DE10045381A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines medizinischen Instrumentes oder Gerätes oder eines Körperteils - Google Patents

Abstract

Um bei einer Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines medizinischen Instrumentes oder Gerätes oder eines Körperteils diese Bestimmung vereinfacht durchführen zu können, wird vorgeschlagen, daß die Vorrichtung mindestens zwei Neigungssensoren umfaßt, die nicht parallel zueinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines medizinischen Instrumentes oder Ge­ rätes oder eines Körperteils.

Bei vielen Operationsverfahren werden computerunter­ stützte Navigationsverfahren angewandt, dies gilt bei­ spielsweise in der Neurochirurgie oder in der Orthopä­ die.

Diese Verfahren ermöglichen es, die Lage und Position von Operationsinstrumenten oder Implantaten relativ zur Lage des Patienten zu bestimmen. Bei bekannten Verfah­ ren dieser Art werden optische Kamerasysteme in Verbin­ dung mit aktiven Strahlungssendern oder passiven Re­ flektoren angewandt, die an den Instrumenten, Implanta­ ten und Geräten befestigt werden, deren Position und Lage bestimmt werden sollen. Dabei ist es notwendig, zwischen den Kamerasystemen einerseits und den aktiven oder passiven Referenzkörpern und den Instrumenten oder Geräten andererseits eine freie Signalübertragung zu gewährleisten, das heißt im Übertragungsweg dürften sich keine die übertragende Strahlung abschirmenden Ge­ genstände befinden. Dies erschwert die Handhabung die­ ser Instrumente und Geräte außerordentlich, in vielen Fällen ist eine genaue Position- und Lagebestimmung nur in Ausnahmefällen möglich oder dadurch, daß mit redun­ danten Systemen gearbeitet wird, die also so viele Re­ ferenzkörper aufweisen, daß eine Positionsbestimmung auch noch möglich ist, wenn einer oder einige der Refe­ renzkörper abgedeckt sein sollten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Posi­ tionsbestimmungsvorrichtung so auszugestalten, daß die­ se Nachteile vermieden werden und daß unabhängig von der Abdeckung oder Abschirmung der Vorrichtung trotzdem die Lage der Vorrichtung jederzeit bestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie mindestens zwei Neigungssensoren umfaßt, die nicht parallel zueinander angeordnet sind.

Diese Neigungssensoren bestimmen jeweils ihre Neigung gegenüber dem Gravitationsfeld, also gegenüber der Senkrechten. Dadurch, daß sie nicht parallel zueinander angeordnet sind, erfolgt diese Bestimmung in unter­ schiedlichen Richtungen, so daß die Neigung der Vor­ richtung in verschiedenen Richtungen bestimmbar ist.

Es kann sich bei den Neigungssensoren um mechanische Elemente handeln, die ein der jeweiligen Neigung ent­ sprechendes Signal erzeugen. Dieses kann vom Benutzer direkt abgelesen werden, es ist aber auch möglich, die­ ses Signal in einem Navigationssystem weiterzuverarbei­ ten.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Neigungssen­ soren so angeordnet sind, daß sie die Neigung der Vor­ richtung in senkrecht aufeinander stehenden Richtungen ermitteln, also insbesondere sind die Neigungssensoren senkrecht zueinander an der Vorrichtung angeordnet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß sie einen dritten Neigungssensor umfaßt, der zu den beiden anderen Sensoren nicht parallel angeordnet ist. Insbesondere kann der dritte Sensor senkrecht zur Rich­ tung der anderen beiden Sensoren angeordnet sein.

Damit ergibt sich eine vollständige Neigungsbestimmung der Vorrichtung im Gravitationsfeld, und zwar unabhän­ gig davon, ob eine "Sicht"-Verbindung zwischen Naviga­ tionssystem und Vorrichtung besteht oder nicht.

Durch die Neigungssensoren kann die Neigung der Vor­ richtung relativ zum Gravitationsfeld bestimmt werden. Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zusätzlich vorgesehen ist, daß die Vorrichtung einen Magnetfeldsensor umfaßt, der die Richtung eines die Vorrichtung umgebenden Magnetfelds bestimmt, ergibt sich die Möglichkeit, die Lage der Vorrichtung im Raum absolut zu bestimmen, und zwar unabhängig von irgendei­ ner Referenzmessung zur einem ortsfesten Navigationssy­ stem. Der Magnetfeldsensor wirkt somit als Kompaß, der die Orientierung der Vorrichtung im Magnetfeld be­ stimmt, wobei es sich dabei um das Erdmagnetfeld han­ deln kann oder um ein äußeres Magnetfeld, das im Opera­ tionsbereich bewußt aufgebaut wird, um lokale Störungen des Erdmagnetfeldes durch Elektrogeräte und andere Störquellen auszuschalten oder zu reduzieren.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfin­ dung kann vorgesehen sein, daß die Vorrichtung einen aktiven oder passiven Referenzkörper trägt, dessen Po­ sition über ein Navigationssystem feststellbar ist. Es handelt sich dabei um einen Referenzkörper und um ein Navigationssystem, wie sie an sich bereits bekannt sind. Mittels dieser Systeme werden bisher Lage und Po­ sition von Vorrichtungen im Raum bestimmt, dafür werden aber bis zu sechs derartiger Referenzkörper benötigt. Im vorliegenden Fall genügt ein einziger derartiger Re­ ferenzkörper, um neben der Orientierung der Vorrichtung im Raum, die durch die Neigungssensoren und gegebenen­ falls den Magnetfeldsensor bestimmt wird, auch die ab­ solute Position im Raum für die Vorrichtung im Raum festzustellen. Auf diese Weise lassen sich also mit nur einer Sichtverbindung zwischen einem Referenzkörper und einem Kamerasystem alle notwendigen Orientierungs- und Positionsdaten der Vorrichtung erhalten, die Handhabung eines solchen Instrumentes wird dadurch wesentlich er­ leichtert, denn es genügt dabei nur bei einem einzigen Referenzkörper darauf zu achten, daß die Sichtverbin­ dung zum Kamerasystem nicht verdeckt wird.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß die Vorrichtung einen Satz von aktiven oder passiven Referenzkörpern trägt, deren Position über ein Navigationssystem fest­ stellbar ist. In diesem Falle wird ein herkömmliches Navigationssystem mit einem Satz von beispielsweise sechs Referenzkörpern verwendet, mit denen an sich Ori­ entierung und Position der Vorrichtung im Raum bestimmt werden kann, zusätzlich werden diese Werte über die Neigungssensoren und gegebenenfalls die Magnetfeldsen­ soren ergänzt, so daß selbst bei Abdeckung der Sicht­ verbindung zwischen einigen Referenzkörpern und dem zu­ gehörigen Kamerasystem eine vollständige Lage- und Ori­ entierungsbestimmung der Vorrichtung möglich ist. Das gilt auch dann, wenn beispielsweise durch lokale Stö­ rungen der Magnetfeldsensor abweichende Meßwerte lie­ fert. Durch die gemeinsame Berücksichtigung der Meßwer­ te, die durch Neigungssensoren und Magnetfeldsensor ei­ nerseits und durch das mit Referenzkörpern und Kamera­ systemen arbeitende Navigationssystem andererseits be­ stimmt werden, lassen sich diese Systeme miteinander vergleichen, so daß die exakte Bestimmung auch dann möglich ist, wenn Meßwerte ausfallen oder klar ersicht­ lich verfälscht sind. Durch diese Redundanz wird eine erheblich gesteigerte Genauigkeit der Positions- und Orientierungsbestimmung ermöglicht.

Es ist vorteilhaft, wenn die Neigungssensoren und gege­ benenfalls der Magnetfeldsensor über eine Signalüber­ tragungsstrecke mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden sind, die aus den übermittelten Signalen der Sensoren die Neigung der Vorrichtung relativ zum Gravi­ tationsfeld und gegebenenfalls relativ zum umgebenden Magnetfeld bestimmt.

Dabei kann diese Signalübertragungsstrecke bei einer ersten Ausführungsform eine Übertragungsleitung umfas­ sen, über die die Signale übertragen werden.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Signal­ übertragungsstrecke Sender und Empfänger umfaßt, die die Signale drahtlos zwischen sich übertragen. Dadurch wird die Handhabbarkeit der Vorrichtung wesentlich ver­ bessert.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 ein chirurgisches Instrument mit einer Positionsbestimmungsvorrichtung, die drei Neigungssensoren, einen Magnetfeldsensor und einen passiven Referenzkörper umfaßt;

Fig. 2 eine Positionsbestimmungsvorrichtung ähn­ lich Fig. 1, jedoch mit nur zwei Nei­ gungssensoren und mit einer Verbindungs­ vorrichtung zu einer Knochenschraube;

Fig. 3 eine Positionsbestimmungsvorrichtung ähn­ lich Fig. 2 ohne einzelnen Referenzkör­ per und mit einem Satz von Referenzkör­ pern und

Fig. 4 eine Positionsbestimmungsvorrichtung ähn­ lich Fig. 3 ohne Magnetfeldsensor.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung 1 dient der Bestimmung der Orientierung und gegebenenfalls der Position eines medizinischen Instrumentes, eines medi­ zinischen Gerätes, eines Implantates, eines Körpertei­ les etc. und wird zu diesem Zweck mit dem Gegenstand, dessen Position und Orientierung zu bestimmen ist, starr verbunden.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist dieser Gegen­ stand beispielsweise ein chirurgischer Taster 2 mit ei­ ner Tastspitze 3 und einem Griff 4, an dessen rückwär­ tigem Ende die Vorrichtung 1 starr mit dem Griff 4 ver­ bunden angeordnet ist.

Diese Vorrichtung 1 umfaßt drei in zylindrischen Gehäu­ sen aufgenommene Neigungssensoren 5, 6, 7, die über je­ weils senkrecht aufeinanderstehende Verbindungsstäbe 8, 9 beziehungsweise 10 so angeordnet sind, daß ihre Längsachsen jeweils senkrecht aufeinanderstehen. Die Neigungssensoren 5, 6, 7 können sogenannte elektroni­ sche Wasserwaagen sein, also Sensoren, die bei einer Neigung gegenüber dem Gravitationsfeld Signale erzeu­ gen, die von der jeweiligen Neigung gegenüber dem Gra­ vitationsfeld abhängig sind und die damit den Neigungs­ winkel gegenüber dem Gravitationsfeld anzeigen.

Als Neigungssensoren können beispielsweise Piezokri­ stalle verwendet werden, auf denen mit Wechselspannun­ gen passender Frequenz Oberflächenwellen erzeugt wer­ den. In diesen Wellen speichern die Piezokristalle ein­ gespeiste Energie für kurze Zeit zwischen und senden sie dann wieder an ein Abfragegerät zurück, wobei die Oberflächenwellen durch äußere Einflüsse verändert wer­ den können, beispielsweise durch unterschiedliche Drüc­ ke, die auf die Piezokristalle wirken. Bei einem Nei­ gungssensor läßt sich dieser Effekt dadurch ausnützen, daß auf einen solchen Piezo-Kristall je nach Neigung unterschiedlich große Kräfte eines Sensorkörpers wirken und dadurch die Oberflächenwellen verändern; diese Än­ derungen der Oberflächenwellen können dann von einem geeigneten Meßgerät festgestellt werden. Ein großer Vorteil einer solchen Anordnung liegt auch darin, daß die Oberflächenwellen auf derartigen Piezokristallen durch eine elektromagnetisches Feld drahtlos angeregt werden können und zur Abstrahlung eines elektromagneti­ schen Feldes führen, welches ebenfalls drahtlos empfan­ gen werden kann, das heißt diese Sensoren wirken nicht nur als Sensoren, sondern gleichzeitig auch als Sender zur drahtlosen Übermittlung der entsprechenden Meßsi­ gnale, im vorliegenden Fall also der Neigung der Nei­ gungssensoren gegenüber dem Gravitationsfeld.

Geeignete Piezokristalle können beispielsweise aus Quarz bestehen.

Zusätzlich ist an der Vorrichtung 1 ein Magnetfeldsen­ sor 11 angeordnet, der in der Zeichnung schematisch als zylindrisches Gehäuse dargestellt ist und der im Prin­ zip ein Magnetfeldkompaß ist. Dieser Magnetfeldsensor 11 erzeugt Signale, die von der Neigung des Magnetfeld­ sensors 11 gegenüber einem umgebenden Magnetfeld abhängig sind, dadurch ist also der Winkel zwischen diesem Magnetfeld und dem Magnetfeldsensor 11 feststellbar.

Ein solcher Magnetfeldsensor kann beispielsweise gebil­ det werden durch einen sogenannten magnetoresistiven Sensor. Derartige Sensoren basieren auf dem Effekt, daß der elektrische Widerstand einer dünnen anisotropen ferromagnetischen Schicht durch ein magnetisches Feld verändert wird. Dadurch spielt der Winkel zwischen Ma­ gnetisierungsrichtung und Stromrichtung eine entschei­ dende Rolle. Laufen beide parallel ist der Widerstand am größten, bei einem rechten Winkel zwischen beiden am kleinsten. Die maximale Widerstandsänderung liegt in der Größenordnung von einigen Prozent vom Gesamtwider­ stand. Ein solcher Sensor kann beispielsweise durch ei­ nen Streifen aus einer Nickel-Eisen-Legierung bestehen (ca. 80% Nickel, 20% Eisen). Während des Fertigungspro­ zesses wird diesem Legierungsstreifen eine magnetische Vorzugsrichtung in Längsrichtung des Streifens gegeben.

An dem Magnetfeldsensor 11 ist schließlich noch ein Re­ ferenzkörper 12 in Form einer reflektierenden Kugel an­ geordnet, dieser Referenzkörper 12 kann in an sich be­ kannter Weise im Rahmen eines Navigationssystemes ein­ gesetzt werden. Ein solches Navigationssystem sendet beispielsweise eine Lichtstrahlung in Richtung auf die Vorrichtung 1 aus, diese wird am Referenzkörper 12 re­ flektiert und die reflektierte Strahlung wird von einem Kamerasystem aufgenommen, das aus der Richtung der Re­ flexion und/oder der Laufzeit der Strahlung die Positi­ on des Referenzkörpers 12 bestimmt. Auf diese Weise erhält man den Abstand des Referenzkörpers 12 und die Winkellage des Referenzkörpers 12 im Bezug auf das Ka­ merasystem.

Die Neigungssensoren 5, 6, 7 und der Magnetfeldsensor 11 sind über eine Verbindungsleitung 13 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Datenverarbeitungsan­ lage verbunden, diese empfängt die Signale der Nei­ gungssensoren und des Magnetfeldsensors und bestimmt aus diesen Signalen die Orientierung der Vorrichtung 1 relativ zum Gravitationsfeld und relativ zum umgebenden Magnetfeld. Aus diesen Daten kann also die Lage der Vorrichtung 1 im Raum eindeutig bestimmt werden, über die bereits beschriebene Positionsbestimmung des Refe­ renzkörpers 12 erhält man auf diese Weise eine voll­ ständige Information über Orientierung und Position der Vorrichtung 1 im Raum, und damit natürlich auch über Orientierung und Position des chirurgischen Tasters 2 im Raum.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die Vor­ richtung 1 im wesentlichen gleich aufgebaut wie im Aus­ führungsbeispiel der Fig. 1, einander entsprechende Teile tragen daher dieselben Bezugszeichen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind nur zwei Neigungssensoren 5, 6 vorgesehen, und die Vorrichtung 1 ist nicht mit einem chirurgischen Instrument verbunden, sondern über ein Kupplungsstück 14 starr mit einer Kno­ chenschraube 15 verbindbar, die in den Knochen eines Patienten eingeschraubt werden kann. Wenn die Vorrichtung 1 auf eine in dieser Weise aufgeschraubte Knochen­ schraube 15 aufgesetzt ist, ist es dadurch möglich, die Lage und Position des Knochens des Patienten im Raum exakt zu bestimmen.

Die Vorrichtung 1 der Fig. 3 entspricht im wesentli­ chen der der Fig. 2, einander entsprechende Teile tra­ gen daher dieselben Bezugszeichen.

Bei der Vorrichtung 1 fehlt in diesem Falle der Refe­ renzkörper 12, statt dessen ist an der Vorrichtung 1 ein Halter 16 starr befestigt, der mehrere Referenzkör­ per 17 trägt, beispielsweise sechs derartige Referenz­ körper, die in gleicher Weise wie der Referenzkörper 12 Teil eines Navigationssystemes sind, beispielsweise können die Referenzkörper 17 reflektierende Flächen sein. Über dieses Navigationssystem kann die Lage und Orientierung der Referenzkörper 17 und damit des Hal­ ters 16 im Raum bestimmt werden, gleichzeitig lassen sich über die Neigungssensoren 5, 6 und den Magnetfeld­ sensor 11 auch Daten über die Lage der Vorrichtung 1 im Raum gewinnen, und diese Meßdaten können in der Daten­ verarbeitungsanlage miteinander verglichen werden, so daß Korrekturen von offensichtlich fehlerhaften oder ausfallenden Meßergebnissen möglich sind.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 entspricht dem der Fig. 3 fast vollständig, einander entsprechende Teile tragen daher dieselben Bezugszeichen. Beim Ausführungs­ beispiel der Fig. 4 fehlt der Magnetfeldsensor, so daß lediglich über zwei Neigungssensoren 5, 6 die Lage der Vorrichtung 1 gegenüber dem Gravitationsfeld feststell­ bar ist, nicht aber gegenüber dem umgebenden Magnet­ feld.

Die Vorrichtung 1 kann bei allen Anwendungen, also an Geräten, Instrumenten, Implantaten, Körperteilen etc. unterschiedliche Ausgestaltungen annehmen, wie sie in den Fig. 1 bis 4 beispielhaft dargestellt sind, es ist also ohne weiteres möglich, die unterschiedlichen Ausgestaltungen und die unterschiedlichen Anwendungs­ fälle nach Bedarf miteinander zu kombinieren.

Die Signalübertragung von der Vorrichtung 1 zur Daten­ verarbeitungseinrichtung muß auch nicht notwendig über eine Verbindungsleitung 13 erfolgen, sondern es ist vorteilhaft, diese Signalübertragung drahtlos vorzuneh­ men, dadurch wird die Handhabung des Gegenstandes er­ leichtert, an dem die Vorrichtung 1 befestigt ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines me­ dizinischen Instrumentes oder Gerätes oder eines Körperteils, dadurch gekennzeichnet, daß sie min­ destens zwei Neigungssensoren (5, 6) umfaßt, die nicht parallel zueinander angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Neigungssensoren (5, 6) so angeord­ net sind, daß sie die Neigung der Vorrichtung (1) in senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen er­ mitteln.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie einen dritten Neigungssen­ sor (7) umfaßt, der zu den beiden anderen Nei­ gungssensoren (5, 6) nicht parallel angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der dritte Neigungssensor (7) senkrecht zur Richtung der anderen beiden Neigungssensoren (5, 6) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ma­ gnetfeldsensor (11) umfaßt, der die Richtung ei­ nes die Vorrichtung (1) umgebenden Magnetfeldes bestimmt.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen akti­ ven oder passiven Referenzkörper (12) trägt, des­ sen Position über ein Navigationssystem fest­ stellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß sie einen Satz von ak­ tiven oder passiven Referenzkörpern (17) trägt, deren Position über ein Navigationssystem fest­ stellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungssen­ soren (5, 6, 7) und gegebenenfalls der Magnet­ feldsensor (11) über eine Signalübertragungs­ strecke mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden sind, die aus den übermittelten Signa­ len der Sensoren (5, 6, 7; 11) die Neigung der Vorrichtung (1) relativ zum Gravitationsfeld und gegebenenfalls relativ zum umgebenden Magnetfeld bestimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Signalübertragungsstrecke eine Über­ tragungsleitung (13) umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Signalübertragungsstrecke Sender und Empfänger umfaßt, die die Signale drahtlos zwi­ schen sich übertragen.