DE10011790A1 - Medizinisches Instrument zum Einführen in ein Untersuchungsobjekt, sowie medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät - Google Patents

Abstract

Medizinisches Instrument zum Einführen in ein Untersuchungsobjekt, mit einem länglichen Instrumentenkörper, umfassend mehrere hintereinander angeordnete starre Abschnitte, wobei jeweils zwei Abschnitte über eine Gelenkverbindung miteinander verbunden und bezüglich einander verkippbar sind, wobei längs des Instrumentenkörpers wenigstens ein mit Licht beaufschlagbarer Lichtwellenleiter (6, 7, 19, 20, 21, 22, 24) geführt ist, bei welchem in einem einer Gelenkverbindung (3) benachbarten Bereich wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter (8, 9) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Instrument zum Ein­ führen in ein Untersuchungsobjekt, mit einem länglichen In­ strumentenkörper umfassend mehrere hintereinander angeordnete starre Abschnitte, wobei jeweils zwei Abschnitte über eine Gelenkverbindung miteinander verbunden und bezüglich einander verkippbar sind.

Solche Instrumente sind beispielsweise als Katheter oder Endoskope bekannt. Mit ihnen ist es möglich, über eine sehr kleine Körperöffnung in das Körperinnere eines Patienten ein­ zudringen und dort chirurgische Maßnahmen verschiedener Art durchzuführen. Dabei können die Instrumente von Hand oder mittels eines Roboters automatisch geführt werden. Da das In­ strument nach Einführen in den Körper nicht mehr sichtbar ist, ist es erforderlich, die Position und Lage während der Intervention im Patienten genau zu bestimmen und in prä- oder intraoperative Patientenbilder einzublenden, damit der behan­ delnde Arzt genau weiß, wo sich das Instrument und insbeson­ dere die Instrumentenspitze gerade befindet. Die Positionie­ rung geschieht heute standardmäßig unter Röntgenkontrolle, wobei in der Regel nur eine Projektionsrichtung zur Verfügung steht. Daneben ist es bekannt, zur Positions- und Lagedetek­ tion elektromagnetische Navigationssysteme einzusetzen, bei welchen in der Instrumentenspitze Sensorspulen integriert sind, die über ein externes Erfassungssystem in einem dem Navigationssystem eigenen Koordinatensystem lokalisiert und nach Durchführung einer Koordinatentransformation in vorher aufgenommene Patientenbilder eingeblendet werden. Diese be­ kannten Verfahren sind jedoch nachteilig. Bei der Positionie­ rungserfassung unter Röntgenkontrolle ist eine beachtliche Patientenbelastung gegeben, die Positionsermittlung ist insgesamt schwierig. Das elektromagnetische Navigationssystem ist anfällig gegen elektromagnetische Bestrahlung und somit in Verbindung mit anderen medizinischen Untersuchungsgeräten wie beispielsweise Röntgenanlagen, Computertomographen oder Magnetresonanzanlagen nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein medizinisches Instrument anzugeben, dass in seiner Lage und Position ein­ fach und exakt erfasst werden kann.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem medizinischen In­ strument der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorge­ sehen, dass längs des Instrumentenkörpers wenigstens ein mit Licht beaufschlagbarer Lichtwellenleiter geführt ist, bei welchem in einem einer Gelenkverbindung benachbarten Bereich wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildet ist.

Mittels des beim erfindungsgemäßen Instrument vorgesehenen Lichtwellenleiter mit dem wenigstens einen integrierten Faser-Bragg-Gitter ist ein äußerst exakt arbeitendes opti­ sches Navigationssystem realisiert. Ein Faser-Bragg-Gitter zeichnet sich durch sich ändernde Bereiche mit unterschiedli­ chen Brechzahlen aus. Ein solches Gitter wirkt wie ein wel­ lenlängensensitiver Spiegel mit sehr hohem Reflektionsfaktor bis zu 99% und einer Halbwertsbreite von bis unter 0,05 nm. Strahlt man Licht mit endlicher Halbwertsbreite durch den Lichtwellenleiter auf das Faser-Bragg-Gitter, so wird an die­ sem eine diskrete, genau definierte Wellenlänge des Lichts, die von der Gitterkonstante und der mittleren effektiven Brechzahl des Gitters abhängt, zurückreflektiert. Wird nun bei dem Instrument die Gelenkstellung geändert, so geht mit dieser auch eine Verbiegung des Lichtwellenleiters und damit des Faser-Bragg-Gitters einher, was in einer Änderung des Reflexionsverhaltens und damit der reflektierten Bragg-Wel­ lenlänge einhergeht. Aufgrund dieser mittels einer geeigneten Detektionseinheit erfassbaren Änderung bzw. anhand der bie­ gungsbedingt geänderten Reflexionswellenlänge kann nun mit besonderem Vorteil die Gelenkstellung äußerst exakt ermittelt werden. Da die Lichtwellenleiter mit Durchmessern kleiner 100 µm hergestellt werden, handelt es sich folglich um ein äußerst leichtes und kompaktes System, welches vorteilhaft unanfällig gegen elektromagnetische Bestrahlung ist und somit in Zusammenwirken mit anderen medizinischen Geräten, bei­ spielsweise Röntgen-, Computertomographie- oder Magnetreso­ nanzanlagen einsetzbar ist. Da es zur Ermittlung der Gelenk­ stellung ausschließlich auf die Wellenlänge des zurückreflek­ tierten Lichts ankommt bleiben folglich Intensitäts- oder Polarisationsänderungen, die gegebenenfalls durch eine dyna­ mische Leiterverbiegung beeinflusst werden, ebenfalls ohne Auswirkungen auf das Messergebnis. Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Instrument bei äußerst einfachem und kompak­ tem Aufbau die exakte Bestimmung der Gelenkposition, die im Stand der Technik gegebenen Nachteile sind beim erfindungsge­ mäßen Instrument vorteilhaft nicht gegeben.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, dass über die Länge des Lichtwellenleiters mehrere je­ weils einer Gelenkverbindung zugeordnete Faser-Bragg-Gitter vorgesehen sind, von denen jedes Licht eines gitterspezifi­ schen Wellenlängenbereichs reflektiert, wobei die Wellenlän­ genbereiche aller Faser-Bragg-Gitter eines Lichtwellenleiters unterschiedlich sind. In der Regel sind über die Länge des Instruments mehrere Gelenkverbindungen vorgesehen. Jeder Ge­ lenkverbindung ist nach der beschriebenen Ausgestaltung ein eigenes Gitter zugeordnet, das in einem spezifischen Wellen­ längenbereich reflektiert, so dass das reflektierte Licht eindeutig einem bestimmten Gitter und damit einem bestimmten Gelenk zugeordnet werden kann. Die Wellenlängendifferenz des reflektierten Lichtes zweier hintereinander angeordneter Git­ ter sollte bei unverformten Wellenleiter mindestens die dop­ pelte Halbwertsbreite des Gitterreflexionslichts eines Git­ ters, insbesondere wenigstens 1 nm betragen. Die Reflexions­ wellenlänge kann durch entsprechende Ausbildung des Gitters problemlos eingestellt werden. Jedes Reflexionslicht, also jeder Bragg-Peak, besitzt eine von der Ausbildung des Gitters bestimmte Breite. Die Differenz sollte mindestens der doppel­ ten Halbwertsbreite dieser Bragg-Peaks entsprechen. Die dop­ pelte Halbwertsbreite liegt in der Regel zwischen 100-200 pm. Dieser Differenzwert stellt die untere Grenze dar. Bevor­ zugt wird eine Differenz von wenigstens 1 nm, um einen hin­ reichenden Sicherheitsabstand zu haben. Die genannte Wellen­ längendifferenz ist im Hinblick auf die Änderung der Refle­ xionswellenlänge eines Gitters zwischen den Extrema "maximale Stauchung" und "maximale Dehnung" ausreichend, da sich die Wellenlänge in der Regel um weniger als 1 nm ändert.

In der Regel sind die Gelenkverbindungen um zwei orthogonale Achsen drehbar. Um eine exakte Positionserfassung zu ermögli­ chen ist es in diesem Fall zweckmäßig, wenn wenigstens zwei Lichtwellenleiter vorgesehen sind, die in um ca. 90° versetz­ ter Position am Instrumentenkörper angeordnet sind, und in denen jeweils an den einer Gelenkverbindung benachbarten Be­ reichen ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildet ist. Jedes der beiden gelenkbezogenen Gitter liefert abhängig von der Rich­ tung der Gelenkverbiegung ein bestimmtes Signal, so dass an­ hand der gelieferten Signale exakt der Biegewinkel berechnet werden kann.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung können vier Lichtwellenleiter vorgesehen sein, die am Instrumentenkörper jeweils in um 90° versetzter Position angeordnet sind, und in denen jeweils an den einer Gelenkverbindung benachbarten Be­ reichen wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildet ist. Diese Erfindungsausgestaltung ermöglicht eine Differenzmes­ sung zwischen zwei einander gegenüberliegenden Gittern. Wird beispielsweise um eine Achse gebogen, so wird das eine Gitter gedehnt, das andere Gitter hingegen gestaucht. Hieran kann erkannt werden, dass in diesem Fall tatsächlich um diese Achse eine Biegung erfolgt. Die beiden anderen Gitter, die quasi auf der Drehachse liegen, werden aufgrund der Verbie­ gung ebenfalls etwas verformt, jedoch gleichförmig, was dazu führt, dass beide positive oder negative Signale liefern. Hieraus kann eindeutig erkannt werden, dass diese beiden Git­ ter keine für eine Winkeländerung relevante Biegung erfahren, sondern lediglich mitgebogen werden. Eine exakte Bestimmung der Biegerichtung ist hiermit auf einfache Weise möglich, insbesondere ist die Vermessung von Kugelgelenken damit mög­ lich.

Eine Änderung der Reflexionswellenlänge kann darüber hinaus auch temperaturbedingt sein. Bei erhöhter Temperatur dehnt sich der Lichtwellenleiter und damit das Gitter etwas, wäh­ rend es sich bei niedriger Temperatur etwas zusammenzieht. Hierdurch ändert sich die Gitterkonstante etwas, von welcher unter anderem die Reflexionslichtwellenlänge abhängig ist. Da es beim Einführen des Instruments in den in der Regel ca. 37°C warmen Patientenkörper im Vergleich zur Raumtemperatur zu einem Temperatursprung kommt ist es erforderlich, eine Temperaturkompensation durchzuführen. Zu diesem Zweck kann an wenigstens einem Lichtwellenleiter wenigstens ein zur Tempe­ raturkompensation dienendes weiteres Faser-Bragg-Gitter in einem unbewegbarem Bereich des Lichtwellenleiters, welcher also bei einer Verbiegung nicht bewegt wird, ausgebildet sein. Bevorzugt sollte jeder Gelenkverbindung ein weiteres hierfür dienendes Faser-Bragg-Gitter zugeordnet sein. Diese weiteren Gitter liefern also temperaturabhängige Signale, an­ hand welcher eine Kompensation der temperaturinduzierten Än­ derung der Reflexionslichtwellenlänge der eigentlichen, der Verbiegungsmessung dienenden Gitter möglich ist. Die Anord­ nung eines weiteren Gitters im Bereich jeder Gelenkverbindung ist von Vorteil, als der Temperatursprung insbesondere dann relevant ist, wenn ein Gelenk gerade von außen in den Patien­ tenkörper eingeschoben wurde. Ist das Temperaturgitter bei­ spielsweise lediglich an der bereits seit längerem im warmen Körperinneren befindlichen Instrumentenspitze angeordnet, käme es gegebenenfalls zu einer Fehlkorrektur. Die tempera­ turbedingte Änderung der Wellenlänge ist deutlich kleiner als die bei mechanisch beanspruchten Gittern. Infolgedessen sind hier kleine Wellenlängedifferenzen zwischen den Gittern aus­ reichend, die im Bereich der genannten Untergrenze liegen.

Erfindungsgemäß sollten die Faser-Bragg-Gitter für Wellenlän­ gen im Bereich zwischen 750 nm bis 850 nm, 1250 nm bis 1350 nm oder 1500 nm bis 1600 nm sensitiv sein.

Neben dem Instrument selbst betrifft die Erfindung ferner ein medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät, umfassend das erfindungsgemäße medizinische Instrument der vorbeschrie­ benen Art sowie eine Lichtquelle, an welche der oder die Lichtwellenleiter des medizinischen Instruments über ein optisches Koppelelement gekoppelt oder koppelbar sind, we­ nigstens eine mit dem oder den Lichtwellenleitern gekoppelte oder koppelbare Detektionseinheit zum Ermitteln der Wellen­ länge des von dem oder den Faser-Bragg-Gittern reflektierten Lichts, und eine Recheneinheit zum Ermitteln der Winkelstel­ lung der Abschnitte zueinander und der räumlichen Stellung des medizinischen Instruments anhand der detektierten Wellen­ längen.

Das medizinische Instrument kann fest mit der Lichtquelle ge­ koppelt sein oder aber über eine einfache optische Steckver­ bindung lösbar ankoppelbar sein. Entsprechendes gilt bezüg­ lich der Detektionseinheit, die die Wellenlängen des Refle­ xionslichts ermittelt und das Ermittlungsergebnis an die Recheneinheit gibt, die die Winkelstellungen auflöst. Als Detektionseinheit kann ein Spektrometer oder ein Interfero­ meter verwendet werden.

Die Lichtquelle sollte in der Lage sein, Licht mit einer spektralen Bandbreite von 10 nm bis 60 nm zu emittieren. Die Wellenlänge des emittierbaren Lichtes sollte im Bereich zwi­ schen 750 nm bis 850 nm, 1250 nm bis 1350 nm oder 1500 bis 1600 nm liegen. Zweckmäßig ist es wenn mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die in unterschiedlichen Wellenlängenberei­ chen emittieren, um unterschiedliche Instrumente ankoppeln zu können, deren Gitter in den verschiedenen Wellenlängenberei­ chen reflektieren, so dass ein universell einsetzbares Gerät gegeben ist. Natürlich ist auch die Detektionseinheit sowie die Recheneinheit ausgebildet, um mit den unterschiedlichen Reflexionswellenlängen zu arbeiten. Die Lichtquelle selbst kann eine durchstimmbare Laserdiode oder eine LED sein.

In weiterer Erfindungsausgestaltung kann wenigstens ein ein Referenz-Reflexionslicht liefernder Referenz-Lichtwellenlei­ ter mit wenigstens einem Faser-Bragg-Gitter vorgesehen sein, der mit dem Licht der Lichtquelle beaufschlagbar ist, und der mit einer oder der Detektionseinheit gekoppelt oder koppelbar ist. Das Referenz-Reflexionslicht dient zu Eichzwecken, um das Gerät bezüglich eines Standards zu kalibrieren. Der Refe­ renz-Lichtwellenleiter ist ebenfalls über ein geeignetes optisches Kopplungselement mit der Lichtquelle gekoppelt oder koppelbar, entsprechendes gilt betreffend die Kopplung mit der Detektionseinheit.

Ferner umfasst das erfindungsgemäße Gerät eine Anzeigeein­ richtung in Form eines Monitors, auf welchem die räumliche Stellung des medizinischen Instruments in einer an der Anzei­ geeinrichtung ausgebbaren Aufnahme eines Bereichs des Unter­ suchungsobjekts anzeigbar ist. Die Recheneinrichtung ist also in der Lage, das in seiner räumlichen Stellung erfasste In­ strument in einer früheren oder gleichzeitig aufgenommenen Patientenaufnahme positions- und lagerichtig einzublenden. Hierzu ist es erforderlich, die Koordinaten des medizinischen Instruments, die in einem ersten, dem optischen Navigations­ system eigenen Koordinatensystem erfasst werden, in das Koor­ dinatensystem, welches der Patientenaufnahme zugrunde liegt, rechnerisch zu transformieren.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein optisches Navigations­ system zum Erfassen der räumlichen Stellung eines aus mehre­ ren hintereinander angeordneten, miteinander über eine Ge­ lenkverbindung gelenkig verbundenen Segmenten bestehenden Arbeitsmittels, umfassend wenigstens einen längs des Arbeits­ mittels geführten, mit Licht beaufschlagbaren Lichtwellenlei­ ter, bei welchem in einem einer Gelenkverbindung benachbarten Bereich wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildet ist, eine Lichtquelle, an welche der oder die Lichtwellenleiter des Arbeitsmittels über ein optisches Koppelelement gekoppelt oder koppelbar sind, wenigstens eine mit dem oder den Licht­ wellenleitern gekoppelte oder koppelbare Detektionseinheit zum Ermitteln der Wellenlänge des von dem oder den Faser- Bragg-Gittern reflektierten Lichts, und eine Recheneinheit zum Ermitteln der Winkelstellung der Segmente zueinander und der räumlichen Stellung des Arbeitsmittels anhand der detek­ tierten Wellenlängen.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestal­ tungen des erfindungsgemäßen optischen Navigationssystems be­ schrieben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen medizi­ nischen Instruments einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung im Schnitt eines erfin­ dungsgemäßen medizinischen Instruments einer zwei­ ten Ausführungsform,

Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Darstellung der Funktion der Faser-Bragg-Gitter bei mechanischer und thermischer Beanspruchung und

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Unter­ suchungs- oder Behandlungsgeräts einschließlich des erfindungsgemäßen optischen Navigationssystems.

Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein erfindungsge­ mäßes medizinisches Instrument 1 einer ersten Ausführungs­ form. Dieses besteht aus mehreren starren Abschnitten 2, die über Gelenkverbindungen 3 hintereinander angelenkt sind. Im gezeigten Beispiel sind die Gelenke um zwei Drehachsen A, die in der Zeichenebene liegt, und B, die senkrecht zur Zeichen­ ebene liegt, beweglich. Diese Beweglichkeit ermöglicht es, das Instrument 1 an eine beliebige Stellung zu bringen und die Instrumentenspitze 4 beliebig zu positionieren. Das In­ strument 1 kann beispielsweise ein Katheter oder ein Endoskop sein. Das Instrument 1 ist im gezeigten Beispiel nach Art ei­ nes Roboterarms ausgebildet, der an einer Halterung 5 ange­ ordnet ist. Alternativ dazu kann das Instrument 1 natürlich auch als manuell zu führendes Instrument ausgebildet sein.

Längs des von den Abschnitten 2 gebildeten Instrumentenkör­ pers sind zwei Lichtwellenleiter 6, 7 geführt, die um einen Winkel von 90° bezüglich einander beabstandet sind. Die Lichtwellenleiter 6, 7 sind fest angeordnet und werden beim Bewegen eines Abschnitts 2 mitbewegt. In den Lichtwellenlei­ tern 6, 7 sind in den zum jeweiligen Gelenk 3 benachbarten Leiterabschnitten Faser-Bragg-Gitter 8a, 8b, 8c und 9a, 9b, 9c ausgebildet. Diese Gitter lassen sich in dotierten Licht­ wellenleitern durch Belichtung mit UV-Licht ausbilden. Sie bestehen aus abwechselnden Bereichen unterschiedlicher Brech­ zahl. Bei der Ausbildung der Gitter nutzt man den Umstand, dass sich die Kernbrechzahl infolge der Bestrahlung mit ult­ raviolettem Licht erhöht. Alternativ kann man die Gitter auch durch Interferenz zweier Laserstrahlen erzeugen. Die Gitter wirken wie ein wellenlängenselektiver reflektierender Spie­ gel, der in den jeweiligen Lichtwellenleiter eingestrahltes Licht einer bestimmten gitterspezifischen Wellenlänge reflek­ tiert. Die Wellenlänge des Lichtes hängt dabei von der Git­ terkonstante, also dem Abstand der Bereiche mit unterschied­ lichen Brechzahlen sowie der mittleren effektiven Brechzahl des Gitters ab. Die im gezeigten Beispiel hintereinander in einem Leiter folgenden Gitter 8a-c, 9a-c sind dabei derart ausgelegt, dass jedes Gitter für eine andere Wellenlänge selektiv ist, also Licht einer unterschiedlichen Wellenlänge zurückreflektiert.

Ferner sind im Lichtwellenleiter 6 zwei weitere Faser-Bragg- Gitter 10a, 10b vorgesehen, die in einem gelenknahen, bei ei­ nem Bewegen zwei Abschnitte bezüglich einander jedoch nicht verformten Bereich angeordnet sind. Diese dienen der Tempera­ turkompensation, auch sie reflektieren Licht einer bestimmten Wellenlänge.

Werden nun zwei Abschnitte bezüglich einander verkippt, so folgt der jeweilige Lichtwellenleiter der Verkippung, das heißt, in das Faser-Bragg-Gitter wird eine mechanische, vom Verbiegen herrührende Spannung eingebracht, die zu einer Deh­ nung oder Stauchung des Gitters führt. Hierdurch ändert sich die Gitterkonstante, was zur Folge hat, dass sich die Wellen­ länge des reflektierten Lichts ändert. Die Wellenlängenände­ rung ist um so größer je größer die Deformierung des Gitters ist. Auf diese Weise kann bei einer bestimmten Wellenlänge des reflektierten Lichtes ermittelt werden, wie stark die eingebrachte mechanische Spannung ist und damit die Winkel­ stellung der Abschnitte bezüglich einander ermittelt werden. Dabei ist es möglich, die Wellenlänge des reflektierten Lich­ tes zwischen den beiden Extremstellungen "maximale Stauchung" oder "maximale Dehnung" durchzustimmen. Eine entsprechende Änderung der reflektierten Wellenlänge tritt auch bei einer thermischen Änderung auf, da sich infolge einer Dehnung bei höherer bzw. einer Stauchung bei niedrigerer Temperatur eben­ falls eine Änderung der Gitterkonstanten einstellt. Auch im Bezug auf die Temperatur kann die reflektierte Wellenlänge durchgestimmt werden, so dass eine eindeutige Aussage über die herrschende Ortstemperatur bei einer gegebenen Wellen­ länge möglich ist. Die weiteren Bragg-Gitter 10a, 10b dienen der Erfassung etwaiger Temperaturschwankungen, um hieraus resultierende Wellenlängenänderungen, die in gleicher Weise in den benachbarten Gittern 8a-c, 9a-c auftreten, zu kom­ pensieren.

Fig. 3 zeigt das Prinzip im Detail. Gezeigt ist als Prinzip­ skizze ein Lichtwellenleiter 11, bestehend aus einem wellen­ leitenden Kern 12 und einem Mantel 13, die unterschiedliche Brechzahlen aufweisen. Im Kern 12 sind im gezeigten Beispiel drei Faser-Bragg-Gitter 14, 15, 16 ausgebildet. Die Bereiche unterschiedlicher Brechzahlen sind durch die Striche angedeu­ tet. Im gezeigten Beispiel sind die Gitter 14, 16 zur Erfas­ sung etwaiger Verbiegungen vorgesehen, wie durch die beiden Doppelpfeile C, D angedeutet ist, wobei die Verbiegung natür­ lich nach oben und unten erfolgen kann. Da der Lichtwellen­ leiter an der Außenseite des Instrumentenkörpers verläuft be­ wirkt die Biegung in der einen Richtung eine Dehnung, in der anderen eine Stauchung des Gitters. Das mittlere Gitter 15 ist zur Erfassung etwaiger Temperaturänderungen vorgesehen.

Wie gezeigt sind die Gitter 14, 15, 16 für unterschiedliche Reflexionswellenlängen λ1, λ2, λ3 ausgelegt. Beispielsweise reflektiert das Gitter im unverformten Zustand Licht der Wel­ lenlänge 815 nm, das Gitter 15 die Wellenlänge 820 nm und das Gitter 16 die Wellenlänge 825 nm.

Die Auswirkungen einer Deformierung bzw. thermischen Änderung bei Einstrahlen eines Lichts der Wellenlängenbandbreite Δλ ist in Fig. 3 in der unteren Grafik gezeigt. Die glockenför­ mige Kurve I zeigt das Lichtspektrum des eingestrahlten Lichts Δλ. Die Bandbreite Δλ sollte zwischen 10 nm bis 60 nm betragen. Die Kurven IIa, IIb, IIc stellen das reflektierte Licht des Gitters 14 dar. In unverformten Zustand wird Licht gemäß Kurve IIa reflektiert, beispielsweise mit der angegebe­ nen Wellenlänge 815 nm. Wird nun das Gitter 14 so verformt, dass es gedehnt wird, so vergrößert sich die Gitterkonstante, was dazu führt, dass die Reflexionslichtwellenlänge größer wird, es wird dann Licht gemäß Kurve IIb reflektiert. Im Falle einer Stauchung nimmt die Gitterkonstante ab, was zu einer Erniedrigung der Reflexions-Lichtwellenlänge gemäß Kurve IIc führt. Vorausgesetzt, die Kurven IIb und IIc stel­ len die beiden Maximalverbiegungen dar, so kann jede Zwi­ schenstellung anhand einer diskreten innerhalb des von den Kurven IIb, IIc definierten Wellenlängenbereichs liegenden Reflexions-Lichtwellenlänge beschrieben werden. Ein entspre­ chendes Verhalten zeigt das Reflexionslicht des Gitters 16, lediglich zu höheren Wellenlängen hin verschoben (siehe die Kurven IIIa, IIIb, IIIc).

Auch aufgrund der thermischen Einflüsse werden wie beschrie­ ben Änderungen der Gitterkonstante hervorgerufen, was sich ebenfalls in einer Änderung der Reflexions-Lichtwellenlänge äußert, wie die Kurven IVa, IVb, IVc zeigen. Bei einer ge­ gebenen Raumtemperatur reflektiert das Gitter die Grundrefle­ xionswellenlänge gemäß Kurve IVa, also beispielsweise 820 nm. Bei einer Erwärmung und damit Vergrößerung der Gitterkon­ stante vergrößert sich die Reflexions-Lichtwellenlänge, bei einer Temperaturerniedrigung nimmt sie ab. Auch hier kann die Wellenlängenänderung eindeutig der Temperaturänderung zuge­ ordnet werden.

Ein dem Prinzip gemäß Fig. 3 folgendes Verhalten zeigen alle Gitter 8a-c, 9a-c, 10a, 10b der Lichtwellenleiter 6, 7 des Instruments 1 gemäß Fig. 1. Da von den gegenüberliegenden Gittern 8a-c, 9a-c im Bereich eines Gelenks 3 jeweils gleichzeitig Signale aufgenommen werden, und da die Gitter exakt in den jeweiligen Drehachsen A, B liegen, ist anhand der empfangenen Signale eine eindeutige Ermittlung des jewei­ ligen Verkippungswinkels und die jeweilige Schwenkachse mög­ lich. Auf diese Weise kann die räumliche Stellung zwischen zwei Abschnitten exakt bestimmt werden.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Instruments 17. Hier sind am Instrumentenkörper 18 um jeweils 90° beabstandet vier Lichtwellenleiter 19, 20, 21, 22 be­ festigt. Jeweils zwei gegenüberliegende Leiter 19, 20 bzw. 21. 22 liegen in der jeweiligen Drehachse A bzw. B. Wird nun das Instrument an dem Gelenk um die Achse A verkippt, so wird der Lichtwellenleiter 19 beispielsweise gedehnt, der an der gegenüberliegenden Seite befindliche Leiter 20 wird hingegen gestaucht. Dies führt dazu, dass am oberen Leiter 19 eine er­ höhte Reflexions-Lichtwellenlänge, am unteren Leiter 20 eine erniedrigte Reflexions-Lichtwellenlänge gemessen wird, de facto also ein positives und ein negatives Signal. Hieraus ist eindeutig bestimmbar, dass tatsächlich eine Bewegung um diese Achse stattgefunden hat.

Während des Verkippens werden aber auch die beiden Leiter 201, 21 etwas verformt, jedoch in gleicher Richtung. Beide werden also beispielsweise gedehnt oder gestaucht. Dies führt dazu, dass beide eine gleichlaufende Wellenlängenänderung zeigen, also beispielsweise zwei positive oder zwei negative Signale. Hieraus ergibt sich, dass um die Achse B keine Verkippung stattgefunden hat. Es ist also bei dieser Modifikation die Differenzwellenlängenmessung möglich. Hierdurch ist auch auf einfache Weise die Erfassung der Verkippung von Kugelgelenken möglich, da jeder Verkippungswinkel egal in welcher Richtung - es existieren dann keine diskreten Schwenkachsen mehr - aufgrund der gegebenen vier Signale eindeutig erfasst werden kann.

Fig. 4 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein erfindungsge­ mäßes Untersuchungs- oder Behandlungsgerät 22, das ein erfin­ dungsgemäßes optisches Navigationssystem zeigt. Das Unter­ suchungs- oder Behandlungsgerät 22 umfasst ein medizinisches Instrument 23 der vorbeschriebenen Art, wobei im gezeigten Beispiel lediglich ein Lichtwellenleiter 24 mit drei an den drei Gelenkbereichen ausgebildeten Faser-Bragg-Gittern 35 und einem der Temperaturkompensation dienenden Faser-Bragg-Gitter 36 gezeigt ist. Selbstverständlich können zwei oder vier Lei­ ter vorgesehen sein. Der Leiter 24 mündet in einem optischen Kopplungselement 25, welches bevorzugt als Stecker ausgebil­ det ist, damit das Instrument 23 entkoppelt werden kann. Im optischen Koppelelement 25 mündet ferner ein Lichtwellenlei­ ter 26, über den Licht einer Lichtquelle 27 geführt und in den Lichtwellenleiter 24 eingekoppelt wird. Die Lichtquelle 27 kann beispielsweise eine durchstimmbare Laserdiode oder eine LED sein. Selbstverständlich sind auch andere Lichtquel­ len mit etwas breitbandigerem Emissionsspektrum verwendbar. Das dem Koppelelement zugeführte Licht der Lichtquelle 27 wird im Koppelelement 25 geteilt und einem Referenzlichtwel­ lenleiter 28 mit einem eigenen, im Ausführungsbeispiel gekap­ selten Faser-Bragg-Gitter 37 zugeführt, welcher zum Instru­ ment 23 extern steht. An diesem ist ein nicht gezeigtes Faser-Bragg-Gitter ausgebildet, welches ein Referenzsignal zu Eichzwecken liefert.

Das in die Lichtwellenleiter 24, 28 eingekoppelte Licht wird an den jeweiligen Faser-Bragg-Gittern wellenlängensensitiv reflektiert. Das Reflexionslicht der verschiedenen Wellenlän­ gen wird über einen weiteren Lichtwellenleiter 29 an eine Detektionseinheit 30 gegeben. Diese kann als Spektrometer oder Interferometer ausgebildet sein. Im gezeigten Beispiel umfasst die Detektionseinheit einen Polychromator 31, von dem aus das einfallende Licht auf einen CCD-Sensor 32 geworfen wird, von wo es ausgelesen wird und die jeweiligen Refle­ xionslichtwellenlängen (durch λ1, λ2, λ3 dargestellt) be­ stimmt werden.

Die ermittelten Reflexionslichtwellenlängen werden an­ schließend einer Recheneinheit 33 gegeben, wo anhand eines entsprechenden Rechenalgorithmus die Stellungen der Ab­ schnitte 2 bzgl. einander und die Stellung des Instruments 23 insgesamt im jeweiligen, dem Navigationssystem eigenen Koor­ dinatensystem bestimmt wird. Um die genaue Lage und Position zu ermitteln müssen seitens der Recheneinheit 33 ferner die geometrischen Abmessungen des Instruments 23 bekannt sein, wie auch ein fester Koordinatennullpunkt gegeben sein muss. Dieser kann beispielsweise bei dem in Fig. 1 gezeigten In­ strument im Anschlusspunkt an dem Arm 5 liegen.

Neben der Bestimmung der Position und Lage des Instruments ist die Recheneinheit 33 ferner zum lage- und positionsge­ nauen Einblenden des Instruments 23 in ein an einer Anzeige­ einrichtung 34 in Form eines Monitors gezeigtes Patientenbild des Behandlungsbereichs ausgebildet. Da das Patientenbild in einem anderen Koordinatensystem aufgenommen ist als die Posi­ tion des Instruments 23 in der Regel bestimmt wird, muss sei­ tens der Recheneinheit 33 eine Koordinatentransformation in das der Recheneinheit 33 bekannte Koordinatensystem des Pati­ entenbilds vorgenommen werden.

Anstelle der Kombination LED-Polychromator kann auch als Lichtquelle eine durchstimmbare Laserdiode verwendet werden, die Licht mit exakt bestimmbarer Wellenlänge erzeugt. Diese kann so betrieben werden, dass sie einen bestimmten Wellen­ längenbereich abfährt, so dass auf diese Weise das breit­ bandige Licht eingekoppelt wird. Als Detektor ist dann, da der zeitliche Wellenlängenverlauf exakt bekannt ist, ein ein­ facher, die Bragg-Peaks ermittelnder Detektor verwendbar.

Alternativ kann auch eine breitbandige Lichtquelle und ein dieser nachgeschalteter durchstimmbarer Filter (Fabry-Perot) verwendet werden, auch hier wird eine zeitliche Wellenlängen­ änderung erreicht. Als Detektor ist ebenfalls ein einfacher, die Reflexion erfassender Detektor ausreichend, da der Peak einer bestimmten, vom Filter durchgelassenen Wellenlänge zu­ geordnet werden kann.

Claims (29)

1. Medizinisches Instrument zum Einführen in ein Unter­ suchungsobjekt, mit einem länglichen Instrumentenkörper um­ fassend mehrere hintereinander angeordnete starre Abschnitte, wobei jeweils zwei Abschnitte über eine Gelenkverbindung mit­ einander verbunden und bezüglich einander verkippbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass längs des Instrumentenkörpers wenigstens ein mit Licht beaufschlagbarer Lichtwellenleiter (6, 7, 19, 20, 21, 22, 24) geführt ist, bei welchem in einem einer Gelenkverbindung (3) benachbarten Bereich wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter (8a, 8b, 8c, 9a, 9b 9c, 35) ausgebildet ist.

2. Medizinisches Instrument nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass über die Länge des Lichtwellenleiters (6, 7) mehrere jeweils einer Ge­ lenkverbindung (3) zugeordnete Faser-Bragg-Gitter (8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c, 35) vorgesehen sind, von denen jedes Licht eines gitterspezifischen Wellenlängenbereichs reflektiert, wobei die Wellenlängenbereiche aller Faser-Bragg-Gitter (8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c, 35) eines Lichtwellenleiters (6, 7, 24) unterschiedlich sind.

3. Medizinisches Instrument nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, dass zwei hintereinander folgende Faser-Bragg-Gitter (8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c, 35) bei unverformtem Lichtwellenleiter (6, 7, 24) Licht mit einer Wellenlängendifferenz von wenigstens 3 nm, insbesondere von wenigstens 5 nm reflektieren.

4. Medizinisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Lichtwellenleiter (6, 7, 19, 20, 21, 22) vorgesehen sind, die in um ca. 90° versetzter Position am In­ strumentenkörper angeordnet sind, und in denen jeweils an den einer Gelenkverbindung (3) benachbarten Bereichen wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter (8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c) ausgebildet ist.

5. Medizinisches Instrument nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass vier Lichtwellenleiter (19, 20, 21, 22) vor­ gesehen sind, die am Instrumentenkörper jeweils in um 90° versetzter Position angeordnet sind, und in denen jeweils an den einer Gelenkverbindung benachbarten Bereichen wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildet ist.

6. Medizinisches Instrument nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass an wenigstens einem Lichtwellenleiter (6, 24) wenigstens ein zur Temperaturkompensation dienendes weiteres Faser-Bragg-Gitter (10a, 10b, 36) in einem unbewegbaren Be­ reich ausgebildet ist.

7. Medizinisches Instrument nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, dass jeder Gelenkverbindung (3) ein weiteres Faser-Bragg-Gitter (10a, 10b, 36) zugeordnet ist.

8. Medizinisches Instrument nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Lichtwellenleiter (6, 7) wenigstens ein weiteres Faser- Bragg-Gitter (10a, 10b, 36) vorgesehen ist.

9. Medizinisches Instrument nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass die Faser-Bragg-Gitter (8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c, 10a, 10b, 35, 36) für Wellenlängen im Bereich zwischen 750 nm bis 850 nm, 1250 nm bis 1350 nm oder 1500 nm bis 1600 nm sensitiv sind.

10. Medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät, um­ fassend ein medizinisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eine Lichtquelle (27), an welche der oder die Licht­ wellenleiter (24) des medizinischen Instruments (23) über ein optisches Koppelelement (25) gekoppelt oder koppelbar sind, wenigstens eine mit dem oder den Lichtwellenleitern (24) ge­ koppelte oder koppelbare Detektionseinheit (30) zum Ermitteln der Wellenlänge des von dem oder den Faser-Bragg-Gittern re­ flektierten Lichts, und eine Recheneinheit (33) zum Ermitteln der Winkelstellung der Abschnitte zueinander und der räumli­ chen Stellung des medizinischen Instruments (23) anhand der detektierten Wellenlängen.

11. Medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, dass die Lichtquelle (27) Licht mit einer spektra­ len Bandbreite von 10 nm bis 60 nm emittiert.

12. Medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Wellenlänge des emittierbaren Licht im Bereich zwischen 750 nm bis 850 nm, 1250 nm bis 1350 nm oder 1500 bis 1600 nm liegt.

13. Medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Lichtquelle (27) eine durchstimmbare Laserdiode oder eine LED ist.

14. Medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass wenigstens ein ein Re­ ferenz-Reflexionslicht liefernder Referenz-Lichtwellenleiter (28) mit wenigstens einem Faser-Bragg-Gitter (37) vorgesehen ist, der mit dem Licht der Lichtquelle (27) beaufschlagbar ist, und der mit einer oder der Detektionseinheit (30) gekop­ pelt oder koppelbar ist.

15. Medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Detektionseinheit (30) ein Spektrometer oder ein Interferometer ist.

16. Medizinisches Untersuchungs- oder Behandlungsgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die räumliche Stellung des medizinischen Instruments (23) in einer an einer Anzeigeein­ richtung (34) ausgebbaren Aufnahme eines Bereichs des Unter­ suchungsobjekts anzeigbar ist.

17. Optisches Navigationssystem zum Erfassen der räumlichen Stellung eines aus mehreren hintereinander angeordneten, mit­ einander über eine Gelenkverbindung gelenkig verbundenen Seg­ menten bestehenden Arbeitsmittels, umfassend wenigstens einen längs des Arbeitsmittels geführten, mit Licht beaufschlagba­ ren Lichtwellenleiter (24), bei welchem in einem einer Ge­ lenkverbindung benachbarten Bereich wenigstens ein Faser- Bragg-Gitter (35) ausgebildet ist, eine Lichtquelle (27), an welche der oder die Lichtwellenleiter (24) des Arbeitsmittels über ein optisches Koppelelement (25) gekoppelt oder koppel­ bar sind, wenigstens eine mit dem oder den Lichtwellenleitern (24) gekoppelte oder koppelbare Detektionseinheit (30) zum Ermitteln der Wellenlänge des von dem oder den Faser-Bragg- Gittern (35) reflektierten Lichts, und eine Recheneinheit (33) zum Ermitteln der Winkelstellung der Segmente zueinander und der räumlichen Stellung des Arbeitsmittels anhand der de­ tektierten Wellenlängen.

18. Optisches Navigationssystem nach Anspruch 17, da­ durch gekennzeichnet, dass über die Länge des Lichtwellenleiters (24) mehrere jeweils einer Gelenkverbindung zugeordnete Faser-Bragg-Gitter (35) vorge­ sehen sind, von denen jedes Licht eines gitterspezifischen Wellenlängenbereichs reflektiert, wobei die Wellenlängenbereiche aller Faser-Bragg-Gitter (35) eines Lichtwellenleiters unterschiedlich sind.

19. Optisches Navigationssystem nach 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei hintereinander folgende Faser-Bragg-Gitter (35) bei unverformtem Lichtwel­ lenleiter Licht mit einer Wellenlängendifferenz von mindes­ tens der doppelten Halbwertsbreite des Gitterreflexionslichts eines Gitters, insbesondere von wenigstens 1 nm reflektieren.

20. Optisches Navigationssystem nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens zwei Lichtwellenleiter (24) umfasst, die in um ca. 90° versetzter Position am Arbeitsmittel angeordnet sind, und in denen jeweils an den einer Gelenkverbindung be­ nachbarten Bereichen wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter (35) ausgebildet ist.

21. Optisches Navigationssystem nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es vier Lichtwellenleiter (24) umfasst, die am Arbeits­ mittel jeweils in um 90° versetzter Position angeordnet sind, und in denen jeweils an den einer Gelenkverbindung benach­ barten Bereichen wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter (35) aus­ gebildet ist.

22. Optisches Navigationssystem nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet dass an wenigstens einem Lichtwellenleiter (24) wenigstens ein zur Temperaturkompensation dienendes weiteres Faser- Bragg-Gitter (36) in einem unbewegbaren Bereich ausgebildet ist.

23. Optisches Navigationssystem nach Anspruch 22, da­ durch gekennzeichnet, dass jeder Gelenkverbindung ein weiteres Faser-Bragg-Gitter zugeordnet ist.

24. Optisches Navigationssystem nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Lichtwellenleiter (24) wenigstens ein weiteres Faser- Bragg-Gitter (36) vorgesehen ist.

25. Optisches Navigationssystem nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Bragg-Gitter (35, 36) für Wellenlängen im Be­ reich zwischen 750 nm bis 850 nm, 1250 nm bis 1350 nm oder 1500 bis 1600 nm sensitiv sind.

26. Optisches Navigationssystem nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet dass die Lichtquelle (27) Licht mit einer spektralen Band­ breite von 10 nm bis 60 nm emittiert.

27. Optisches Navigationssystem nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (27) eine durchstimmbare Laserdiode oder eine LED ist.

28. Optisches Navigationssystem nach einem der Ansprüche 17 bis 27 dadurch gekennzeichnet dass wenigstens ein ein Referenz-Reflexionslicht liefernder Referenz-Lichtwellenleiter (28) mit wenigstens einem Faser- Bragg-Gitter (37) vorgesehen ist, der mit dem Licht der Lichtquelle (27) beaufschlagbar ist, und der mit einer oder der Detektionseinheit (30) gekoppelt oder koppelbar ist.

29. Optisches Navigationssystem nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet dass die Detektionseinheit (30) ein Spektrometer oder ein Interferometer ist.