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Die
Erfindung betrifft ein zum Einsatz im Kranken- oder Pflegebereich
bestimmtes Verfahren zur berührenden
Messung einer auf einen entgegen einer Rückstellkraft beweglichen Kraftaufnehmer
wirkenden Kraft. Weiterhin betritt die Erfindung eine Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens.
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Zur
Messung von Kräften
ist es aus dem Stand der Technik bereits allgemein bekannt, die
Verformung eines Verformungskörpers
als Abstandsänderung
messtechnisch zu erfassen und daraus die Verformungskraft zu berechnen.
Beispielsweise wird bei einer einfachen Federwaage die Verformung
einer Feder und die damit verbundene Positionsänderung erfasst und mittels
der vorbekannten Federkonstante auf die wirkende Kraft geschlossen.
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Solche
Federwaagesysteme sind beispielsweise durch die
DE 329 915 C bekannt. Durch
die auftretende Kraft wird eine das Verformungselement bildende
Feder über
eine Strecke ausgelenkt, so dass die Auslenkung als Abstandsänderung
durch ein Zeigersystem ausgelesen werden kann.
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Die
FR 2 830 743 A1 betrifft
bereits ein zum Einsatz im Kranken- oder Pflegebereich bestimmtes Positionsmessverfahren,
bei dem die jeweilige Raumposition eines Tasters erfasst wird. Der
Taster umfasst einen ergonomisch ausgeformten Hauptkörper, die
es dem Chirurgen gestattet, den Hauptkörper mit einer Hand zu halten.
Der Hauptkörper
2 ist
starr und hohl, um ein Verbindungsmittel aufzunehmen, das aus einem
Stab und einem Tastkopf besteht, während das andere Ende ein Erfassungselement mit
drei Markern umfasst. Eine Druckfeder umschließt den Stab und ist in dem
Hauptkörper
abgestützt
und führt
dazu, dass in einer Ruheposition einer der Marker innerhalb eines
hohlen Endabschnittes des Hauptkörpers
liegt. In dieser Position kann die Position nicht gemessen werden.
In einer Aktivposition verschiebt der Chirurg den Hauptkörper entgegen
der Rückstellkraft
der Druckfedern, indem der Tastkopf gegen einen Knochen angelegt
wird. Dadurch sind alle Marker des Erfassungselementes sichtbar,
so dass die Positionsmessungen durchgeführt werden kann. Eine Messung
ist somit nur dann möglich,
wenn der Tastkopf gegen den Knochen anliegt.
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Weiterhin
sind durch die
US 29
20 880 A und die
DD
280 820 A1 Verfahren zur Kraftmessung mittels Dehnungsmesstreifen
bekannt. Diese Verfahren gestatten die Erfassung geringster Verformungen
zur Bestimmung der einwirkenden Kraft. Es ist ein elektrischer Aufbau
und Anschluss an eine Steuereinheit erforderlich.
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Weiterhin
bezieht sich auch die
DE
38 26 225 A1 auf einen Verformungskörper, welcher der Bestimmung
der auftretenden Kraft aufgrund einer Längenänderung dient. Eine Längenmesseinrichtung ist
dabei an dem Verformungskörper
befestigt.
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Aus
der
DE 38 43 121 A1 ist
das Prinzip der Kraftmessung durch optische Effekte innerhalb des Verformungselementes
bekannt. Die Laufzeit des in den Verformungskörpers eingekoppelten Lichtes wird
hierzu ermittelt. Als Lichtquelle eignen sich unter anderem Laserdioden,
thermische Lichtquellen oder Lichtdioden. Die gemessene Laufzeit
steht in einem bekannten Verhältnis
zur Verformung aus der sich die einwirkende Kraft ableiten lässt.
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Die
DE 41 32 110 A1 beschreibt
ein Messverfahren, bei dem durch Deformation eines durch eine Kraft
beanspruchten Körpers
die wirkende Kraft mit einem Interferometer bestimmt wird. Die Deformation
des Körpers
resultiert in der Beeinflussung eines Abstandes, welcher in Relation
zu einem Referenzabstand gesetzt wird.
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Die
DE 101 17 403 A1 betrifft
ein Verfahren und System zum minimalen Gewebeabtrag in der Medizin
und Zahnmedizin. Um kontrolliert Gewebe präzise an der richtigen Stelle
entfernen zu können, ist
das Verfahren insbesondere für
das kontrollierte Anordnen, Führen
von Handstücken
sowie die Zu- und Abschaltung der Effektorenergie in der Chirurgie und
Zahnheilkunde zum optimalen Gewebeabtrag anwendbar. Hierzu wird
vorzugsweise die Leistung, Form oder Lage des angeordneten oder
geführten materialabtragenden
Effektors so gesteuert oder geregelt, dass Kriterien möglichst
optimal erfüllt
werden können.
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Als
nachteilig erweist sich bei solchen Messverfahren, bei denen die
gewonnenen Messdaten mittels einer Steuereinheit automatisiert erfasst
werden, dass zur Messung der auftretenden Kräfte Sensoren in unmittelbarer
Nähe des
Patienten erforderlich sind. Insbesondere müssen bei den nach dem Stand
der Technik bekannten Verfahren stromführende Leitungen zur Energieversorgung
und Signalübermittlung
in unmittelbarer Nähe
am Körper
des Patienten verlegt werden. Die Einwirkungen von Energiequellen
in der Nähe
des Patienten sind jedoch aufgrund der damit verbundenen potentiellen
Risiken zu vermeiden und bedürfen zudem
zusätzlicher
Maßnahmen
und damit eines erhöhten
Aufwandes zur Sicherung des Patienten.
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Weiterhin
sind zusätzliche
Kabel in der Nähe der
Operations- oder Behandlungszone immer hinderlich und bedürfen zusätzlicher
Maßnahmen
und spezieller Materialien zur Gewährleistungen der Sterilität bei der
Operation oder Behandlung.
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Weiterhin
ist es bereits aus der modernen Medizintechnik bekannt, optische
Positions-Meßsysteme
zur Operationsunterstützung,
beispielsweise zur Navigation von Operationsinstrumenten einzusetzen.
Das Prinzip beruht dabei insbesondere darauf, eine eindeutige Positionszuordnung
von individuellen Patientendaten, beispielsweise CT-Daten, in Relation
zu der Position der Operationsinstrumenten zu setzen und diese Relation
zu visualisieren.
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Die
US 3 966 326 betrifft ein
Verfahren zur Erfassung der Kontaktdruckverteilung über eine Oberfläche. Dabei
werden die Druckkräfte über eine Druckübertragungsschicht
punktweise und senkrecht auf eine fotoelastische Schicht übertragen,
so dass die einzelnen Punkte in der Schicht Spannungen in deren
Ebene erzeugen, wodurch sich die optischen Eigenschaften ändern. Diese
Veränderung
des reflektierten Lichtes wird mittels Bestrahlung durch polarisiertes
Licht in Form von lnterferenzbildern sichtbar.
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Die
DE 100 54 282 A1 bezieht
sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position,
Orientierung oder Verformung eines Objektes, bei welchem von einem
oder mehreren an dem Objekt angeordneten Signalgebern elektromagnetische
Signale ausgesendet werden. Die Signalgeber werden derart gesteuert,
dass die einzelnen Signale voneinander unterscheidbar sind. Die
Signale werden auf wenigstens einen zweidimensional auflösenden Lagedetektor
projiziert und dort in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt
und aus den Lagekoordinaten die Position, Orientierung und/oder Verformung
des Objektes bestimmt wird.
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Die
US 2004/0158260 A1 bezieht
sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines
zum Beispiel gebogenen oder nicht rotationssymmetrischen Elements
oder Instruments, wie zum Beispiel eines Implantats, einer Führungshülse und/oder
eines Halteelements. Dabei ist das Element oder Instrument mit mindestens
einem Navigationselement verbunden und wird in mindestens zwei und bevorzugt
mehreren unterschiedlichen Positionen an eine Kalibriervorrichtung
angelegt. Die Kalibriervorrichtung weist eine oder mehrere Oberflächen auf, deren
Verlauf oder räumliche
Position bekannt ist. Die Kalibriervorrichtung kann beispielsweise
eine Ebene sein, deren räumliche
Position bekannt ist. Die räumliche Position
des Elements oder Instruments kann zunächst an mindestens einem Punkt
ermittelt werden, welcher mit dem mindestens einen Navigationselement
verbunden ist. Wird das Element oder Instrument auf die Ebene gelegt
und so über
die Ebene bewegt oder gedreht, dass das Element oder Instrument
immer mit mindestens einem Punkt auf der Ebene aufliegt, so kann
eine Vielzahl von Messwerten ermittelt werden, aus welchen sich
bei einer hinreichend großen
Anzahl unterschiedlicher Anlagepositionen der Verlauf des gebogenen
Elements oder Instruments bzw. dessen Geometrie ermitteln lässt.
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Die
WO 2004/016178 A2 bezieht
sich allgemein auf ein optisches Messsystem, bei dem die jeweilige
Raumposition eines Werkzeuges erfasst wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu schaffen, durch welche die Messwerterfassung ohne zusätzliche
Einwirkung einer elektrischen Energieversorgung oder Datenleitung
auf den Patienten zu schaffen. Weiterhin liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche
2 bis 10 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Erfindungsgemäß ist also
ein zum Einsatz im Kranken- oder Pflegebereich bestimmtes Verfahren zur
berührenden
Messung einer auf einen entgegen einer Rückstellkraft beweglichen Kraftaufnehmer
wirkenden Kraft vorgesehen, bei dem eine Abstandsänderung
des Kraftaufnehmers gegenüber
der Aufnahme erfasst wird und mittels einer Steuereinheit die wirkende
Kraft aufgrund vorbestimmter Parameter des Verformungselementes
sowie der erfassten Abstandsänderung
bestimmt wird, wobei die Abstandsänderung berührungslos mittels eines Positionsmessverfahrens
automatisiert erfasst wird, indem die jeweilige Raumposition des
Kraftaufnehmers und der Aufnahme erfasst werden, wobei zur Bestimmung elastischer
Eigenschaften eines Körpers,
insbesondere des Körpergewebes,
der Kraftaufnehmer gegen die Oberfläche angelegt und die durch
die Einwirkung der Kraft bedingte geänderte Position des Kraftaufnehmers
auf dem elastisch verformten Körper
erfasst und die auf das Gewebe eines Patienten wirkende Kraft bestimmt
wird. Auf diese Weise wird die Position des Kraftaufnehmers relativ
zu dem Patienten sowie zu den Operationsinstrumenten ermittelt und
bedarfsweise für
den Operateur visualisiert. Der Körperbereich der Krafteinwirkung
kann dadurch zuverlässig
erfasst und nachfolgende Messungen an derselben Stelle mit hoher
Genauigkeit durchgeführt werden.
Hierzu wird die auf das Gewebe eines Patienten wirkende Kraft bestimmt,
um aufgrund der Messung eine eindeutige Identifikation von Organen und Geweben
aufgrund der charakteristischen elastischen Eigenschaften zu realisieren.
Die Bestimmung der Elastizität
des Gewebes wird dadurch erstmals praktisch möglich, weil eine plastische
Verformung der erfassenden Körperregion
unterbleibt und dadurch insbesondere eine unerwünschte Traumatisierung vermieden
wird. Die Verlagerung des Kraftaufnehmers aufgrund der einwirkenden
Kraft kann dabei in einfacher Weise zur Bestimmung der Elastizität herangezogen
werden, indem einerseits die Abstandsänderung des Verformungselementes
gegenüber
der Aufnahme zur Bestimmung der Kraft herangezogen wird und die
Positionsänderung
des Kraftaufnehmers aufgrund der Krafteinwirkungen als Wegstrecke
bestimmt werden, die auf der Basis der zuvor ermittelten Kraft zur
Bestimmung der Elastizität
dient.
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Die
Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass eine unerwünschte Übertragung
elektrischer Energie oder eines elektrischen Feldes auf den Patienten,
ebenso wie in der Nähe
des Patienten positionierte und zu sterilisierende Leitungen und
elektrische Bauelemente dann vermieden werden können, wenn die Abstandsänderung
mittels eines Bildverarbeitungssystemes automatisiert erfasst wird. Diese
Bilderfassung erfordert lediglich einen Sichtkontakt zwischen dem
im Operationsbereich eingesetzten Kraftaufnehmer und der Kamera,
wobei die Kamera außerhalb
des Operationsgebietes positioniert wird. Der Kraftaufnehmer kann
dabei beispielsweise in ein Instrument integriert werden, um so
den konstruktiven Aufwand gering zu halten. Die hierzu erforderlichen
Elemente erfordern keinerlei Energieversorgung, sondern beruhen
auf dem an sich bekannten Prinzip der Federwaage. Die zur Bestimmung
der Kraft erforderlichen Parameter des Verformungskörpers, insbesondere
der Federkonstante, sind in einem Datenspeicher der Steuereinheit
abgelegt. Die einwirkende Kraft kann so in Echtzeit ermittelt und
beispielsweise auf einem Monitor visualisiert werden. Neben optischen
Messverfahren kann die Abstandsänderung
alternativ oder ergänzend
auch mittels eines elektromagnetischen Messverfahrens erfasst werden.
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Gemäß einer
weiteren, ebenfalls besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird die von einem Operateur auf ein Instrument übertragene
Kraft bestimmt, um so einerseits die Kraftübertragung auf das Instrument
und dadurch auf den Patienten zu erfassen und ein Signal für den Operateur
beispielsweise als Kontrollgröße zu erstellen.
Andererseits wird die von dem Operateur auf das Instrument übertragene
Kraft als Steuerungs- oder Regelgröße für das Instrument
oder weitere Einrichtungen verwendet, so dass der Operateur aufgrund der
von ihm aufgebrachten Kraft das Instrument steuern kann. Die Kraftmessung
ermöglicht
eine einfache Steuerung durch den hierzu beispielsweise als Joystick
ausgeführten
Kraftaufnehmer während
der Operation. Bei interaktiven Robotersystemen werden solche Joysticks
für eine
Nullkraftreglegung eingesetzt. Der Benutzer übt zuerst eine Kraft auf das
System aus, bevor sich das System in die Richtung der aufgebrachten
Kraft bewegt.
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Sobald
die Kraft durch die Bewegung des Roboters ausgeglichen ist, kommt
der Roboter zum Stillstand.
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Zudem
kann aufgrund der erfassten Raumposition des Kraftaufnehmers eine
unzulässige
Abweichung der ermittelten Kraft von einem insbesondere positionsabhängigen Referenzwert,
insbesondere Erfahrungswert ermittelt werden, so dass ein eine maximale
Belastung überschreitender
Wert bezogen auf eine bestimmte Körperregion des Patienten zuverlässig ausgeschlossen
ist. Der Referenzwert kann hierzu beispielsweise aus anatomischen Daten
gewonnen werden.
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Weiterhin
erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die Bewegungsrichtung
der Relativbewegung des Kraftaufnehmers gegenüber dem Aufnehmer erfasst wird,
um so die Wirkrichtung der Kraft in einfacher Weise erfassen und
visualisieren zu können.
In Verbindung mit einem Instrument kann so der Operationsfortschritt überwacht
werden.
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Die
zweitgenannte Aufgabe, eine zum Einsatz im Kranken- oder Pflegebereich
bestimmte Vorrichtung zur berührenden
Messung einer auf einen Kraftaufnehmer wirkenden Kraft, mit einer
Aufnahme für
ein elastisches Verformungselement zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen,
entgegen dessen Rückstellkraft
der Kraftaufnehmer beweglich ist, wird gelöst indem der Kraftaufnehmer
sowie die Aufnahme mit jeweils einer Referenzmarkierung zur Erfassung
einer Abstandsänderung
ausgestattet sind und mit einer Steuereinheit zur Bestimmung der
wirkenden Kraft aufgrund vorbestimmter Parameter, insbesondere die
Verformungseigenschaften des Verformungselementes sowie der erfassten
Abstandsänderung,
wobei die Position und die Orientierung der Referenzmarkierungen
berührungslos
mittels eines Positionsmessverfahrens, insbesondere mittels einer
Kamera eines Bildverarbeitungssystems automatisiert erfassbar sind,
wobei mittels der Vorrichtung die jeweilige Raumposition der Referenzmarkierungen
erfassbar ist und der Kraftaufnehmer zur Erfassung der auf das Gewebe
eines Patienten wirkenden Kraft bestimmt ist. Die Referenzmarkierungen ermöglichen
dabei eine automatisierte Erfassung mittels der Kamera, ohne dass
hierzu ein manueller Eingriff erforderlich ist. Die Vorrichtung
erfordert daher keine Energieversorgung im Bereich der Krafteinwirkung,
so dass lediglich mechanische Bauelemente eingesetzt werden. Vielmehr
erfordert die Bilderfassung lediglich einen Sichtkontakt zwischen
dem im Operationsbereich eingesetzten Kraftaufnehmer und der Kamera,
wobei die Kamera derart angebracht werden kann, dass eine Beeinträchtigung oder
Behinderung des Patienten oder des Operateurs ausgeschlossen ist.
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Weiterhin
erweist es sich als besonders hilfreich, wenn die Referenzmarkierung
nach dem Prinzip eines 3-Koordinatensystems aufgebaut ist, um so eine
einfache Bestimmung der Raumposition der mit drei Einzelkoordinaten
ausgestatteten Referenzmarkierung mittels einer einzigen Kamera
zu ermöglichen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Abwandlung der Erfindung ist der Kraftaufnehmer
zur Erfassung einer von einem Operateur auf ein Instrument übertragenen
Kraft bestimmt, um so die Kraftübertragung
des Operateurs als Steuergröße für Operationshilfsmittel
nutzen zu können.
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Dabei
ist gemäß einer
weiteren vorteilhaften Abwandlung der Kraftaufnehmer in Richtung
mehrerer Raumachsen beweglich, so dass beispielsweise der Betrag
ebenso wie die Richtung einer ausgeübten Kraft als Steuergröße für eine Bewegung
bestimmt werden kann. Beispielsweise bilden hierzu mehrere Verformungselemente
eine X-Achse und eine Y-Achse eines Koordinatensystems.
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Die
Erfindung lässt
verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
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1 eine
Seitenansicht einer Vorrichtung zur berührenden Messung einer Kraft;
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2 die
in 1 gezeigte Vorrichtung in einer gegen einen elastischen
Körper
anliegenden Ausgangsposition;
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3 die
in 2 gezeigte Vorrichtung in einer gegen den elastisch
verformten Körper
anliegenden Messposition;
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4 eine
Seitenansicht einer weiteren Vorrichtung zur Messung einer Querkraft;
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5 eine
Draufsicht auf eine weitere Vorrichtung zur Bestimmung einer Betätigungskraft
und deren Wirkrichtung;
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6 eine
Seitenansicht einer weiteren Vorrichtung zur Messung einer Krafteinwirkung
in Richtung einer X-Achse und einer Z-Achse.
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer Vorrichtung 1 zur berührenden
Messung einer auf einen starren Körper 2 wirkenden Kraft
F. Die Vorrichtung 1 hat ein als Federelement ausgeführtes elastisches Verformungselement 3,
entgegen dessen Rückstellkraft
ein Kraftaufnehmer 4 mit seiner Tastspitze 5 in einer
Aufnahme 6 beweglich ist. Der Kraftaufnehmer 4 sowie
die Aufnahme 6 sind mit jeweils einer Referenzmarkierung 7, 8 ausgestattet,
deren Raumpositionen mittels einer Kamera 9 eines Bildverarbeitungssystems 10 automatisiert
erfassbar sind. Auf diese Weise kann mittels einer nicht gezeigten
Steuereinheit die relative Abstandsänderung Δs ermittelt werden und daraus
auf der Basis der vorbekannten Federkonstante der Betrag der einwirkenden
Kraft F bestimmt werden. Die Vorrichtung 1 erfordert daher
weder eine Energieversorgung noch ein Datenkabel im Bereich der
Krafteinwirkung, so dass lediglich mechanische Bauelemente im Operationsgebiet
eingesetzt werden. Die eindeutige Bestimmung der Raumposition der
Referenzmarkierungen 7, 8 erfolgt dabei nach dem
Prinzip eines 3-Koordinatensystems durch die Position der Referenzmarkierungen 7, 8 im Raum.
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Die 2 und 3 zeigen
demgegenüber die
in 1 gezeigte Vorrichtung 1 in einer gegen
einen elastischen Körper 11 anliegenden
Ausgangsposition einerseits und einer gegen den elastisch verformten
Körper 11 anliegenden
Messposition andererseits. Zusätzlich
zu der Abstandsänderung Δs wird dabei
die örtliche
Verlagerung des Kraftaufnehmers 4 mit seiner Tastspitze 5 unter
dem Einfluss der Krafteinwirkung als Positionsänderung Δd mittels der Referenzmarkierungen 7, 8 ermittelt.
Mittels eines von der Steuereinheit automatisiert durchführbaren
Berechnungsverfahrens wird dadurch ergänzend noch die Elastizität des Körpers 11 bestimmt,
um so beispielsweise signifikant abweichende Gewebeeigenschaften
zu erfassen.
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Eine
demgegenüber
abgewandelte Vorrichtung 12 zur Messung einer Querkraft
zeigt 4 in einer Seitenansicht. Der Kraftaufnehmer 13 ist
dabei quer zu seiner Längsachse
entgegen der Rückstellkraft
jeweils eines beiderseits des Kraftaufnehmers 13 angeordneten,
als Federelement ausgeführten Verformungselementes 14 beweglich.
Der Kraftaufnehmer 13 sowie eine Aufnahme 15 sind
jeweils mit der Referenzmarkierung 7, 8 zur automatisierten
Er fassung einer Abstandsänderung
mittels der Kamera 9 des Bildverarbeitungssystems 10 ausgestattet.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf eine weitere als Joystick ausgeführte Vorrichtung 16 zur
Bestimmung einer Betätigungskraft
und deren Wirkrichtung. Hierzu hat die Vorrichtung 16 einen
zentralen Kraftaufnehmer 17, welcher unter dem Einfluss
einer Betätigungskraft
relativ zu einer den Kraftaufnehmer 17 ringförmig einschließenden Aufnahme 18 beweglich ist.
Hierzu sind vier als Federelemente ausgeführte Verformungselemente 19 mit
einer insbesondere übereinstimmenden
Federkonstante vorgesehen. Der Kraftaufnehmer 17 und die
Aufnahme 18 sind jeweils mit der Referenzmarkierung 7, 8 zur
Erfassung einer Abstandsänderung
ausgestattet, deren Raumpositionen mittels der Kamera 9 des
Bildverarbeitungssystems 10 automatisiert erfasst werden.
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6 zeigt
eine Seitenansicht einer weiteren Vorrichtung 20 zur Messung
einer Krafteinwirkung in Richtung einer X-Achse quer zur Längsachse eines
Kraftaufnehmers 21 und einer Y-Achse in Achsrichtung. Hierzu
ist ein Kraftaufnehmer 21 durch drei Verformungselemente 22 mit
einer Aufnahme 23 in Richtung der X-Achse und der Y-Achse
beweglich verbunden, wobei die Referenzmarkierungen 7, 8 mittels
der Kamera 9 des Bildverarbeitungssystems 10 erfasst
werden.