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Diese
Anmeldung ist eine Teilanmeldung der U.S.-Patentanmeldung mit der
Seriennummer 10/246,599, die am 18. September 2002 eingereicht wurde.
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein das Kalibrieren chirurgischer Werkzeuge
zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem. Insbesondere
betrifft diese Erfindung die Kalibrierung einer Kombination aus
einer universellen Verfolgungseinrichtung und dem chirurgischen
Werkzeug, so dass die Position und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs
durch das chirurgische Navigationssystem bestimmt werden kann.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Verwendung von bildgeleiteten chirurgischen Navigationssystemen
zur Unterstützung von Chirurgen bei der Durchführung
heikler chirurgischer Eingriffe ist verbreitet geworden. Übliche
chirurgische Navigationssysteme verwenden speziell entwickelte Werkzeuge,
welche eingebaute Verfolgungseinrichtungen beinhalten, so dass der
Chirurg die Position des chirurgischen Werkzeugs überlagert
auf einem Monitor sehen kann, welcher ein präoperatives
Bild oder ein intraoperatives Bild zeigt. Die präoperativen Bilder
werden typischerweise unter Verwendung wohlbekannter präoperativer
Abtasttechniken erstellt, wie beispielsweise MRI- oder CT-Abtastungen. Die
intraoperativen Bilder können unter Verwendung von Fluoroskop-Einrichtungen,
Röntgenstrahlungs-Einrichtungen mit niedriger Dosis und ähnlichen
Einrichtungen erstellt werden. Die Verfolgungseinrichtungen beinhalten üblicherweise
mehrere optische Emitter (bzw. Strahler), wie LEDs, die von dem chirurgischen
Navigationssystem erfasst werden können. Aus der Position
der Emitter kann das chirurgische Navigationssystem die Position
und/oder Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs bestimmen.
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Im
Rahmen dieser Beschreibung bedeutet der Ausdruck Position die Koordinaten
der Spitze des chirurgischen Werkzeugs im dreidimensionalen Raum,
die x-, y-, z- oder Kartesischen Koordinaten, bezüglich
des chirurgischen Navigationssystems. Der Ausdruck Ausrichtung bedeutet
das Nicken, Rollen und Gieren des chirurgischen Werkzeugs. Wenn sowohl
die Position als auch die Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs
definiert sind, ist die absolute Position dieses chirurgischen Werkzeugs
dem chirurgischen Navigationssystem bekannt.
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Damit
ein Chirurg ein chirurgisches Werkzeug ohne eine eingebaute Verfolgungseinrichtung mit
einem chirurgischen Navigationssystem verwenden kann, muss eine
universelle Verfolgungseinrichtung an dem chirurgischen Werkzeug
angebracht werden. Die Kombination aus der universellen Verfolgungseinrichtung
und dem chirurgischen Werkzeug muss derart kalibriert werden, dass
das chirurgische Navigationssystem die Beziehung zwischen der Spitze
des chirurgischen Werkzeugs und der Position der Verfolgungseinrichtung
kennt. Chirurgische Werkzeuge mit der angebrachten universellen
Verfolgungseinrichtung können kalibriert und dann verfolgt werden.
Falls die Verfolgungseinrichtung und das chirurgische Werkzeug bezüglich
des chirurgischen Navigationssystems derart kalibriert wurden, dass dem
chirurgischen Navigationssystem nur die Position der Spitze des
chirurgischen Werkzeugs bekannt ist, dann kann nur die Position
der Spitze, nicht aber die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs
von dem System verfolgt werden. Weil der genaue Weg, den der Chirurg
bei einem bestimmten chirurgischen Eingriff verwendet, sehr wichtig
ist, ist es wünschenswert, sowohl die Position als auch
die Ausrichtung der während dieses Eingriffs verwendeten
chirurgischen Werkzeuge zu kennen, so dass die chirurgischen Werkzeuge
vollständig auf dem Monitor üblicher chirurgischen
Navigationssysteme abgebildet werden können.
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Um
sowohl Positions- als auch Ausrichtungsdaten für die Kombination
aus dem chirurgischen Werkzeug und der daran angebrachten universellen
Verfolgungseinrichtung bereitzustellen, müssen sowohl die
Position als auch die Ausrichtung für jede Kombination
aus chirurgischem Werkzeug und Verfolgungseinrichtung kalibriert
werden. Übliche frühere Kalibrierungseinrichtungen
wurden in den
U.S.-Patenten Nr.
5,987,960 ,
5,921,992 und
6,306,126 beschrieben. Jede
dieser Kalibrierungseinrichtungen verwendet das Prinzip des Beschränkens
der Achse des chirurgischen Werkzeugs auf eine Ebene, die senkrecht
zu einer Basis der Kalibrierungseinrichtung verläuft. Da
die Position der Basis der Kalibrierungseinrichtung und die Position
der Achse des chirurgischen Werkzeugs bezüglich auf der
Kalibrierungseinrichtung enthaltenen optischen Verfolgungselementen
bekannt sind, kann das chirurgische Navigationssystem die Position
und die Ausrichtung für die bestimmte Kombination aus chirurgischem
Werkzeug und Verfolgungseinrichtung berechnen. Anschließend
kann die Kombination aus chirurgischem Werkzeug und Verfolgungseinrichtung vollständig
durch das chirurgische Navigationssystem verfolgt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf ein verbessertes Verfahren
zur Kalibrierung sowohl der Position als auch der Ausrichtung eines
chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem.
Dieses Verfahren beinhaltet die Schritte des Anbringens einer Verfolgungseinrichtung,
die geeignet ist, mit dem chirurgischen Navigationssystem zu kommunizieren,
an dem chirurgischen Werkzeug mittels eines Adapters, wobei das
chirurgische Werkzeug sowohl eine Werkzeugachse als auch eine Werkzeugspitze
aufweist und der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung
und der Werkzeugachse aufweist. Das Verfahren beinhaltet ferner
den Schritt des Berührens einer Kalibrierungseinrichtung,
die geeignet ist, mit dem chirurgischen Navigationssystem zu kommunizieren
und geeignet ist, die Position der Werkzeugspitze bezüglich
der Position der Verfolgungseinrichtung zu bestimmen, mit der Werkzeugspitze.
Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des Berechnens der Position
der Werkzeugspitze und des anschließenden Berechnens von Ausrichtungsdaten
für das chirurgische Werkzeug aus der bekannten Beziehung
zwischen der Verfolgungseinrichtung und der Werkzeugachse. Schließlich
beinhaltet das Verfahren den Schritt des Speicherns der Position
der Werkzeugspitze und der Ausrichtungsdaten für das chirurgische
Werkzeug innerhalb eines Speichers des chirurgischen Navigationssystems
derart, dass wenn das chirurgische Werkzeug mit dem chirurgischen
Navigationssystem verwendet wird, die Position und die Ausrichtung
des chirurgischen Werkzeugs durch das chirurgische Navigationssystem
verfolgt werden können.
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Ein
weiteres Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Kalibrierung der
Position und der Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit
dem chirurgischen Navigationssystem umfasst die folgenden Schritte.
Der erste Schritt besteht im Anbringen einer Verfolgungseinrichtung,
die geeignet ist, mit dem chirurgischen Navigationssystem zu kommunizieren,
an dem chirurgischen Werkzeug mittels eines Adapters, wobei das
chirurgische Werkzeug eine Werkzeugachse und eine Werkzeugspitze aufweist
und der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung
und der Werkzeugachse aufweist. Der zweite Schritt in dem Verfahren
besteht im Berühren einer Kalibrierungseinrichtung, die
geeignet ist, mit dem chirurgischen Navigationssystem zu kommunizieren,
und geeignet ist, eine Position der Spitze des chirurgischen Werkzeugs
bezüglich einer Position der Verfolgungseinrichtung zu
bestimmen, mit der Werkzeugspitze. Das Verfahren beinhaltet ferner
den Schritt des Berechnens der Position der Werkzeugspitze und den Schritt
des Speicherns der Position der Werkzeugspitze in einem Speicher
des chirurgischen Navigationssystems. Schließlich beinhaltet
das Verfahren den Schritt des Bestimmens von Ausrichtungsdaten für
das chirurgische Werkzeug aus der Position der Werkzeugspitze und
aus einer Datenbank abgespeicherter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung zur
Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze derart, dass
die Position der Werkzeugspitze eine Achse des chirurgischen Werkzeugs aus
der Datenbank schneidet, so dass dann, wenn das chirurgische Werkzeug
mit dem chirurgischen Navigationssystem verwendet wird, die Position
und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs durch das chirurgische
Navigationssystem verfolgt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auch auf einen Adapter zur Anbringung
einer Verfolgungseinrichtung an einem eine Achse aufweisenden chirurgischen
Werkzeug, welcher einen Körper, der eine äußere
Oberfläche und eine innere Oberfläche aufweist,
umfasst. Der Adapter beinhaltet auch eine an der äußeren
Oberfläche angebrachte Koppelanordnung für die
Verfolgungseinrichtung. Schließlich beinhaltet der Adapter
die innere Oberfläche, die eine sich durch den Körper
erstreckende Aussparung umgrenzt, wobei die Aussparung eine Achse
aufweist und die Aussparung eine Form aufweist, um mit dem chirurgischen
Werkzeug derart zusammenzuwirken, dass Identität zwischen
der Achse de Aussparung und der Achse des chirurgischen Werkzeugs
besteht.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ferner ein System zur Kalibrierung
eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem.
Das System umfasst eine Speichereinheit, einen Adapter, welcher
an einem eine Werkzeugspitze und eine Werkzeugachse aufweisenden
chirurgischen Werkzeug angebracht werden kann, und eine an dem Adapter
angebrachte Verfolgungseinrichtung, wobei die Verfolgungseinrichtung geeignet
ist, von dem chirurgischen Navigationssystem verfolgt zu werden,
wobei der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung
und der Werkzeugachse aufweist. Das System beinhaltet ferner eine
Kalibrierungseinrichtung, die zu einer Bestimmung der Position der
Werkzeugspitze bezüglich der Position der Verfolgungseinrichtung geeignet
ist und die zur Kommunikation mit dem chirurgischen Navigationssystem
geeignet ist. Das System beinhaltet auch eine erste Schaltung, die
im Betrieb die Position der Werkzeugspitze bezüglich einer Position
der Verfolgungseinrichtung und eine Ausrichtung des chirurgischen
Werkzeugs aus der bekannten Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung
und der Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze berechnet,
und eine zweite Schaltung, die im Betrieb die Position der Werkzeugspitze
und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs in der Speichereinheit
speichert.
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Ein
weiteres System der vorliegenden Erfindung zur Kalibrierung einer
Position und einer Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur
Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem umfasst ein
Mittel zur Anbringung einer zur Kommunikation mit dem chirurgischen
Navigationssystem geeigneten Verfolgungseinrichtung an dem chirurgischen
Werkzeug mittels eines Adapters, wobei das chirurgische Werkzeug
eine Werkzeugachse und eine Werkzeugspitze aufweist, und wobei der
Adapter eine bekannte Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung
und der Werkzeugachse aufweist. Das System beinhaltet auch ein Mittel
zur Errechnung einer Position der Werkzeugspitze durch Berühren
einer Kalibrierungseinrichtung mit der Werkzeugspitze, wobei die
Einrichtung zur Kommunikation mit dem chirurgischen Navigationssystem
geeignet ist und zur Bestimmung der Position der Werkzeugspitze
bezüglich einer Position der Verfolgungseinrichtung geeignet
ist, und ein Mittel zur Berechnung von Ausrichtungsdaten für
das chirurgische Werkzeug aus der bekannten Beziehung zwischen der
Verfolgungseinrichtung und der Werkzeugachse und aus der Position
der Werkzeugspitze. Zusätzlich beinhaltet das System ein
Mittel zur Speicherung der Position der Werkzeugspitze für
das chirurgische Werkzeug und der Ausrichtungsdaten für
das chirurgische Werkzeug in einem Speicher des chirurgischen Navigationssystems,
so dass dann, wenn das chirurgische Werkzeug mit dem chirurgischen
Navigationssystem verwendet wird, die Position und die Ausrichtung
des chirurgischen Werkzeugs von dem chirurgischen Navigationssystem
verfolgt werden können.
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Noch
ein weiteres System der vorliegenden Erfindung zur Kalibrierung
eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen
Navigationssystem umfasst eine Speichereinheit und ein Mittel zur
Anbringung eines Adapters an einem eine Werkzeugspitze und eine
Werkzeugachse aufweisenden chirurgischen Werkzeug. Das System beinhaltet
auch ein Mittel zur Verfolgung des an dem Adapter angebrachten chirurgischen
Werkzeugs, wobei das Verfolgungsmittel geeignet ist, von dem chirurgischen
Navigationssystem verfolgt zu werden, wobei der Adapter eine bekannte
Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung und der Werkzeug achse
aufweist, und ein Mittel zur Kalibrierung, das geeignet ist, eine
Position der Werkzeugspitze bezüglich der Position des
Verfolgungsmittels zu bestimmen und das zur Kommunikation mit dem
chirurgischen Navigationssystem geeignet ist. Das System umfasst
ferner ein Mittel zur Berechnung der Position der Werkzeugspitze
und einer Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der bekannten
Beziehung der Verfolgungseinrichtung und der Werkzeugachse und aus
der Position der Werkzeugspitze und ein Mittel zur Speicherung der
Position der Werkzeugspitze und der Ausrichtung des chirurgischen
Werkzeugs in der Speichereinheit.
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Ein
weiteres System der vorliegenden Erfindung zur Kalibrierung einer
Position und einer Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur
Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem umfasst ein
Mittel zur Anbringung einer zur Kommunikation mit dem chirurgischen
Navigationssystem geeigneten Verfolgungseinrichtung an dem eine Werkzeugachse
und eine Werkzeugspitze aufweisenden chirurgischen Werkzeug mittels
eines Adapters, wobei der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen
der Verfolgungseinrichtung und der Werkzeugachse aufweist. Das System
beinhaltet auch ein Mittel zur Berechnung einer Position der Werkzeugspitze
durch Berührung einer zur Kommunikation mit dem chirurgischen
Navigationssystem und zur Bestimmung der Position der Werkzeugspitze
bezüglich einer Position der Verfolgungseinrichtung geeigneten
Kalibrierungseinrichtung mit der Werkzeugspitze und ein Mittel zur
Speicherung der Position der Werkzeugspitze in einem Speicher des
chirurgischen Navigationssystems. Zusätzlich weist das
System ein Mittel auf zur Bestimmung von Ausrichtungsdaten für
das chirurgische Werkzeug aus der Position der Werkzeugspitze und
aus einer Datenbank gespeicherter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung
zur Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze derart,
dass die Position der Werkzeugspitze eine Achse des chirurgischen
Werkzeugs aus der Datenbank schneidet, so dass dann, wenn das chirurgische
Werkzeug mit dem chirurgischen Navigationssystem verwendet wird,
die Position und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs durch das
chirurgische Navigationssystem verfolgt werden können.
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Weitere
Aspekte und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Ansicht des chirurgischen Navigationssystems;
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1a ist
ein Blockdiagramm des chirurgischen Navigationssystems nach 1;
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2 ist
eine isometrische Ansicht des Adapters gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine erhöhte Seitenansicht des Adapters nach 2;
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4 ist
eine erhöhte Hinteransicht des Adapters nach 2;
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5 ist
eine erhöhte Hinteransicht des Adapters nach 2 von
dem Ende, welches dem von 4 gegenüberliegt;
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6 ist
eine Schnittansicht des Adapters nach 2, welche
allgemein entlang der Linie 6-6 aufgenommen wurde;
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7 ist
eine isometrische Ansicht des mit dem Adapter zusammengefügten
chirurgischen Werkzeugs;
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8 ist
eine isometrische Ansicht einer alternativen Ausführungsform
des Adapters der vorliegenden Erfindung;
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9 ist
eine Seitenansicht des Adapters nach 8;
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10 ist
eine Hinteransicht des Adapters nach 8;
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11 ist
eine Hinteransicht des Adapters nach 8 von dem
Ende, welches 10 gegenüberliegt;
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12 ist
eine Schnittansicht des Adapters nach 8, welche
allgemein entlang der Linien 11-11 aufgenommen wurde;
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13 ist
eine isometrische Ansicht eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung
mit dem Adapter nach 8;
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14 ist
eine isometrische Ansicht einer universellen Verfolgungseinrichtung;
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15 ist
eine Explosionsansicht des Adapters nach 8, des chirurgischen
Werkzeugs nach 14 und der universellen Verfolgungseinrichtung nach 13;
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16 ist
eine zusammengesetzte Ansicht des Adapters nach 8,
des chirurgischen Werkzeugs nach 14 und
der universellen Verfolgungseinrichtung nach 13;
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17 ist
eine Ansicht der Kalibrierungseinrichtung, die das chirurgische
Werkzeug nach 14 mit dem Adapter nach 8 und
der universellen Verfolgungseinrichtung nach 13 beim
Berühren des Kalibrierungspunkts zeigt;
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18 ist
ein Blockdiagramm eines Computerprogramms, welches das Verfahren
der vorliegenden Erfindung verkörpert;
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18a, 18b, 18c, 18d und 18e sind typische Bildschirmfotos verschiedener in 18 dargestellter
Nachrichtenkästen;
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19 ist
ein Blockdiagramm eines Computerprogramms eines alternativen Verfahrens
der vorliegenden Erfindung; und
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20 ist
eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform
des Adapters ähnlich dem in 8 gezeigten.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die 1 und 1a zeigen
eine schematische Ansicht und ein Blockdiagramm eines chirurgischen
Navigationssystems 50, welches ausgebildet ist, das chirurgische
Werkzeug 52, dem eine universelle Verfolgungseinrichtung 54 mittels
eines Adapters 56 zugeordnet ist, zu verfolgen. Das chirurgische Navigationssystem 50 beinhaltet
einen Computer 58, welcher von einer beliebigen Art von
Hochgeschwindigkeits-Personal-Computer sein kann, welcher eine CPU 58a,
eine Speichereinheit 58b und eine Festspeichereinheit 58c aufweist,
wie beispielsweise ein Laptop-Computer, wie gezeigt, oder ein Desktop-Computer
(nicht gezeigt). Falls der Desktop-Computer verwendet wird, kann
er innerhalb eines Wagens 62 aufgenommen sein. Auf dem
Wagen 62 montiert ist ein Monitor 60, welcher
mit einem Videoausgang des Computers 58 verbunden ist.
Ebenfalls dem Computer 58 zugeordnet sind eine Maus 64 oder
eine andere geeignete Eingabe-Zeige-Einrichtung und eine Tastatur 66.
Das chirurgische Navigationssystem 50 beinhaltet eine Kamera 68,
welche aus drei einzelnen CCD-Kameras 70, 72 und 74 zusammengesetzt
ist, wobei die Kameras ausgebildet sind, infrarote Signale (IR)
zu erfassen, die von der universellen Verfolgungseinrichtung 54 erzeugt
werden. Die Kamera 68 ist mittels eines Kameraarms 76 am
Wagen 60 montiert. Während die Kamera 68 in 1 in
Verbindung mit dem Wagen 62 gezeigt ist, ist es nicht erforderlich,
dass die Kamera tatsächlich körperlich an dem
Wagen 63 montiert oder befestigt ist. Die Kamera 68 kann
in jeder ortsfesten Position derart montiert sein, dass die Kamera 68 eine
gute Sichtlinie auf das Operationsfeld im Operationssaal hat. Beispielsweise
kann die Kamera 68 an einer Wand des Operationssaals (nicht
gezeigt) montiert sein, oder sie kann auf der Operationssaal-Beleuchtung
(nicht gezeigt) montiert sein. Der Kameraarm 76 kann auch
ein Kabel 86 von der Kamera 68 zu einem Lokalisierer 88 beinhalten,
der innerhalb des Wagens 62 angeordnet ist. Der Lokalisierer 88 arbeitet
mit der Kamera 68 zusammen, um die Orte der LEDs 84 auf der
universellen Verfolgungseinrichtung 54 und allen anderen
Verfolgungseinrichtungen, die innerhalb des Blickfelds der Kamera 68 sein
können, zu erkennen. Die CCD-Kameras 70, 72 und 74 enthalten
ihre eigenen Kalibrierungs-Informationen und übermitteln
die Positionsdaten von den LEDs 84 an den Lokalisierer 88.
Der Lokalisierer 88 konvertiert dann die unverarbeiteten
Positionsdaten mittels Techniken, die dem Fachmann bekannt sind,
in Positions- und Ausrichtungsdaten. Der Lokalisierer 88 kommuniziert
die Positions- und Ausrichtungsdaten durch ein Kabel 90 an den
Computer 58. Die Kamera 68 beinhaltet auch zwei
Sender-Empfänger 92 und 94, die geeignet sind,
mit der universellen Verfolgungseinrichtung 54 mittels
Techniken, die dem Fachmann wohlbekannt sind, zu kommunizieren.
Die Sender-Empfänger 92 und 94 sind durch
eine eigene Schaltung im Kabel 86 unmittelbar mit dem Computer 58 verbunden.
Ebenfalls gezeigt ist eine Referenz-Verfolgungseinrichtung 78,
die mittels einer Verfolgerhalterung 82 am Tisch des Operationssaals 80 befestigt
ist. Während es bevorzugt ist, dass die Referenz-Verfolgungseinrichtung 78 ortsfest
ist, könnte die Referenz-Verfolgungseinrichtung 78 an
einem Patienten (nicht gezeigt) montiert sein, oder eine zweite,
tragbare Verfolgungseinrichtung sein. Sowohl die Referenz-Verfolgungseinrichtung 78 als
auch die universelle Verfolgungseinrichtung 54 weisen mehrere
LEDs 84 auf, welche Licht im infraroten Bereich aussenden,
welches von den CCD-Kameras 70, 72 und 74 erfasst werden
kann. Eine detailliertere Beschrei bung des chirurgischen Navigationssystems 50 ist
in der U.S.-Patentanmeldung 09/764,609 enthalten, welche am 21.
Oktober 2001 eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt durch
Inbezugnahme aufgenommen wird.
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Bezug
nehmend auf die 2–7,
beinhaltet der Adapter 56 einen Körper 102,
welcher eine Koppelstift-Brücke 104 aufweist.
Der Körper 102 weist eine äußere
Oberfläche 106 und eine innere Oberfläche 108 auf.
Eine Aussparung 112 wird von der inneren Oberfläche 108 umgrenzt
und verläuft durch den Körper 102. Die
Aussparung 112 weist eine Achse 110 auf, wie in 2 gezeigt
ist. Die Achse 110 muss eine bekannte Beziehung zur inneren Oberfläche 108 des
Adapters 56 aufweisen.
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Auf
der Koppelstift-Brücke 104 sind mehrere Koppelstifte 114 montiert.
In der in den 2–7 gezeigten
Ausführungsform sind vier Koppelstifte 114 gezeigt.
Die mehreren Koppelstifte 114 sind bereitgestellt, um es
einem Chirurgen zu ermöglichen, die universelle Verfolgungseinrichtung 54 an
dem am besten geeigneten Koppelstift 114 zu montieren,
so dass während des durchzuführenden chirurgischen Eingriffs
die LEDs 84 in der universellen Verfolgungseinrichtung 54 auf
problemlose Weise eine Sichtlinie zur Kamera 68 aufrechterhalten
können. Während in der Ausführungsform
der 2–7 vier Koppelstifte 114 gezeigt
sind, kann jede passende Anzahl von Koppelstiften beinhaltet sein.
Die Koppelstifte 114 beinhalten eine Basis 115,
welche auf eine solche Weise fest an der Koppelstift-Brücke 104 befestigt
ist, dass sich der Koppelstift 114 nicht bewegt, sobald
er an der Koppelstift-Brücke 104 befestigt wurde.
Der Koppelstift 114 beinhaltet auch zwei Stifte 116 und
einen Hinterschnitt 118, welche mit der Koppeloberfläche
der universellen Verfolgungseinrichtung 54 zusammenwirken,
wie im Folgenden detaillierter beschrieben wird, um die universelle
Verfolgungseinrichtung 54 fest an dem Adapter 56 zu
halten.
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Die Öffnung 112 verläuft
vollständig durch den Körper 102 und
ist derart ausgeformt, dass dann, wenn ein chirurgisches Werkzeug 52 durch
die Öffnung 112 platziert ist, eine Werkzeugachse 120 des chirurgischen
Werkzeugs 52 mit der Achse 110 der Aussparung 112 identisch
ist. Diese Identität der Achse 110 und der Werkzeugachse 120 ist
ein wichtiger Aspekt des Adapters 56. Dies ermöglicht
dem Adapter 56, mit der Referenz-Verfolgungseinrichtung 78 verwendet
zu werden, um nicht nur die Position einer Werkzeugspitze 126 des
chirurgischen Werkzeugs 52 zu kalibrieren, sondern auch
die Werkzeugachse 120 derart zu kalibrieren, dass das chirurgische
Navigationssystem 50 sowohl die Position als auch die Ausrichtung
des chirurgischen Werkzeugs 52 verfolgen kann. Die Öffnung 112 und
ihre Achse 110 können gegenüber der Mitte
des Körpers 102 versetzt sein, falls das chirurgische
Werkzeug 52 drehfest von dem Adapter 56 gehalten
wird.
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Sobald
der Adapter 56 auf dem chirurgischen Werkzeug 52 platziert
ist, ist es wichtig, dass die Position des Adapters 56 bezüglich
der Werkzeugspitze 126 und der Werkzeugachse 120 unbeeinträchtigt
bleibt. Während es möglich ist, dass der Adapter 56 konfiguriert
ist, an Ort und Stelle um die Werkzeugachse 120 gedreht
zu werden, solange der Abstand von der Werkzeugspitze 126 zum
Ort der universellen Verfolgungseinrichtung 54 unverändert bleibt
und solange die Beziehung zwischen der universellen Verfolgungseinheit 54 und
der Werkzeugachse 120 des Werkzeugs unverändert
bleibt, können die Position und die Ausrichtung des chirurgischen
Werkzeugs 52 von dem chirurgischen Navigationssystem 50 kalibriert
und verfolgt werden.
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Um
den Adapter 56 an einem festen Ort bezüglich der
Werkzeugspitze 126 zu halten, sind federbelastete Kugeln 122 innerhalb
des Innenraums der Aussparung 112 und der inneren Oberfläche 108 des
Körpers 102 bereitgestellt. Diese Kugeln 122 sind
durch Federn 124 nach außen vorgespannt und arbeiten
zusammen, um fest mit dem chirurgischen Werkzeug 42 zusammenzuwirken,
so dass die Beziehung zwischen dem Adapter 56 und dem chirurgischen
Werkzeug 52 erhalten bleibt. Beispielsweise kann das chirurgische
Werkzeug 52 einen schmalen Kanal (nicht gezeigt) aufweisen,
innerhalb derer die Kugeln 122 ruhen, wodurch sie den Adapter 56 in
einer festen Beziehung bezüglich der Werkzeugspitze 126 halten.
Andere Mittel, um den Adapter 56 fest an dem chirurgischen
Werkzeug 52 zu befestigen, können ebenfalls verwendet
werden.
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Wie
in den 8–13 gezeigt,
wird eine zweite Ausführungsform des Adapters 56 gezeigt. Beim
Beschreiben der 8–13 werden ähnliche
Anordnungen unter Verwendung derselben Bezugszeichen wie oben beschrieben.
Ein Adapter 150 beinhaltet die Koppelstift-Brücke 104 und
weist die äußere Oberfläche 106 und
die innere Oberfläche 108 auf. Wie in 8 gezeigt
ist, verläuft eine Achse 186 durch eine Aussparung 152,
die von der inneren Oberfläche 108 umgrenzt ist.
Die Aussparung 152 im Adapter 150 ist größer
als die Öffnung 112 des Adapters 56.
Der Grund für diese größere Aussparung
ist, mit einer Befestigungseinrichtung 154 wechselzuwirken,
die auf einem chirurgischen Werkzeug 156 montiert ist.
Auf der äußeren Oberfläche 106 des
Adapters 150 befindet sich eine Reihe von Rasten 158. Die
Rasten 158 wechselwirken mit einer Reihe von Kugeln 160,
die innerhalb einer inneren Oberfläche 162 der
Befestigungseinrichtung 154 aufgenommen sind. Diese Kugeln 160 werden
durch einen Sperrring 164, welcher die Außenseite
der Befestigungseinrichtung 154 umgibt, an Ort und Stelle
gehalten. Die Befestigungseinrichtung 154 beinhaltet auch
einen glatten Vorsprung 166, der derart geformt ist, dass
er eng in die Aussparung 152 des Adapters 150 passt. Die
Form des glatten Vorsprungs 166 ist derart, dass die Achse 168 der
Aussparung 152 mit einer Werkzeugachse 170 des
chirurgischen Werkzeugs 156 zusammenfällt. Zusätzlich
ist eine Reihe von Kerben 172 auf der äußeren
Oberfläche 106 des Adapters 150 gezeigt.
Diese Kerben sind um das Ende des Adapters 150, welches
der Koppelstift-Brücke 104 gegenüberliegt,
angeordnet. Diese Kerben 172 wechselwirken mit einem oder
mehreren Stiften 174 auf einer hinteren Oberfläche 176 der
Befestigungseinrichtung 154. Die Kerben 172 und
die Stifte 174 halten den Adapter 150 davon ab,
sich um die Achse 168 zu drehen. Die Kerben 172 oder
die Stifte 174 oder beide können weggelassen werden,
wenn es gewünscht ist, dass sich der Adapter 156 frei
um die Achse 168 drehen kann.
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Wie
in den 6 und 12 gezeigt ist, können
die Adapter 56 und 150 der vorliegenden Erfindung
aus jedem geeigneten Material gefertigt werden, welches formstabil
ist und dazu in der Lage, wenigstens einmal sterilisiert zu werden.
Obwohl es wünschenswert sein kann, dass der Adapter dazu
in der Lage ist, wiederholt sterilisiert zu werden, ist es auch
möglich, dass die Adapter der vorliegenden Erfindung als
wegwerfbarer Einmal-Artikel gestaltet sind, welche bei der Herstellung
sterilisiert werden, bis zur Verwendung in einem sterilen Zustand
gehalten werden und dann entsorgt werden. Wie in 6 gezeigt
ist, können geeignete Kunststoffe verwendet werden, welche
formstabil und chirurgisch zulässig sind, wie zum Beispiel
Polyetheretherketon (PEEK), kohlefaserverstärktes PEEK,
Polysulfon, Polycarbonat, Nylon und Mischungen davon. Zusätzlich
können, wie in 12 gezeigt
ist, geeignete Metalle verwendet werden, die zur Verwendung in der
Chirurgie geeignet sind, beispielsweise rostfreier chirurgischer Stahl,
Titan, Wolframcarbid und andere chirurgisch geeignete Metalle.
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Sich
nun 14 zuwendend, ist die universelle Verfolgungseinrichtung 54 detaillierter
gezeigt. Die in 14 gezeigte universelle Verfolgungseinrichtung 54 beinhaltet
fünf LEDs 84, welche derart angeordnet sind, dass
keine drei LEDs in einer einzigen Reihe liegen. Diese Anordnung
ermöglicht es dem chirurgischen Navigationssystem 50,
sowohl die Position als auch die Ausrichtung der universellen Verfolgungseinrichtung 54 zu
bestimmen. Wie zuvor ausgeführt, emittieren diese LEDs 84 üblicherweise Licht
im infraroten Bereich, wie dem Fachmann wohlbekannt ist. Die universelle
Verfolgungseinrichtung 54 weist einen Knopf 98 auf.
Dieser Knopf 98 aktiviert die LEDs 84, so dass
die Kamera 68 des chirurgischen Navigationssystems 50 die
universelle Verfolgungseinrichtung lokalisieren kann. Die universelle Verfolgungseinrichtung 54 beinhaltet
auch ein Statuslicht 190, welches programmiert werden kann,
um auf vielfältige Weise zu funktionieren. Beispielsweise kann
das Statuslicht 190 so programmiert werden, dass es für
einen kurzen Zeitraum aufleuchtet, nachdem eine Stromquelle, wie
eine Batterie 194, in einen passenden Batteriehalter der
universellen Verfolgungseinrichtung 54 eingesetzt wurde.
Die universelle Verfolgungseinrichtung 54 beinhaltet auch
eine spielfreie Adapterschnittstelle 195, welche eine Aussparung 196 beinhaltet,
durch welche einer der Koppelstifte 114 eingesetzt werden
kann. Die Struktur der Aussparung 196 und der Koppelstifte 114 ist
derart, dass dann, wenn der Kopplungsstift 114 durch die Aussparung 196 eingesetzt
ist, eine interne Verriegelung (nicht gezeigt) um einen Hinterschnitt 118 einrastet.
Die interne Verriegelung kann durch Drücken eines Knopfs 198 gelöst
werden, um die universel le Verfolgungseinrichtung 54 von
dem Koppelstift 114 zu entfernen. Die Bedeutung der spielfreien
Auslegung der Adapterschnittstelle liegt darin, dass, sobald die
universelle Verfolgungseinrichtung 54 auf dem Koppelstift 114 platziert
ist, die relative Position der universellen Verfolgungseinrichtung 54 und
des Koppelstifts 114 nicht gestört werden darf.
Sobald die zusammengesetzte Einheit aus universeller Verfolgungseinrichtung 54,
Adapter 150 und chirurgischem Werkzeug 156 kalibriert
ist, kann das chirurgische Werkzeug 156 von dem chirurgischen
Navigationssystem 50 verfolgt werden. Falls jedoch die
Beziehung zwischen diesen Komponenten gestört wird, muss
die zusammengesetzte Einheit neu kalibriert werden.
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Zusätzlich
beinhaltet die universelle Verfolgungseinrichtung 54 auch
einen Kalibrierungspunkt 200. Der Kalibrierungspunkt 200 steht
in einer bekannten Beziehung zu den LEDs 84 und hat einen Mittelpunkt,
der auf einfache Weise identifiziert werden kann, so dass die universelle
Verfolgungseinrichtung 54 auch als eine Referenz-Verfolgungseinrichtung 78,
wie in 1 gezeigt, verwendet werden kann. Zusätzlich
beinhaltet die universelle Verfolgungseinrichtung 54 einen
Kommunikations-Sender-Empfänger 202, welcher es
der universellen Verfolgungseinrichtung ermöglicht, mit
dem chirurgischen Navigationssystem 50 durch die Sender-Empfänger 92 und 94 unmittelbar
zu kommunizieren.
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15 zeigt
eine Explosionsansicht der universellen Verfolgungseinrichtung 54,
des Adapters 150 und des chirurgischen Werkzeugs 156.
Bei der Verwendung wird der Adapter 150 entlang der Länge des
chirurgischen Werkzeugs 156 geschoben, bis der Adapter 150 fest
mit der Befestigungseinrichtung 154 zusammenwirkt, welche
fest an dem chirurgischen Werkzeug 156 befestigt ist. Üblicherweise
wird die Befestigungseinrichtung 154 zusammen mit dem chirurgischen
Werkzeug 156 während der Herstellung ausgebildet,
es ist jedoch auch möglich, die Befestigungseinrichtung 154 mittels
eines passenden Befestigungsmittels (nicht gezeigt) am chirurgischen Werkzeug 156 nachzurüsten.
In 16 ist eine Ansicht des chirurgischen Werkzeugs 156,
des Adapters 150 und der universellen Verfolgungseinrichtung 54 in
einer zusammengebauten Konfiguration gezeigt. Wie zuvor angemerkt,
müssen das chirurgische Werkzeug 156 und die befestigte
universelle Verfolgungseinrichtung 54 kalibriert werden,
bevor sie mit dem chirurgischen Navigationssystem 50 verwendet
werden können.
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Wie
in 17 gezeigt ist, wird die Werkzeugspitze 126 gegen
den Kalibrierungspunkt 200 der Referenz-Verfolgungseinrichtung 78 platziert. Sowohl
der Ort des Kalibrierungspunkts 200 auf der Referenz-Verfolgungseinrichtung 78 als
auch die Position der universellen Verfolgungseinrichtung 54 sind
dem chirurgischen Navigationssystem 50 bekannt. Wegen dieser
bekannten Beziehung kann das chirurgische Navigationssystem 50 den
Ort der Werkzeugspitze 126 bezüglich der universellen
Verfolgungseinrichtung 54 bestimmen, wenn die Werkzeugspitze 126 gegen
den Kalibrierungspunkt 200 gehalten wird. Das chirurgische
Navigationssystem 50 speichert dann den Ort der Werkzeugspitze
und die Beziehung des Orts der Werkzeugspitze zur universellen Verfolgungseinrichtung 54 im
Speicher 58b des Computers 58. Zusätzlich
ist das chirurgische Navigationssystem 50 in der Lage,
die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs 156 zu kalibrieren,
weil der Adapter 150 verwendet wird, um die universelle Verfolgungseinrichtung 54 an
dem chirurgischen Werkzeug 156 zu befestigen. Der Adapter 150 hat eine
bekannte und zuvor definierte Beziehung unter den verschiedenen
Koppelstiften 114 zur Achse 168 der Aussparung 152 und
zur Werkzeugachse 170. Auch die Beziehung zwischen jedem
Koppelstift 114 und der universellen Verfolgungseinrichtung 54 ist ebenfalls
bekannt und zuvor definiert. Diese Beziehungen sind in einer Datenbank
gespeichert, die im Speicher 58b des Computers 58 für
jeden Adapter, welcher mit dem chirurgischen Navigationssystem 50 verwendet
werden kann, geführt wird.
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18 ist
ein Blockdiagramm eines Computerprogramms, welches das Verfahren
der vorliegenden Erfindung verkörpert. Das Programm beginnt
an einem Block 300, welcher bestimmt, ob eine Kalibrierungseinrichtung,
wie die Referenz-Verfolgungseinrichtung 78, aktiv ist.
Falls die Einrichtung nicht aktiv ist, so verzweigt das Programm
zu einem Block 301, welcher eine Nachricht wie in 18a gezeigt anzeigt, dass die Kalibrierungseinrichtung
eingeschaltet werden soll. Das Programm kehrt zurück zum Block 300 und
wartet, bis das chirurgische Navigationssystem 50 ein Signal
empfängt, dass die Kalibrierungseinrichtung eingeschaltet
wurde. Sobald die Kalibrierungseinrichtung aktiviert wurde, verzweigt das
Programm dann zu einem Block 302, welcher eine Nachricht
wie in 18b gezeigt ausgibt, welche
den Benutzer erstens anweist, mit der Spitze des Werkzeugs, wie
der Werkzeugspitze 126, den Kalibrierungspunkt auf der
Kalibrierungseinrichtung, wie den Kalibrierungspunkt 200,
zu berühren, und zweitens den Knopf auf der Verfolgungseinrichtung,
wie den Knopf 98, zu drücken. Wenn der Knopf 98 aktiviert
wird, aktivieren sich die LEDs 84 auf der universellen
Verfolgungseinrichtung 54 und werden von der Kamera 68 erfasst.
Die Abschnittsdaten für die LEDs 84 werden an
den Lokalisierer 88 gesendet, welcher die Position und
Ausrichtung der universellen Verfolgungseinrichtung 54 an
den Computer 58 übermittelt. Diese Daten werden
in dem Speicher 58b gespeichert und sind als ein Datenblock 303 gezeigt.
Auf eine ähnliche Weise bestimmt das chirurgische Navigationssystem 50 die
Position und Ausrichtung der Kalibrierungseinrichtung, wie der Referenz-Verfolgungseinrichtung 78.
Diese Daten werden ebenfalls im Speicher 58b gespeichert
und sind als ein Datenblock 304 gezeigt. Das Programm fährt
dann mit einem Berechnungsblock 305 fort. In dem Block 305 berechnet
das Programm die Werkzeugspitzen-Position aus den abgespeicherten
Daten der Position der Verfolgungseinrichtung aus dem Datenblock 303 und der
gespeicherten Position der Kalibrierungseinrichtung im Datenblock 304.
Die Berechnung der Werkzeugspitzen-Position wird auf herkömmliche
Art und Weise mittels Algorithmen, die wohlbekannt und den Fachleuten
vertraut sind, durchgeführt.
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Die
Werkzeugspitzen-Position aus dem Berechnungsblock 305 wird
dann gespeichert, und die gespeicherte Werkzeugspitzen-Position
wird an einen Berechnungsblock 306 weitergegeben, welcher die
Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug 156 berechnet.
Zusätzlich zur Werkzeugspitzen-Position aus dem Block 305 hat
das chirurgische Navigationssystem 50 die Datenbank 96 möglicher Achsen
für die Aussparung 152 relativ zum Ort der universellen
Verfolgungseinrichtung 54 im Speicher 58b in der
Datenbank 96 gespeichert. Die Datenbank 96 ist
als ein Datenblock 306 gezeigt und beinhaltet Daten, welche
zuvor im Speicher 58b bezüglich der relativen Position
der universellen Verfolgungseinrichtung 54 bezüglich
der möglichen Achsen der Aussparung für verschiedene
Adapter, wie der Achse 110 oder der Achse 168,
gespeichert wurden. Weil der Adapter 56 und der Adapter 150 eine
unterschiedliche Anzahl Koppelstifte 114 aufweisen können,
liegt jeder dieser Koppelstifte in einer unterschiedlichen Position
und Ausrichtung bezüglich der Achse 110 bzw. der
Achse 168. Die relative Position der universellen Verfolgungseinrichtung 54 entweder
zur Achse 110 oder zur Achse 168 für
jeden Koppelstift 114 kann durch wohlbekannte Verfahren
berechnet werden. Das Ergebnis dieser Berechnung für den
Ort jedes Koppelstifts 114 für jeden möglichen
Adapter, welcher mit dem chirurgischen Navigationssystem 50 verwendet
werden kann, wird in der Datenbank 96 gespeichert, welche
zuvor bei der Initialisierung des Programms in den Speicher des
Computers 58b geladen wurde.
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Da
es mehrere verschiedene Adapter-Konfigurationen geben kann, variiert
der Abstand der universellen Verfolgungseinrichtung 54 zur
Achse jedes einzelnen Adapters. Jeder Adaptertyp kann mit einer spezifischen
Identifizierung codiert werden, welche in das chirurgische Navigationssystems 50 eingegeben werden
kann. Dies kann manuell durchgeführt werden, indem mittels
der Tastatur 66 oder der Maus 64 angezeigt wird,
welcher Adapter verwendet wird, oder automatisch durch Verwendung
eines smarten Adapters 500, wie er in 20 gezeigt
ist. Der Adapter 500 weist einen Kommunikations-Sender-Empfänger 502 auf,
welcher geeignet ist, in dem Adapter 500 gespeicherte Informationen,
wie beispielsweise eine bestimmte Modellnummer und/oder Bauformnummer,
an das chirurgische Navigationssystem 50 durch die Kommunikations-Sender-Empfänger 92 und 94 zu übermitteln.
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Sobald
das chirurgische Navigationssystem 50 die Identität
des bestimmten Adapters kennt, wird die Datenbank 96 nach
potentiellen Achsen für den bestimmten Adapter, der gerade
verwendet wird, wie den Adapter 150, befragt, und die Untermenge
der Daten wird zusammen mit der Werkzeugspitzen-Position aus dem
Block 305 im Speicher platziert, wie durch den Datenblock 306 angedeutet.
Die Untermengen der Daten, die in dem Datenblock 306 aus der
Datenbank 96 gespeichert sind, werden dann verwendet, die
Ausrichtungsdaten zu berechnen. Das Programm fährt fort
mit einem Block 307, welcher die Ausrichtungsdaten berechnet,
indem er die Werkzeugspitzen-Position mit der Datenuntermenge vergleicht,
welche aus der Datenbank 96 entnommen und in dem Datenblock 306 für
diesen bestimmten Adapter gespeichert wurde. Falls die Werkzeugspitzen-Position
entlang einer der potentiellen Achsen aus dem Datenblock 306 lokalisiert
ist und falls die Abweichung der Werkzeugspitzen-Position von der gewählten
potentiellen Achse innerhalb zulässiger Grenzwerte liegt,
dann verzweigt das Programm, wie in einem Block 308 gezeigt,
zum überprüfungsprozess. Falls die Position der
Werkzeugspitze nicht innerhalb zulässiger Grenzwerte auf
einer der Achsen liegt, verzweigt das Programm zu Block 309,
welcher eine Fehlernachricht ausgibt, wie sie in 18d gezeigt ist. Die Steuerung bildet dann eine
Schleife zurück zum Block 302, um den Kalibrierungsprozess
zu wiederholen.
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Zu
Beginn des Überprüfungsprozesses gibt ein Block 310 eine
Nachricht, wie sie in 18c gezeigt
ist, aus. Die Nachricht weist den Benutzer an, mit der Werkzeugspitze
den Kalibrierungspunkt 200 der Kalibrierungseinrichtung
zu berühren und dann den Knopf 98 zu drücken.
Sobald der Knopf 98 gedrückt wird, bestimmt das
chirurgische Navigationssystem 50 die Position der universellen
Verfolgungseinrichtung 54 wie oben beschrieben und speichert die
Position in einen Datenblock 312. Auch wird die Position
der Kalibrierungseinrichtung auf dieselbe Weise wie oben beschrieben
bestimmt, und ein Datenblock 311 speichert die Position
der Kalibrierungseinrichtung. Ein Block 313 vergleicht
dann die in dem Datenblock 311 gespeicherte Position mit
der gespeicherten Werkzeugspitzen-Position aus dem Block 305.
Falls der Vergleich durch den Block 313 innerhalb zulässiger
Fehlergrenzwerte liegt, bestimmt ein Block 314, ob die
Kalibrierung betätigt bzw. validiert wurde, und die Achsdaten
und die Werkzeugspitzen-Positionsdaten werden dann in den Speicher 58b geschrieben,
wie durch Block 318 angedeutet. Falls der Überprüfungsprozess
nicht erfolgreich ist, d. h., falls der Vergleich größer
als der zulässige Fehler ist, dann verzweigt das Programm,
und ein Block 315 gibt eine Nachricht, wie sie in 18c gezeigt ist, aus, welche den Benutzer anweist,
den Kalibrierungsschritt zu wiederholen. Zu jedem Zeitpunkt während
entweder des Kalibrierungs- oder Überprüfungsschritts
hat der Benutzer die Möglichkeit, den gesamten Prozess
abzubrechen und entweder die Kalibrierung neu zu beginnen oder zu
einer anderen Aufgabe zurückzukehren.
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19 zeigt
ein Blockdiagramm für ein alternatives Verfahren der vorliegenden
Erfindung. Das Programm beginnt an einem Block 400, welcher
bestimmt, ob eine Kalibrierungseinrichtung aktiv ist. Falls die
Kalibrierungseinrichtung nicht aktiv ist, gibt ein Block 401 eine
Nachricht aus und das Programm wartet, bis eine Kalibrierungseinrichtung
aktiviert wird. Die Nachricht, die in dem Block 401 ausgegeben
wird, ist ähnlich der, die in 18a gezeigt
ist. Nachdem eine Kalibrierungseinrichtung aktiviert wurde, gibt
ein Block 402 eine Nachricht ähnlich der, die in 18b gezeigt ist, aus. Sobald der Benutzer mit der
Werkzeugspitze 126 den Kalibrierungspunkt 200 auf
der Referenz-Verfolgungseinrichtung 78 berührt und
den Verfolger-Knopf 98 auf der universellen Verfolgungseinrichtung 54 drückt,
berechnet ein Block 403 die Werkzeugspitzen-Position mittels
der Daten, die aus der Position der universellen Verfolgungseinrichtung 54 generiert
wurden und die in einem Datenblock 404 gespeichert sind,
und der Daten über die Position der Kalibrierungseinrichtung,
die in einem Datenblock 405 gespeichert sind. Die Werkzeugspitzen-Position
wird durch den Block 403 auf eine ähnliche Weise
wie jene, die mit Bezug auf 18 beschrieben
wurde, berechnet. Sobald die Werkzeugspitzen-Position bestimmt und
gespeichert wurde, bestimmt ein Block 406, ob der Kalibrierungsschritt
erfolgreich durchgeführt wurde oder nicht. Falls der Kalibrierungsschritt
nicht erfolgreich war, beispielsweise falls eine der Verfolgungseinrichtungen
für das chirurgische Navigationssystem 50 nicht sichtbar
war, gibt ein Block 416 eine Fehlernachricht aus, welche
auf die Art des Fehlers hinweist.
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Falls
die Kalibrierung abgeschlossen ist, speichert der Block 406 die
Werkzeugspitzen-Position im Speicher, das Programm fährt
fort mit einem Block 407, welcher die Überprüfungsnachricht
ausgibt, welche ähnlich der in 18c gezeigten
ist. Die Nachricht weist den Benutzer an, mit der Werkzeugspitze 126 den
Kalibrierungspunkt 200 auf der Referenz-Verfolgungseinrichtung 78 zu
berühren und dann den Aktivierungsknopf 98 auf
der universellen Verfolgungseinrichtung 54 zu drücken.
Wird die Verfolgungseinrichtung aktiviert, bestimmt und speichert ein
Block 408 die Position der Verfolgungseinrichtung, und
ein Block 409 bestimmt und speichert die Kalibrierungsposition
auf eine ähnliche Weise wie die oben beschriebene. Ein
Block 410 vergleicht dann den Überprüfungsort
der Werkzeugspitze mit der gespeicherten Werkzeugspitzen-Position.
Falls ein Block 411 bestimmt, dass die Abweichung zwischen der
in Block 403 gespeicherten Werkzeugspitzen-Position und
dem durch den Block 410 bestimmten Überprüfungswert
größer als ein zulässiger Grenzwert ist,
ist die Überprüfung nicht erfolgreich und verzweigt,
wie durch eine Fallunterscheidung angedeutet, ein Block 421 gibt
eine Fehlernachricht aus. Diese Fehlernachricht ist ähnlich
jener, die in 18e gezeigt ist. Falls andererseits
der Vergleich in Block 410 innerhalb zulässiger
Fehlergrenzwerte liegt, dann übergibt der Block 411 die
Steuerung der Achsenkalibrierung.
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Ein
Block 412 bestimmt eine Achsenkalibrierung, indem die gespeicherte, überprüfte
Werkzeugspitzen-Position aus dem Block 410 genommen und
bestimmt wird, ob diese Werkzeugspitzen-Position auf irgendeiner
der verfügbaren, in einem Block 413 der Achsdatenbank
gespeicherten Achsen liegt oder nicht. Die Achsdatenbank ist ähnlich
der, die mit Bezug auf 18 beschrieben wurde. Der Block 412 vergleicht
die überprüfte Werkzeugspitzen-Position mit den
Koordinaten jeder der Achsengeraden, die unter Verwendung des passenden
Adapters dem System verfügbar sind. Falls die Werkzeugspitzen-Position
tatsächlich auf einer der passenden Achsen liegt, wird
diese Achse ausgewählt und ein Block 415 verzweigt
zu einem Block 414, welcher die Daten der ausgewählten
Achse und der Werkzeugspitzen-Position in den Speicher 58b schreibt, um
ein vollständig kalibriertes Werkzeug bereitzustellen.
Falls andererseits die Werkzeugspitzen-Position nicht innerhalb
zulässiger Grenzwerte auf einer der Achsen in der Datenbank
liegt, verzweigt der Block 414 zu einem Block 417,
welcher nur die Daten der Werkzeugspitzen-Position in den Speicher 58b schreibt,
um ein punktkalibriertes Werkzeug zu erstellen, d. h. ein Werkzeug,
von dem lediglich die Position der Spitze kalibriert ist, die Werkzeugausrichtung
aber nicht kalibriert ist. Nachdem die passenden Daten in den Speicher
geschrieben wurden, ist die Kalibrierungsaufgabe erledigt und das
Programm endet dann und fährt mit anderen Aufgaben fort.
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Sich
nun 20 zuwendend ist eine dritte Ausführungsform
des Adapters der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform
ist der Adapter 500, welcher ähnlich dem Adapter 150 ist, bereitgestellt.
Dieser Adapter unterscheidet sich von dem Adapter 150 darin,
dass er zwei zusätzliche Merkmale aufweist. Das erste zusätzliche
Merkmal ist der Kommunikations-Sender-Empfänger 502,
welcher es dem Adapter 500 ermöglicht, Informationen an
das chirurgische Navigationssystem 50 zu kommunizieren.
Diese Informationen können die Identität und den
Typ des Adapters beinhalten, so dass die passenden Daten aus der
Werkzeugachsen-Datenbank ohne Eingriff eines Benutzers ausgewählt
werden können. Auch ist ein Schalter 504 auf der
inneren Oberfläche 108 des Adapters 500 gezeigt.
Dieser Schalter 504 wird niedergedrückt oder aktiviert,
wenn das chirurgische Werkzeug 156 in die Aussparung 152 des
Adapters 500 eingesetzt wird. Jeder passende Schalter kann
als der Schalter 504 verwendet werden. Beispielsweise könnte
der Schalter 504 einer sein, welcher, wenn er niedergedrückt
wird, ein Signal durch den Kommunikations-Sender-Empfänger 502 an
das chirurgische Navigationssystem 50 sendet, welches darauf
hinweist, dass ein Werkzeug 156 in den Adapter 500 eingesetzt
worden ist. In ähnlicher Weise wird, wenn ein Werkzeug
aus der Aussparung 152 entfernt wird und eine neue Einrichtung in
die Aussparung 152 des Adapters 500 eingesetzt wird,
der Schalter zuerst geöffnet, wenn das Werkzeug entfernt
wird, und niedergedrückt, wenn das neue Werkzeug eingesetzt
wird. Dies wiederum sendet ein Signal durch den Kommunikations-Sender-Empfänger 502 an
das chirurgische Navigationssystem 50, welches wenigstens
darauf hinweist, dass sich der Zustand des Adapters geändert
hat und das Werkzeug neu kalibriert werden muss. Dies kann wichtig
sein, da der Adapter für eine breite Vielzahl von Werkzeugen
während eines chirurgischen Eingriffs verwendet werden
kann, von denen jedes eine andere Länge aufweisen kann,
so dass der Abstand der universellen Verfolgungseinrichtung 54 zu
der Werkzeugspitze unterschiedlich sein könnte. Das System
fordert dann den Benutzer auf, die neue Kombination aus universeller
Verfolgungseinrichtung 54, Adapter 500 und chirurgi schem
Werkzeug 156 neu zu kalibrieren, so dass die korrekten
Daten verwendet und auf dem Monitor 60 ausgegeben werden. Falls
ein Werkzeug entfernt wird, öffnet der Schalter 504 in ähnlicher
Weise und sendet ein Signal an das chirurgische Navigationssystem 50,
welches das System darüber informiert, dass diesem Adapter
und seiner zugeordneten universellen Verfolgungseinrichtung kein
Werkzeug zugeordnet ist. Dies macht diese bestimmte Kombination
aus Verfolgungseinrichtung, chirurgischem Werkzeug und Adapter ungültig
zur Verwendung mit dem System, bis eine Kalibrierung durchgeführt
wird.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung ist nützlich, um auf schnelle und
einfache Weise sowohl die Position als auch die Ausrichtung eines
bestimmten chirurgischen Werkzeugs zu kalibrieren, ohne komplizierte Kalibrierungseinrichtungen
zu erfordern, die getrennt sterilisiert werden müssen,
um innerhalb einer chirurgischen Umgebung eingesetzt zu werden.
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Zahlreiche
Veränderungen der vorliegenden Erfindung sind dem Fachmann
angesichts der vorangegangenen Beschreibung offensichtlich. Dementsprechend
ist diese Beschreibung als lediglich veranschaulichend auszulegen
und ist dargelegt zum Zweck des Befähigens von Fachleuten,
die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und die beste Art, dieselbe
auszuführen, zu lehren. Die ausschließlichen Rechte
an allen Veränderungen, die in den Schutzbereich der angefügten
Ansprüche fallen, sind vorbehalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5987960 [0006]
- - US 5921992 [0006]
- - US 6306126 [0006]