CH716059A2 - Chirurgisches Instrumentensystem zur Bestimmung einer relativen Position. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft in chirurgisches Instrumentensystem umfassend ein Instrument und ein optisches Ortungssystem (1), wobei das Instrument einen ersten Teil und einen relativ zum ersten Teil bewegbaren zweiten Teil (6) enthält. Auf dem ersten Teil ist eine Lichtquelle (4) angeordnet. Der bewegbare zweite Teil (6) umfasst eine reflektierende Oberfläche (5), wobei der bewegbare zweite Teil (6) in Richtung der Achse eines von der Lichtquelle (4) ausgesendeten gerichteten Lichtstrahls bewegbar ist und mittels des auf der reflektierenden Oberfläche (5) des bewegbaren zweiten Teils (6) reflektierten Lichtstahls die Position des bewegbaren zweiten Teils (6) in Bezug auf den ersten Teil mittels des optischen Ortungssystems (1) messbar ist. Der erste Teil kann mindestens drei Lichtsender in einer bekannten geometrischen Anordnung umfassen, welche einen optischen Marker (2) ausbilden können.

Description

Hintergrund

[0001] Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrumentensystem umfassend ein Instrument und ein optisches Ortungssystem zur Bestimmung einer relativen Position oder eines ersten Teils und eines relativ zum ersten Teil bewegbaren zweiten Teils des Instruments. Das Instrument kann insbesondere ein chirurgisches Instrument umfassen. Die Erfindung wird verwendet, um die Position des bewegbaren zweiten Teils in Bezug auf den ersten Teil zu bestimmen und anzuzeigen. Mit Hilfe der Reflexion eines von einer Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahls kann eine Distanz ermittelt werden, ohne dass ein zusätzlicher Marker am bewegbaren zweiten Teil erforderlich ist. Die Erfindung kann beispielsweise verwendet werden, um die Position eines Bohrers in Bezug auf eine Bohrerführung zu bestimmen und anzuzeigen. Mit Hilfe der Reflexion eines von einer Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahls kann die Bohrtiefe ermittelt werden, ohne dass ein zusätzlicher Marker am Bohrer erforderlich ist.

[0002] Die Ortung von Instrumenten in chirurgischen Instrumentensystem hilft Chirurgen bei der Positionierung und Ausrichtung von Instrumenten relativ zur Anatomie des Patienten. Die Ortung der Instrumente erfolgt in der Regel mit optischen oder elektromagnetischen Ortungssystemen, mit denen die Position und Lage der Instrumente und die Anatomie präzise gemessen werden können. Für die optische Ortung mit einem Stereo- oder Einzelkamerasystem können Lokalisierungsgeräte, beispielsweise passive reflektierende Marker oder aktive Lichtsender, eingesetzt werden, die in einer bekannten geometrischen Beziehung zueinander angeordnet sind. Beispielsweise kann die Position der Instrumente mittels Schattenbildgebung ermittelt werden, wobei die Position durch den Schatten der Lichtsender auf einem optischen Sensor berechnet wird. Dies ist in EP15192564.1 beschrieben.

Stand der Technik

[0003] Unterschiedliche Verfahren zur Bohrtiefenmessung sind in WO2016049467A1 beschrieben. Die beschriebenen Verfahren verwenden Widerstands-, Kapazitäts-, optische und / oder akustische Erfassungsmerkmale, um das Bohrtiefenmesssystem bei der Bestimmung der Bohrtiefen und Gewebetypen zu unterstützen, in die gebohrt wird. Das Bohrtiefenmessgerät ist in die Bohrführung oder den Bohrführungsgriff integriert. In der Anmeldung WO2017083989A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der die Bohrtiefe unter Verwendung eines Aufsatzes an der Bohrmaschine mit einem linearen Sensor gemessen wird, um die Bohrtiefe zu bestimmen.

[0004] Es gibt Systeme, bei denen die Bohrtiefe oder relative lineare Bewegung unter Verwendung des optischen Ortungssystems bestimmt wird. US6887247B1 beschreibt die Verwendung eines optischen Markers, der am Bohrer, nicht an der Bohrhülse angebracht ist und sich mit dem Bohrer bewegt. In der Anmeldung EP1742583B1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die lineare Bewegungen einzelner oder mehrerer optischer Marker unter Verwendung eines Stereokamerasystems misst. Die berechneten relativen Bewegungen werden zur Berechnung der Kräfte in einem Federeingriffssystem zur Messung der Bandspannung verwendet. Die Anmeldungen US6478802B2 / US6887245B2 beschreiben die Messung der Bohrtiefe unter Verwendung eines aktiven Markers an der Bohrerführung und eines zusätzlichen Markers oder aktiver Lichtsender, um die relative Bewegung des Bohrmeissels zur Bohrhülse zu bestimmen.

Aufgabe der Erfindung

[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein chirurgisches Instrumentensystem bereitzustellen, mittels welchem während eines Eingriffs die Position und Lage eines Instruments präzise bestimmt werden kann, wobei das Instrument als Messwertgeber fungiert.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0006] Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein chirurgisches Instrumentensystem gemäss Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des chirurgischen Instrumentensystems sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 15.

[0007] Wenn der Begriff „beispielsweise“ in der nachfolgenden Beschreibung verwendet wird, bezieht sich dieser Begriff auf Ausführungsbeispiele und/oder Ausführungsformen, was nicht notwendigerweise als eine bevorzugtere Anwendung der Lehre der Erfindung zu verstehen ist. In ähnlicher Weise sind die Begriffe „vorzugsweise“, „bevorzugt“ zu verstehen, indem sie sich auf ein Beispiel aus einer Menge von Ausführungsbeispielen und/oder Ausführungsformen beziehen, was nicht notwendigerweise als eine bevorzugte Anwendung der Lehre der Erfindung zu verstehen ist. Dementsprechend können sich die Begriffe „beispielsweise“, „vorzugsweise“ oder „bevorzugt“ auf eine Mehrzahl von Ausführungsbeispielen und/oder Ausführungsformen beziehen. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung enthält verschiedene Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemässe Vorrichtung sowie das erfindungsgemässe Verfahren. Die Beschreibung einer bestimmten Vorrichtung eines bestimmten Verfahrens ist nur als beispielhaft anzusehen. In der Beschreibung und den Ansprüchen werden die Begriffe „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ als „enthalten, aber nicht beschränkt auf“ interpretiert.

[0008] Der Begriff „orten“ oder „Ortung“ wird für die Messung der Position oder Lage verwendet. Der Begriff „navigieren“ oder „Navigation“ wird für die Messung inklusive deren Aufbereitung verwendet.

[0009] Ein chirurgisches Instrumentensystem umfasst ein Instrument und ein optisches Ortungssystem, wobei das Instrument einen ersten Teil und einen relativ zum ersten Teil bewegbaren zweiten Teil enthält, wobei auf dem ersten Teil eine Lichtquelle angeordnet ist, wobei der bewegbare zweite Teil eine reflektierende Oberfläche umfasst, wobei der bewegbare zweite Teil in Richtung der Achse eines von der Lichtquelle ausgesendeten gerichteten Lichtstrahls bewegbar ist und mittels des auf der reflektierenden Oberfläche des bewegbaren zweiten Teils reflektierten Lichtstahls die Position des bewegbaren zweiten Teils in Bezug auf den ersten Teil mittels des optischen Ortungssystems messbar ist, wobei der erste Teil mindestens drei Lichtsender in einer bekannten geometrischen Anordnung umfassen kann, welche einen optischen Marker ausbilden können.

[0010] Gemäss einem Ausführungsbeispiel umfasst das optische Ortungssystem ein Schattenabbildungsortungssystem. Der Empfänger kann als Bildsensor ausgebildet sein. Oberhalb des Bildsensors kann sich eine Schattenmaske zur Messung der Position der Lichtsender und des reflektierten Lichtstrahls befinden.

[0011] Gemäss einem Ausführungsbeispiel umfasst das optische Ortungssystem einen Empfänger, beispielsweise eine einzelne Kamera, ein Stereokamerasystem oder eine Mehrzahl von Kameras, zur Erfassung der Position der Lichtsender und des reflektierten Lichtstrahls umfasst.

[0012] Insbesondere kann der erste Teil des Instruments eine Bohrerhülse und der bewegbare zweite Teil ein Bohrer sein, welcher die reflektierende Oberfläche enthält. Insbesondere kann der erste Teil des Instruments eine Schraubendrehergehäuse und der bewegbare zweite Teil ein Schraubendreher sein, welcher die reflektierende Oberfläche enthält.

[0013] Gemäss einem Ausführungsbeispiel befindet sich die reflektierende Oberfläche auf einem vom bewegbaren zweiten Teil abnehmbaren Teilelement. Insbesondere kann das Teilelement ein Einwegartikel sein.

[0014] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann eine Mehrzahl von Lichtquellen und eine Mehrzahl von bewegbaren Teilen vorgesehen sein, die reflektierende Oberflächen enthalten. Insbesondere kann die reflektierende Oberfläche flach, eben, gekrümmt, rund, konkav oder konvex geformt sein. Die reflektierende Oberfläche kann rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse des zweiten bewegbaren Teils sein. Der bewegbare zweite Teil kann einen Abschnitt enthalten, der eine reflektierende Oberfläche aufweist.

[0015] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann die reflektierende Oberfläche als eine diffuse reflektierende Oberfläche ausgebildet sein. Die reflektierende Oberfläche kann ein polykristallines Material enthalten.

[0016] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann der bewegbare zweite Teil mit dem ersten Teil durch ein Federelement mit bekannten Eigenschaften gekoppelt sein.

[0017] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann die vom Empfänger ermittelte Bewegung oder die Position des bewegbaren zweiten Teils in ein digitales Signal umwandelbar sein, welches als Eingangsgrösse für eine Steuerungseinheit verwendbar ist. Die Steuerungseinheit kann Bestandteil des chirurgischen Instrumentensystems sein und kann zur Steuerung des Instruments eingesetzt werden. Insbesondere kann der erste Teil mit einer Eingabevorrichtung ausgerüstet sein, um eine Messung oder eine Interaktion mit der Steuerungseinheit auszulösen.

[0018] Um die Lokalisierungsgeräte zu orten, mussten sie bislang an Instrumenten und der Patientenanatomie befestigt werden. Bei verschiedenen operativen Eingriffen ist nicht nur die Position des chirurgischen Instruments relativ zum Körper des Patienten von Interesse, sondern auch die relative Bewegung eines bewegbaren zweiten Teils zu einem ersten Teil des Instruments. Mittels einer relativen Messung mittels einem chirurgischen Instrumentensystem nach einem der Ausführungsbeispiele kann beispielsweise die Bewegung oder Position eines Bohrers relativ zu einer Bohrerhülse bestimmt werden.

[0019] Der durch die Messung erhältliche Messwert kann von einem Empfänger in ein digitales Signal umgewandelt werden. Das digitale Signal kann als Eingangsgrösse für eine Steuerungseinheit des Instruments verwendet werden. Die Steuerungseinheit kann über ein Ausgabegerät, beispielsweise ein Display verfügen, um den Messwert oder eine aus dem Messwert abgeleitete Messgrösse anzuzeigen. Beispielsweise kann auf einem Display nicht nur die Bohrkurve des Bohrers angezeigt werden, sondern auch die aktuelle Position der Bohrerspitze und diese in Bezug auf die Patientenanatomie angezeigt werden.

[0020] Die Patientenanatomie kann durch eine vorgängige Messung, beispielsweise mittels eines bildgebenden Verfahrens, eines Abtastverfahrens oder mittels einer optischen Messung von am Patienten angebrachten Markern ermittelt worden sein. Die Messung der Patientenanatomie kann Messwerte liefern, die in digitale Signale umgewandelt werden und als solche von einer Recheneinheit der Steuerungseinheit verarbeitet werden können oder als digitale Daten in einem Speicher abgelegt werden können.

[0021] Bevor das Instrument zum Einsatz kommt, können die digitalen Daten aus einem Speicher der Steuerungseinheit abrufbar sein. Sie können von der Recheneinheit in Bilddaten umgewandelt werden, die auf dem Display des Instruments oder einem mit dem Instrument verknüpften Display angezeigt werden. Beispielsweise können die Daten zur Patientenanatomie und die Messwerte aus der Positions- und Lagebestimmung auf einem tragbaren Display erscheinen oder eingeblendet werden, beispielsweise mittels einer VR-Brille.

[0022] Beispielsweise kann das genaue Orten der Bohrtiefe während des Bohrens bei zahlreichen Anwendungen sehr vorteilhaft sein, z. B. zum Einbringen einer Schraube in Traumafällen oder beim Anbringen von Pedikelschrauben bei Wirbelsäulenoperationen. Relative Messungen können für das Einführen von Nadeln verwendet werden oder für die Positionsbestimmung von Sägeblättern zur Durchführung von Schnitten, für das Einsetzen von Schrauben oder andere operative Eingriffe, bei denen ein erster Teil eines Instruments in einer bekannten Beziehung zu einem anderen navigierten chirurgischen Instrument bewegt wird. Die Information der Instrumentenposition und der Position des bewegbaren Teils kann durch ein computerunterstütztes Chirurgiesystem mittels einer Recheneinheit verarbeitet werden und auf einem Anzeigeelement angezeigt werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0023] Nachfolgend wird das erfindungsgemässe chirurgische Instrumentensystem anhand einiger Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>einen schematischen Aufbau eines chirurgischen Instrumentensystems nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, <tb>Fig. 2<SEP>einen schematischen Aufbau eines chirurgischen Instrumentensystems nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

[0024] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines chirurgischen Instrumentensystems gemäss der Erfindung in Kombination mit einem optischen Ortungssystem 1 gezeigt, beispielsweise einem Schattenabbildungs-Ortungssystem. Das geortete Instrument ist gemäss diesem Ausführungsbeispiel als ein Bohrer umfassend eine Bohrerführung 30 mit einem Bohrerführungsgriff 31 ausgebildet, der mit einer Taste 32 zum Auslösen von Messungen ausgestattet sein kann. Die Position dieses Instruments relativ zur anatomischen Struktur 40 kann unter Verwendung eines an einem ersten Teil des Instruments angebrachten optischen Markers 2 geortet werden. Zur Ortung der Lage eines bewegbaren, zweiten Teils 6 des Instruments in Bezug auf die anatomische Struktur 40 kann an der anatomischen Struktur ein weiterer Marker angebracht werden. Das optische Ortungssystem 1 kann einen Empfänger umfassen, der als eine Kamera oder ein Kamerasystem ausgebildet sein kann, mittels welchem reflektierte Lichtstrahlen empfangen werden können, die von einer Lichtquelle 4 ausgesendet werden, die am ersten Teil des Instruments angebracht ist. Die Lichtstrahlen werden von einer reflektierenden Oberfläche 5 reflektiert, die sich auf dem bewegbaren zweiten Teil 6 befindet.

[0025] Das optische Ortungssystem 1 kann als ein mobiles optisches Ortungssystem ausgebildet sein. Für ein mobiles optisches Ortungssystem kann der Empfänger direkt an der anatomischen Struktur 40 befestigt werden.

[0026] Der optische Marker 2 ist gemäss dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein aktiver optischer Marker mit mindestens drei Lichtsendern 3 in bekannter geometrischer Konfiguration, die an einem Markierungskörper angeordnet sind. In den meisten Anwendungen werden Infrarot-LEDs als Lichtsender als aktive optische Marker verwendet. Unter einem aktiven optischen Marker wird ein optischer Marker verstanden, der Licht emittieren kann. Diese LEDs haben einen breiten Abstrahlwinkel, so dass sie für das optische Ortungssystem bei unterschiedlicher Orientierung des Markerkörpers zum Empfänger sichtbar sind. Der erste Teil des Instruments 30 oder der optische Marker 2 umfasst eine Lichtquelle 4 zur Erzeugung eines gerichteten Lichtstrahls mit einem sehr engen Abstrahlwinkel von weniger als fünf Grad entlang der Achse des bewegbaren zweiten Teils 6. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Laserlichtquelle oder Laser-LED als Lichtquelle 4 verwendet, um den gerichteten Lichtstrahl zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Lichtquellen verwendet, welche Lichtstrahlen außerhalb des sichtbaren Spektrums emittieren, beispielsweise im Infrarotbereich, sowohl für die Lichtsender als auch für die Lichtquelle zur Erzeugung des gerichteten Lichtstrahls.

[0027] Der bewegbare zweite Teil 6, der die reflektierende Oberfläche 5 enthält, bewegt sich entlang der Achse des Lichtstrahls, der von der Lichtquelle 4 ausgesendet wird. Der erste Teil ist an dem bewegbaren zweiten Teil befestigt, in diesem Fall dem Bohrer 10. Der bewegbare zweite Teil 6, der die reflektierende Oberfläche 5 enthält, kann ein integraler Bestandteil des Instruments, beispielsweise des Bohrers 10, sein oder kann während des operativen Eingriffs am Instrument befestigt werden, das heisst, der bewegbare zweite Teil 6 kann abnehmbar sein. Beispielsweise kann der bewegbare zweite Teil 6 mittels einer Rastvorrichtung auf dem Instrument temporär befestigt werden.

[0028] Der Bohrer 10 kann an einer bekannten Stelle ein Gegenstück haben, sodass die Position der reflektierenden Oberfläche 5 in Bezug auf den Bohrer und insbesondere auf die Bohrerspitze bekannt ist. In einer anderen, in der Fig. 1 nicht dargestellten Ausführungsform, kann der die reflektierende Oberfläche 5 enthaltende bewegbare zweite Teil 6 auch Teil eines Bohreradapters 11 sein. Der Bohreradapter 11 ist derart ausgebildet, um den Bohrer 10 an einer Bohrmaschine 21 zu befestigen. Die reflektierende Oberfläche 5 kann sich auf der Bohrmaschine 21 befinden. Beispielsweise kann der bewegbare zweite Teil 6, der die reflektierende Oberfläche 5 enthält, auf dem Bohrfutter 20 angeordnet werden, insbesondere nahe der Drehachse des Bohrers.

[0029] Gemäss einem Ausführungsbeispiel ist die reflektierende Oberfläche 5 in einem Winkel in Bezug auf die Achse des gerichteten Lichtstrahls positioniert, um das Licht in die Richtung des Empfängers, beispielsweise der Kamera oder des Kamerasystems, zu reflektieren.

[0030] In der einfachsten Form kann eine Bewegung des bewegbaren zweiten Teils 6 mittels Tasteneingabe gesteuert werden. Das Instrument kann eine am ersten Teil angeordnete Taste 32 aufweisen, die als Auslöser verwendet wird, um den bewegbaren zweiten Teil 6 an eine definierte Position zu bewegen.

[0031] Die reflektierende Oberfläche 5 ist vorzugsweise als ein idealer diffuser Reflektor ausgebildet, der einen reflektierten Weitwinkellichtstrahl erzeugt. Zur Erzeugung von diffus reflektierenden Oberflächeneigenschaften können verschiedene Materialien und Oberflächenveredelungen verwendet werden. Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann eine Metalloberfläche mit einer matten Oberflächenbeschaffenheit verwendet werden, um den gerichteten Lichtstrahl, der von der Lichtquelle ausgesendet wird, zu reflektieren. Die Oberfläche kann aus Materialien mit gutem diffusem Reflexionsvermögen wie Keramiken, Papier hergestellt werden. Ein polykristallines Material kann verwendet werden. Die reflektierende Oberfläche 5 kann mit einem Material mit einer matten Oberflächenbeschaffenheit beschichtet sein, um die gewünschten diffusen optischen Eigenschaften im Sinne einer Lambert'schen Reflexion zu erreichen. Die reflektierende Oberfläche 5 kann eine Oberfläche mit einer flachen, ebenen, gekrümmten, runden, konvexen oder konkaven Form aufweisen, um eine gleichförmige diffuse Reflexion mit einem definierten Lichtkegel am Reflexionspunkt zu erzeugen, sodass eine Streuung des Lichts erfolgt.

[0032] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann der zweite bewegbare Teil 6, der die reflektierende Oberfläche 5 enthält, ein transparentes Material wie Glas oder ein transparentes Kunststoffmaterial, z.B. ein Polycarbonat, enthalten, das einen einfallenden gerichteten Lichtstrahl ähnlich einer Punktlichtquelle reflektiert, das heisst, eine Streulinse ausbildet.

[0033] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann der bewegbare zweite Teil 6 als ein Einwegartikel ausgebildet sein oder einen Einwegartikel enthalten. Der bewegbare zweite Teil 6 kann eine Rastvorrichtung enthalten, die an verschiedene Dimensionen des Instruments, insbesondere verschiedene Bohrerdurchmesser anpassbar ist. Der Bohrer kann beispielsweise eine Kerbe aufweisen, in der die Rastvorrichtung platziert werden kann. Gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel ist der bewegbare zweite Teil 6 direkt am Bohrer befestigt und bildet eine integrale Einheit mit dem Bohrer.

[0034] Wenn das optische Ortungssystem 1 zum Messen der Bohrerposition verwendet wird, kann dessen Position auch während der Drehbewegung des Bohrers 10 bei hohen Drehzahlen gemessen werden. Zum Beispiel kann der bewegbare zweite Teil 6, der die reflektierende Oberfläche 5 enthält, rotationssymmetrisch um den Bohrer 10 herum angeordnet werden. In dieser Konfiguration muss der bewegbare zweite Teil 6 nicht mit dem Empfänger des optischen Ortungssystems 1 oder der Lichtquelle 4 ausgerichtet sein.

[0035] Gemäss einem Ausführungsbeispiel weist die reflektierende Oberfläche 5 variable reflektierende Eigenschaften auf. Beispielsweise kann mehr oder weniger Licht in verschiedenen Bereichen der reflektierenden Oberfläche 5 reflektiert werden. Die reflektierende Oberfläche 5 enthält somit mindestens einen reflektierenden Oberflächenabschnitt. Wenn der Lichtstrahl auf einen reflektierenden Oberflächenabschnitt auftrifft, wird ein gepulster reflektierter Lichtstrahl erzeugt. Insbesondere kann mindestens ein gepulster reflektierter Lichtstrahl pro Umdrehung erzeugt werden. Der gepulste reflektierte Lichtstrahl kann vom optischen Ortungssystem 1 als Puls erfasst werden. Die Periode zwischen zwei Pulsen kann ermittelt werden, um die Drehgeschwindigkeit des Bohrers zu bestimmen, wenn pro Umdrehung ein einziger gepulster Lichtstrahl an das optische Ortungssystem 1 übermittelt wird. Selbstverständlich kann die Drehgeschwindigkeit auch ermittelt werden, wenn eine Mehrzahl von Pulsen pro Umdrehung vom Empfänger empfangen wird, wenn die Anzahl der Pulse pro Umdrehung bekannt ist.

[0036] Das chirurgische Instrumentensystem gemäss einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele kann verwendet werden, um die Bohrtiefe zu messen, aber auch, um die Tiefe einer Schraubeneinführung zu messen, wobei die Position des Schraubendrehers relativ zur Schraubenführung gemessen wird, zum Beispiel bei Trauma- und Wirbelsäulenoperationen, wie in Fig. 2 dargestellt. Das optische Ortungssystem 1 ist gemäss Fig. 2 in einer bekannten Beziehung zu dem ersten Teil des Instruments montiert oder kann auch mit dem Instrument gekoppelt sein (nicht dargestellt). Das optische Ortungssystem 1 weist daher einen Bezugsrahmen auf. Die relative Bewegung des bewegbaren zweiten Teils 6 wird im Bezugsrahmen des optischen Ortungssystems 1 bestimmt. Gemäss diesem Ausführungsbeispiel ist die Position des Empfängers bekannt, da sie im Bezugsrahmen eindeutig festgelegt ist, daher werden keine optischen Marker auf dem ersten Teil benötigt. Insbesondere ist die Position einer als Empfänger dienenden Kamera oder eines Kamerasystems bekannt. Wenn der erste Teil eine Bohrhülse ist, werden gemäss diesem Ausführungsbeispiel keine optischen Marker auf der Bohrhülse benötigt, was in Fig. 1 nicht dargestellt ist.

[0037] Gemäss dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Bewegung des bewegbaren zweiten Teils 6 zum ersten Teil des Instruments mittels des optischen Ortungssystems 1 erfasst werden. Ein Empfänger ist gemäss diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil des optischen Ortungssystems 1. Der Empfänger empfängt reflektierte Lichtstrahlen von der reflektierenden Oberfläche 5 und den gegebenenfalls am ersten Teil angeordneten optischen Markern 2, wenn sie als aktive optische Marker ausgebildet sind. Der Empfänger kann als Kamera oder Kamerasystem ausgebildet sein. Das optische Ortungssystem 1 kann als mobiles optisches Ortungssystem 1 ausgebildet sein, welches gemäss dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Patientenanatomie 40 befestigt ist.

[0038] Das optische Ortungssystem 1 enthält somit einen Empfänger, der die Bewegung oder die Position des bewegbaren zweiten Teils erfasst. Das optische Ortungssystem 1 enthält eine Umwandlungseinheit, in welcher das die Bewegung oder Position bestimmende Lichtsignal in ein digitales Signal umwandelbar ist, welches als Eingangsgrösse für eine Steuerungseinheit 50 des Instruments verwendbar ist. Die Steuerungseinheit kann mit einem Anzeigegerät 53 gekoppelt oder koppelbar sein, um die Position 51 des Instruments auf dem Anzeigegerät 53 anzuzeigen, was in Fig. 2 dargestellt ist. Hierzu kann das Anzeigegerät 53 als Display ausgebildet sein. Die Steuerungseinheit 50 kann, wie in Fig. 2 gezeigt ist, drahtlos mit dem Empfänger des optischen Ortungssystems 1 verbunden sein. Das heisst, die Steuerungseinheit 50 und der Empfänger sind als separate Bauteile ausgebildet.

[0039] Gemäss einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Steuerungseinheit und der Empfänger als ein einziges Bauteil ausgebildet sein, sie können beispielsweise ein mobiles optisches Ortungssystem ausbilden. Gemäss dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Schraubendreher verwendet, dessen Position 51 auf dem Anzeigegerät 53 angezeigt wird. Auf dem Anzeigegerät 53 kann auch die mit dem Schraubendreher in der anatomischen Struktur 40 positionierte Schraube 52 angezeigt werden. Die Abmessungen der Schraube 52 können in beispielsweise in einem Speicher hinterlegt sein. Die Schraube kann vor deren Benutzung manuell oder automatisch aus einer Datenbank ausgewählt werden.

[0040] Die Positionierung der Schraube auf dem Anzeigegerät kann beispielsweise durch die mittels dem optischen Ortungssystem ermittelte Drehachse des Schraubendrehers und der Position der anatomischen Struktur festgelegt sein. Die Veränderung der Position des Schraubendrehers während des Eingriffs wird ebenfalls durch das optische Ortungssystem erfasst. Daher kann die Veränderung der Position des Schraubendrehers auf dem Anzeigegerät angezeigt werden. Die Position und Lage der in der anatomischen Struktur 40 zu positionierenden Schraube 52 ist somit zu jedem Zeitpunkt des Eingriffs ersichtlich. Wenn die anatomische Struktur 40 vorgängig durch bildgebende Verfahren ermittelt worden ist, kann die Position der Schraube 52 in der anatomischen Struktur zu jedem Zeitpunkt des Eingriffs präzise angezeigt werden.

[0041] Aus diesem Ausführungsbeispiel ist ein weiterer Vorteil der Verwendung eines chirurgischen Instrumentensystems gemäss der Erfindung ersichtlich. Die Position eines georteten Instruments kann präzise visualisiert werden, damit kann die Präzision des Eingriffs erhöht sowie sichergestellt werden, dass es während des Eingriffs nicht zu Komplikationen kommt, insbesondere, weil Details der anatomischen Struktur in einem Bild, beispielsweise einem Schnittbild, angezeigt werden können und somit der weitere Verlauf des Eingriffs anhand dieser bildlichen Darstellung mit erhöhter Präzision vorhersehbar und vorhersagbar ist.

[0042] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann das chirurgische Instrumentensystem mehrere Instrumente umfassen. Die relative Bewegung von zwei oder mehr Instrumenten mit korrespondierenden bewegbaren zweiten Teilen kann durch Verwendung mehrerer Lichtquellen bestimmt werden. Jede Lichtquelle sendet Lichtstrahlen auf entsprechende reflektierende Oberflächen, die sich an den entsprechenden bewegbaren zweiten Teilen der jeweiligen Instrumente befinden. Die reflektierten Lichtstrahlen werden vom Empfänger erfasst und mittels des optischen Ortungssystems die Position der Instrumente ermittelt.

[0043] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann die Erfindung verwendet werden, um auf das bewegbare zweite Teil des Instruments einwirkende Kräfte zu messen. Wenn ein Federelement zwischen dem ersten Teil und dem bewegbaren zweiten Teil angeordnet ist und die Federeigenschaften basierend auf der gemessenen Entfernung bekannt sind, kann die auf das Federelement aufgebrachte Kraft berechnet werden. Ein solches Instrument kann beispielsweise verwendet werden, um Kräfte für den Bänderspanner in einer Knieersatzoperation zu messen. Gemäss einer weiteren Anwendung kann das bewegbare zweite Teil zum Messen der Entfernung oder Tiefe verwendet werden, wobei der erste Teil mit dem Federelement im Eingriff steht und zum Messen der aufgebrachten Kraft verwendet wird.

[0044] Gemäss jedem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele kann die Bewegung des bewegbaren zweiten Teils zum ersten Teil des Instruments mittels des optischen Ortungssystems 1 erfasst werden. Die vom Empfänger ermittelte Bewegung oder die Position des bewegbaren zweiten Teils ist von einer Umwandlungseinheit in ein digitales Signal umwandelbar, welches als Eingangsgrösse für eine Steuerungseinheit des Instruments verwendbar ist. Die Steuerungseinheit kann mit einem Anzeigegerät gekoppelt oder koppelbar sein, um die Position des Instruments auf dem Anzeigegerät anzuzeigen, was in Fig. 2 dargestellt ist.

[0045] Gemäss einem Ausführungsbeispiel wird die Bewegung des Instruments vom Empfänger als analoges Eingangssignal für die Steuerungseinheit erfasst, wobei mit der gemessenen Verschiebung des bewegbaren zweiten Teils ein Wert in der Steuerungseinheit eingestellt oder geändert werden kann. Insbesondere können Implantatgrössen, Schraubenlänge vom Bediener eingestellt werden, ohne dass ein zusätzliches Eingabegerät erforderlich ist.

[0046] Gemäss einem Ausführungsbeispiel ist das Instrument mit mindestens einer Taste 32 ausgestattet, um Messungen oder Interaktionen mit der Steuerungseinheit auszulösen. Die Steuerungseinheit kann Bestandteil eines Navigationssystems sein. Das Navigationssystem kann zum Beispiel ein Schaltelement bereitstellen. Eine Registrierung der relativen Position des bewegbaren zweiten Teils zum ersten Teil kann mittels des Schaltelements manuell oder automatisch ausgelöst werden. Das durch die Manipulation des Schaltelements erzeugte Signal, beispielsweise durch Drücken der Taste, kann unter Verwendung eines optischen Signals oder unter Verwendung eines drahtlosen Kommunikationsprotokolls an das optische Ortungssystem 1 oder das Navigationssystem übertragen werden.

[0047] Das vorgeschlagene chirurgische Instrumentensystem hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber bestehenden Lösungen. Die Position eines Instruments, zum Beispiel eines Bohrers oder Schraubendrehers, kann geortet werden, ohne dass ein zusätzlicher aktiver Marker am Instrument, d.h. am Bohrer oder der Bohrmaschine angebracht werden muss. Durch Verwendung der Reflexion eines von der Lichtquelle 4 gerichteten Lichtstrahls kann der bewegbare zweite Teil 6 enthaltend die reflektierende Oberfläche 5 am Instrument als Lichtsender wirken, der von einem optischen Ortungssystem 1 geortet wird. Die reflektierende Oberfläche 5 kann selbst Teil des Instruments sein oder daran befestigt sein.

[0048] Ein großer Vorteil ist, dass die vorgeschlagene Lösung auch funktioniert, wenn sich das Instrument dreht. Gemäss diesem Ausführungsbeispiel ist die reflektierende Oberfläche 5 des bewegbaren zweiten Teils 6 als rotationssymmetrische reflektierende Oberfläche ausgebildet. Die reflektierende Oberfläche ist insbesondere rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse des Instruments. Die Erfindung erfordert keine Ausrichtung eines Markers auf dem Instrument mit dem Empfänger.

[0049] Die vorgeschlagene Erfindung kann mit einem Schattenabbildungsortungssystem verwendet werden, bei dem die Lichtsender durch ein definiertes Muster einen Schatten auf den Empfänger werfen, der als ein Sensor ausgebildet ist, der eine optische Sensoroberfläche enthält. Basierend auf dem Schatten auf dem Sensor kann die Richtung der Lichtsender bestimmt werden und die 6D-Position des georteten Instruments und die relative Bewegung des von der reflektierenden Oberfläche reflektierten Lichtstrahls können bestimmt werden. Anstelle eines Sensors kann der Empfänger eine einzelne Kamera oder ein Stereo- oder Mehrkamerasystem umfassen, der den oder die Lichtstrahlen von Lichtsendern empfängt.

[0050] Für den Fachmann ist offensichtlich, dass viele weitere Varianten zusätzlich zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne vom erfinderischen Konzept abzuweichen. Der Gegenstand der Erfindung wird somit durch die vorangehende Beschreibung nicht eingeschränkt und ist durch den Schutzbereich bestimmt, der durch die Ansprüche festgelegt ist. Für die Interpretation der Ansprüche oder der Beschreibung ist die breitest mögliche Lesart der Ansprüche massgeblich. Insbesondere sollen die Begriffe „enthalten“ oder „beinhalten“ derart interpretiert werden, dass sie sich auf Elemente, Komponenten oder Schritte in einer nichtausschliesslichen Bedeutung beziehen, wodurch angedeutet werden soll, dass die Elemente, Komponenten oder Schritte vorhanden sein können oder genutzt werden können, dass sie mit anderen Elementen, Komponenten oder Schritten kombiniert werden können, die nicht explizit erwähnt sind. Wenn die Ansprüche sich auf ein Element oder eine Komponente aus einer Gruppe beziehen, die aus A, B, C bis N Elementen oder Komponenten bestehen kann, soll diese Formulierung derart interpretiert werden, dass nur ein einziges Element dieser Gruppe erforderlich ist, und nicht eine Kombination von A und N, B und N oder irgendeiner anderen Kombination von zwei oder mehr Elementen oder Komponenten dieser Gruppe.

Claims (15)

1. Chirurgisches Instrumentensystem umfassend ein Instrument und ein optisches Ortungssystem (1), wobei das Instrument einen ersten Teil und einen relativ zum ersten Teil bewegbaren zweiten Teil (6) enthält, wobei auf dem ersten Teil eine Lichtquelle (4) angeordnet ist, wobei der bewegbare zweite Teil (6) eine reflektierende Oberfläche (5) umfasst, wobei der bewegbare zweite Teil (6) in Richtung der Achse eines von der Lichtquelle (4) ausgesendeten gerichteten Lichtstrahls bewegbar ist und mittels des auf der reflektierenden Oberfläche (5) des bewegbaren zweiten Teils (6) reflektierten Lichtstahls die Position des bewegbaren zweiten Teils (6) in Bezug auf den ersten Teil mittels des optischen Ortungssystems (1) messbar ist, wobei der erste Teil mindestens drei Lichtsender in einer bekannten geometrischen Anordnung umfassen kann, welche einen optischen Marker (2) ausbilden können.

2. Das chirurgische Instrumentensystem nach Anspruch 1, wobei das optische Ortungssystem (1) ein Schattenabbildungsortungssystem umfasst.

3. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Ortungssystem (1) einen Empfänger, beispielsweise eine einzelne Kamera, ein Stereokamerasystem oder eine Mehrzahl von Kameras, zur Erfassung der Position der Lichtsender und des reflektierten Lichtstrahls umfasst.

4. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teil eine Bohrerhülse und der bewegbare zweite Teil ein Bohrer (10) ist, welcher die reflektierende Oberfläche (5) enthält.

5. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Oberfläche (5) sich auf einem vom bewegbaren zweiten Teil (6) abnehmbaren Teilelement befindet.

6. Das chirurgische Instrumentensystem nach Anspruch 5, wobei das Teilelement ein Einwegartikel ist.

7. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Lichtquellen und eine Mehrzahl von bewegbaren Teilen vorgesehen sind, die reflektierende Oberflächen (5) enthalten.

8. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Oberfläche (5) flach, eben, gekrümmt, rund, konkav oder konvex geformt ist.

9. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Oberfläche (5) rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse des zweiten bewegbaren Teils ist.

10. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bewegbare zweite Teil (6) einen Abschnitt enthält, der eine reflektierende Oberfläche (5) aufweist.

11. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Oberfläche (5) als eine diffuse reflektierende Oberfläche ausgebildet ist.

12. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Oberfläche (5) ein polykristallines Material enthält.

13. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bewegbare zweite Teil (6) mit dem ersten Teil durch ein Federelement mit bekannten Eigenschaften gekoppelt ist.

14. Das chirurgische Instrumentensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 13, wobei die vom Empfänger ermittelte Bewegung oder die Position des bewegbaren zweiten Teils (6) in ein digitales Signal umwandelbar ist, welches als Eingangsgrösse für eine Steuerungseinheit (50) verwendbar ist.

15. Das chirurgische Instrumentensystem nach Anspruch 14, wobei der erste Teil mit einer Eingabevorrichtung ausgerüstet ist, um eine Messung oder eine Interaktion mit der Steuerungseinheit (50) auszulösen.