DE102007059691A1 - Adapter für chirurgische Navigations-Verfolgungssysteme - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum einfachen Kalibrieren sowohl der Position der Spitze eines chirurgischen Werkzeugs als auch der Ausrichtung dieses Werkzeugs umfasst ein Anbringen einer zur Kommunikation mit dem chirurgischen Navigationssystem geeigneten Vorrichtung an dem chirurgischen Werkzeug mittels eines Adapters, wobei der Adapter in einer bekannten Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung und der Achse des chirurgischen Werkzeugs steht. Das Verfahren führt dann einen Kalibrierungsprozess durch, um die Position der Spitze des chirurgischen Werkzeugs und die Position der Verfolgungseinrichtung und Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug aus der bekannten Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung und der Achse des chirurgischen Werkzeugs und aus der Position der Werkzeugspitze zu berechnen. Schließlich speichert das Verfahren die Position der Werkzeugspitze für das chirurgische Werkzeug und die Ausrichtungsdaten innerhalb eines Speichers des chirurgischen Navigationssystems ab, so dass die Position und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs durch das chirurgische Navigationssystem verfolgt werden können. Der Adapter weist einen Körper mit einer inneren Oberfläche auf, die eine Aussparung umgrenzt, durch welche ein chirurgisches Werkzeug eingesetzt werden kann, wobei die Aussparung eine Achse aufweist. Der Adapter weist ferner eine Koppelanordnung für eine Verfolgungseinrichtung derart auf, dass eine bekannte Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung und ...
Description
- Diese Anmeldung ist eine Teilanmeldung der U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/246,599, die am 18. September 2002 eingereicht wurde.
- Gebiet der Erfindung
- 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.
- Hintergrund der Erfindung
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 und6,306,126 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. - Zusammenfassung der Erfindung
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 Werkzeugachse 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.
- 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.
- Weitere Aspekte und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine schematische Ansicht des chirurgischen Navigationssystems; -
1a ist ein Blockdiagramm des chirurgischen Navigationssystems nach1 ; -
2 ist eine isometrische Ansicht des Adapters gemäß der vorliegenden Erfindung; -
3 ist eine erhöhte Seitenansicht des Adapters nach2 ; -
4 ist eine erhöhte Hinteransicht des Adapters nach2 ; -
5 ist eine erhöhte Hinteransicht des Adapters nach2 von dem Ende, welches dem von4 gegenüberliegt; -
6 ist eine Schnittansicht des Adapters nach2 , welche allgemein entlang der Linie 6-6 aufgenommen wurde; -
7 ist eine isometrische Ansicht des mit dem Adapter zusammengefügten chirurgischen Werkzeugs; -
8 ist eine isometrische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Adapters der vorliegenden Erfindung; -
9 ist eine Seitenansicht des Adapters nach8 ; -
10 ist eine Hinteransicht des Adapters nach8 ; -
11 ist eine Hinteransicht des Adapters nach8 von dem Ende, welches10 gegenüberliegt; -
12 ist eine Schnittansicht des Adapters nach8 , welche allgemein entlang der Linien 11-11 aufgenommen wurde; -
13 ist eine isometrische Ansicht eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit dem Adapter nach8 ; -
14 ist eine isometrische Ansicht einer universellen Verfolgungseinrichtung; -
15 ist eine Explosionsansicht des Adapters nach8 , des chirurgischen Werkzeugs nach14 und der universellen Verfolgungseinrichtung nach13 ; -
16 ist eine zusammengesetzte Ansicht des Adapters nach8 , des chirurgischen Werkzeugs nach14 und der universellen Verfolgungseinrichtung nach13 ; -
17 ist eine Ansicht der Kalibrierungseinrichtung, die das chirurgische Werkzeug nach14 mit dem Adapter nach8 und der universellen Verfolgungseinrichtung nach13 beim Berühren des Kalibrierungspunkts zeigt; -
18 ist ein Blockdiagramm eines Computerprogramms, welches das Verfahren der vorliegenden Erfindung verkörpert; -
18a ,18b ,18c ,18d und18e sind typische Bildschirmfotos verschiedener in18 dargestellter Nachrichtenkästen; -
19 ist ein Blockdiagramm eines Computerprogramms eines alternativen Verfahrens der vorliegenden Erfindung; und -
20 ist eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Adapters ähnlich dem in8 gezeigten. - Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
- Die
1 und1a zeigen eine schematische Ansicht und ein Blockdiagramm eines chirurgischen Navigationssystems50 , welches ausgebildet ist, das chirurgische Werkzeug52 , dem eine universelle Verfolgungseinrichtung54 mittels eines Adapters56 zugeordnet ist, zu verfolgen. Das chirurgische Navigationssystem50 beinhaltet einen Computer58 , welcher von einer beliebigen Art von Hochgeschwindigkeits-Personal-Computer sein kann, welcher eine CPU58a , eine Speichereinheit58b und eine Festspeichereinheit58c aufweist, wie beispielsweise ein Laptop-Computer, wie gezeigt, oder ein Desktop-Computer (nicht gezeigt). Falls der Desktop-Computer verwendet wird, kann er innerhalb eines Wagens62 aufgenommen sein. Auf dem Wagen62 montiert ist ein Monitor60 , welcher mit einem Videoausgang des Computers58 verbunden ist. Ebenfalls dem Computer58 zugeordnet sind eine Maus64 oder eine andere geeignete Eingabe-Zeige-Einrichtung und eine Tastatur66 . Das chirurgische Navigationssystem50 beinhaltet eine Kamera68 , welche aus drei einzelnen CCD-Kameras70 ,72 und74 zusammengesetzt ist, wobei die Kameras ausgebildet sind, infrarote Signale (IR) zu erfassen, die von der universellen Verfolgungseinrichtung54 erzeugt werden. Die Kamera68 ist mittels eines Kameraarms76 am Wagen60 montiert. Während die Kamera68 in1 in Verbindung mit dem Wagen62 gezeigt ist, ist es nicht erforderlich, dass die Kamera tatsächlich körperlich an dem Wagen63 montiert oder befestigt ist. Die Kamera68 kann in jeder ortsfesten Position derart montiert sein, dass die Kamera68 eine gute Sichtlinie auf das Operationsfeld im Operationssaal hat. Beispielsweise kann die Kamera68 an einer Wand des Operationssaals (nicht gezeigt) montiert sein, oder sie kann auf der Operationssaal-Beleuchtung (nicht gezeigt) montiert sein. Der Kameraarm76 kann auch ein Kabel86 von der Kamera68 zu einem Lokalisierer88 beinhalten, der innerhalb des Wagens62 angeordnet ist. Der Lokalisierer88 arbeitet mit der Kamera68 zusammen, um die Orte der LEDs84 auf der universellen Verfolgungseinrichtung54 und allen anderen Verfolgungseinrichtungen, die innerhalb des Blickfelds der Kamera68 sein können, zu erkennen. Die CCD-Kameras70 ,72 und74 enthalten ihre eigenen Kalibrierungs-Informationen und übermitteln die Positionsdaten von den LEDs84 an den Lokalisierer88 . Der Lokalisierer88 konvertiert dann die unverarbeiteten Positionsdaten mittels Techniken, die dem Fachmann bekannt sind, in Positions- und Ausrichtungsdaten. Der Lokalisierer88 kommuniziert die Positions- und Ausrichtungsdaten durch ein Kabel90 an den Computer58 . Die Kamera68 beinhaltet auch zwei Sender-Empfänger92 und94 , die geeignet sind, mit der universellen Verfolgungseinrichtung54 mittels Techniken, die dem Fachmann wohlbekannt sind, zu kommunizieren. Die Sender-Empfänger92 und94 sind durch eine eigene Schaltung im Kabel86 unmittelbar mit dem Computer58 verbunden. Ebenfalls gezeigt ist eine Referenz-Verfolgungseinrichtung78 , die mittels einer Verfolgerhalterung82 am Tisch des Operationssaals80 befestigt ist. Während es bevorzugt ist, dass die Referenz-Verfolgungseinrichtung78 ortsfest ist, könnte die Referenz-Verfolgungseinrichtung78 an einem Patienten (nicht gezeigt) montiert sein, oder eine zweite, tragbare Verfolgungseinrichtung sein. Sowohl die Referenz-Verfolgungseinrichtung78 als auch die universelle Verfolgungseinrichtung54 weisen mehrere LEDs84 auf, welche Licht im infraroten Bereich aussenden, welches von den CCD-Kameras70 ,72 und74 erfasst werden kann. Eine detailliertere Beschreibung des chirurgischen Navigationssystems50 ist in der U.S.-Patentanmeldung 09/764,609 enthalten, welche am 21. Oktober 2001 eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt durch Inbezugnahme aufgenommen wird. - Bezug nehmend auf die
2 –7 , beinhaltet der Adapter56 einen Körper102 , welcher eine Koppelstift-Brücke104 aufweist. Der Körper102 weist eine äußere Oberfläche106 und eine innere Oberfläche108 auf. Eine Aussparung112 wird von der inneren Oberfläche108 umgrenzt und verläuft durch den Körper102 . Die Aussparung112 weist eine Achse110 auf, wie in2 gezeigt ist. Die Achse110 muss eine bekannte Beziehung zur inneren Oberfläche108 des Adapters56 aufweisen. - Auf der Koppelstift-Brücke
104 sind mehrere Koppelstifte114 montiert. In der in den2 –7 gezeigten Ausführungsform sind vier Koppelstifte114 gezeigt. Die mehreren Koppelstifte114 sind bereitgestellt, um es einem Chirurgen zu ermöglichen, die universelle Verfolgungseinrichtung54 an dem am besten geeigneten Koppelstift114 zu montieren, so dass während des durchzuführenden chirurgischen Eingriffs die LEDs84 in der universellen Verfolgungseinrichtung54 auf problemlose Weise eine Sichtlinie zur Kamera68 aufrechterhalten können. Während in der Ausführungsform der2 –7 vier Koppelstifte114 gezeigt sind, kann jede passende Anzahl von Koppelstiften beinhaltet sein. Die Koppelstifte114 beinhalten eine Basis115 , welche auf eine solche Weise fest an der Koppelstift-Brücke104 befestigt ist, dass sich der Koppelstift114 nicht bewegt, sobald er an der Koppelstift-Brücke104 befestigt wurde. Der Koppelstift114 beinhaltet auch zwei Stifte116 und einen Hinterschnitt118 , welche mit der Koppeloberfläche der universellen Verfolgungseinrichtung54 zusammenwirken, wie im Folgenden detaillierter beschrieben wird, um die universelle Verfolgungseinrichtung54 fest an dem Adapter56 zu halten. - Die Öffnung
112 verläuft vollständig durch den Körper102 und ist derart ausgeformt, dass dann, wenn ein chirurgisches Werkzeug52 durch die Öffnung112 platziert ist, eine Werkzeugachse120 des chirurgischen Werkzeugs52 mit der Achse110 der Aussparung112 identisch ist. Diese Identität der Achse110 und der Werkzeugachse120 ist ein wichtiger Aspekt des Adapters56 . Dies ermöglicht dem Adapter56 , mit der Referenz-Verfolgungseinrichtung78 verwendet zu werden, um nicht nur die Position einer Werkzeugspitze126 des chirurgischen Werkzeugs52 zu kalibrieren, sondern auch die Werkzeugachse120 derart zu kalibrieren, dass das chirurgische Navigationssystem50 sowohl die Position als auch die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs52 verfolgen kann. Die Öffnung112 und ihre Achse110 können gegenüber der Mitte des Körpers102 versetzt sein, falls das chirurgische Werkzeug52 drehfest von dem Adapter56 gehalten wird. - Sobald der Adapter
56 auf dem chirurgischen Werkzeug52 platziert ist, ist es wichtig, dass die Position des Adapters56 bezüglich der Werkzeugspitze126 und der Werkzeugachse120 unbeeinträchtigt bleibt. Während es möglich ist, dass der Adapter56 konfiguriert ist, an Ort und Stelle um die Werkzeugachse120 gedreht zu werden, solange der Abstand von der Werkzeugspitze126 zum Ort der universellen Verfolgungseinrichtung54 unverändert bleibt und solange die Beziehung zwischen der universellen Verfolgungseinheit54 und der Werkzeugachse120 des Werkzeugs unverändert bleibt, können die Position und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs52 von dem chirurgischen Navigationssystem50 kalibriert und verfolgt werden. - Um den Adapter
56 an einem festen Ort bezüglich der Werkzeugspitze126 zu halten, sind federbelastete Kugeln122 innerhalb des Innenraums der Aussparung112 und der inneren Oberfläche108 des Körpers102 bereitgestellt. Diese Kugeln122 sind durch Federn124 nach außen vorgespannt und arbeiten zusammen, um fest mit dem chirurgischen Werkzeug42 zusammenzuwirken, so dass die Beziehung zwischen dem Adapter56 und dem chirurgischen Werkzeug52 erhalten bleibt. Beispielsweise kann das chirurgische Werkzeug52 einen schmalen Kanal (nicht gezeigt) aufweisen, innerhalb derer die Kugeln122 ruhen, wodurch sie den Adapter56 in einer festen Beziehung bezüglich der Werkzeugspitze126 halten. Andere Mittel, um den Adapter56 fest an dem chirurgischen Werkzeug52 zu befestigen, können ebenfalls verwendet werden. - Wie in den
8 –13 gezeigt, wird eine zweite Ausführungsform des Adapters56 gezeigt. Beim Beschreiben der8 –13 werden ähnliche Anordnungen unter Verwendung derselben Bezugszeichen wie oben beschrieben. Ein Adapter150 beinhaltet die Koppelstift-Brücke104 und weist die äußere Oberfläche106 und die innere Oberfläche108 auf. Wie in8 gezeigt ist, verläuft eine Achse186 durch eine Aussparung152 , die von der inneren Oberfläche108 umgrenzt ist. Die Aussparung152 im Adapter150 ist größer als die Öffnung112 des Adapters56 . Der Grund für diese größere Aussparung ist, mit einer Befestigungseinrichtung154 wechselzuwirken, die auf einem chirurgischen Werkzeug156 montiert ist. Auf der äußeren Oberfläche106 des Adapters150 befindet sich eine Reihe von Rasten158 . Die Rasten158 wechselwirken mit einer Reihe von Kugeln160 , die innerhalb einer inneren Oberfläche162 der Befestigungseinrichtung154 aufgenommen sind. Diese Kugeln160 werden durch einen Sperrring164 , welcher die Außenseite der Befestigungseinrichtung154 umgibt, an Ort und Stelle gehalten. Die Befestigungseinrichtung154 beinhaltet auch einen glatten Vorsprung166 , der derart geformt ist, dass er eng in die Aussparung152 des Adapters150 passt. Die Form des glatten Vorsprungs166 ist derart, dass die Achse168 der Aussparung152 mit einer Werkzeugachse170 des chirurgischen Werkzeugs156 zusammenfällt. Zusätzlich ist eine Reihe von Kerben172 auf der äußeren Oberfläche106 des Adapters150 gezeigt. Diese Kerben sind um das Ende des Adapters150 , welches der Koppelstift-Brücke104 gegenüberliegt, angeordnet. Diese Kerben172 wechselwirken mit einem oder mehreren Stiften174 auf einer hinteren Oberfläche176 der Befestigungseinrichtung154 . Die Kerben172 und die Stifte174 halten den Adapter150 davon ab, sich um die Achse168 zu drehen. Die Kerben172 oder die Stifte174 oder beide können weggelassen werden, wenn es gewünscht ist, dass sich der Adapter156 frei um die Achse168 drehen kann. - Wie in den
6 und12 gezeigt ist, können die Adapter56 und150 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 in6 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 in12 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. - Sich nun
14 zuwendend, ist die universelle Verfolgungseinrichtung54 detaillierter gezeigt. Die in14 gezeigte universelle Verfolgungseinrichtung54 beinhaltet fünf LEDs84 , welche derart angeordnet sind, dass keine drei LEDs in einer einzigen Reihe liegen. Diese Anordnung ermöglicht es dem chirurgischen Navigationssystem50 , sowohl die Position als auch die Ausrichtung der universellen Verfolgungseinrichtung54 zu bestimmen. Wie zuvor ausgeführt, emittieren diese LEDs84 üblicherweise Licht im infraroten Bereich, wie dem Fachmann wohlbekannt ist. Die universelle Verfolgungseinrichtung54 weist einen Knopf98 auf. Dieser Knopf98 aktiviert die LEDs84 , so dass die Kamera68 des chirurgischen Navigationssystems50 die universelle Verfolgungseinrichtung lokalisieren kann. Die universelle Verfolgungseinrichtung54 beinhaltet auch ein Statuslicht190 , welches programmiert werden kann, um auf vielfältige Weise zu funktionieren. Beispielsweise kann das Statuslicht190 so programmiert werden, dass es für einen kurzen Zeitraum aufleuchtet, nachdem eine Stromquelle, wie eine Batterie194 , in einen passenden Batteriehalter der universellen Verfolgungseinrichtung54 eingesetzt wurde. Die universelle Verfolgungseinrichtung54 beinhaltet auch eine spielfreie Adapterschnittstelle195 , welche eine Aussparung196 beinhaltet, durch welche einer der Koppelstifte114 eingesetzt werden kann. Die Struktur der Aussparung196 und der Koppelstifte114 ist derart, dass dann, wenn der Kopplungsstift114 durch die Aussparung196 eingesetzt ist, eine interne Verriegelung (nicht gezeigt) um einen Hinterschnitt118 einrastet. Die interne Verriegelung kann durch Drücken eines Knopfs198 gelöst werden, um die universel le Verfolgungseinrichtung54 von dem Koppelstift114 zu entfernen. Die Bedeutung der spielfreien Auslegung der Adapterschnittstelle liegt darin, dass, sobald die universelle Verfolgungseinrichtung54 auf dem Koppelstift114 platziert ist, die relative Position der universellen Verfolgungseinrichtung54 und des Koppelstifts114 nicht gestört werden darf. Sobald die zusammengesetzte Einheit aus universeller Verfolgungseinrichtung54 , Adapter150 und chirurgischem Werkzeug156 kalibriert ist, kann das chirurgische Werkzeug156 von dem chirurgischen Navigationssystem50 verfolgt werden. Falls jedoch die Beziehung zwischen diesen Komponenten gestört wird, muss die zusammengesetzte Einheit neu kalibriert werden. - Zusätzlich beinhaltet die universelle Verfolgungseinrichtung
54 auch einen Kalibrierungspunkt200 . Der Kalibrierungspunkt200 steht in einer bekannten Beziehung zu den LEDs84 und hat einen Mittelpunkt, der auf einfache Weise identifiziert werden kann, so dass die universelle Verfolgungseinrichtung54 auch als eine Referenz-Verfolgungseinrichtung78 , wie in1 gezeigt, verwendet werden kann. Zusätzlich beinhaltet die universelle Verfolgungseinrichtung54 einen Kommunikations-Sender-Empfänger202 , welcher es der universellen Verfolgungseinrichtung ermöglicht, mit dem chirurgischen Navigationssystem50 durch die Sender-Empfänger92 und94 unmittelbar zu kommunizieren. -
15 zeigt eine Explosionsansicht der universellen Verfolgungseinrichtung54 , des Adapters150 und des chirurgischen Werkzeugs156 . Bei der Verwendung wird der Adapter150 entlang der Länge des chirurgischen Werkzeugs156 geschoben, bis der Adapter150 fest mit der Befestigungseinrichtung154 zusammenwirkt, welche fest an dem chirurgischen Werkzeug156 befestigt ist. Üblicherweise wird die Befestigungseinrichtung154 zusammen mit dem chirurgischen Werkzeug156 während der Herstellung ausgebildet, es ist jedoch auch möglich, die Befestigungseinrichtung154 mittels eines passenden Befestigungsmittels (nicht gezeigt) am chirurgischen Werkzeug156 nachzurüsten. In16 ist eine Ansicht des chirurgischen Werkzeugs156 , des Adapters150 und der universellen Verfolgungseinrichtung54 in einer zusammengebauten Konfiguration gezeigt. Wie zuvor angemerkt, müssen das chirurgische Werkzeug156 und die befestigte universelle Verfolgungseinrichtung54 kalibriert werden, bevor sie mit dem chirurgischen Navigationssystem50 verwendet werden können. - Wie in
17 gezeigt ist, wird die Werkzeugspitze126 gegen den Kalibrierungspunkt200 der Referenz-Verfolgungseinrichtung78 platziert. Sowohl der Ort des Kalibrierungspunkts200 auf der Referenz-Verfolgungseinrichtung78 als auch die Position der universellen Verfolgungseinrichtung54 sind dem chirurgischen Navigationssystem50 bekannt. Wegen dieser bekannten Beziehung kann das chirurgische Navigationssystem50 den Ort der Werkzeugspitze126 bezüglich der universellen Verfolgungseinrichtung54 bestimmen, wenn die Werkzeugspitze126 gegen den Kalibrierungspunkt200 gehalten wird. Das chirurgische Navigationssystem50 speichert dann den Ort der Werkzeugspitze und die Beziehung des Orts der Werkzeugspitze zur universellen Verfolgungseinrichtung54 im Speicher58b des Computers58 . Zusätzlich ist das chirurgische Navigationssystem50 in der Lage, die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs156 zu kalibrieren, weil der Adapter150 verwendet wird, um die universelle Verfolgungseinrichtung54 an dem chirurgischen Werkzeug156 zu befestigen. Der Adapter150 hat eine bekannte und zuvor definierte Beziehung unter den verschiedenen Koppelstiften114 zur Achse168 der Aussparung152 und zur Werkzeugachse170 . Auch die Beziehung zwischen jedem Koppelstift114 und der universellen Verfolgungseinrichtung54 ist ebenfalls bekannt und zuvor definiert. Diese Beziehungen sind in einer Datenbank gespeichert, die im Speicher58b des Computers58 für jeden Adapter, welcher mit dem chirurgischen Navigationssystem50 verwendet werden kann, geführt wird. -
18 ist ein Blockdiagramm eines Computerprogramms, welches das Verfahren der vorliegenden Erfindung verkörpert. Das Programm beginnt an einem Block300 , welcher bestimmt, ob eine Kalibrierungseinrichtung, wie die Referenz-Verfolgungseinrichtung78 , aktiv ist. Falls die Einrichtung nicht aktiv ist, so verzweigt das Programm zu einem Block301 , welcher eine Nachricht wie in18a gezeigt anzeigt, dass die Kalibrierungseinrichtung eingeschaltet werden soll. Das Programm kehrt zurück zum Block300 und wartet, bis das chirurgische Navigationssystem50 ein Signal empfängt, dass die Kalibrierungseinrichtung eingeschaltet wurde. Sobald die Kalibrierungseinrichtung aktiviert wurde, verzweigt das Programm dann zu einem Block302 , welcher eine Nachricht wie in18b gezeigt ausgibt, welche den Benutzer erstens anweist, mit der Spitze des Werkzeugs, wie der Werkzeugspitze126 , den Kalibrierungspunkt auf der Kalibrierungseinrichtung, wie den Kalibrierungspunkt200 , zu berühren, und zweitens den Knopf auf der Verfolgungseinrichtung, wie den Knopf98 , zu drücken. Wenn der Knopf98 aktiviert wird, aktivieren sich die LEDs84 auf der universellen Verfolgungseinrichtung54 und werden von der Kamera68 erfasst. Die Abschnittsdaten für die LEDs84 werden an den Lokalisierer88 gesendet, welcher die Position und Ausrichtung der universellen Verfolgungseinrichtung54 an den Computer58 übermittelt. Diese Daten werden in dem Speicher58b gespeichert und sind als ein Datenblock303 gezeigt. Auf eine ähnliche Weise bestimmt das chirurgische Navigationssystem50 die Position und Ausrichtung der Kalibrierungseinrichtung, wie der Referenz-Verfolgungseinrichtung78 . Diese Daten werden ebenfalls im Speicher58b gespeichert und sind als ein Datenblock304 gezeigt. Das Programm fährt dann mit einem Berechnungsblock305 fort. In dem Block305 berechnet das Programm die Werkzeugspitzen-Position aus den abgespeicherten Daten der Position der Verfolgungseinrichtung aus dem Datenblock303 und der gespeicherten Position der Kalibrierungseinrichtung im Datenblock304 . Die Berechnung der Werkzeugspitzen-Position wird auf herkömmliche Art und Weise mittels Algorithmen, die wohlbekannt und den Fachleuten vertraut sind, durchgeführt. - Die Werkzeugspitzen-Position aus dem Berechnungsblock
305 wird dann gespeichert, und die gespeicherte Werkzeugspitzen-Position wird an einen Berechnungsblock306 weitergegeben, welcher die Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug156 berechnet. Zusätzlich zur Werkzeugspitzen-Position aus dem Block305 hat das chirurgische Navigationssystem50 die Datenbank96 möglicher Achsen für die Aussparung152 relativ zum Ort der universellen Verfolgungseinrichtung54 im Speicher58b in der Datenbank96 gespeichert. Die Datenbank96 ist als ein Datenblock306 gezeigt und beinhaltet Daten, welche zuvor im Speicher58b bezüglich der relativen Position der universellen Verfolgungseinrichtung54 bezüglich der möglichen Achsen der Aussparung für verschiedene Adapter, wie der Achse110 oder der Achse168 , gespeichert wurden. Weil der Adapter56 und der Adapter150 eine unterschiedliche Anzahl Koppelstifte114 aufweisen können, liegt jeder dieser Koppelstifte in einer unterschiedlichen Position und Ausrichtung bezüglich der Achse110 bzw. der Achse168 . Die relative Position der universellen Verfolgungseinrichtung54 entweder zur Achse110 oder zur Achse168 für jeden Koppelstift114 kann durch wohlbekannte Verfahren berechnet werden. Das Ergebnis dieser Berechnung für den Ort jedes Koppelstifts114 für jeden möglichen Adapter, welcher mit dem chirurgischen Navigationssystem50 verwendet werden kann, wird in der Datenbank96 gespeichert, welche zuvor bei der Initialisierung des Programms in den Speicher des Computers58b geladen wurde. - 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 Navigationssystems50 eingegeben werden kann. Dies kann manuell durchgeführt werden, indem mittels der Tastatur66 oder der Maus64 angezeigt wird, welcher Adapter verwendet wird, oder automatisch durch Verwendung eines smarten Adapters500 , wie er in20 gezeigt ist. Der Adapter500 weist einen Kommunikations-Sender-Empfänger502 auf, welcher geeignet ist, in dem Adapter500 gespeicherte Informationen, wie beispielsweise eine bestimmte Modellnummer und/oder Bauformnummer, an das chirurgische Navigationssystem50 durch die Kommunikations-Sender-Empfänger92 und94 zu übermitteln. - Sobald das chirurgische Navigationssystem
50 die Identität des bestimmten Adapters kennt, wird die Datenbank96 nach potentiellen Achsen für den bestimmten Adapter, der gerade verwendet wird, wie den Adapter150 , befragt, und die Untermenge der Daten wird zusammen mit der Werkzeugspitzen-Position aus dem Block305 im Speicher platziert, wie durch den Datenblock306 angedeutet. Die Untermengen der Daten, die in dem Datenblock306 aus der Datenbank96 gespeichert sind, werden dann verwendet, die Ausrichtungsdaten zu berechnen. Das Programm fährt fort mit einem Block307 , welcher die Ausrichtungsdaten berechnet, indem er die Werkzeugspitzen-Position mit der Datenuntermenge vergleicht, welche aus der Datenbank96 entnommen und in dem Datenblock306 für diesen bestimmten Adapter gespeichert wurde. Falls die Werkzeugspitzen-Position entlang einer der potentiellen Achsen aus dem Datenblock306 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 Block308 gezeigt, zum Überprüfungsprozess. Falls die Position der Werkzeugspitze nicht innerhalb zulässiger Grenzwerte auf einer der Achsen liegt, verzweigt das Programm zu Block309 , welcher eine Fehlernachricht ausgibt, wie sie in18d gezeigt ist. Die Steuerung bildet dann eine Schleife zurück zum Block302 , um den Kalibrierungsprozess zu wiederholen. - Zu Beginn des Überprüfungsprozesses gibt ein Block
310 eine Nachricht, wie sie in18c gezeigt ist, aus. Die Nachricht weist den Benutzer an, mit der Werkzeugspitze den Kalibrierungspunkt200 der Kalibrierungseinrichtung zu berühren und dann den Knopf98 zu drücken. Sobald der Knopf98 gedrückt wird, bestimmt das chirurgische Navigationssystem50 die Position der universellen Verfolgungseinrichtung54 wie oben beschrieben und speichert die Position in einen Datenblock312 . Auch wird die Position der Kalibrierungseinrichtung auf dieselbe Weise wie oben beschrieben bestimmt, und ein Datenblock311 speichert die Position der Kalibrierungseinrichtung. Ein Block313 vergleicht dann die in dem Datenblock311 gespeicherte Position mit der gespeicherten Werkzeugspitzen-Position aus dem Block305 . Falls der Vergleich durch den Block313 innerhalb zulässiger Fehlergrenzwerte liegt, bestimmt ein Block314 , ob die Kalibrierung betätigt bzw. validiert wurde, und die Achsdaten und die Werkzeugspitzen-Positionsdaten werden dann in den Speicher58b geschrieben, wie durch Block318 angedeutet. Falls der Überprüfungsprozess nicht erfolgreich ist, d. h., falls der Vergleich größer als der zulässige Fehler ist, dann verzweigt das Programm, und ein Block315 gibt eine Nachricht, wie sie in18c 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. -
19 zeigt ein Blockdiagramm für ein alternatives Verfahren der vorliegenden Erfindung. Das Programm beginnt an einem Block400 , welcher bestimmt, ob eine Kalibrierungseinrichtung aktiv ist. Falls die Kalibrierungseinrichtung nicht aktiv ist, gibt ein Block401 eine Nachricht aus und das Programm wartet, bis eine Kalibrierungseinrichtung aktiviert wird. Die Nachricht, die in dem Block401 ausgegeben wird, ist ähnlich der, die in18a gezeigt ist. Nachdem eine Kalibrierungseinrichtung aktiviert wurde, gibt ein Block402 eine Nachricht ähnlich der, die in18b gezeigt ist, aus. Sobald der Benutzer mit der Werkzeugspitze126 den Kalibrierungspunkt200 auf der Referenz-Verfolgungseinrichtung78 berührt und den Verfolger-Knopf98 auf der universellen Verfolgungseinrichtung54 drückt, berechnet ein Block403 die Werkzeugspitzen-Position mittels der Daten, die aus der Position der universellen Verfolgungseinrichtung54 generiert wurden und die in einem Datenblock404 gespeichert sind, und der Daten über die Position der Kalibrierungseinrichtung, die in einem Datenblock405 gespeichert sind. Die Werkzeugspitzen-Position wird durch den Block403 auf eine ähnliche Weise wie jene, die mit Bezug auf18 beschrieben wurde, berechnet. Sobald die Werkzeugspitzen-Position bestimmt und gespeichert wurde, bestimmt ein Block406 , ob der Kalibrierungsschritt erfolgreich durchgeführt wurde oder nicht. Falls der Kalibrierungsschritt nicht erfolgreich war, beispielsweise falls eine der Verfolgungseinrichtungen für das chirurgische Navigationssystem50 nicht sichtbar war, gibt ein Block416 eine Fehlernachricht aus, welche auf die Art des Fehlers hinweist. - Falls die Kalibrierung abgeschlossen ist, speichert der Block
406 die Werkzeugspitzen-Position im Speicher, das Programm fährt fort mit einem Block407 , welcher die Überprüfungsnachricht ausgibt, welche ähnlich der in18c gezeigten ist. Die Nachricht weist den Benutzer an, mit der Werkzeugspitze126 den Kalibrierungspunkt200 auf der Referenz-Verfolgungseinrichtung78 zu berühren und dann den Aktivierungsknopf98 auf der universellen Verfolgungseinrichtung54 zu drücken. Wird die Verfolgungseinrichtung aktiviert, bestimmt und speichert ein Block408 die Position der Verfolgungseinrichtung, und ein Block409 bestimmt und speichert die Kalibrierungsposition auf eine ähnliche Weise wie die oben beschriebene. Ein Block410 vergleicht dann den Überprüfungsort der Werkzeugspitze mit der gespeicherten Werkzeugspitzen-Position. Falls ein Block411 bestimmt, dass die Abweichung zwischen der in Block403 gespeicherten Werkzeugspitzen-Position und dem durch den Block410 bestimmten Überprüfungswert größer als ein zulässiger Grenzwert ist, ist die Überprüfung nicht erfolgreich und verzweigt, wie durch eine Fallunterscheidung angedeutet, ein Block421 gibt eine Fehlernachricht aus. Diese Fehlernachricht ist ähnlich jener, die in18e gezeigt ist. Falls andererseits der Vergleich in Block410 innerhalb zulässiger Fehlergrenzwerte liegt, dann übergibt der Block411 die Steuerung der Achsenkalibrierung. - Ein Block
412 bestimmt eine Achsenkalibrierung, indem die gespeicherte, überprüfte Werkzeugspitzen-Position aus dem Block410 genommen und bestimmt wird, ob diese Werkzeugspitzen-Position auf irgendeiner der verfügbaren, in einem Block413 der Achsdatenbank gespeicherten Achsen liegt oder nicht. Die Achsdatenbank ist ähnlich der, die mit Bezug auf18 beschrieben wurde. Der Block412 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 Block415 verzweigt zu einem Block414 , welcher die Daten der ausgewählten Achse und der Werkzeugspitzen-Position in den Speicher58b 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 Block414 zu einem Block417 , welcher nur die Daten der Werkzeugspitzen-Position in den Speicher58b 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. - Sich nun
20 zuwendend ist eine dritte Ausführungsform des Adapters der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der Adapter500 , welcher ähnlich dem Adapter150 ist, bereitgestellt. Dieser Adapter unterscheidet sich von dem Adapter150 darin, dass er zwei zusätzliche Merkmale aufweist. Das erste zusätzliche Merkmal ist der Kommunikations-Sender-Empfänger502 , welcher es dem Adapter500 ermöglicht, Informationen an das chirurgische Navigationssystem50 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 Schalter504 auf der inneren Oberfläche108 des Adapters500 gezeigt. Dieser Schalter504 wird niedergedrückt oder aktiviert, wenn das chirurgische Werkzeug156 in die Aussparung152 des Adapters500 eingesetzt wird. Jeder passende Schalter kann als der Schalter504 verwendet werden. Beispielsweise könnte der Schalter504 einer sein, welcher, wenn er niedergedrückt wird, ein Signal durch den Kommunikations-Sender-Empfänger502 an das chirurgische Navigationssystem50 sendet, welches darauf hinweist, dass ein Werkzeug156 in den Adapter500 eingesetzt worden ist. In ähnlicher Weise wird, wenn ein Werkzeug aus der Aussparung152 entfernt wird und eine neue Einrichtung in die Aussparung152 des Adapters500 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-Empfänger502 an das chirurgische Navigationssystem50 , 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 Verfolgungseinrichtung54 zu der Werkzeugspitze unterschiedlich sein könnte. Das System fordert dann den Benutzer auf, die neue Kombination aus universeller Verfolgungseinrichtung54 , Adapter500 und chirurgi schem Werkzeug156 neu zu kalibrieren, so dass die korrekten Daten verwendet und auf dem Monitor60 ausgegeben werden. Falls ein Werkzeug entfernt wird, öffnet der Schalter504 in ähnlicher Weise und sendet ein Signal an das chirurgische Navigationssystem50 , 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. - Gewerbliche Anwendbarkeit
- 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.
- 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.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- - US 5987960 [0006]
- - US 5921992 [0006]
- - US 6306126 [0006]
Claims (32)
- System zur Kalibrierung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend: – eine Speichereinheit; – einen Adapter, welcher an einem eine Werkzeugspitze und eine Werkzeugachse aufweisenden chirurgischen Werkzeug angebracht werden kann; – 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; – eine Kalibrierungseinrichtung, die zu einer Bestimmung einer Position der Werkzeugspitze bezüglich der Position der Verfolgungseinrichtung geeignet ist und die zur Kommunikation mit dem chirurgischen Navigationssystem geeignet ist; – eine erste Schaltung, die im Betrieb die Position der Werkzeugspitze 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.
- System nach Anspruch 1, wobei die Verfolgungseinrichtung mittels einer Koppelanordnung an dem Adapter angebracht ist.
- System nach Anspruch 2, wobei die Koppelanordnung die Verfolgungseinrichtung in eine vorgegebene Position bezüglich des Adapters verriegelt.
- System nach Anspruch 1, wobei der Adapter ein Körper ist, der eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist.
- System nach Anspruch 4, wobei die innere Oberfläche eine eine Achse aufweisende Aussparung umgrenzt und wobei die innere Oberfläche eine Form zum Zusammenwirken mit dem chirurgischen Werkzeug aufweist, wobei die Werkzeugachse des in die Aussparung eingesetzten chirurgischen Werkzeugs und die Achse der Aussparung identisch sind.
- System nach Anspruch 1, wobei die Verfolgungseinrichtung eine optische Verfolgungseinrichtung ist.
- System nach Anspruch 6, wobei die optische Verfolgungseinrichtung infrarote LEDs beinhaltet.
- System nach Anspruch 1, wobei das System ferner eine Datenbank bekannter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung zur Werkzeugachse beinhaltet und die erste Schaltung die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank bekannter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung zur Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze berechnet.
- System zur Kalibrierung einer Position und einer Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend: – 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 der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen der Verfolgungseinrichtung und der Werkzeugachse aufweist; – ein Mittel zur Berechnung einer Position der Werkzeugspitze durch Berühren einer Kalibrierungseinrichtung, die zur Kommunikation mit dem chirurgischen Navigationssystem geeignet ist und die zur Bestimmung der Position der Werkzeugspitze bezüglich einer Position der Verfolgungseinrichtung geeignet ist, mit der Werkzeugspitze; – 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; und – 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 Na vigationssystem verwendet wird, die Position und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs von dem chirurgischen Navigationssystem verfolgt werden können.
- System nach Anspruch 9, wobei die Verfolgungseinrichtung durch ein Andockmittel an den Adapter angebracht ist.
- System nach Anspruch 10, wobei das Andockmittel die Verfolgungseinrichtung in eine vorgegebene Position bezüglich des Adapters verriegelt.
- System nach Anspruch 9, wobei der Adapter ein Körper ist, der eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist.
- System nach Anspruch 12, wobei die innere Oberfläche eine Aussparung umgrenzt, welche eine Achse aufweist und wobei die innere Oberfläche geformt ist, um mit dem chirurgischen Werkzeug zusammenzuwirken, wobei die Werkzeugachse des in die Öffnung eingesetzten chirurgischen Werkzeugs und die Achse der Öffnung identisch sind.
- System nach Anspruch 9, wobei die Verfolgungseinrichtung eine optische Verfolgungseinrichtung ist.
- System nach Anspruch 14, wobei die optische Verfolgungseinrichtung infrarote LEDs beinhaltet.
- System nach Anspruch 9, wobei das System ferner eine Datenbank bekannter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung zur Werkzeugachse beinhaltet und die erste Schaltung die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank bekannter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung zur Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze berechnet.
- System zur Kalibrierung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend: – eine Speichereinheit; – ein Mittel zur Anbringung eines Adapters an einem eine Werkzeugspitze und eine Werkzeugachse aufweisenden chirurgischen Werkzeug; – 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 Werkzeugachse aufweist; – 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; – 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.
- System nach Anspruch 17, wobei das Verfolgungsmittel an dem Adapter durch ein Koppelmittel angebracht ist.
- System nach Anspruch 18, wobei das Koppelmittel die Verfolgungseinrichtung in eine vorgegebene Position bezüglich des Adapters verriegelt.
- System nach Anspruch 19, wobei der Adapter ein Körper ist, welcher eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist.
- System nach Anspruch 20, wobei die innere Oberfläche eine eine Achse aufweisende Aussparung umgrenzt und wobei die innere Oberfläche eine Form zum Zusammenwirken mit dem chirurgischen Werkzeug aufweist, wobei die Werkzeugachse des in die Aussparung eingeführten chirurgischen Werkzeugs und die Achse der Aussparung identisch sind.
- System nach Anspruch 17, wobei das Verfolgungsmittel ein optisches Verfolgungsmittel ist.
- System nach Anspruch 22, wobei die optische Verfolgungseinrichtung infrarote LEDs beinhaltet.
- System nach Anspruch 17, wobei das System ferner eine Datenbank bekannter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung zur Werkzeugachse beinhaltet und die erste Schaltung die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank bekannter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung zur Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze berechnet.
- System zur Kalibrierung einer Position und einer Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend: – 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; – ein Mittel zur Berechnung einer Position der Werkzeugspitze durch Berühren einer zur Kommunikation mit dem chirurgischen Navigationssystem und zur Bestimmung der Position der Werkzeugspitze bezüglich einer Position der Verfolgungseinrichtung geeigneten Kalibrierungseinrichtung mit der Werkzeugspitze; – ein Mittel zur Speicherung der Position der Werkzeugspitze in einem Speicher des chirurgischen Navigationssystems; und – ein Mittel 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 kann.
- System nach Anspruch 25, wobei die Verfolgungseinrichtung durch ein Koppelmittel am Adapter angebracht ist.
- System nach Anspruch 26, wobei das Koppelmittel die Verfolgungseinrichtung in eine vorgegebene Position bezüglich des Adapters verriegelt.
- System nach Anspruch 25, wobei der Adapter ein Körper ist, welcher eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist.
- System nach Anspruch 28, wobei die innere Oberfläche eine eine Achse aufweisende Aussparung umgrenzt und wobei die innere Oberfläche eine Form zum Zusammenwirken mit dem chirurgischen Werkzeug aufweist, wobei die Werkzeugachse des in die Aussparung eingesetzten chirurgischen Werkzeugs und die Achse der Öffnung identisch sind.
- System nach Anspruch 25, wobei die Verfolgungseinrichtung eine optische Verfolgungseinrichtung ist.
- System nach Anspruch 30, wobei die optische Verfolgungseinrichtung infrarote LEDs beinhaltet.
- System nach Anspruch 25, wobei das System ferner eine Datenbank bekannter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung zur Werkzeugachse beinhaltet und die erste Schaltung die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank bekannter Beziehungen der Verfolgungseinrichtung zur Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze berechnet.
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