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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein chirurgisches Markerelement für ein mindestens
drei Markerelemente umfassendes Referenzelement eines chirurgischen,
mindestens eine Nachweisvorrichtung zum Detektieren der Position
des Referenzelementes umfassenden Navigationssystems, wobei das Markerelement
eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von Strahlung umfasst, wobei
das Markerelement ein Leuchtfleckerzeugungselement zum Erzeugen
eines von der Nachweisvorrichtung detektierbaren Leuchtflecks umfasst
und wobei das Leuchtfleckerzeugungselement von der Strahlungsquelle
beabstandet und mit von der Strahlungsquelle erzeugter Strahlung
beaufschlagbar ist.
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Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung ein chirurgisches Referenzelement
umfassend mindestens drei Markerelemente für ein chirurgisches, mindestens
eine Nachweisvorrichtung zum Detektieren der Position des Referenzelementes
umfassenden Navigationssystems.
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Des
weiteren betrifft die Erfindung ein chirurgisches Navigationssystem
mit mindestens einem mindestens drei Markerelemente umfassenden
Referenzelement und mit mindestens einer Nachweisvorrichtung zum
Detektieren der Position des Referenzelementes.
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Chirurgische
Navigationssysteme mit Referenzelementen, die mehrere Markerelemente
umfassen, werden seit einigen Jahren in der Chirurgie eingesetzt,
um Operationen unter Bestimmung der Lage und des Ortes sowohl des
Patienten, von Instrumenten und Implantaten durchzuführen. Voraussetzung für einen
präzisen
chirurgischen Eingriff ist dabei stets das genaue Erfassen der Position
der einzelnen Markerelemente der verwendeten Referenzelemente durch
die Nachweisvorrichtung des Navigationssystems. Wichtig ist dabei
insbesondere, dass die Geometrie des Markerelements, zum Beispiel
dessen Mittelpunkt und dessen Position an einem zu navigierenden
Objekt, beispielsweise einem Instrument oder einem Implantatteil,
genau bekannt ist. Von besonderer Bedeutung ist dies vor allem bei
der Navigation mit optischen Positionssensoren, wenn beispielsweise
optische Markerelemente mit einer Stereokamera detektiert werden.
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Bekannt
sind sowohl passive Markerelemente in Form von Licht unterschiedlicher
Wellenlängen reflektierenden
Kugeln oder auch aktive optische Markerelemente in Form von Infrarotleuchtdioden.
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Problematisch
bei bekannten aktiven Markerelementen ist, dass deren Geometrie,
aus welcher sich insbesondere ihr geometrischer oder optischer Mittelpunkt
oder Schwerpunkt bestimmen lässt,
mit der Nachweisvorrichtung nur ungenau bestimmt werden können, sodass
auch die Position des Markerelements nicht exakt ermittelt werden
kann. Gründe
hierfür
sind insbesondere die Verwendung unterschiedlicher Strahlungsquellen
sowie Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Markerelemente,
da es praktisch unmöglich
ist, die Strahlungsquellen bei allen Markerelementen an exakt der
gleichen Position anzuordnen.
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In
der gattungsbildenden WO 97/47240 A1 sind ein System zur Positionserfassung
mit einem Marker und Marker zur Anwendung in einem solchen System
offenbart. Die
EP 1
645 241 A1 befasst sich mit Positionsmarkersystemen mit
Punktlichtquellen. In der
EP
1 415 609 A1 wird ein Positionserfassungssystem für ein optisches
Objekt beschrieben. In der
DE
101 61 787 A1 sind eine Vorrichtung und eine Methode zur
Insertion und Navigation nicht-diskriminierter passiver Marker und
zur Diskriminierung passiver sowie semiaktiver Marker zu Instrumenten- und Knochensegment-
sowie Gewebe- und Organnavigation offenbart. Die
DE 198 05 112 A1 befasst
sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Kalibrieren eines
Navigationssystems bezüglich
Bilddaten eines Magnetresonanzgerätes. In der
DE 295 03 001 U1 wird eine
Vorrichtung zur Ortsbestimmung eines Körperteils beschrieben. Und
schließlich
sind in der US 2003/0210812 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
chirurgischen Navigation offenbart.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein chirurgisches
Markerelement, ein chirurgisches Referenzelement sowie ein chirurgisches
Navigationssystem so zu verbessern, dass die Position des Markerelements
genauer bestimmt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem chirurgischen Markerelement der eingangs
beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Markerelement einen Hohlraum aufweist, dass die Strahlungsquelle
in dem Hohlraum angeordnet ist, dass der Hohlraum eine Strahlungsaustrittsöffnung aufweist und
dass das Leuchtfleckerzeugungselement transparent oder semi-transparent
und derart ausgebildet ist, dass auf das Leuchtfleckerzeugungselement
auftreffende Strahlung diffus abgestrahlt wird.
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Das
Markerelement mit einem Leuchtfleckerzeugungselement auszustatten
hat den Vorteil, dass mit der Nachweisvorrichtung nicht mehr die
von der Strahlungsquelle direkt abgestrahlte Strahlung detektiert
wird, sondern der vom Leuchtfleckerzeugungselement erzeugte Leuchtfleck,
also die vom Leuchtfleckerzeugungselement ausgesandte Strahlung.
Dadurch können
unterschied liche Strahlungsquellen verwendet und an unterschiedlichen
Positionen am Markerelement angeordnet werden, wobei trotzdem sichergestellt
wird, dass die Position des Markerelements eindeutig und hochgenau
mit der Nachweisvorrichtung bestimmt werden kann. Das Leuchtfleckerzeugungselement
ermöglicht
es, einen Leuchtfleck definiert zu erzeugen und somit die Genauigkeit
des Navigationssystems unabhängig
von Fertigungstoleranzen und der Art der verwendeten Strahlungsquelle
zu machen. Ein Leuchtfleck im Sinne der Anmeldung kann ein leuchtender
Flächenbereich
einer ebenen oder gekrümmten
Fläche
sein. Grundsätzlich
wäre es
denkbar, die Strahlungsquelle zwar beabstandet zum Leuchtfleckerzeugungsmittel anzuordnen,
jedoch nicht mit einer Hülle
zu umschließen.
Um äußere Einwirkungen
auf die Strahlungsquelle zu verhindern und diese somit zu schützen, ist es
günstig,
dass das Markerelement einen Hohlraum aufweist, dass die Strahlungsquelle
in dem Hohlraum angeordnet ist und dass der Hohlraum eine Strahlungsaustrittsöffnung aufweist.
Unabhängig
von der Anordnung der Strahlungsquelle im Hohlraum kann die erzeugte
Strahlung so nur durch die Strahlungsaustrittsöffnung austreten. Dadurch lässt sich
ein definierter Leuchtfleck erzeugen, und zwar unabhängig von
der Art und der Position der Strahlungsquelle, die verwendet wird.
Damit das chirurgische Markerelement unabhängig von einer räumlichen
Orientierung im Raum von der Nachweisvorrichtung einfach und sicher
detektiert werden kann, ist es vorteilhaft, dass das Leuchtfleckerzeugungselement
transparent oder semi-transparent und derart ausgebildet ist, dass
auf das Leuchtfleckerzeugungselement auftreffende Strahlung diffus
abgestrahlt wird. Durch die diffuse Abstrahlung der auf das Leuchtfleckerzeugungselement
auftreffenden Strahlung ist der erzeugte Leuchtfleck praktisch unter
beliebigen Betrachtungswinkeln eindeutig nachweisbar.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Strahlungsquelle eine elektromagnetische Strahlungsquelle
zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung ist. Diese Weiterbildung
eines chirurgischen Markerelements gestattet es, herkömmliche,
am Markt zur Verfügung stehende
elektromagnetische Strahlungsquellen einzusetzen, beispielsweise
Glühlampen
oder Leuchtdioden, insbesondere auch Infrarotleuchtdioden.
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Damit
die von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung sicher und mit kostengünstigen
Nachweiselementen detektiert werden kann, ist es günstig, wenn
mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle elektromagnetische
Strahlung in einem Wellenlängenbereich
von 10–2 m
bis 10–8 m
erzeugbar ist.
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Vorteilhafterweise
sind mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle optische Wellen
erzeugbar. Unter dem Begriff optische Welle ist im Sinne dieser
Anmeldung insbesondere elektromagnetische Strahlung zu verstehen,
die eine Wellenlänge
nicht nur im sichtbaren Spektralbereich aufweist, sondern auch im
benachbarten Spektralbereich, nämlich
sowohl im infraroten als auch im ultravioletten Spektralbereich.
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Besonders
einfach wird der Aufbau des chirurgischen Markerelements und damit
dessen Herstellung, wenn die Strahlungsquelle ein Leuchtmittel ist.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Strahlungsquelle eine Glühlampe, eine Metalldampflampe
oder eine Gaslampe ist. Derartige Strahlungsquellen haben insbesondere
den Vorteil, dass mit ihnen auch isotrope Strahlung erzeugbar ist,
also Strahlung, die sich in allen Raumrichtungen oder im Wesentlichen
in allen Raumrichtungen mit derselben Intensität ausbreitet.
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Besonders
kostengünstig
und sparsam im Energieverbrauch können chirurgische Markerelemente
hergestellt werden, wenn die elektromagnetische Strahlungsquelle
eine Infrarotlicht oder im sichtbaren Spektralbereich Licht aussendende
Leuchtdiode ist. Zudem sind derartige Strahlungsquellen sehr klein,
so dass auch die Baugröße des Markerelements
miniaturisierbar ist.
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Der
Aufbau des Markerelements vereinfacht sich weiter, wenn der Hohlraum
in Form einer Ausnehmung oder Vertiefung ausgebildet ist. Beispielsweise
kann der Hohlraum in Form eines Quaders oder Würfels oder auch in Form einer
Hohlkugel ausgebildet sein. Denkbar wäre aber auch jede beliebige unregelmäßige Hohlform.
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Günstig ist
es, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement die Strahlungsaustrittsöffnung umfasst.
Durch die Begrenzung der Durchtrittsfläche für die austretende Strahlung
durch Vorsehen der Strahlungsaustrittsöffnung kann die räumliche
Position und Lage eines Leuchtflecks sehr genau vorgegeben werden.
Dadurch lässt
sich auch die Position des Markerelements sehr genau bestimmen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Strahlungsaustrittsöffnung das Leuchtfleckerzeugungselement
bildet. Der für
die Nachweisvorrichtung sichtbare Leuchtfleck entsteht durch Austritt
von Strahlung aus der Strahlungsaustrittsöffnung. Bei Kenntnis der Geometrie
der Strahlungsaustrittsöffnung
lässt sich so
in definierter Weise bei Ermittlung des Leuchtflecks die Position
des Markers und folglich auch die Position der Vorrichtung genau
angeben, an welcher der Marker beziehungsweise das mehrere Marker umfassende
Referenzelement angeordnet ist.
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Um
Größe und Geometrie
des Leuchtflecks in definierter Weise vorgeben zu können, ist
es günstig,
wenn das Leuchtfleckerzeugungselement die Strahlungsaustrittsöffnung mindestens
teilweise bedeckt. Das Leuchtfleckerzeugungselement ist so mit von
der Strahlungsquelle erzeugter Strahlung beaufschlagbar und kann
einen Leuchtfleck definierter Größe erzeugen,
der mit der Nachweisvorrichtung detektierbar ist.
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Eine
diffuse Abstrahlung der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung
lässt sich
auf einfache Weise erreichen, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement
eine Streuscheibe umfasst.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Leuchtfleckerzeugungselement
mindestens einen Teil einer äußeren Oberfläche des
Markerelements bildet. Es ist so insbesondere möglich, das Markerelement beliebig
zu formen und ein oder mehrere Leuchtfleckerzeugungselemente auf
der Oberfläche des
Markerelements anzuordnen, mit dem oder mit denen definierte Leuchtflecke
erzeugber sind, die von der Nachweisvorrichtung detektiert werden
können.
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Günstig kann
es auch sein, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement die gesamte äußere Oberfläche des
Markerelements bildet. Beispielsweise könnte das Markerelement derart
ausgebildet sein, dass seine gesamte äußere Oberfläche in Form einer Streuscheibe
ausgebildet ist, die einen Hohlraum umgibt, in welchem die Strahlungsquelle
angeordnet ist. Unabhängig
von der genauen Position der Strahlungsquelle im Innern eines solchen
Markerelements wird praktisch die gesamte Oberfläche nahezu homogen leuchten,
sodass ein von der Nachweisvorrichtung erkennbarer genau definierter
Leuchtfleck erzeugbar ist.
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Grundsätzlich wäre es denkbar,
jedem Leuchtfleckerzeugungselement des Markerelements eine eigene
Strahlungsquelle zuzuordnen. Besonders kostengünstig ist es jedoch und besonders
einfach wird der Aufbau des chirurgischen Markerelements, wenn die
Strahlungsquelle zwei oder mehr Leuchtfleckerzeugungselementen zugeordnet
ist. Beispielsweise könnte
eine Strahlungsquelle in einem Hohlraum des Markerelements angeordnet sein,
welcher zwei oder mehr Strahlungsaustrittsöffnungen aufweist, die jeweils
einen Leuchtfleck definieren. Auf diese Weise ließe sich
sogar mit nur einer Strahlungsquelle ein mindestens drei Leuchtflecke erzeugendes
Referenzelement ausbilden, mit dem sowohl Position als auch Orientierung
eines Gegenstands im Raum eindeutig angebbar sind.
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Damit
Verluste von durch die Strahlungsquelle erzeugter Strahlung minimiert
werden können oder
damit eine Energieversorgung der Strahlungsquelle miniaturisiert
werden kann, ist es günstig, wenn
eine Strahlungsbündelungsvorrichtung
vorgesehen ist zum Bündeln
der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung. Je nach Ausgestaltung
der Strahlungsbündelungsvorrichtung
kann zumindest theoretisch die gesamte Strahlung zur Erzeugung eines
definierten Leuchtflecks genutzt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Strahlungsbündelungsvorrichtung
die von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung auf das Leuchtfleckerzeugungselement
hin bündelt
oder auf dieses abbildet. Beispielsweise kann so die erzeugte Strahlung
auf eine Strahlungsaustrittsöffnung
eines Hohlraums des Markerelements abgebildet oder auf diese hin
gebündelt
werden, damit möglichst
die gesamte von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung aus dem
Hohlraum austreten und von der Nachweisvorrichtung nachgewiesen
werden kann.
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Besonders
einfach wird der Aufbau des chirurgischen Markerelements, wenn die
Strahlungsbündelungsvorrichtung
eine mindestens einen Reflektor umfassende Reflektoranordnung und/oder
wenn die Strahlungsbündelungsvorrichtung
ein mindestens eine Linse umfassendes Linsensystem umfasst. Eine Reflektoranordnung
kann für
sich oder gemeinsam mit einem Linsensystem eingesetzt werden, um
die Strahlungsbündelungsvorrichtung
zu bilden oder zumindest einen Teil derselben. Beispielsweise kann ein
Hohlspiegel verwendet werden, um Licht von der im Brennpunkt des
Hohlspiegels angeordneten Strahlungsquelle zu bündeln und gezielt abzustrahlen
oder auf das Leuchtfleckerzeugungselement abzubilden, beispielsweise
auf die Strahlungsaustrittsöffnung
oder eine Streuscheibe.
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Die
eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem chirurgischen Referenzelement
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
mindestens eines der mindestens drei Markerelemente eines der oben
beschriebenen Markerelemente ist. Vorzugsweise sind alle Markerelemente
des Referenzelements in einer Form ausgebildet, die derjenigen der
oben beschriebenen Markerelemente entspricht. Mit einem mit mindestens
einem der oben beschriebenen Markerelemente ausgestatteten Referenzelement
wird eine noch genauere Navigation von Instrumenten oder Implantatteilen
oder dergleichen möglich,
an denen das Referenzelement angeordnet sein kann.
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Des
weiteren wird die eingangs gestellte Aufgabe bei einem chirurgischen
Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass mindestens ein Referenzelement eines der oben beschriebenen
Referenzelemente ist, bei dem mindestens eines der mindestens drei
Markerelemente eines der oben beschriebenen Markerelemente ist.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines chirurgischen Navigationssystems
in einem Operationssaal;
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2:
eine Schnittansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements;
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3:
eine teilweise durchbrochene, perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Referenzelements;
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4:
eine Schnittansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements;
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5:
eine Schnittansicht durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements;
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6:
eine Schnittansicht durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements.
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In 1 ist
ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehenes chirurgisches
Navigationssystem dargestellt, wie es insbesondere in Operationssälen eingesetzt
werden kann. Es umfasst eine Nachweisvorrichtung 12 mit
einer Datenverarbeitungsvorrichtung in Form eines Computersystems 14,
welches zur Anzeige und Verarbeitung von mit Empfängern 16 in
Form von Kameras aufgenommenen Bildern dient. Mit der Nachweisvorrichtung 12 wird
sowohl die Lage als auch die Orientierung von Referenzelementen
detektiert, beispielsweise eines Referenzelements 18, welches
beispielhaft an einem Tastinstrument 20 angeordnet ist.
Mit dem Tastinstrument 20 lassen sich beispielsweise Punkte
im Raum, vorzugsweise am Körper
eines Patienten palpieren.
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Das
Referenzelement 18, welches auch als sogenannter "Rigid Body" bezeichnet wird,
umfasst mindestens drei, bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
sogar sechs, sogenannte Markerelemente 24. Die Markerelemente 24 können auf
verschiedene Weisen ausgebildet sein. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen
passiver und aktiver Technologie, wobei beispielsweise reflektierende
Kugeln als passive Markerelemente eingesetzt werden.
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Die
nachfolgenden Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Markerelemente
betreffen ausschließlich
aktive Markerelemente, die geeignet sind, von der Nachweisvorrichtung 12 detektierbare
Strahlung, insbesondere elektromagnetische Strahlung, auszusenden.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Markerelements
ist in 2 dargestellt. Es ist Teil eines Referenzelements 18 und
umfasst einen Hohlraum in Form einer quaderförmigen Ausnehmung 26 in
einem Grundkörper 28 des
Referenzelements 18, das nur ausschnittsweise dargestellt
ist. Innere Wandflächen
der Ausnehmung 26 sind mit einer elektromagnetische Strahlung
reflektierenden Beschichtung 30 versehen. Die Ausnehmung 26 ist
verschlossen durch eine Streuscheibe 32, die gleichzeitig
einen Teil einer äußeren Oberfläche 34 des
Referenzelements 18 bildet.
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Die
Streuscheibe 32 dient als Leuchtfleckerzeugungselement,
um von einer Strahlungsquelle in Form einer flächigen Leuchtdiode 36 ausgesandte elektromagnetische
Strahlung in definierter Weise für die
Empfänger 16 sichtbar
zu machen, und zwar durch Erzeugung eines definierten, in 2 symbolisch
dargestellten Leuchtflecks 38. Die von der Leuchtdiode 36 emittierte
Strahlung 40 trifft auf eine Innenseite der Streuscheibe 32 auf,
wird durch diese hindurchgeleitet und von einer Außenseite
derselben in Form diffuser Strahlung 42 im Wesentlichen
in alle Richtungen mit gleicher Intensität, also im Wesentlichen isotrop,
abgestrahlt. Unabhängig
von der genauen Position der Leuchtdi ode 36 wird die erzeugte Strahlung
gleichmäßig von
der Streuscheibe 32 abgestrahlt. Somit entsteht ein definierter
Leuchtfleck 38, der mittels der Empfänger 16 der Nachweisvorrichtung 12 unabhängig von
der Orientierung des Referenzelements 18 detektiert werden
kann. Bei Kenntnis der geometrischen Beziehung zwischen Lage und
Orientierung der Streuscheibe 32 relativ zum Grundkörper 28 des
Referenzelements 18 und bezogen auf das Tastinstrument 20 kann
daher beispielsweise die Position einer Spitze 21 des Tastinstruments 20 im
Raum eindeutig bestimmt und eine Bewegung derselben im Raum nachverfolgt
werden.
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Die
mit der Beschichtung 30 versehene Ausnehmung 26 bildet
eine Art Strahlungsbündelungsvorrichtung,
denn sie stellt sicher, dass die gesamte von der Leuchtdiode 36 emittierte
Strahlung 40 auch auf die Streuscheibe 32 auftreffen
und zur Erzeugung des Leuchtsflecks 28 dienen kann.
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In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 50 versehenen navigierten
Tastinstruments dargestellt, welches eine Tastspitze 52 an
einem langgestreckten Schaft 54 aufweist. An einem der
Tastspitze 52 gegenüberliegenden
Ende des Schaftes 54 ist ein Referenzelement 56 in
Form eines unregelmäßigen Körpers angeordnet,
welcher einen Hohlraum 58 aufweist, in dem eine als Strahlungsquelle
dienende Glühbirne 60 angeordnet
ist. Eine äußere Oberfläche 62 des Referenzelements 56 ist
mit mehreren Strahlungsdurchtrittsöffnungen bildenden Durchbredhungen 64 versehen,
deren Begrenzungslinien 66 ebenfalls unregelmäßig geformt
sind. Die Durchbrechungen 64 können entweder offen oder, ähnlich wie
bei dem in 2 dargestellten Markerelement 24,
mit einer Streuscheibe verschlossen sein. Das Abdichten des Hohlraums 58 hat
bei Verwendung des Tastinstruments 50 in einem Operationssaal
insbesondere den Vorteil, dass keine Keime in den Operationssaal
eingeschleppt werden können.
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Das
Referenzelement 56 umfasst mindestens drei Durchbrechungen 64,
die mit der Glühbirne 60 zusammenwirkend
jeweils ein Markerelement 68 bilden, welches von der Glühbirne 60 erzeugte
Strahlung 70 nach außen
in Form von diffuser Strahlung 72 abstrahlt, die von der
Nachweisvorrichtung 12 detektiert werden kann.
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Sind
sowohl Form als auch Lage der Durchbrechungen 64 relativ
zur Tastspitze 52 bekannt, so kann durch Verfolgen der
Bahn der Markerelemente 68 auch eine Bewegung der Tastspitze 52 im
Raum nachvollzogen werden.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 80 versehenen Markerelements 80 ist
in 4 dargestellt. Ein Grundkörper 82 eines nicht
näher dargestellten
Referenzelements ist mit einer im Wesentlichen quaderförmigen Ausnehmung 84 versehen,
in der eine Leuchtdiode 86 angeordnet ist. Eine offene
Seitenfläche
der Ausnehmung 84 ist mit einer im Wesentlichen sphärischen
Hülle 88 verschlossen,
die optische Eigenschaften einer Streuscheibe aufweist. Die Ausnehmung 84 zusammen
mit einem Innenraum der Hülle 88 bildet
einen Hohlraum, in dem die eine Strahlungsquelle bildende Leuchtdiode 86 angeordnet
ist. Von der Leuchtdiode 86 ausgesandte Strahlung 90 wird
durch die Hülle 88 in
diffuse Strahlung 92 umgewandelt, die im Wesentlichen isotrop
von einer äußeren Oberfläche der
Hülle 88 abgestrahlt
wird. Die Hülle 88 bildet
somit ein von der Strahlungsquelle beabstandetes Leuchtfleckerzeugungselement
und erzeugt einen Leuchtfleck in Form einer von der Hülle 88 definierten
Sphärenoberfläche.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Markerelements
ist in 5 insgesamt mit dem Bezugszeichen 100 versehen.
Es umfasst eine in einem Grundkörper 102 eines
mehrere Markerelemente umfassenden Referenzelements 104 ausgebildete,
im Wesentlichen quaderförmige Ausnehmung 106.
In die Ausnehmung 106 ist ein dünnwandiger Kasten 108 eingesetzt,
der einen quaderförmigen
Teil aufweist, welcher korrespondierend zur Ausnehmung 106 ausgebildet
ist. Die offene Seite des Kastens 108 wird durch vier geneigte
Seitenflächen 110 bis
auf eine Strahlungsdurchtrittsöffnung 112 verschlossen,
wobei die Seitenflächen 110 derart angeordnet
sind, dass der von einer äußeren Oberfläche 114 des
Grundkörpers 102 vorstehende
Teil des Kastens 108 in Form einer gleichseitigen Pyramide
ausgebildet ist.
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Eine
innere Oberfläche 116 des
Kastens 108 ist mit einer elektromagnetische Strahlung
reflektierenden Beschichtung versehen, sodass die von einer am Boden
der Ausnehmung 106 angeordneten Leuchtdiode 118 erzeugte
Strahlung auf der Oberfläche 116 vollständig reflektiert
wird und nur durch die Strahlungsdurchtrittsöffnung 112 austreten
kann. Diese definiert einen schematisch dargestellten Leuchtfleck 120,
der für
die Empfänger 16 der
Nachweisvorrichtung 12 sichtbar ist.
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Unabhängig von
der Anordnung der Leuchtdiode 118 im Innern des Kastens 108 wird
stets ein definierter Leuchtfleck 120 durch das Markerelement 100 erzeugt,
dessen Position und Größe durch
die Strahlungsdurchtrittsfläche 112 vorgegeben
ist. Optional könnte
die Strahlungsdurchtrittsfläche 112 auch durch
eine transparente oder semi-transparente Scheibe verschlossen sein,
die entweder die durchtretende Strahlung unabgelenkt passieren lässt oder diffus
streut.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Markerelements
ist in 6 insgesamt mit dem Bezugszeichen 130 versehen.
Es umfasst eine in einem Grundkörper 132 eines
Referenzelements eingelassene, im Wesentlichen quaderförmige Vertiefung 134,
in die ein Hohlspiegel 136 symmetrisch eingesetzt ist,
dessen hohlkonkave Fläche in
Richtung auf die offene Seite der Vertiefung 134 weist.
Der Hohlspiegel 136 dient dazu, von einer vorzugsweise
im Brennpunkt des Hohlspiegels 136 angeordneten Leuchtdiode 138 erzeugte
Strahlung 140 in Richtung auf die offene Seite hin umzulenken,
was durch den Strahl 142 in 6 schematisch
dargestellt ist. Der Hohlspiegel 136 bildet damit eine
Strahlungsbündelungsvorrichtung
zum Bündeln
der Strahlung 140 in Richtung auf das durch die offene
Seite der Vertiefung 134 gebildete Leuchtfleckerzeugungselement
hin.
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Auch
bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel
wird überwiegend
nicht die direkt von der Leuchtdiode 138 ausgesandte Strahlung
detektiert, sondern ein symbolisch dargestellter Leuchtfleck 144 in
einer von der offenen Seite definierten, eine äußere Oberfläche 146 des Grundkörpers 132 ergänzenden
Ebene. Dadurch wird erreicht, dass unabhängig von Fertigungstoleranzen
hinsichtlich der Ausgestaltung der Vertiefung 134 und der
Anordnung der Leuchtdiode 138 sowie des Hohlspiegels 136 stets
eine definierte Beziehung zwischen dem erzeugten Leuchtfleck 144 und
beispielsweise einer Tastspitze eines Instruments vorgegeben wird,
sodass bei Navigation des Leuchtflecks 144 des Markerelements 130 sowie
bei Navigation weiterer Markerelemente eindeutig eine Position der
Tastspitze des Instruments im Raum bestimmt werden kann.
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Vorzugsweise
sind sämtliche
Markerelemente, wie sie im Zusammenhang mit den 1 bis 6 beschrieben
wurden, sterilisierbar ausgebildet.
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An
den oben beschriebenen Referenzelementen sind üblicherweise mindestens drei
Markerelemente vorgesehen, aus Redundanzgründen können weitere Markerelemente
vorgesehen sein, beispielsweise vier, fünf oder sechs Markerelemente.
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Selbstverständlich können unterschiedliche Arten
von Strahlungsquellen verwendet werden, nicht nur die beschriebenen
Leuchtdioden, die zudem Licht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen können, oder
Glühbirnen,
sondern prinzipiell auch jede andere beliebige Strahlungsquelle,
mit der elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich
von 10–2 m
bis 10–8 m
erzeugbar ist. Selbstverständlich
wird jede verwendete Strahlungsquelle, auch die in den 2 bis 6 dargestellten
Strahlungsquellen, von einer Energieversorgung gespeist, beispielsweise
einer Batterie oder einem Netzgerät, die jedoch der Einfachheit
halber in den Figuren nicht dargestellt wurden.
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Des
weiteren sei angemerkt, dass auch die in den 2 bis 5 dargestellten
Markerelemente zusätzlich
mit einer Strahlungsbündelungsvorrichtung
ausgestattet sein können,
beispielsweise einem Hohlspiegel, wie er bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel
vorgesehen ist. Alternativ können
auch einzelne Linsen oder Linsensysteme zur Anwendung kommen, beispielsweise
eine in die Strahlungsdurchtrittsöffnung 112 des Markerelements 100 einge setzte
Linse. Denkbar sind insbesondere konvexe Linsen zum Bündeln auftreffender Strahlung
oder Konkavlinsen zum definierten Streuen der von der Strahlungsquelle
erzeugten Strahlung.