Auf dem Gebiet der Medizin ist die bildgestützte Überwachung des Operationsbereiches während eines chirurgischen Eingriffs (intraoperatives Monitoring) ein wichtiges Hilfsmittel. Bei Operationen am Gehirn ist intraoperatives Monitoring allerdings heutzutage nur unter erheblichem Kostenaufwand oder erheblicher zusätzlicher Belastung für den Patienten durchführbar.

Echte intraoperative Bildgebung in der Neurochirurgie ist bisher nur unter Einsatz von sehr aufwendigen"open-MRI"- Systemen möglich. Das sind spezielle Kernspintomographen, bei denen der Operateur samt Instrumentarium im Untersuchungsfeld des Tomographen arbeitet. Die Anschaffungskosten für diese Geräte sind jedoch extrem hoch, und ihr Einsatz erfordert eine komplett neue Ausstattung mit nichtmagnetischen Instrumenten. Des weiteren sind in der Regel bauliche

Voraussetzungen notwendig, deren Ausführung einem Neubau des Operationsgebäudes gleichkommt.

Als weiteres Verfahren der Bildgebung in der Medizin ist Röntgen-Computertomographie bekannt. Dieses Verfahren ist jedoch wegen der resultierenden Strahlenbelastung für Operateur und Patient im Bereich der intraoperativen Bildgebung nicht einsetzbar.

Eine weitere Bildgebungstechnik mittels Ultraschall kann bisher nur bei Operationen am offenen Schädel kontinuierlich während der Operation angewendet werden. Bei minimalinvasiver Operation hingegen muß das Ultraschallgerät alternierend mit dem Einsatz der Operationsinstrumente durch eine Trepanationsbohrung geführt werden, so daß die Führung der Operationsinstrumente während der Operation nicht beobachtet werden kann.

Möglich ist auch die Verwendung einer zweiten zusätzlichen Trepanationsbohrung zum Scannen per Ultraschall.

Dies ist jedoch mit erheblicher zusätzlicher Belastung für den Patienten verbunden und wird deshalb nicht praktiziert.

Ein Einsatz extrakorporaler Ultraschallscanner ist bei minimalinvasiven Gehirnoperationen nicht möglich, da der Schädelknochen zusammen mit den darüber und darunter befindlichen Schichten (Kopfhaut, Dura mater) den Ultraschall nahezu vollständig reflektiert bzw. absorbiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung von 3D-Ultraschalldaten insbesondere für die Bildgebung bei neurochirurgischen Eingriffen anzugeben, mit denen während eines minimalinvasiven Eingriffs am Gehirn kontinuierlich Daten zur Bilddarstellung des Operationsbereiches gewonnen

werden. Die Vorrichtung soll darüberhinaus kostengünstig realisierbar sein.

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Merkmalen der Patentanspruche 1 und 14 gelõst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteranspruche.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich der oder die Ultraschallwandler zu Beginn des Eingriffs durch die Operationsöffnung (Trepanationsbohrung) einführen und plazieren. Der Ultraschallwandler kann während der gesamten Operationsdauer in seiner Position verbleiben, so daß ein permanentes Scannen des Operationsbereiches- einschließlich der Instrumente-und dessen bildliche Darstellung ermöglicht werden. Mit dieser Vorrichtung kann somit die Operation ohne Rückgriff auf extrem teure und aufwendige Kernspintomographen mit einfachen Mitteln am Bildschirm während eines minimalinvasiven Eingriffs verfolgt werden.

Grundsätzlich ist die Anwendung der Vorrichtung und des Verfahrens jedoch nicht auf neurochirurgische Eingriffe begrenzt. Die Erfindung kann zunächst bei sämtlichen minimalinvasiven Eingriffen Anwendung finden. Auch im nichtmedizinischen Bereich, bei Vorgängen, bei denen nur ein begrenzter Zugang zu abzubildenden Bereichen durch kleine Öffnungen besteht, und bei denen ein gleichzeitiger Zugang von bildgebendem und agierendem System erwünscht ist, bieten der Einsatz der Vorrichtung bzw. des Verfahrens entsprechende Vorteile. Als Beispiel kann hierzu die Bildgebung bei Arbeiten an schwer zugänglichen Maschinenteilen im Bereich des Maschinenbaus angeführt werden.

Bei der bevorzugten Anwendung der Erfindung im Bereich der Neurochirurgie wird eine Vorrichtung mit einem oder mehreren extrem flachen Ultraschallwandlern eingesetzt, die seitlich neben der Trepanationsbohrung zwischen Dura mater und Gehirn Platz finden und dort während der Operation verbleiben können, ohne den Zugang durch die Trepanationsbohrung zu behindern.

Die Fixierung des Wandlers erfolgt tuber einen mit der Fixiereinrichtung verbundenen Verbindungssteg, der so mit dem Wandler verbunden ist, da$ sich der Wandler nach Einfuhrung durch die Trepanationsbohrung seitlich unter die Dura mater schieben last.

Durch eine vorzugsweise flache, bandartige Ausführung des Verbindungssteges wird dabei nur ein minimaler Anteil der Öffnung beansprucht, so da$ nahezu der gesamte Querschnitt der Trepanationsbohrung für die Führung der Operationsinstrumente erhalten bleibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bildgebung umfaßt mindestens einen Ultraschallwandler, eine Fixiereinrichtung zur örtlichen Fixierung des Ultraschallwandlers relativ zum abzubildenden Bereich, und einen Verbindungssteg, der den Ultraschallwandler mit der Fixiereinrichtung verbindet. Der Verbindungssteg ist mit einem Randbereich des Ultraschallwandlers verbunden und bildet mit der Wandlerebene einen im wesentlichen senkrechten Winkel. Der Winkel ist so gewählt, da$ die Funktion der Vorrichtung, weite Bereiche der Öffnung auch nach Einführung des Wandlers frei zu halten, gewährleistet ist. Es versteht sich von selbst, da$ hierzu die Dicke der Schicht, in der die Öffnung vorliegt, eine Rolle spielt. Bei dünnen Schichten ist aus geometrischen Gründen eine stärkere Abweichung vom goy-Winkel (z. B. Winkel

zwischen 70° und 110°) vertretbar als bei dickeren Schichten.

Auch die innere (geometrische) Form der Schicht kann, wie nachfolgend ausgeführt, den möglichen Winkelbereich beeinflussen.

Im bevorzugten Anwendungsfall des neurochirurgischen Eingriffs kann insbesondere aufgrund der kugelförmigen Schädelhöhlung ein Winkel tuber 90°, vorzugsweise zwischen 90° und 100°, vorteilhaft sein, damit der Ultraschallwandler nach der Einfuhrung vollständig an der Schadeldecke anliegt. Bei dieser Ausfuhrungsform sind die Abmessungen des Ultraschallwandlers so gewãhlt, daß dieser in eine Trepanationsbohrung in der Schädeldecke eines Patienten eingeführt und zwischen Hirnhaut und Gehirn untergeschoben werden kann. Eine Trepanationsbohrung hat in der Regel einen Durchmesser von 15 bis 25 mm. Die Dicke des Verbindungssteges ist dabei so gewählt, da$ der Verbindungssteg nach der Einführung des Wandlers nur einen geringen Teil, d. h. weniger als 25% des Querschnitts der Trepanationsbohrung verdeckt.

Vorteilhafterweise weist der Verbindungssteg eine Dicke von maximal 3 mm und eine Länge von ca. 15-20 mm auf. Die Abmessungen des Ultraschallwandlers betragen bevorzugt maximal 3 mm senkrecht zur Wandlerebene (Dicke des Wandlers).

Die Fixiereinrichtung kann durch einen Wandlerschaft, beispielsweise in Form eines Handgriffes, gebildet werden. Im Falle eines neurochirurgischen Eingriffs wird diese Fixiereinrichtung zur Fixierung des Ultraschallwandlers starr mit der Fixiervorrichtung für den Kopf des Patienten verbunden.

Der Verbindungssteg hat die Funktion, den Ultraschallwandler mechanisch mit der Fixiereinrichtung und

elektrisch mit der Primärelektronik und/oder der Auswerteelektronik zu verbinden. Er muß daher zur Aufnahme elektrischer Verbindungen (z. B. donner Drahte oder Leiterbahnen) geeignet sein. Weiterhin muß er mechanisch genügend steif sein, um eine starre Verbindung zwischen Wandler und Fixiereinrichtung zu gewahrleisten, so daß verwackelfreie Bilder des abzubildenen Bereiches geliefert werden können. Der Verbindungssteg ist möglichst flach bzw. dünn ausgestaltet, damit er die Öffnung nur in geringem MaZe ausfullt. Bevorzugte Abmessungen des Verbindungssteges fur die Anwendung bei neurochirurgischen Eingriffen sind im Ausführungsbeispiel angegeben.

Der Ultraschallwandler selbst hat vorzugsweise eine münzförmige Gestalt mit einer Dicke von weniger als 1 cm. Er ist über den Verbindungssteg mit einer Primärelektronik (z. B.

Verstärker, Multiplexer, usw.) verbunden, die im Bereich des dem Ultraschallwandler gegenüberliegenden Endes des Verbindungssteges vorgesehen ist. Die Primärelektronik kann beispielsweise im Wandlerschaft integriert sein. Es ist jedoch auch möglich, zumindest einen Teil der Primärelektronik im Ultraschallwandler selbst zu integrieren.

Die vom Ultraschallwandler gewonnenen Signale werden zu einer Bildverarbeitungseinheit weitergeleitet, so daß sie beispielsweise an einem Monitor darstellbar sind.

Der Ultraschallwandler besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von arrayförmig in einer Ebene angeordneten Wandlerelementen, die ein elektronisch steuerbares zweidimensionales Phasenarray bilden. Durch phasenversetzte Ansteuerung der einzelnen Wandlerelemente kann der gesamte abzubildende Bereich mit dem Ultraschallstrahl abgetastet werden. Auf diese Weise ist es möglich, ohne mechanische

Bewegung des Wandlers die Daten für ein vollständiges Bild des abzubildenden Bereiches zu erhalten.

Der Ultraschallwandler kann jedoch auch als elektronisch steuerbares Lineararray ausgestaltet sein. Bei einer Anordnung dieses Lineararrays in einem dünnen Röhrchen kann durch einen mechanischen Antrieb das Array um seine Längsachse geschwenkt werden. Hierdurch wird ebenfalls der gesamte Bereich abgetastet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung von 3D- Ultraschalldaten für die Bildgebung an nur tuber eine Öffnung erreichbaren Bereichen, wird eine Vorrichtung mit einem Ultraschallwandler eingesetzt, der über einen dünnen Verbindungssteg mit einer Fixiereinrichtung verbunden ist und mit dem Verbindungssteg eine abgewinkelte Form bildet. Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruches 1. Die Vorrichtung wird durch die Öffnung eingeführt, unterhalb der Öffnung seitlich neben diese geschoben, mittels der Fixiereinrichtung fixiert und nachfolgend betrieben, um Daten für die Bilddarstellung von dem Bereich zu liefern. Aufgrund der besonderen Form der Vorrichtung bleibt nach deren Fixierung der größte Teil der Öffnung zur Einführung weiterer Vorrichtungen nahezu ungehindert zugänglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bildgebung in Seitenansicht, und Fig. 2 ein Beispiel für den Einsatz der Vorrichtung aus Figur 1 zeigen.

Anhand von Fig. 1 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erlãutert.

Figur 1 zeigt in Seitenansicht ein Beispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) zur Bildgebung, bei der ein miniaturisierter Ultraschallwandler (2) über einen Verbindungssteg (3) mit einem Wandlerschaft (4) verbunden ist. Am Wandlerschaft (4) ist die wandlernahe Elektronik (5) angebracht. Diese Elektronik umfaßt die in unmittelbarer Nähe des Wandlers notwendige Primärelektronik (Vorverstärker, Sendestufen, usw.). Durch Anbringen dieser Primärelektronik in unmittelbarer Nähe des äußeren Endes des Verbindungssteges können minimale Signalwege und damit kleinstmögliche Störeinflüsse realisiert werden. Der Ultraschallwandler steht über den Verbindungssteg, den Wandlerschaft mit der Primärelektronik und ein Anschlußkabel (6) mit einer Bildverarbeitungs-/Bilddarstellungseinheit (nicht dargestellt) in Verbindung.

In Figur 1 ist deutlich die flache Form des Ultraschallwandlers (2) zu erkennen, an dessen Rand der Verbindungssteg (3) senkrecht zur Wandlerebene befestigt ist, so daß Verbindungssteg und Wandler zusammen eine"L"-Form bilden. Der Verbindungssteg (3) ist in dieser Seitenansicht ebenfalls sehr flach ausgestaltet.

Für den im folgenden gezeigten Einsatz der Vorrichtung bei neurochirurgischen Eingriffen hat der Ultraschallwandler vorzugsweise einen Durchmesser bzw. eine Breite/Länge von ca.

20 mm und eine Dicke von maximal 3 mm. Der Verbindungssteg weist hier vorzugsweise eine Länge von ca. 15-20 mm, eine Breite von ca. 10-15 mm und eine Dicke von 2-3 mm auf. Das Wandlermaterial wie auch das Material des Verbindungssteges sind hierbei selbstverständlich hinsichtlich Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit ausgewählt.

Figur 2 zeigt den Einsatz dieser Vorrichtung bei einem minimalinvasiven Eingriff am Gehirn (7) eines Patienten. Bei einem solchen Eingriff wird zunächst eine Trepanationsbohrung (8) gesetzt, die die Kopfhaut (9), den Schädelknochen (10) und die Hirnhaut (11, Dura mater) durchdringt. Bei einer Operation am Gehirn werden die chirurgischen Instrumente (12, z. B. Endoskop,..) durch die Trepanationsbohrung (8) an das Gehirn (7) geführt. Mit der vorliegenden Vorrichtung ist es nun möglich, während der Operation, d. h. während chirurgische Instrumente in der Trepanationsbohrung geführt werden, den Einsatz dieser Instrumente im Operationsbereich des Gehirnes zu erfassen und bildlich darzustellen. Hierzu wird der Ultraschallgeber (2) der Vorrichtung (1) vor Beginn der Operation oder des zu beobachtenden Abschnittes der Operation durch die Trepanationsbohrung (8) geführt und flach seitlich neben der Bohrung zwichen das Gehirn (7) und die Hirnhaut (11) geschoben. Dort verbleibt die Vorrichtung während der Operation, so daß ständig Ultraschalldaten aus dem Operationsbereich geliefert und zur bildlichen Darstellung an einem Monitor verwendet werden können. Aufgrund der gegenseitigen Anordnung und Form von Verbindungssteg (3) und Ultraschallgeber (2) bleibt in diesem Fall der größte Teil der Trepanationsöffnung (8) frei, so daS die Einführung der chirurgischen Instrumente nicht behindert wird.

Der Ultraschallwandler kann als rein elektronisch steuerbares Phasenarray, eine matrizenartige Anordnung vieler kleiner Elementarwandler, realisiert werden. Mit einem derartigen Ultraschallwandler kann eine freie Steuerung der Richtung des Ultraschalls ohne mechanische Bewegung des Wandlers erreicht werden. Das Phasenarray kann so groß dimensioniert sein, daß es zum Einführen nahezu den gesamten

Querschnitt der Trepanationsöffnung beansprucht, danach jedoch seitlich unter der Hirnhaut verschwindet. Im Falle eines derartigen Wandlerarrays ist es von Vorteil, Teile der Primärelektronik direkt im Wandler zu integrieren. So kann insbesondere durch einen im Wandler integrierten Multiplexer die Zahl der notwendigen Verbindungen durch den Verbindungssteg deutlich reduziert werden.

Der Ultraschallwandler kann auch als wenige Millimeter breites Lineararray realisiert werden, das ein zweidimensionales Scannen gestattet. Eine Anordnung des Wandlers in einem dünnen Röhrchen ermöglicht ein Schwenken des Lineararrays senkrecht zu seiner Scanebene. Damit kann ebenfalls das interessierende Volumen vollständig abgetastet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Röhrchen eine Dicke von maximal 3mm und eine Länge von ca. 20 mm auf.

Wie bereits oben ausgeführt, können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auch bei anderen Operationstechniken Anwendung finden. Die gleichen Vorteile bringt ein Einsatz im Bereich nichtmedizinischer Anwendungen, beispielsweise bei der Materialbearbeitung oder bei Arbeiten im Maschinenbau, allgemein in allen Bereichen in denen ein Arbeitsvorgang durch eine Öffnung hindurch erfolgt und mittels Ultraschall überwacht werden soll.