DE10115170A1

DE10115170A1 - Verfahren und System zum automatisierten Einmessung von Handstücken und Werkzeugen in der Medizin

Info

Publication number: DE10115170A1
Application number: DE10115170A
Authority: DE
Inventors: Tim Lueth; Olaf Schermeier
Original assignee: LB Medical GmbH
Current assignee: All-Of-Innovation 85748 Garching De GmbH
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: DE10115170B4; DE20205007U1; DE10115170B8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur automatisierten Einmessung von navigierten Handstücken und Werkzeugen in der Medizin gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. DOLLAR A Verfahren und System ist insbesonders für die computer- und robotergestützte Chirurgie, interstitielle Strahlentherapie, interventionelle Radiologie und die Zahnheilkunde geeignet. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteile des Standes der technik zu vermeiden und ein System zu entwickeln, dass den freien Einsatz von unterschiedlichen Werkzeugen mit einem Instrument erlaubt, ohne dass der Arzt vergessen kann, das Werkzeug zu registrieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum automati sierten Einmessung von navigierten Handstücken und Werkzeugen in der Medizin gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

DAS SYSTEM ist insbesondere für die computer- und roboterge stützte Chirurgie, interstitielle Strahlentherapie, interven tionelle Radiologie und die Zahnheilkunde geeignet.

Für die computerassistierte Chirurgie sind mehrere Systeme zur Anordnung und Führung von medizinischen Instrumenten auf der Basis von gemessenen, berechneten und signalisierten Positions- und Winkelinformation bekannt. Sie werden als medizinische Na vigationssysteme bezeichnet.

Dabei werden üblicherweise vorab bekannte Instrumente und Werk zeuge verwendet, bei denen die Lage (Position und Orientierung) des Werkzeugeffektors (Instrumentenspitze bzw. Werkzeugspitze) zum Referenzpunkt des Lagemeßsystems bekannt ist.

Es gibt Systeme, bei denen zwischen verschiedenen Übergangsma trizen für unterschiedliche Instrumente umgeschaltet werden kann.

Es gibt Systeme, bei denen man per Knopfdruck die Übergangsma trix einmessen kann, wenn man mit der Werkzeugspitze einen be stimmten Kalibrierpunkt berührt.

Die Navigationssysteme im Stand der Technik können keine Werk zeuge verwenden, deren Übergangsmatrix nicht vorab bekannt ist. Dies schränkt den Nutzer auf ein Werkzeugset der Firma ein. Der Nutzer ist nicht in der Lage ein neues Werkzeug unkompliziert einzumessen. Das Einmessen ist mit mindestens einem Knopfdruck verbunden. Werden die Werkzeuge eines Instruments wie bei spielsweise ein Handstücks gewechselt, besteht die große Gefahr der Benutzung eines nicht registrierten Werkzeugs. Dies kann zu Verletzungen des Patienten führen, da die Positions- und Winke langaben falsch sind, die jedoch nicht erkannt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteile des Stan des der Technik zu vermeiden und ein System zu entwickeln, dass den freien Einsatz von unterschiedlichen Werkzeugen mit einem Instrument erlaubt ohne daß der Arzt vergessen kann, dass Werk zeug zu registrieren.

Diese Aufgabe wird durch ein System nach den Merkmalen des An spruchs 1 gelöst.

Das Verfahren und System zum automatisierten Einmessung von na vigierten Handstücken und Werkzeugen in der Medizin ist dadurch gekennzeichnet, dass es Anspruch 1 erfüllt.

Das System ist insbesondere für die computer- und roboterge stützte Chirurgie, interstitielle Strahlentherapie, interven tionelle Radiologie und die Zahnheilkunde vorteilhaft anwend bar.

Es ist möglich mit registrierten Werkzeugen unbehindert zu ar beiten. Werkzeuge, die ihre Geometrie im Lauf der Zeit verän dern werden immer wieder eingemessen. Alle Instrumente werden immer eingemessen. Der Einmessvorgang wird nicht als Behinde rung empfunden. Es muß keine Taste gedrückt werden. Das Einmes sen erfordert keinerlei Maschineninteraktion sondern nur das Berühren eines Punkts und das Abwarten eines Signals. Es kann nicht mehr vergessen werden, ein Werkzeug einzumessen. Die Si cherheit und Bedienbarkeit medizinischer Navigationsysteme mit wechselnden Werkzeugen steigt erheblich an.

Es zeigen:

Fig. 1 Komponente des Systems,

Fig. 1 zeigt ein Handstück (1) mit einer Werkzeugaufnahmevor richtung (2) und einem eingespannten Werkzeug (3) für das die Lage (Position und Orientierung) des Werkzeugeffektors (4) ge messen werden soll. Zu sehen ist ebenfalls der Registrierpunkt (5), das Arbeitsvolumen (6) und der Kalibrationskörper (7) der als Stift ausgelegt ist. Die Positionsmessung wird von dem Po sitionsmeßsystem (8) durchgeführt, daß auch die Übergangsmatri zen relativ zu einem Referenzkoordiantensystemn (9) speichert. Im Bild ist es als optisches Navigationssystem mit passiven Re flektoren dargestellt.

Nach dem Einschalten des Systems wird dem Benutzer signalisiert das Handstück zu kalibrieren. Dazu steckt er auf den Passkör per. Jetzt kann er ein Werkzeug (z. B. einen Bohrer) einspannen. Bevor er in das Arbeitsvolumen eindringt berührt er mit der Werkzeugspitze den Registrierpunkt und wartet das Registriersi gnal ab. Danach arbeitet er navigiert im Arbeitsvolumen. Legt er das Instrument außerhalb des Arbeitsvolumen ab, dann muß er beim nächsten Eindringen in das Arbeitsvolumen erneut den Regi strierpunkt berühren. Gleiches gilt für die Situation nach ei nem Werkzeugwechsel.

Bezugszeichenliste

1

Handstück

2

Werkzeugaufnahmevorrichtung

3

Werkzeug

4

Werkzeugeffektors

5

Registrierpunkt

6

Arbeitsvolumen

7

Kalibrationskörper

8

Positionsmeßsystem

9

Referenzkoordiantensystemn

Claims

1. Ein Verfahren und System zur Anordnung und Führung von medi zinischen Instrumenten auf der Basis von gemessenen, berechne ten und signalisierten Positions- und Winkelinformation dadurch gekennzeichnet, dass quasikontinuierlich die Lage T_HAND (Posi tion und Orientierung) eines Handstücks mit Werkzeugaufnahme vorrichtung (z. B. Spannfutter) erfasst bzw. berechnet wird, wo bei die Übergangsmatrix zwischen Handstück und Werkzeugaufnahme HAND_T_SPANN gespeichert ist und die Übergangsmatrix zwischen Werkzeugaufnahme und Werkzeugeffektor SPANN_T_WERK bis auf ei nen relevanten Lage-Freiheitsgrad (z. B. Länge) bekannt ist ein Registrierpunkt P_REG bekannt ist.

2. Ein Verfahren und System nach Anspruch 1 dadurch gekenn zeichnet, daß ein Arbeitsvolumen definiert ist, daß es bei ei nem normalen Einsatz des Instruments am Patienten nicht verlas sen werden muß, jedoch zum Werkzeugwechsel typischerweise ver lassen wird.

3. Ein Verfahren und System nach Anspruch 1-2 dadurch gekenn zeichnet, dass der Registrierpunkt P_REG so angeordnet ist, daß der Behandler kurz vor dem Eindringen in das Arbeitsvolumen den Registrierpunkt mit dem Handstück passieren muss.

4. Ein Verfahren und System nach Anspruch 1-3 dadurch gekenn zeichnet, dass die berechnete Lage T_WERK (Position und Orien tierung) des Werkzeugeffektors nur weiterverwendet und/oder weitergegeben wird, wenn die Übergangsmatrix zwischen Hand stückmarkierung und Werkzeugeffektor HAND_T_WERK registriert und gespeichert ist.

5. Ein Verfahren und System nach Anspruch 1-4 dadurch gekenn zeichnet, dass die Übergangsmatrix zwischen Handstückmarkierung und Werkzeugeffektor HAND_T_WERK, d. h. die Registrierung, ge löscht wird, wenn die Lage des Werkzeugeffektors T_WERK über einen vorab definierten Zeitraum hinweg nicht erfasst bzw. be rechnet werden konnte.

6. Ein Verfahren und System nach Anspruch 1-5 dadurch gekenn zeichnet, dass die Übergangsmatrix zwischen Handstückmarkierung und Werkzeugeffektor HAND_T_WERK, d. h. die Registrierung, ge löscht wird, wenn sich die Position des Werkzeugeffektors über einen vorab definierten Zeitraum hinweg nicht im Arbeitsvolumen befindet.

7. Ein Verfahren und System nach Anspruch 1-6 dadurch gekenn zeichnet, dass die Berechnung des fehlenden relevanten Lage- Freiheitsgrad der Übergangsmatrix HAND_T_WERK automatisch be gonnen wird, wenn sich über einen vorab definierten Zeitraum hinweg der Werkzeugeffektor anscheinend in einem kleinen be kannten Toleranzvolumen um den Registrierpunkt herum befindet.

8. Ein Verfahren und System nach Anspruch 1-7 dadurch gekenn zeichnet, dass die Berechnung des fehlenden relevanten Lage- Freiheitsgrad der Übergangsmatrix HAND_T_WERK automatisch be gonnen wird, wenn sich über einen vorab definierten Zeitraum hinweg der Werkzeugeffektor anscheinend in einem kleinen be kannten Toleranzvolumen um den Registrierpunkt herum befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des fehlenden rele vanten Lage-Freiheitsgrad der Übergangsmatrix HAND_T_WERK über ein statistisches Auswerteverfahren durchgeführt wird, solange sich über einen vorab definierten Zeitraum hinweg der Werkzeu geffektor ununterbrochen anscheinend in einem kleinen bekannten Toleranzvolumen um den Registrierpunkt herum befindet und die Übergangsmatrix HAND_T_WERK anschließend gespeichert wird.

9. Ein Verfahren und System nach Anspruch 1-8 dadurch gekenn zeichnet, dass das der Registrierungszustand signalisiert wird und/oder der Registrierungsberechnungsanfang signalisiert wird und/oder der Registrierungsberechnungsende signalisiert wird und/oder Parameter der Registrierungsberechnung signalisiert werden und/oder berechnete relevante Freiheitsgrad signalisiert wird

10. Ein Verfahren und System nach Anspruch 1-8 dadurch gekenn zeichnet, dass eine Übergangsmatrix zwischen Handstück und Werkzeugaufnahme HAND_T_SPANNKAL vollständig oder bis auf einen irrelevanten Lage-Freiheitsgrad (z. B. Rotation um eine Spann futtersymetrieachse) geschätzt sind, so daß Abweichungen zwi schen HAND_T_SPANN und HAND_T_SPANNKAL innerhalb von Grenztole ranzen jedoch außerhalb unerwünschter Kalibrationstoleranzen liegen,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrationswerkzeug (z. B. Passtift) bekannt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsmatrix zwischen Hand stück und Werkzeugaufnahme HAND_T_SPANN nur weiterverwendet und/oder weitergegeben wird, wenn die Übergangsmatrix HAND_T_SPANN kalibriert und gespeichert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsmatrix zwischen Über gangsmatrix zwischen Handstück und Werkzeugaufnahme HAND_T_SPANN, d. h. die Kalibration, bei bestimmten Ereignissen (z. B. erstmaliges benutzen) gelöscht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Übergangsmatrix HAND_T_SPANN automatisch begonnen wird, wenn sich über einen vorab definierten Zeitraum hinweg die Werkzeugaufnahmevorrich tung in einer Lage befindet, so daß sie anscheinend das Kali brationswerkzeug aufgenommen hat,
dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Übergangsmatrix HAND_T_SPANN über ein statistisches Auswerteverfahren durchge führt wird, solange sich über einen vorab definierten Zeitraum hinweg die Werkzeugaufnahmevorrichtung in einer Lage befindet, so daß sie anscheinend das Kalibrationswerkzeug aufgenommen hat und anschließend die Übergangsmatrix HAND_T_SPANN anschließend gespeichert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das der Kalibrationszustand signa lisiert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrationsanfang signali siert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrationsende signalisiert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Kalibrationsergeb nisses signalisiert werden.