DE10141976A1 - Passiver Signalgeber eines optischen Koordinatenerfassungssystems - Google Patents

Abstract

Passiver Signalgeber (10) eines optischen Koordinatenerfassungssystem für den medizinischen Einsatz, mit einer Retroreflexionsfläche (11) für Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder nahen bis mittleren infraroten Bereich, die Retroreflexionsfläche dampfdicht und autoklavierbar gekapselt ist, wobei der sie bedeckende Bereich der Kapselung aus für die beim Koordinatenerfassungssystem verwendete Strahlung transparentem Material besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft einen passiven Signalgeber nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, der auch als "passiver Taster" oder "Marker" bezeichnet wird.
• Optische Koordinatenerfassungssysteme haben - nach nunmehr bereits langjährigem erfolgreichen Einsatz bei der Steuerung industrieller Bearbeitungsprozesse, insbesondere bei Industrierobotern - in den letzten Jahren auch zunehmend Einsatz in der Medizin gefunden. Neben der Bewegungserfassung in der Sportmedizin und bei Rehabilitationsmaßnahmen zählt hierzu die Echtzeit-Bestimmung von Position und Orientierung von Instrumenten oder Körperteilen bzw. -abschnitten auf den Gebieten der Neurochirogie, Orthopädie und Radiologie. Mit Hilfe solcher Systeme kann beispielsweise ein Chirurg während eines Eingriffes jederzeit die exakte aktuelle Position und Orientierung eines von ihm geführten Instrumentes angezeigt bekommen.
• Für derartige Einsatzfälle ist beispielsweise das System ROPAL der Firma Rohwedder VISOTECH GmbH, D 88671 Markdorf, vorgesehen. Des weiteren stellt die Firma Northern Digital Inc. unter der Bezeichnung POLARIS ein System dieser Art her.
• Zu solchen Systemen gehören einerseits aktive Signalgeber, die vorzugsweise mit IR-Leuchtdioden als Koordinaten gebenden Punktstrahlern bestückt sind. Anderseits werden hierbei auch die in Rede stehenden Signalgeber eingesetzt, die das Licht einer speziellen Lichtquelle - die aus Gründen der Störsicherheit im medizinischen Einsatz normalerweise ebenfalls im Bereich des nahen Infrarot arbeitet - in exakt definierter Weise weitgehend in umgekehrter Einstrahlungsrichtung zurückwerfen, so daß es zu einer in der Nähe der Lichtquelle angeordneten Erfassungseinrichtung gelangt.
• Die Reflexionsflächen solcher passiver Signalgeber sind aus einer handelsüblichen Retroreflexionsfolie gebildet, die auf eine - zumeist annähernd kugelförmige - Trägerfläche aufgebracht ist.
• Es hat sich gezeigt, daß diese passiven Signalgeber die zur Sterilisierung erforderliche Autoklavierung nicht unbeschadet überstehen, so daß sie im medizinischen Bereich als Wegwerfartikel zur einmaligen Benutzung angeboten und gehandhabt werden, obgleich sie relativ kostspielig sind. Dies treibt die Betriebskosten der erwähnten Koordinatenerfassungssysteme im medizinischen Einsatz in die Höhe.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Signalgeber der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit dem die Betriebskosten des entsprechenden Systems wesentlich gesenkt werden können.
• Diese Aufgabe wird durch einen Signalgeber mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, einen dank eines speziellen Aufbaus sterilisierbaren und daher vielfach wiederverwendbaren Signalgeber bereitzustellen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, die Autoklavierbarkeit bzw. Dampfsterilisierbarkeit durch eine gasdichte und hochtemperaturbeständige Kapselung der Retroreflexionsfläche zu bewirken. Diese Kapselung erhöht zwar deutlich die Kosten des Signalgebers, jedoch wird diese (an sich gerade unerwünschte) Kostenerhöhung durch die Tatsache der vielfachen Wiederverwendbarkeit mehr als überkompensiert.
• In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung dient als Material für die Kapselung ein oberhalb von 130°C bis 150°C (der üblichen Autoklaviertemperatur) nachhaltig temperaturbeständiger Kunststoff mit ausgeprägt hoher Spannungsriß-festigkeit. Die Bildung von Spannungsrissen bei wiederholter Belastung mit hohen Temperaturen ist ein bei vielen Kunststoffen (beispielsweise Acrylaten) bekanntes Problem, welches bei der vorliegenden Lösung zu einer wesentlichen Verringerung der Standzeit des Signalgebers führen könnte. Diesem Problem ist daher durch eine geeignete Materialreihe besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Im übrigen muß der Kunststoff so ausgewählt sein, daß er für die beim Koordinatenerfassungssystem verwendete Strahlung weitestgehend transparent ist, so daß sich die Reflexionseigenschaften des Signalgebers durch die Kapselung nicht wesentlich verschlechtern. Wichtig ist auch die Alterungs- und chem. Beständigkeit bezüglich guter Transparenzeigenschaften.
• Für mit naher oder mittlerer Infrarotstrahlung arbeitende Systeme wird unter diesen Gesichtspunkten insbesondere Polysulfon als Kapselungsmaterial vorgeschlagen. Nach Untersuchungen der Erfinder weist dieses Material die erforderliche Transparenz insbesondere im NIR-Bereich auf, und es traten auch bei vielfachem Autoklavieren keine die Brauchbarkeit des Signalgebers verringernden Spannungsrisse oder Eintrübungen auf.
• In einer bevorzugten konstruktiven Ausführung umfaßt die Kapselung einen Träger und eine - getrennt gefertigte - Abdeckung, die mit dem Träger gasdicht verbunden wird. Zur Verbindung eignet sich besonders die Technik des Ultraschallschweißens. Dieser Vorgang läßt sich für Kunststoffe der in Rede stehenden Art schnell und kostengünstig ausführen und liefert eine absolut dampfdichte Verbindung der beiden Teile. Die Verbindung Träger- Abdeckung kann auch rein mechanisch erfolgen, wobei die Dichtheit mittels Dichtringtechnik möglich ist. Reibschweissen oder Hochfrequenzschweissen sind weitere Verbindungsmöglichkeiten.
• Die Retroreflexionsfläche selbst ist zur Vereinfachung des Aufbaues und damit zur Sicherung niedriger Herstellungskosten bevorzugt eben - sie kann aber auch gekrümmt oder gefaltet sein. Im letzteren Falle ist eine teilkugelförmige Ausführung der Krümmung - wiederum unter Kostengesichtspunkten - bevorzugt. Während mit einer ebenen Reflexionsfläche der Einsatz des Signalgebers auf Einfallswinkel der Beleuchtungs-Strahlung relativ zur Flächennormalen von unter 90 Grad beschränkt ist - was gleichwohl für die meisten Anwendungen ausreicht -, lassen sich mit einer gekrümmten gekapselten Retroreflexionsfläche auch dann praktisch sämtliche relevanten Einsatzfälle mit größeren Einfallswinkeln beherrschen, wenn diese nicht kugelförmig ausgebildet ist. Gefaltete Retroreflexionsflächen haben mindestens eine Faltung entsprechend einer Satteldachform oder Mehrfachfaltungen. Zudem sind komplexere Reflexionsfolienformen, bestehend aus mehreren ebenen oder gekrümmten Teilreflexionsfolien, möglich, wobei sich die Formen von Träger und Abdeckung mit dazwischen angeordneten Teilreflexfolien zu entsprechen haben. Natürlich ist es auch möglich, die wie auf Retroreflexfolien bestehenden Retroreflexionseigenschaften direkt auf einen Trägerkörper zu erzeugen, wobei dann die Retroreflexoberfläche ihrerseits mittels einer transparenten Abdeckung zu schützen ist.
• Bei dem erwähnten Aufbau aus einem Träger und einer Abdeckung ist die Abdeckung bevorzugt aus ungefärbtem und der Träger aus dunkel, insbesondere schwarz, eingefärbtem Kunststoff (speziell Polysulfon) gefertigt. Eine zur Einfärbung des gesamten Trägers alternative Ausführung besteht darin, daß zumindest die Umgebung bzw. der Untergrund der Retroreflexionsfolie aus eingefärbtem Material gebildet ist. Es kann also beispielsweise in den Träger eine dunkel eingefärbte Unterlage eingelegt sein, auf der sich die Retroreflexionsfolie nicht bis zu den Rändern erstreckt.
• In Anpassung an den üblichen Aufbau der im praktischen Einsatz befindlichen "passiven Taster" hat der Träger bevorzugt einen Schaftabschnitt mit Befestigungsmittel zur Befestigung an einem Messtaster und einen sich dem Schaftabschnitt gegenüber erweiternden Reflektorabschnitt. Die Befestigungsmittel können insbesondere ein Innengewinde oder innenliegende Rastmittel umfassen. Auf diese Weise ist der eigentliche Signalgeberteil leicht an vorhandenen Tastern (die, wie oben erwähnt, als Wegwerfartikel konzipiert sind) anzubringen.
• Die Retroreflexionsfläche ist in kostengünstiger Weise - was an sich bekannt ist - mit einer auf einem Träger aufgeklebten handelsüblichen Retroreflexionsfolie ausgeführt.
• In einer ersten, besonders kostengünstigen konkreten Ausführung ist die Retroreflexionsfläche eben kreisförmig innerhalb eines vorstehenden Umfangsrandes des Trägers angeordnet, und die Abdeckung ist durch eine kreisförmige Abdeckplatte gebildet, die in den Umfangsrand des Trägers eingeschweißt ist. In einer weiteren, konstruktiv ähnlichen Ausführung, befindet sich eine halbkugelförmige oder kugelabschnittförmige Retroreflexionsfläche auf einem Träger, dessen Umfangsrand kreisringförmig übersteht. Die Abdeckung ist hier entsprechend der Gestalt der Retroreflexionsfläche schalenförmig ausgeführt und mit dem kreisringförmig überstehenden Rand des Träger verschweißt.
• Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung Vordruck der Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Signalgebers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
• Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 geringfügig modifizierten Signalgebers und
• Fig. 3 eine skizzenartige Schnittdarstellung eines Signalgebers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
• In den Fig. 1 bis 3 sind einander sehr ähnliche Ausführungen des erfindungsgemäßen Signalgebers dargestellt, die sich nur in Details voneinander unterscheiden. Für einander entsprechende Teile wurden in der Endziffer übereinstimmende Bezugszeichen gewählt, und die zur Erläuterung von Fig. 1 beschriebenen Teile werden dann im weiteren nicht nochmal beschrieben.
• Fig. 1 zeigt einen passiven Signalgeber (Marker) 10 eines auf einer NIR-Beleuchtung basierenden Positionserfassungssystems für den medizinischen Einsatz, dessen Signalelement eine kreisförmig ebene Retroreflexionsfolie 11 ist. Die Retroreflexionsfolie 11 ist in eine schwarz eingefärbte, ebenfalls kreisförmige Kontrastplatte 12 eingeklebt. Diese ruht in einem insgesamt annähernd trichterförmigen Träger 13 aus Polysulfon, der einen zylindrischen Schaftabschnitt 14 mit Innengewinde und einen kegelstumpfförmig sich erweiternden Reflektorabschnitt 15 umfaßt.
• Über das (nicht gesondert bezeichnete) Innengewinde des Schaftabschnitt 14 ist der Träger 13 mit einem Taster- Verbindungsteil 16 verschraubt. Eine kreiszylindrische Bodenfläche 14a des Schaftabschnittes 14 stößt dabei gegen einen ringförmigen Vorsprung 16a des Taster-Verbindungsteil 16, womit eine exakte Positionierung der Reflektorfläche 11 bezüglich des Taster-Verbindungsteil 16 sichergestellt wird.
• Der Reflektorabschnitt 15 hat an seiner Bodenfläche eine im Durchmesser abgestufte und zusätzlich angefaßte, kreisförmige Ausnehmung 17, in deren tieferem, engeren Abschnitt 17a die Kontrastplatte 12 mit der Retroreflexionsfolie 11 liegt und deren höherer, weiterer Abschnitt 17b eine für NIR-Strahlung transparente, kreisförmige Polysulfon-Abdeckplatte 18 aufnimmt.
• Diese ist an ihrem Umfangsrand mit dem Träger 13 durch Ultraschall verschweißt.
• Ein weiterer Signalgeber 10' nach Fig. 2 hat praktisch den gleichen Aufbau, aber einen insgesamt dunkel durchgefärbten Polysulfon-Träger 13'. Dieser macht eine zusätzliche Kontrastplatte überflüssig, so daß hier die Retroreflexionsfolie 11 mit einem größeren Durchmesser ausgeführt und direkt in die Ausnehmung 17a des Reflektorabschnittes eingeklebt ist.
• Ein weiterer Signalgeber 20 nach Fig. 3 unterscheidet sich von den vorgenannten Ausführungen insbesondere durch eine halbkugelig ausgeführte Retroreflexionsfläche 21 mit vergrößertem Erfassungs-Winkelbereich und eine entsprechend anders geformte Kapselung. Da der Taster-Grundkörper gegenüber den Ausführungen nach Fig. 1 und 2 unverändert ist, ist mit derselben Bezugsziffer wie dort bezeichnet.
• Der Schaftabschnitt 24 des Trägers 23 hat bei der vorliegenden Ausführung kein Innengewinde, sondern eine glatte Innenwandung mit einem derartigen Durchmesser, daß der Träger 23 praktisch spielfrei auf den Taster-Grundkörper 16 aufschiebbar ist. An der Bodenfläche 24a des Schaftabschnitts 24 ist asymmetrisch ein Rasthaken 24b vorgesehen, der die ringförmige Erweiterung 16a des Taster-Grundkörpers übergreift und den Träger 23 hierdurch mit dem Taster-Grundkörper 16 verrastet. Durch Nach-Außen-Drücken des Rasthaken 24b ist die Rastverbindung lösbar und der Träger 23 wieder abnehmbar.
• Der Reflektorabschnitt 25 setzt sich bei dieser Ausführung aus einem Kegelstumpf und einem Halbkugelabschnitt zusammen. Letzterer ist mit etwas geringerem Durchmesser als dem maximalen Durchmesser des Kegelstumpfabschnittes gebildet, so daß dieser mit einem Kreisring 25a über den halbkugelförmigen Abschnitt übersteht. Die auf den halbkugelförmigen Abschnitt aufgeklebte Retroreflexionsfolie 21 ist hier durch eine halbkugelige Abdeckschale 28 aus transparentem Polysulfon bedeckt, welche am Kreisring 25a mit dem dunkel eingefärbten Träger 23 verschweißt ist.
• Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Insbesondere sind zahlreiche Modifikationen hinsichtlich der konkreten Formgebung der Retroreflexionsfläche, des Trägers und der Abdeckung möglich. Für den Träger und die Abdeckung sind - soweit diese den bestehenden thermischen und mechanischen Anforderungen genügen - auch andere Materialien, insbesondere hochtemperaturbeständige Kunststoffe, einsetzbar. Deren Verbindung miteinander kann außer dem ultraschallschweissen auch durch andere Verfahren erfolgen, die die erforderliche dauerhafte Gasdichtigkeit der Verbindung gewährleisten. Bezugszeichenliste 10; 10'; 20 Signalgeber
  11; 11'; 21 Retroreflexionsfolie (Retroreflexionsfläche)
  12 Kontrastplatte
  13; 13'; 23 Träger
  14; 24 Schaftabschnitt
  14a; 24a Bodenfläche
  15; 15'; 25 Reflektorabschnitt
  16 Taster-Verbindungsteil
  17; 17' Ausnehmung des Reflektorabschnittes
  17a tieferer Abschnitt
  17b höherer Abschnitt
  18; 28 Abdeckplatte/-schale
  24b Rasthaken
  25a Kreisring
  

Claims (10)

1. Passiver Signalgeber (10; 10'; 20) eines optischen Koordinatenerfassungssystems für den medizinischen Einsatz, mit einer Retroreflexionsfläche (11; 11'; 21) für Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder nahen bis mittleren infraroten Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflexionsfläche dampfdicht und autoklavierbar gekapselt ist, wobei der sie bedeckende Bereich der Kapselung aus für die beim Koordinatenerfassungssystem verwendete Strahlung transparentem Material besteht.

2. Signalgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflexionsfläche (11; 11'; 21) in einem oberhalb von 130°C bis 150°C temperaturbeständigen Kunststoff mit hoher Spannungsrißfestigkeit gekapselt ist, welcher transparent für Strahlung im Bereich des nahen bis mittleren Infrarot ist.

3. Signalgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflexionsfläche (11; 11'; 21) in Polysulfon gekapselt ist.

4. Signalgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflexionsfläche (11; 11'; 21) eben bis teilkugelförmig gekrümmt oder räumlich gefaltet ist und ihre Kapselung einen Träger (13; 13'; 23) und eine Abdeckung (18; 28) umfaßt, die miteinander gasdicht, insbesondere durch Ultraschallverschweißung, verbunden sind.

5. Signalgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (18; 28) aus ungefärbten und der Träger aus dunkel, insbesondere schwarz, eingefärbten Material, insbesondere Polysulfon, besteht.

6. Signalgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schaftabschnitt (14; 24) mit Befestigungsmitteln zur Befestigung an einer Messtaster (16) und einen sich gegenüber dem Schaftabschnitt erweiternden Reflektorabschnitt (15; 15'; 25).

7. Signalgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftabschnitt (14; 24) ein Innengewinde oder innenliegende Rastmittel (24b) aufweist.

8. Signalgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflexionsfläche durch eine auf eine Trägerfläche aufgeklebte handelsübliche Retroreflexionsfolie (11; 11'; 21) gebildet ist.

9. Signalgeber nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflexionsfläche (11; 11') eben kreisförmig innerhalb eines vorstehenden Umfangsrandes des Trägers (13; 13') angeordnet und die Abdeckung als kreisförmige, in den Umfangsrand eingeschweißte Abdeckplatte (28) ausgebildet ist.

10. Signalgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflexionsfläche (21) halbkugelförmig auf einem kreisringförmig überstehendem Träger (23) und die Abdeckung (28) als Halbkugelschale ausgebildet ist, welche mit dem kreisringförmigen Abschnitt (25a) des Träger verschweißt ist.