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Die vorliegende Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrument umfassend eine Energieerzeugungseinheit (34) zum Erzeugen von elektrischer Energie aus mechanischer Energie und eine von der Energieerzeugungseinheit (34) mit elektrischer Energie gespeiste Sendevorrichtung (28) zum Erzeugen und Abstrahlen eines von einer Nachweisvorrichtung (16) empfangbaren Positionssignals (32), wobei die Nachweisvorrichtung (16) Teil eines Navigationssystems zum Bestimmen der Position und/oder der Orientierung des Instrumentes (10) im Raum (12) ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein chirurgisches Navigationssystem zum Bestimmen der Position und/oder der Orientierung eines chirurgischen Instrumentes im Raum, umfassend ein chirurgisches Instrument und eine Nachweisvorrichtung zum Empfangen eines von dem Instrument ausgehenden Positionssignals.
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Es ist bekannt, chirurgische eingriffe navigiert durchzuführen, das heißt, während eines chirurgischen Eingriffs die Position und/oder die Orientierung des Instruments im Raum zu verfolgen. Dies wird beispielsweise dadurch ermöglicht, daß am chirurgischen Instrument ein Markerelement, ein sogenannter ”rigid body”, angeordnet wird, welches insbesondere Infrarotstrahlung, welche von einer Nachweisvorrichtung ausgesandt wird, reflektiert und wobei aus der reflektierten und von der Nachweisvorrichtung empfangenen Strahlung die Position des Markerelements und aufgrund dessen fester räumlicher Beziehung zum Instrument die Position des Instruments bestimmbar ist.
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Nachteilig bei der oben beschriebenen, bekannten Ausführungsform ist, daß mit relativ hoher Strahlungsintensität gearbeitet werden muß und zudem eine Verschmutzung des Markerelements eine Positionsbestimmung völlig unmöglich macht.
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Aus der
EP 1 415 609 A1 ist ein optisches Objektverfolgungssystem bekannt. In der
DE 42 00 076 A1 ist ein passiver Oberflächenwellen-Sensor offenbart, der drahtlos abfragbar ist. Die
DE 100 45 375 C2 offenbart ein medizinisches Instrument, welches einen Sensor aufweist, welcher ein Bauelement aus einem piezoelektrischen Material ist. In der
DE 203 10 618 U1 ist ein Markierelement für ein chirurgisches Navigationssystem beschrieben. Eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Sensors ist aus der
DE 101 03 952 A1 bekannt Chirurgische Vorrichtungen und Verfahren zu deren Verwendung für eine verbesserte taktile Empfindung sind in der
WO 01/49227 A1 beschrieben. Die
WO 98/36395 A2 befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Herstellung kodierter Hochfrequenzsignale. Ferner sind aus der
US 6,239,724 B1 ein System und ein Verfahren zum telemetrischen Bereitstellen von Positionen am Körper eines Patienten bekannt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein chirurgisches Instrument und ein chirurgisches Navigationssystem so zu verbessern, daß die Position und/oder die Orientierung des Instruments im Raum einfach und zuverlässig bestimmbar sind.
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Diese Aufgabe wird bei einem chirurgischen Instrument der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Instrument ein Tastinstrument zum Bestimmen der Positionsdaten eines Raumpunktes ist und eine Tastspitze zum Berühren des zu bestimmenden Raumpunktes aufweist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Instrument ist es möglich, aktiv Positionssignale auszusenden, die von der Nachweisvorrichtung empfangen werden können. Es ist daher nicht mehr erforderlich, daß das Navigationssystem eine Sendeeinrichtung umfaßt, welche Strahlung in einer beliebigen Form aussendet, die beispielsweise von einem Markerelement des Instruments reflektiert werden muß. Da im dreidimensionalen Raum eine Strahlungsintensität umgekehrt proportional zur dritten Potenz des Abstands vom Sender ist und daher mit zunehmendem Abstand vom Sender stark abnimmt, sind im Gegensatz zu passiven Markerelementen beim erfindungsgemäßen Instrument nur relativ kleine Positionssignalamplituden zu erzeugen, um eine zuverlässige Positionsbestimmung des Instruments zu ermöglichen. Des weiteren kann die zum Erzeugen und Abstrahlen des Positionssignals erforderliche elektrische Energie direkt am Instrument erzeugt werden, so daß keine störenden Kabelverbindungen erforderlich sind, um die benötigte Energie zum Instrument zu leiten. Es könnte daher auch auf einen Energiespeicher am Instrument gänzlich verzichtet werden. Trotzdem ist es mit dem vorgeschlagenen Instrument möglich, aktiv ein Positionssignal auszusenden. Besonders vorteilhaft ist es, daß das Instrument ein Tastinstrument zum Bestimmen der Positionsdaten eines Raumpunktes ist und eine Tastspitze zum Berühren des zu bestimmenden Raumpunktes aufweist. Mit einem solchen Instrument lassen sich beispielsweise markante Punkte am Körper eines Menschen oder eines Tieres palpieren durch Berühren mit der Tastspitze. Wird gleichzeitig die Position des Instrumentes im Raum bestimmt, lassen sich so Positionsdaten palpierten Punktes ermitteln.
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Besonders günstig ist es, wenn das Instrument eine Auslösevorrichtung umfaßt zum Erzeugen eines Auslösesignals, mit welchem die Sendevorrichtung aktivierbar ist zum Abstrahlen eines Positionssignals. Auf diese Weise kann eine Bedienperson beispielsweise bestimmen, zu welchem Zeitpunkt ein Positionssignal abgestrahlt werden soll. Dadurch läßt sich insbesondere eine Strahlenbelastung in einem Operationsraum minimieren. Das Auslösesignal könnte beispielsweise die Sendevorrichtung kurzzeitig aktivieren oder dauerhaft in Betrieb nehmen.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Sendevorrichtung in Form einer elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ausgebildet ist. Auf diese Weise läßt sich die Sendevorrichtung besonders kompakt und klein ausbilden, so daß eine Baugröße des Instruments besonders klein gehalten werden kann.
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Um eine Abstrahlung des Positionssignals von der Sendevorrichtung in definierter Weise zu gestalten, ist es günstig, wenn die Sendevorrichtung eine Antenne zum Abstrahlen des Positionssignals aufweist. Damit läßt sich insbesondere eine Strahlungscharakterristik der Sendevorrichtung durch entsprechende Ausgestaltung der Antenne in gewünschter Weise vorgeben. Ferner kann bei einer festen räumlichen Beziehung zwischen der Antenne und einer Spitze oder einem anderen Punkt des Instruments, aus der Bestimmung des von der Antenne abgestrahlten Positionssignals die Position der Spitze oder des weiteren Punkts des Instruments bestimmt werden.
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Besonders einfach läßt sich ein Positionssignal nachweisen, wenn es ein elektromagnetisches Strahlungssignal ist. Elektromagnetische Strahlungssignale lassen sich zudem besonders einfach durch eine Sendevorrichtung in Form einer elektrischen und/oder elektronischen Schaltung erzeugen und über eine Antenne, beispielsweise eine Dipolantenne, aussenden.
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Günstigerweise kann vorgesehen sein, daß das elektromagnetische Strahlungssignal eine Wellenlänge aufweist, welche Mikrowellenstrahlung, Infrarotstrahlung oder sichtbarem Licht entspricht. Dies gestattet es, das erfindungsgemäße Instrument auch in Verbindung mit herkömmlichen Navigationssystemen einzusetzen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Wellenlänge des elektromagnetischen Strahlungssignals am Instrument variierbar ist, das heißt, daß zum Beispiel zwischen unterschiedlichen Wellenlängen ausgewählt und entsprechend umgeschaltet werden kann.
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Vorteilhafterweise, ist das Positionssignal in Form eines kurzen Pulses von der Sendevorrichtung aussendbar. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise mittels dreier Empfänger bei bekannter Pulsdauer durch Triangulation die Position des Senders des Positionssignals bestimmen.
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Grundsätzlich wäre es denkbar, daß die Energieerzeugungseinheit in einer Form ausgebildet ist, um Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Besonders einfach wird jedoch der Aufbau des Instruments, wenn die Energieerzeugungseinheit druckbetätigbar ist. Beispielsweise kann Energie dadurch erzeugt werden, daß gegen die Energieerzeugungseinheit gedrückt wird oder daß das Instrument gegen einen Gegenstand gedrückt wird, wodurch dann die Energieerzeugungseinheit druckbetätigt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Instrument eine Betätigungsvorrichtung umfaßt zum Betätigen der Energieerzeugungseinheit. Dies gestattet es, die Energieerzeugungseinheit beispielsweise geschützt am Instrument anzuordnen, wodurch insbesondere eine Beschädigung des Instruments, wenn es einem Sterilisationsvorgang unterworfen wird, vermieden werden kann.
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Der Aufbau des Instruments läßt sich weiter vereinfachen, wenn die Betätigungsvorrichtung einen Druckschalter oder Drucktaster umfaßt zur Druckbeaufschlagung der Energieerzeugungseinheit. Dies ermöglicht es, allein durch Betätigen des Druckschalters oder Drucktasters die für die Abstrahlung eines Positionssignal erforderliche elektrische Energie zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Betätigungsvorrichtung einen federnd vorgespannten Druckstempel umfaßt. Dadurch wird, ausgehend von einer Grundstellung, eine Betätigung der Betätigungsvorrichtung nur entgegen dem federnd vorgespannten Druckstempel ermöglicht. Aufgrund der federnden Vorspannung wird der Druckstempel ohne Druckbeaufschlagung stets in seine Grundstellung überführt.
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Zur Vereinfachung des Aufbaus des Instruments kann vorgesehen sein, daß die Betätigungsvorrichtung die Auslösevorrichtung umfaßt, bildet oder aktiviert. Insbesondere dann, wenn die Auslösevorrichtung Teil der Betätigungsvorrichtung ist oder diese bildet, können zwei Funktionen mit einer einzigen Vorrichtung realisiert werden und auf diese Weise die Zahl der erforderlichen Baugruppen oder -teile des Instruments minimiert werden. Die Betätigungsvorrichtung kann die Auslösevorrichtung jedoch auch aktivieren, das heißt durch Betätigen der Betätigungsvorrichtung kann auch gleichzeitig das Auslösesignal erzeugt werden, welches dazu führt, daß die Sendevorrichtung ein Positionssignal abstrahlt.
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Günstigerweise ist die Betätigungsvorrichtung an der Tastspitze angeordnet. Die Bedienung des Instruments wird so wesentlich erleichtert, denn so kann beispielsweise durch Berühren des Raumpunktes, dessen Positionsdaten zu ermitteln sind, mit der Tastspitze die Betätigungsvorrichtung betätigt werden, wodurch insbesondere ein Positionssignal von der Sendevorrichtung ausgesendet und/oder die Auslösevorrichtung aktiviert und/oder betätigt werden kann.
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Noch einfacher werden der Aufbau des Instruments und seine Handhabbarkeit, wenn die Betätigungsvorrichtung die Tastspitze bildet. Drückt eine Bedienperson beispielsweise mit der Tastspitze gegen einen Gegenstand, so kann automatisch durch das Berühren des Gegenstandes mit dem Navigationssystem eine Position des berührten Punktes im Raum ermittelt werden.
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Da die Sendevorrichtung, insbesondere eine Antenne derselben, nicht immer direkt an beziehungsweise in der Tastspitze angeordnet werden kann, ist es günstig, wenn die Sendevorrichtung relativ zur Tastspitze unbeweglich oder im wesentlichen unbeweglich am Instrument angeordnet ist. Aufgrund einer relativen räumlichen Anordnung der Sendevorrichtung relativ zur Tastspitze des Instruments läßt sich somit indirekt eine Position der Tastspitze im Raum aus mit dem Navigationssystem ermittelten Positionsdaten der Sendevorrichtung, insbesondere deren Antennenpositionsdaten, ermitteln.
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Auf besonders einfache Weise läßt sich elektrische Energie aus mechanischer Energie erzeugen, wenn die Energieerzeugungseinheit ein piezoelektrisches Element umfaßt. Dieses kann insbesondere ein Piezokristall sein. Piezokristalle sind aufgrund ihres anisotropen Aufbaus geeignet, infolge eines auf sie ausgeübten Drucks eine elektrische Spannung bereitzustellen, das heißt eine Komprimierung des Kristalls führt zu einer vom ausgeübten Druck abhängigen Ladungstrennung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Instrument einen Energiespeicher zum Speichern der von der Energieerzeugungseinheit erzeugten elektrischen Energie und/oder zur Versorgung der Sendeeinrichtung mit Energie umfaßt. Wenn beispielsweise bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung nicht ausreichend mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann zum Erzeugen eines Positionssignals, so kann die zur Erzeugung des Positionssignals erforderliche Energie aus dem Energiespeicher entnommen werden. Ferner lassen sich so die Erzeugung elektrischer Energie und das Aussenden des Positionssignals zeitlich voneinander trennen, das heißt es kann zunächst elektrische Energie im Energiespeicher gespeichert und erst zeitverzögert das Positionssignal einmal oder mehrfach hintereinander ausgesandt werden.
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Ein besonders einfacher Aufbau des Instruments ergibt sich, wenn der Energiespeicher in Form einer wiederaufladbaren Batterie oder in Form eines Kondensators ausgebildet ist. Insbesondere mit einem als Energiespeicher dienenden Kondensator läßt sich die Baugröße des Instruments in vorteilhafter Weise minimieren.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird bei einem chirurgischen Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das chirurgische Instrument eines der oben beschriebenen Instrumente ist. Mit einem solchen Navigationssystem kann die Position des Instruments sehr zuverlässig ermittelt werden, ferner wird eine Strahlungsintensität wie oben beschrieben durch eine aktive Sendeeinrichtung des Instruments minimiert.
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Zur einfachen Bestimmung der Positionsdaten des chirurgischen Instruments ist es vorteilhaft, wenn das Navigationssystem mindestens drei räumlich voneinander beabstandete Empfänger zum Empfangen des Positionssignals umfaßt. Damit lassen sich aus den bekannten Abständen der Empfänger und aus ermittelten Laufzeiten des ausgesandten Positionssignals durch Triangulation die Positionsdaten des Instruments bestimmen.
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Um die Positionsdaten automatisch ermitteln zu können, ist es günstig, wenn mindestes eine Datenverarbeitungsarbeit vorgesehen ist zum Berechnen der Position und/oder der Orientierung des chirurgischen Instrumentes im Raum aus gemessenen Signallaufzeitunterschieden des von den mindestens drei Empfängern empfangenen, vom Instrument ausgesandten Positionssignals.
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Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient in Verbindung mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Instruments in einem Operationssaal; und
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2: eine Längsschnittansicht längs Linie 2-2 in 1.
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In 1 ist beispielhaft ein chirurgisches Tast- oder Palpationsinstrument dargestellt und insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Es befindet sich in einem von Begrenzungswänden 14 umgebenen Operationssaal 12. Innerhalb des Operationssaal 12 sind drei voneinander beabstandete Empfänger 16 angeordnet, die geeignet sind, elektromagnetische Strahlung zu detektieren, insbesondere elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich, welcher entweder infrarotem oder sichtbarem Licht entspricht, oder welche geeignet sind, Mikrowellenstrahlung zu detektieren.
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Mit den drei Empfängern 16 ist eine nicht dargestellte Nachweisvorrichtung verbunden, mit welcher die von den Empfängern 16 erzeugten Signale weiterverarbeitet werden, um eine Position und/oder eine Orientierung des Tastinstruments 10 im Operationssaal zu bestimmen, insbesondere mittels einer Datenverarbeitungseinheit zu berechnen. Die Nachweisvorrichtung, die drei Empfänger 16 und das Tastinstrument 10 sind Teil eines Navigationssystems, mit welchem insbesondere das Tastinstrument 10 navigiert werden kann, jedoch auch andere Instrumente, welche in ähnlicher Form aufgebaut sind wie das Tastinstrument 10, oder aber auch Instrumente, die in herkömmlicher Weise mit einem elektromagnetische Strahlung aussendenden oder reflektierenden Markerelement verbunden sind.
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Das in 1 dargestellte Tastinstrument 10 ist im wesentlichen rotaionssymetrisch aufgebaut und weist an seinem proximalen Ende einen Instrumentengriff 18 auf, welcher sich in Richtung einer Längsachse 20 des Tastinstruments 10 erstreckt. In distaler Richtung schließt sich an den Instrumentengriff 18 ein langgestreckter Schaft 22 an, welcher an seinem distalen Ende eine Tastspitze 24 zum Palpieren insbesondere von markanten Punkten an einem menschlichen oder tierischen Körper dient. Die Tastspitze 24 bildet das distale Ende einer auf dem Schaft 22 parallel zur Längsachse 20 verschieblich gelagerten Kappe 26.
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Wie in 2 dargestellt, ist innerhalb des Schafts 22 ein Sender 28 angeordnet, welcher elektromagnetische Strahlung erzeugen und abstrahlen kann. Er dient im wesentlichen als punktförmiger Strahler, wie dies in 1 schematisch durch eine gestrichelt dargestellte Kugelsphäre 30 symbolisiert ist. Die Kugelsphäre 30 symbolisiert eine Fläche, welche von gleichzeitig vom Sender 28 abgestrahlten Wellenzügen 32 begrenzt wird oder gleichzeitig von diesen durchstoßen wird. Die Wellenzüge 32 ergeben sich infolge eines vom Sender 28 allseitig abgestrahlten Strahlungspulses. Ihr Länge ist mit einer Pulsdauer korreliert.
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Der Sender 28, welcher eine elektronische, nicht dargestellte Schaltung umfaßt, ist direkt auf einem Piezokristall 34 angeordnet, welcher als Energieerzeugungseinheit zum Erzeugen elektrischer Energie aus mechanischer Energie dient. Im Piezokristall 34 läßt sich mittels eines Druckstempels 36 ein Spannungspuls erzeugen, dessen Energie ausreichend ist, um den Sender 28, insbesondere dessen elektronische Schaltung, mit Energie zu versorgen und einen Wellenzüge 32 erzeugenden Strahlungspuls zu generieren. Der Druckstempel weist an seinem auf den Piezokristall 34 hin gerichteten Ende eine Druckscheibe 38 und an seinem anderen Ende eine Kugel 40 auf. Zwischen der Druckscheibe 38 und der Kugel 40 erstreckt sich eine Stempelschaft 42 parallel zur Längsachse 20. Er ist an einer elastischen Gummihalbkugel 44 parallel zur Längsachse 20 beweglich gelagert. Die Gummihalbkugel 44 ist im Bereich ihres Randes mit einem Wulst 46 versehen, welcher formschlüssig in einer Wulstaufnahme 48 in einer distalseitigen Stirnkante 50 des Schafts 22 gehalten ist.
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Die Stirnkante 50 ist Teil eines sich in radialer Richtung erstreckenden Ringflansches 52 des Schafts 22, welcher als Führung für die Kappe 26 und gleichzeitig als distaler Anschlag für diese dient. Die Kappe 26 selbst ist an Ihrem proximalen Ende mit einem radial nach innen abstehenden Ringflansch 54 versehen, welcher am Ringflansch 52 in einer Grundstellung des Tastinstruments 10 anliegt. Grund hierfür ist, daß die sich in distaler Richtung wölbende Gummihalbkugel 44 diese Stellung aufgrund ihrer Eigenelastizität selbsttätig einnimmt. An der Kugel 40 stützt sich ein erstes Ende einer Schraubenfeder 56 ab, deren zweites Ende sich an einer Innenwand 58 des die Tastspitze 24 bildenden Teils der Kappe 26 abstützt.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise des Tastinstruments 10 kurz erläutert.
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Drückt eine Bedienperson die Tastspitze 24 gegen einen zu palpierenden Punkt, insbesondere gegen einen markanten Punkt eines menschlichen oder tierischen Körpers, so wird die Kappe 26 gegen die Wirkung der Schraubenfeder 56 parallel zur Längsachse 20 in proximaler Richtung bewegt. Sobald die von der Schraubenfeder 56 ausgeübte Kraft einen bestimmten Betrag überschreitet, stülpt sich die Gummihalbkugel 44, wie in 2' punktiert dargestellt, teilweise um, so daß die Druckscheibe 38 des Druckstempels 36 gegen den Piezokristall 34 schlägt. In diesem wird ein Spannungspuls erzeugt, welcher die elektronische Schaltung des Senders 28 mit Energie versorgt und die Abstrahlung eines elektromagnetischen Pulses auslöst, durch den eine Vielzahl von Wellenzügen 32 identischer Länge vom Sender 28 allseitig in den Raum ausgestrahlt werden. In Abhängigkeit von ihrem Abstand vom Sender 28 des Tastinstruments 10 werden die Wellenzüge 32 in den Empfängern 16 zu unterschiedlichen Seiten delektiert. In Kenntnis der räumlichen Beziehung, insbesondere des Abstandes der Empfänger 16 voneinander, läßt sich dann mittels einer mit den Empfängern 16 verbundenen Datenverarbeitungseinheit durch einfache Triangulation der Ort bestimmen, an welchem sich der Sender 28 zum Zeitpunkt der Aussendung der Wellenzüge 32 befunden hat. Dieser Punkt entspricht dem Zentrum der in 1 gestrichelt dargestellten Kugelsphäre 30. Da zudem der Abstand des Sender 28 von der Tastspitze 24 bekannt ist, lassen sich somit auf einfache Weise die Positionsdaten des mit der Tastspitze 24 palpierten Punktes errechnen.
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Es sei angemerkt, daß die in 2 dargestellten Größenverhältnisse für die Bewegung der Kappe 26 relativ zum Schaft 22 zu Zwecken des leichteren Verständnisses deutlich vergrößert dargestellt sind. Ein Verschiebeweg des Druckstempels 36 muß in der Praxis nicht mehr als wenige Bruchteile eines Millimeters betragen.
