundenbereich, vorzugsweise mit Wellenlängen zwischen 2,7 µm und 3,3 µm emittiert. Der Bearbeitungslaserstrahl wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung über eine flexible oder gelenkige Strahlführung zum Laserapplikator geführt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen geeignet ausgebildeten
Gelenkspiegelarm handeln. Es kann auch eine Faserführung zum Laserapplikator hin erfolgen. Vorzugsweise verfügt die vorgeschlagene Vorrichtung auch über ein Sprühsystem mit einer oder mehreren Düsen, das einen Sprühnebel, vorzugsweise aus Wasser, zur lokalen Befeuchtung und Kühlung des Knochens im Bearbeitungsbereich erzeugt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung ist der Laserapplikator über eine motorisierte Linearverstelleinheit am stereotaktischen Bogen angebracht. Über diese Linearverstelleinheit ist der Laserapplikator in radialer Richtung zum stereotaktischen Bogen verfahrbar. Dieser weitere motorische Antrieb wird wiederum über die Steuereinheit angesteuert. Damit kann während der Bearbeitung ein konstanter Abstand des Laserapplikators zur Knochenoberfläche eingehalten werden. In einer Weiterbildung der Vorrichtung weist der stereotaktische Rahmen einen inneren ringförmigen Rahmenteil, der am Kopf des Patienten fixiert wird, und einen um den inneren ringförmigen Rahmenteil (in der Ringebene) drehbaren äußeren Rahmenteil auf, an dem der stereotaktische Bogen über das wenigstens eine Drehgelenk befestigt ist. Diese Weiterbildung bietet den Vorteil, dass der stereotaktische Bogen dann zusätzlich auf dem stereotaktischen Rahmen gedreht werden kann. Hierdurch können alle Trajektorien in den (im Zentrum des Bogens befindlichen) Zielpunkten eingestellt werden. Es wird vermieden, dass der stereotaktische Bogen in einer für den Operateur störenden Position eingestellt werden muss oder bestimmte Trajektorien technisch nicht durchführbar sind. Dies ist besonders bei komplexen stereotaktischen Operationen wie dem Stereo-EEG oder bei Biopsien in der hinteren Schädelgrube wichtig, da durch weniger technische Limitationen häufiger die anatomisch optimale Trajektorie gewählt werden kann.
Das motorisierte Stereotaxiesystem bzw. der Stereotaxieroboter mit den motorischen Antrieben für die Verkippung des stereotaktischen Bogens und die Bewegung eines am Bogen verfahrbar angeordneten Schlittens entlang des Bogens kann auch ohne den Laserapplikator betrieben werden, um beispielsweise eine Vielzahl von Elektroden in der Tiefe des Gehirns zu positionieren. Der stereotaktische Rahmen kann dabei auch, wie oben beschrieben, einen inneren ringförmigen Rahmenteil, der am Kopf des Patienten fixiert wird, und einen um den inneren ringförmigen Rahmenteil drehbaren äußeren Rahmenteil aufweisen, an dem der stereotaktische Bogen über das wenigstens eine Drehgelenk befestigt ist. Zur Positionierung von Elektroden in der Tiefe des Gehirns wird anstelle des Laserapplikators eine Halterung für dünne zylinderförmige Elektroden mit mehreren Kontakten am Schlitten des stereotaktischen Bogens angebracht. Diese Halterung ist mit einer Mikrometerschraube ausgestattet, um einen submillimetergenauen Vorschub der Elektroden in der Tiefe zu ermöglichen. Mit dem motorisierten Stereotaxiesystem kann nun eine Vielzahl von Positionen submillimetergenau angefahren werden, an denen auf Basis der präoperativen Planung Elektroden in der Tiefe des Gehirns positioniert werden sollen. An den entsprechenden Positionen werden zuvor Löcher mit dem Laserapplikator gebohrt, damit die Elektroden in das Gehirn eingeführt werden können. Dies ist zum Beispiel wichtig bei sogenannten Stereo-EEGs, mit deren Hilfe die Entstehungsorte epileptischer Anfälle ermittelt werden. Auf Grundlage dieser Lokalisierung wird im Verlauf eine maßgeschneiderte chirurgische Therapie („tailored resection“) durchgeführt, um die Epilepsie zu behandeln. Auch andere Anwendungen des motorisierten Stereotaxiesystems ohne den Laserapplikator sind möglich. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels des in der vorgeschlagenen Vorrichtung eingesetzten Laserapplikators und Fig. 2 eine schematische Darstellung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit dem am Kopf eines Patienten fixierten stereotaktischen Rahmen. Wege zur Ausführung der Erfindung Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung lässt sich ein sicherer, geräusch- und vibrationsfreier Abtragprozess an der Schädeldecke eines Patienten realisieren. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung werden die bisher eingesetzten Bohrer und Fräsen durch eine Laserstrahlquelle ersetzt, die kurz gepulste Laserstrahlung mit Pulsenergien emittiert, die vorzugsweise im Bereich von 0,1 mJ bis 10 J liegen. Mit dieser Strahlung können schmale und tiefe Fugen in Knochengewebe geschnitten werden, um einen Zugang zum Gehirn zu schaffen. Damit der Schneidprozess effizient und ohne thermische Gewebeschädigung verläuft, müssen die Laserpulse bei Repetitionsraten im Bereich zwischen 0,1 und 1000 kHz so entlang der Schnittlinie verteilt werden, dass einerseits die entstehende Prozesswärme lokal nicht akkumuliert und andererseits eine zusammenhängende tiefe Schnittfuge entsteht. Die Verteilung der Pulse erfolgt dabei durch die dynamische 2D-Strahlablenkeinrichtung des Laserapplikators, die über die Steuereinheit entsprechend angesteuert wird. Als Wellenlängen für den Bearbeitungslaserstrahl eignen sich solche, die gut in Knochengewebe absorbiert werden. Hier bieten sich bspw. die Wellenlängen des CO2-Lasers zwischen 9,3 µm und 10,6 µm an sowie Wellenlängen zwischen 2,7 und 3,3 µm. Die Prozessführung erfolgt über einen Laserapplikator 17,
von dem ein beispielhafter Aufbau in Fig. 1 dargestellt ist und nachfolgend beschrieben wird. Der Laserstrahl 2 einer Laserstrahlquelle 1 wird in diesem Beispiel über eine Strahlführung 3 durch zwei schwach reflektierende planare Glasplatten 4 und 4’ transmittiert. Der geringe an den Glasplatten 4, 4’ reflektierte Anteil der Laserstrahlung wird von zwei Positionssensoren 5, 5’ detektiert. Die Positionssensoren bestimmen die Lage und Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 2 innerhalb des Laserapplikators. Über zwei hier nicht dargestellte automatisch verstellbare Spiegel im Strahlführungssystem kann die Strahllage bei Dejustage über die Spiegel im Strahlführungssystem unter Verwendung der Positionsmessung auf die optische Achse des Laserapplikators eingeregelt werden. Über ein Umlenkelement 8 wird der Laserstrahl über eine Teleskopoptik 9 geführt und trifft über einen Strahlvereiniger 10 auf eine dynamische 2D-Strahlablenk- einheit 11. Hinter der Strahlablenkeinheit 11 wird der Laserstrahl 2 von einer Fokussieroptik 12 auf die zu schneidende Knochenoberfläche 15 fokussiert, wobei er das Applikatorgehäuse 14 durch eine Austrittsöffnung 13 verlässt. Dabei kann die Austrittsöffnung 13 je nach Ausführung mit der Fokussieroptik 12 oder einem Schutzfenster 13’ abgeschlossen sein. Ein OCT-Sensor 6 emittiert einen OCT-Messstrahl 7, der über ein Strahlführungssystem 6’, z.B. optische Faser, zum Applikator 17 geführt wird. Dieser Messstrahl 7 wird am Strahlvereiniger 10 mit dem Laserstrahl 2 überlagert und trifft danach auf die Ablenkeinheit 11. Die Ablenkeinheit 11 verteilt die Fokusse der beiden koaxialen Strahlen 2, 7 in der Bearbeitungsebene auf dem Knochen 15 in Vorschubrichtung (x-Richtung) des Schneidvorgangs und senkrecht dazu (y- Richtung). Während des Abtragsprozesses wird die Knochenoberfläche mit einem Sprühnebel aus Wasser benetzt, um einen karbonisationsfreien und effizienten Laserabtrags-
prozess zu gewährleisten. Der Sprühnebel kommt aus feinen Zerstäuberdüsen 16, die konzentrisch um die Austrittsöffnung 13 des Applikatorgehäuses 14 angeordnet sind. Dabei misst der OCT-Sensor 6 mit dem OCT-Messstrahl 7 die Schneidtiefe ds und die verbleibende Restdicke dr. Das Messlicht verläuft antiparallel zur Anregungsrichtung des OCT-Messstrahls 7 und wird im OCT-Sensor 6 detektiert. Über das Messsignal wird der Schneidprozess so geregelt, dass eine definierte dünne Restdicke verbleibt, so dass der Laserstrahl 2 nicht das unter dem Knochen 15 liegende Hirngewebe oder die Dura schädigt. Mit zunehmender Abtragstiefe wird die Lage des Laserfokus in der Tiefe (z-Richtung) durch Verstellen einer in ihrer Position verschiebbaren Linse 9’ des Teleskops 9 in den Knochen 15 hinein verschoben. Der Laserapplikator 17 befindet sich an einem Stereotaxieroboter 21 (vgl. Figur 2). Dieser weist einen stereotaktischen Rahmen 22 und einen stereotaktischen Bogen 25 auf. Der stereotaktische Rahmen 22 besitzt in diesem Beispiel einen inneren Ring 22’ mit einer Plattform 22’’, die gegen den Ring 22’ drehbar gelagert ist. Der innere Ring 22’ wird über Halterungen 23 mit Schrauben 24 am Schädel 40 des Patienten festgeschraubt. Der stereotaktische Bogen 25 ist über Drehgelenke an der Plattform 22’’ des stereotaktischen Rahmens 22 angebracht. Die Bogenebene ist dadurch drehbar gelagert, so dass Sie zur Ringebene hin- oder von dieser weggeklappt werden kann. Am stereokatischen Bogen 25 befindet sich ein Schlitten 26, der entlang des Bogens bewegt werden kann. Am Bogen ist das Applikatorgehäuse 14 an einer motorisierten linearen Verstelleinheit 27 befestigt. Die Applikatorspitze, aus der der Laserstrahl 2 austritt, kann durch Verkippen des stereotaktischen Bogens 25, Verfahren des Schlittens 26 entlang des Bogens 25 und Linearverstellung des Applikators 17 mit der Verstelleinheit 27 im Raum bewegt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stereotaxiesystemen ist das Stereotaxiesystem der vorgeschlagenen Vorrichtung motorisiert. Der stereotaktische Bogen 25, der Schlitten 26
und die Linearverstelleinheit 27 werden durch Motoren 28, 28’, 28’’ über eine Ablaufsteuerung bewegt (vgl. Figur 2). Ferner besitzt das Stereotaxiesystem weitere Freiheitsgerade, über die die Position des Bogenmittelpunkts auf einen Zielpunkt im Kopf händisch eingestellt werden kann (Centre- of-Arc-Prinzip). Durch diese Einstellung erreicht der Chirurg bei jeder Position des Bogens 25 und des Schlittens 26 durch radiale Führung eines chirurgischen Instruments in der Bogenebene den von ihm eingestellten Bogenmittelpunkt als Zielpunkt. Über eine OP-Planungssoftware wird auf der Basis präoperativer Bilddaten die Solltrajektorie für den Schneidprozess der vorgeschlagenen Vorrichtung, im Folgenden auch als Laserosteotom bezeichnet, ermittelt. Das stereotaktische Laserosteotom kann in zwei Applikatiosmodi betrieben werden. Für das Schneiden kleiner Zugangsöffnungen ist der Laserapplikator 17 ortsstabil. Der Laserfokus wird dann über die Strahlablenkeinheit 11 auf einer geschlossenen Schnittlinie bewegt. Durch die Bewegung des Laserstrahls 2 quer zur Schnittrichtung wird die Breite der Schnittfuge, durch die Bewegung in Schneidrichtung wird die Länge der Schnittfuge definiert. Das Verstellen des Laserfokus über das Teleskop 9 in der Tiefe gewährleistet einen effizienten Schneidprozess auch bei zunehmender Tiefe. Während des Schneidprozesses werden über den OCT-Sensor 6 die Schneidtiefe und die Restdicke vermessen, um die lokale Schneidtiefe zu regeln und eine Bearbeitung des Gewebes über den Knochen hinaus zu verhindern. Beim zweiten Applikationsfall werden größere Zugangsöffnungen mit dem stereotaktischen Laserosteotom ausgeschnitten. Dabei erfolgt die Verteilung der Laserfokusse auf der Knochenoberfläche durch eine kombinierte Bewegung des Applikators 17 über den Stereotaxieroboter 21, des Laserstrahls 2 über die Strahlablenkeinheit 11 und die Fokusverstellung des Teleskops 9.
Die Strahlablenkeinheit 11 kann als 2D-Scannerspiegel ausgeführt sein. Unter einem 2D-Scannerspiegel wird ein Spiegel mit einem Pivotpunkt verstanden, der einen Laserstrahl in 2 Raumrichtungen ablenken kann. Alternativ kann die Strahlablenkeinheit 11 aus 21D-Scannerspiegeln bestehen, die zwei zueinander orthogonale Drehachsen aufweisen.
Stereotactic device for cutting hard tissue on the skull bone with energetic radiation Technical field of application The present invention relates to a stereotactic device for cutting hard tissue on the skull bone of a patient, which has a stereotactic frame that is designed to be attached to the patient's head and a stereotactic arch that is attached to the stereotactic frame via at least one swivel joint and that can be tilted over the head by the swivel joint when the stereotactic frame is attached to the patient's head. In neurosurgery, new therapy methods have been developed in recent years that significantly improve the quality of life and survival rate of seriously ill patients. These methods require that the patient is operated on while awake, since complex functions such as speaking must be tested during the operation. On the one hand, this concerns operations for deep brain stimulation (DBS), in which electrodes are implanted with high precision in defined target areas in the brain in order to treat complex movement disorders (e.g. Parkinson's disease, dystonia or essential tremor). Deep brain stimulation enables patients whose motor skills were so severely impaired that they became socially isolated and need care to live permanently without symptoms. Awake operations are also becoming increasingly important in the treatment of low-grade gliomas (the most common brain tumor), as it has been shown that these infiltratively growing tumors require the most extensive tumor removal possible, right up to the point of loss of brain function, in order to achieve the longest possible survival with a good quality of life. Despite the successes, the majority of patients do not have the option. Patients with severe movement disorders or a brain tumor are reluctant to undergo surgery while awake. The reason for this is the traumatic experience of drilling or milling the skull bone. This process, accompanied by immense noise and strong vibrations, is perceived as frightening and extremely stressful. State of the art The skull is currently opened during deep brain stimulation using a mechanical drill (diameter 12 mm), the rotation of which stops automatically at the point of penetration. Unfortunately, in around 10% of cases, this results in injuries to the meninges beneath the bone. In rare cases, the brain is also injured. During awake surgery for brain tumors, the skull is milled open over a large area using a hand-held milling machine (craniotomy) after a hole has been drilled. An angled metal shoe is also attached to the milling machine to protect the meninges (dura) and the brain from injury from the milling machine. Nevertheless, injuries to the meninges or even the blood vessels beneath the bone (sinus) often occur during craniotomy. Laser-assisted cutting methods are also known in the field of medical operations. For example, a system for robot-assisted osteotomy has been developed. A robot arm moves a laser head with a scanner over the bone tissue to be cut or positions it in front of the operation site in order to cut bone tissue by distributing the laser energy via the scanner. However, the robot arm and the processing head move considerable masses, so that there is a very high safety risk during operations on the head. The required precise incision on the patient's head also presents a challenge. The object of the present invention is to provide a stereotactic device for cutting hard tissue on the skull bone of a patient with energetic radiation, which device entails a lower risk of injury for the patient, ensures high cutting accuracy and enables the skull to be opened with little stress on the patient. Description of the invention The object is achieved with the device according to claim 1. Advantageous embodiments of the device are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiment. The proposed device has a stereotactic frame which is designed to be attached to the head of a patient. A stereotactic arch in the form of an arched rail, also referred to as an aiming bar, is attached to the stereotactic frame via at least one swivel joint, which can be tilted over the head by means of the swivel joint when the stereotactic frame is attached to the patient's head, for example along the head, i.e. in the sagittal direction. The proposed device is characterized by the fact that a laser applicator is attached to the stereotactic arch and can be moved along the stereotactic arch via a motor drive. The stereotactic arch itself can also be tilted via another motor drive on the stereotactic frame. The laser applicator has a dynamic 2D beam deflection device and a focusing optics. The focus position can be adjusted via the focusing optics or other optical elements in the laser applicator. A processing laser beam coupled into the laser applicator can be guided over an area of the hard tissue to be cut with the laser beam via the 2D beam deflection device. The focusing optics with Adjustable focus position enables the focus of the processing laser beam to be adjusted depending on the respective cutting depth and any changes in the distance of the laser applicator to the skull during processing. The laser applicator also has a measuring device or is connected to a measuring device with which the cutting depth of the cutting gap created with the processing laser beam and the residual thickness of the skull bone in the cutting gap - at least with a small residual thickness of ≤ 200 μm - can be measured. Different measuring techniques can be used for this, for example ultrasound measuring technology or optical measuring technology. Preferably, an OCT measuring device (OCT = Optical Coherence Tomography) is used, which directs a measuring beam to measure the cutting depth and the residual thickness of the skull bone coaxially to the processing laser beam onto the hard tissue to be cut. With the proposed device, the skull bone can be opened safely, noiselessly and vibration-free and almost imperceptibly for the patient with local anesthesia. By monitoring the remaining thickness of the skull bone with the measuring device, unwanted damage to the tissue under the skull bone is avoided. The laser cutting process is carried out using the laser applicator, which distributes laser pulses from a short-pulse laser along the cutting line using the dynamic 2D beam deflection device so that the laser cut in the bone is efficient and without thermal tissue damage. The measuring device arranged in the laser applicator or connected to the laser applicator measures the cutting depth and remaining bone thickness during cutting or removal, in the case of an OCT measuring device, for example, using the measuring beam carried along with the processing laser beam. This online control prevents the injury to the dura mater beneath the bone and to the brain. In the case of small skull openings, the laser applicator remains stationary and the incision is made using the dynamic 2D beam deflection device, which can be formed, for example, by a 2D scanner mirror or by two separate 1D scanner mirrors that are arranged in two orthogonal axes of rotation for beam deflection. For large skull openings, the laser applicator is additionally moved along the arch using a motor drive and the arch as a whole is tilted using another motor drive, for example along the longitudinal axis of the skull. To move the laser applicator along the arch, it preferably has a carriage that can be moved along the arch, to which the laser applicator is attached, preferably via a detachable connection, and which is moved along the arch using the motor drive. Since the patient's head is fixed in the stereotactic frame during the procedure or incision, no unwanted relative movement can occur between the laser beam and the skull. The cutting is planned before the start of the procedure by taking a CT or MRI scan of the head with the stereotactic frame attached to it in order to obtain the exact reference position of the stereotactic frame and the respective cutting position. The guidance of the laser applicator and thus of the processing laser beam is completely automated by controlling the motor drives according to the cutting plan using a specially designed control unit. The movement of the laser applicator is monitored and controlled with high precision using a measuring system, e.g. using suitable incremental encoders. This automated stereotaxy system, also referred to below as a stereotaxy robot, enables material removal with an accuracy in the sub-millimeter range (approx. 0.1 mm). This opens up the possibility of safely removing bone even very close to critical structures (e.g. in the area of the skull base and the caudal cranial nerves). Injury to the meninges beneath the bone is avoided by controlling the process with continuous measurement of the remaining bone thickness, preferably using optical coherence tomography (OCT). The control unit is preferably designed in such a way that it stops processing with the processing laser beam when a target remaining thickness is reached. The control unit can be arranged in or on the laser applicator, for example, but also separately. By automating the stereotaxic system, in complex operations in which a large number of holes have to be drilled in the skull bone and electrodes have to be placed at various defined locations in the brain (stereo electroencephalogram, stereo EEG), these locations can be approached automatically by the system in accordance with the preoperative planning. This relieves the surgeon, who previously had to set the coordinates by hand, and reduces the susceptibility to errors when positioning the electrodes. The stereotaxic robot does not move large masses like a robot arm. Due to the concept, the moving mass of the applicator cannot collide with the patient's head. The processing laser used in the proposed device is preferably a CO2 laser that emits pulsed laser radiation with pulse lengths in the pico-, nano- or microsecond range, preferably with emission wavelengths between 9.3 µm and 10.6 µm, or a pulsed solid-state laser with pulse lengths in the pico-, nano- or microsecond range, preferably with wavelengths between 2.7 µm and 3.3 µm. In an advantageous embodiment, the processing laser beam is guided to the laser applicator via a flexible or articulated beam guide. This can, for example, be a suitably designed The laser applicator can be an articulated mirror arm. A fiber guide can also be provided to the laser applicator. The proposed device preferably also has a spray system with one or more nozzles, which generates a spray mist, preferably of water, for local moistening and cooling of the bone in the processing area. In an advantageous embodiment of the proposed device, the laser applicator is attached to the stereotactic arch via a motorized linear adjustment unit. The laser applicator can be moved in the radial direction to the stereotactic arch via this linear adjustment unit. This additional motor drive is in turn controlled via the control unit. This means that a constant distance between the laser applicator and the bone surface can be maintained during processing. In a further development of the device, the stereotactic frame has an inner ring-shaped frame part, which is fixed to the patient's head, and an outer frame part that can be rotated around the inner ring-shaped frame part (in the ring plane), to which the stereotactic arch is attached via the at least one rotary joint. This further development offers the advantage that the stereotactic arch can then also be rotated on the stereotactic frame. This allows all trajectories to be set at the target points (located in the center of the arch). This avoids the stereotactic arch having to be set in a position that is disruptive for the surgeon or certain trajectories being technically impossible. This is particularly important for complex stereotactic operations such as stereo-EEG or biopsies in the posterior cranial fossa, as fewer technical limitations mean that the anatomically optimal trajectory can be selected more often. The motorized stereotaxy system or the stereotaxy robot with the motor drives for tilting the stereotaxic arch and moving a carriage arranged on the arch so that it can move along the arch can also be operated without the laser applicator, for example to position a large number of electrodes deep in the brain. The stereotaxy frame can also have, as described above, an inner ring-shaped frame part that is fixed to the patient's head and an outer frame part that can be rotated around the inner ring-shaped frame part and to which the stereotaxic arch is attached via at least one swivel joint. To position electrodes deep in the brain, a holder for thin, cylindrical electrodes with several contacts is attached to the carriage of the stereotaxic arch instead of the laser applicator. This holder is equipped with a micrometer screw to enable the electrodes to be advanced in depth with submillimeter precision. The motorized stereotaxy system can now be used to move to a large number of positions with submillimeter precision at which electrodes are to be positioned deep in the brain based on the preoperative planning. Holes are drilled in the appropriate positions using the laser applicator so that the electrodes can be inserted into the brain. This is important, for example, for so-called stereo EEGs, which are used to determine the location of epileptic seizures. Based on this localization, a tailored surgical therapy ("tailored resection") is then carried out to treat the epilepsy. Other applications of the motorized stereotaxic system without the laser applicator are also possible. Brief description of the drawings The proposed device is explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Fig. 1 shows a schematic representation of an example of the laser applicator used in the proposed device and Fig. 2 shows a schematic representation of the proposed device with the stereotactic frame fixed to the head of a patient. Ways of carrying out the invention The proposed device can be used to carry out a safe, noise- and vibration-free removal process on the top of a patient's skull. In the proposed device, the drills and milling cutters previously used are replaced by a laser beam source that emits short-pulsed laser radiation with pulse energies that are preferably in the range of 0.1 mJ to 10 J. This radiation can be used to cut narrow and deep joints in bone tissue in order to create access to the brain. In order for the cutting process to be efficient and without thermal tissue damage, the laser pulses must be distributed along the cutting line at repetition rates in the range between 0.1 and 1000 kHz in such a way that, on the one hand, the resulting process heat does not accumulate locally and, on the other hand, a continuous, deep cutting gap is created. The pulses are distributed by the dynamic 2D beam deflection device of the laser applicator, which is controlled accordingly via the control unit. Suitable wavelengths for the processing laser beam are those that are easily absorbed in bone tissue. For example, the wavelengths of the CO2 laser between 9.3 µm and 10.6 µm and wavelengths between 2.7 and 3.3 µm are suitable here. The process is controlled via a laser applicator 17, an exemplary structure of which is shown in Fig. 1 and is described below. In this example, the laser beam 2 of a laser beam source 1 is transmitted via a beam guide 3 through two weakly reflective planar glass plates 4 and 4'. The small portion of the laser radiation reflected by the glass plates 4, 4' is detected by two position sensors 5, 5'. The position sensors determine the position and direction of propagation of the laser beam 2 within the laser applicator. In the event of misalignment, the beam position can be adjusted to the optical axis of the laser applicator via two automatically adjustable mirrors in the beam guide system (not shown here) using the position measurement. The laser beam is guided via a deflection element 8 over a telescopic optics 9 and hits a dynamic 2D beam deflection unit 11 via a beam combiner 10. Behind the beam deflection unit 11, the laser beam 2 is focused by a focusing optics 12 onto the bone surface 15 to be cut, leaving the applicator housing 14 through an exit opening 13. Depending on the design, the exit opening 13 can be closed with the focusing optics 12 or a protective window 13'. An OCT sensor 6 emits an OCT measuring beam 7, which is guided to the applicator 17 via a beam guidance system 6', e.g. optical fiber. This measuring beam 7 is superimposed on the laser beam 2 at the beam combiner 10 and then hits the deflection unit 11. The deflection unit 11 distributes the focus of the two coaxial beams 2, 7 in the processing plane on the bone 15 in the feed direction (x-direction) of the cutting process and perpendicular to it (y-direction). During the removal process, the bone surface is wetted with a spray of water in order to ensure carbonization-free and efficient laser removal. process. The spray mist comes from fine atomizer nozzles 16, which are arranged concentrically around the outlet opening 13 of the applicator housing 14. The OCT sensor 6 uses the OCT measuring beam 7 to measure the cutting depth ds and the remaining residual thickness dr. The measuring light runs antiparallel to the direction of excitation of the OCT measuring beam 7 and is detected in the OCT sensor 6. The cutting process is controlled via the measuring signal in such a way that a defined thin residual thickness remains, so that the laser beam 2 does not damage the brain tissue or the dura lying under the bone 15. As the removal depth increases, the position of the laser focus is shifted in depth (z direction) into the bone 15 by adjusting a lens 9' of the telescope 9, the position of which can be moved. The laser applicator 17 is located on a stereotaxic robot 21 (see Figure 2). This has a stereotactic frame 22 and a stereotactic arch 25. In this example, the stereotactic frame 22 has an inner ring 22' with a platform 22'' that is rotatably mounted against the ring 22'. The inner ring 22' is screwed to the patient's skull 40 via brackets 23 with screws 24. The stereotactic arch 25 is attached to the platform 22'' of the stereotactic frame 22 via swivel joints. The arch plane is thus rotatably mounted so that it can be folded towards or away from the ring plane. On the stereotactic arch 25 there is a carriage 26 that can be moved along the arch. The applicator housing 14 is attached to the arch on a motorized linear adjustment unit 27. The applicator tip from which the laser beam 2 emerges can be moved in space by tilting the stereotactic arch 25, moving the carriage 26 along the arch 25 and linearly adjusting the applicator 17 with the adjustment unit 27. In contrast to conventional stereotaxic systems, the stereotaxic system of the proposed device is motorized. The stereotactic arch 25, the carriage 26 and the linear adjustment unit 27 are moved by motors 28, 28', 28'' via a sequence control (see Figure 2). The stereotaxic system also has further degrees of freedom via which the position of the arc center can be manually adjusted to a target point in the head (center-of-arc principle). With this adjustment, the surgeon can reach the arc center he has set as the target point for every position of the arc 25 and the carriage 26 by radially guiding a surgical instrument in the arc plane. The target trajectory for the cutting process of the proposed device, hereinafter also referred to as laser osteotome, is determined on the basis of preoperative image data using surgical planning software. The stereotactic laser osteotome can be operated in two application modes. The laser applicator 17 is stationary for cutting small access openings. The laser focus is then moved along a closed cutting line via the beam deflection unit 11. The width of the cutting gap is defined by the movement of the laser beam 2 transverse to the cutting direction, and the length of the cutting gap is defined by the movement in the cutting direction. Adjusting the laser focus in depth using the telescope 9 ensures an efficient cutting process even with increasing depth. During the cutting process, the cutting depth and the remaining thickness are measured using the OCT sensor 6 in order to regulate the local cutting depth and prevent the tissue from being processed beyond the bone. In the second application case, larger access openings are cut out using the stereotactic laser osteotome. The laser focuses are distributed on the bone surface by a combined movement of the applicator 17 via the stereotaxic robot 21, the laser beam 2 via the beam deflection unit 11 and the focus adjustment of the telescope 9. The beam deflection unit 11 can be designed as a 2D scanner mirror. A 2D scanner mirror is understood to be a mirror with a pivot point that can deflect a laser beam in two spatial directions. Alternatively, the beam deflection unit 11 can consist of 21D scanner mirrors that have two mutually orthogonal axes of rotation.
Bezugszeichenliste Laserstrahlquelle Laserstrahl Strahlführung Glasplatte ’ Glasplatte Positionssensor ’ Positionssensor OCT-Sensor ’ Strahlführungssystem OCT-Messstrahl Umlenkelement Teleskopoptik ’ verstellbare Teleskoplinse 0 Strahlvereiniger 1 2D-Strahlablenkeinheit 2 Fokussieroptik 3 Austrittsöffnung 3’ Schutzfenster 4 Applikatorgehäuse 5 Knochen 6 Zerstäuberdüse 7 Laserapplikator 1 Stereotaxieroboter 2 Stereotaktischer Rahmen 2’ Ring 2’’ Plattform 3 Halterung 4 Schraube 5 Stereotaktischer Bogen 6 Schlitten 7 Linearverstelleinheit 8 Motor 8’ Motor 8’’ Motor 0 Schädel
List of reference symbols Laser beam source Laser beam Beam guidance Glass plate ’ Glass plate Position sensor ’ Position sensor OCT sensor ’ Beam guidance system OCT measuring beam Deflection element Telescopic optics ’ Adjustable telescopic lens 0 Beam combiner 1 2D beam deflection unit 2 Focusing optics 3 Exit opening 3’ Protective window 4 Applicator housing 5 Bone 6 Atomizer nozzle 7 Laser applicator 1 Stereotaxic robot 2 Stereotactic frame 2’ Ring 2’’ Platform 3 Holder 4 Screw 5 Stereotactic arch 6 Slide 7 Linear adjustment unit 8 Motor 8’ Motor 8’’ Motor 0 Skull