DE102008061880B4 - Navigation system for surgical purposes - Google Patents

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Abstract

Navigationssystem für chirurgische Zwecke zur Lagebestimmung eines Gegenstandes in einem Referenz-Koordinatensystem, wobei an dem Gegenstand (1; 15) mindestens drei Sensoren (4), die in Abhängigkeit von ihrer Beschleunigung und ihrer Orientierung im Gravitationsfeld Signale erzeugen, in festem gegenseitigem Abstand und relativ zu dem Gegenstand (1; 15) fest angeordnet sind, und wobei die Sensoren (4) mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (6) verbunden sind, die so programmiert ist, dass aus den Signalen der mindestens drei Sensoren (4) die Position und die Orientierung des Gegenstandes (1; 15) im Referenz-Koordinatensystem berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4) thermodynamische Sensoren (4) sind und dass die Datenverarbeitungseinrichtung (6) so programmiert ist, dass sie aus zeitlich aufeinander folgenden Signalen jedes der mindestens drei thermodynamischen Sensoren (4) Daten für die Änderung der Position und / oder der Orientierung jedes thermodynamischen Sensors (4) berechnet, über die entsprechenden Daten von mindestens zwei thermodynamischen Sensoren (4) mittelt und die gemittelten Daten zur Berechnung der Lagedaten des Gegenstandes (1; 15) verwendet.Navigation system for surgical purposes for determining the position of an object in a reference coordinate system, wherein the object (1; 15) at least three sensors (4) which generate signals in dependence on their acceleration and orientation in the gravitational field, in fixed mutual distance and relative to the object (1; 15), and wherein the sensors (4) are connected to a data processing device (6) which is programmed in such a way that the position and orientation of the signal from the signals of the at least three sensors (4) Is calculated in the reference coordinate system, characterized in that the sensors (4) are thermodynamic sensors (4) and that the data processing device (6) is programmed to be composed of chronologically successive signals of each of the at least three thermodynamic sensors (4) data for the change of position and / or orientation of each thermodynamic Sensor (4) calculated average over the corresponding data of at least two thermodynamic sensors (4) and the averaged data for calculating the position data of the object (1; 15) is used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Navigationssystem für chirurgische Zwecke zur Lagebestimmung eines Gegenstandes in einem Referenz-Koordinatensystem.The invention relates to a navigation system for surgical purposes for determining the position of an object in a reference coordinate system.

Es sind Navigationssysteme für chirurgische Zwecke bekannt, bei denen zur Lagebestimmung eines Gegenstandes in einem Referenz-Koordinatensystem, das heißt zur Bestimmung von dessen Positionsdaten und Orientierungsdaten in dem Referenz-Koordinatensystem, an dem Gegenstand so genannte Markierelemente festgelegt sind, beispielsweise Reflexionskörper, die auftreffende sichtbare oder ultrarote Strahlung reflektieren oder aktive Strahlungsquellen wie Leuchtdioden. Von diesen Markierungselementen ausgehende Strahlung wird von stationären Strahlungsempfängern aufgenommen, und aufgrund der empfangenen Strahlung können die Positionsdaten der Markierelemente in einem Referenz-Koordinatensystem, das mit den Strahlungsempfängern fest verbunden ist, bestimmt werden. Aus den Lagedaten der mindestens drei Markierelemente lässt sich dann auch die Lage, das heißt also die Position und Orientierung, des Gegenstandes im Referenz-Koordinatensystem bestimmen. Diese Bestimmung wird üblicherweise durch eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgenommen.There are navigation systems for surgical purposes are known in which for determining the position of an object in a reference coordinate system, that is, for determining its position data and orientation data in the reference coordinate system on which object so-called marking elements are fixed, such as reflection body, the incident visible or reflect ultra-red radiation or active radiation sources such as light-emitting diodes. Radiation emanating from these marker elements is picked up by stationary radiation receivers, and due to the received radiation, the position data of the marker elements can be determined in a reference coordinate system fixedly connected to the radiation receivers. From the position data of the at least three marking elements, it is then also possible to determine the position, that is to say the position and orientation, of the object in the reference coordinate system. This determination is usually made by a data processing device.

Für derartige Navigationssysteme sind Strahlungssender und Strahlungsempfänger notwendig. Die Strahlungssender können entweder an dem Gegenstand selbst angeordnet sein, oder auch stationär, in jedem Fall muss ein System von Strahlungsempfängern vorgesehen sein, so dass sich insgesamt eine relativ komplizierte Struktur eines solchen Navigationssystems ergibt.Radiation transmitters and radiation receivers are necessary for such navigation systems. The radiation emitters can either be arranged on the object itself or else stationary, in any case a system of radiation receivers must be provided so that the overall result is a relatively complicated structure of such a navigation system.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlichen Positionsmessung sind in der DE 10 2004 061 764 A1 beschrieben.A method and a device for spatial position measurement are in DE 10 2004 061 764 A1 described.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Navigationssystem so auszubilden, dass mit relativ geringem Aufwand und mit hoher Genauigkeit die Lagedaten eines Gegenstandes, beispielsweise eines chirurgischen Instrumentes, bestimmt werden können.It is an object of the invention to design a generic navigation system such that the positional data of an object, for example a surgical instrument, can be determined with relatively little effort and with high accuracy.

Diese Aufgabe wird durch erfindungsgemäße Navigationssysteme mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Die unabhängigen Ansprüche beziehen sich auf besondere Ausführungsarten der Erfindung.This object is achieved by navigation systems according to the invention having the features of the independent claims 1 or 2. The independent claims relate to particular embodiments of the invention.

Im Gegensatz zu bekannten Navigationssystemen werden also nicht Sensoren verwendet, die eine Strahlung abgeben, aufgrund der die Position des Markierelementes im Referenz-Koordinatensystem festgestellt wird, sondern es werden thermodynamische Sensoren verwendet, die selbst elektrische Signale erzeugen, und zwar in Abhängigkeit von der Orientierung eines solchen Sensors im Gravitationsfeld und / oder in Abhängigkeit von Beschleunigungen, die der Sensor erfährt. Aus den Beschleunigungsdaten lässt sich durch Integration zunächst die Geschwindigkeit und durch weitere Integration die Position des Sensors bestimmen, und aus diesen Positionsdaten zusammen mit den Orientierungsdaten kann dann in der Datenverarbeitungseinrichtung auch die Position und Orientierung des Gegenstandes im Referenz-Koordinatensystem berechnet werden. Ein System von Strahlungsempfängern wie bei bekannten Navigationssystemen ist bei dieser Anordnung nicht notwendig, da die Sensoren selbst, die am Gegenstand angeordnet sind, entsprechende Signale liefern, die unmittelbar von der Datenverarbeitungseinrichtung zur Berechnung der Lagedaten verwendet werden können.In contrast to known navigation systems are therefore not used sensors that emit radiation, due to which the position of the marking element is detected in the reference coordinate system, but thermodynamic sensors are used, which generate electrical signals themselves, depending on the orientation of a such sensor in the gravitational field and / or in dependence on accelerations, the sensor experiences. The speed can be determined from the acceleration data by integration and the position of the sensor by further integration, and the position and orientation of the object in the reference coordinate system can then be calculated in the data processing device from these position data together with the orientation data. A system of radiation receivers as in known navigation systems is not necessary in this arrangement, since the sensors themselves, which are arranged on the object, provide corresponding signals which can be used directly by the data processing device for the calculation of the position data.

Derartige thermodynamische Sensoren sind an sich bekannt ( DE 10 2004 040 003 B4 ). Es handelt sich dabei um Sensoren, die nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien funktionieren, bei denen aber im Wesentlichen in einem abgeschlossenen Volumen ein in der Regel gasförmiges Fluid betrachtet wird, in welchem durch eine Neigung des Sensors oder eine Beschleunigung des Sensors Veränderungen in dem Fluid hervorgerufen werden, beispielsweise Veränderungen der lokalen Dichte oder insbesondere Veränderungen der lokalen Temperaturverteilung. Zu diesem Zweck sind in derartigen Sensoren in der Regel Elemente enthalten, die in dem Fluid ein bestimmtes Profil von physikalischen Zuständen erzeugen, beispielsweise Elemente, die eine periodische Dichteschwankung erzeugen oder insbesondere Elemente, die eine Erwärmung des Fluides oder eine Abkühlung des Fluides erzeugen und damit ein bestimmtes sich im Volumen des Sensors von Ort zu Ort änderndes Temperaturprofil aufbauen. Dieses Temperaturprofil ändert sich, wenn der Sensor beschleunigt wird oder wenn er gegenüber dem Gravitationsfeld geneigt wird, und diese Änderungen lassen sich durch geeignete Temperaturfühler ausmessen. Bei einer anderen Anordnung sind Heiz- oder Kühlelemente im Sensor angeordnet, die eine Änderung des Temperaturprofiles aufgrund von Beschleunigungen oder geänderten Neigungen des Sensors kompensieren, so dass das Temperaturprofil im Sensor möglichst unverändert aufrecht erhalten wird. Die dazu notwendigen Leistungszufuhren zu den Heiz- oder Kühlelementen können gemessen werden und bilden auf diese Weise Signale, die abhängig sind von den Beschleunigungen des Sensors in verschiedenen Richtungen, abhängig von Drehungen oder von unterschiedlichen Orientierungen gegenüber dem Gravitationsfeld. Auf diese Weise lassen sich mit derartigen, an sich bekannten thermodynamischen Sensoren Signale erzeugen, die ein Maß sind für Beschleunigungen in unterschiedlicher Richtung, für Drehungen oder Orientierungsänderungen des Sensors in einem Referenz-Koordinatensystem.Such thermodynamic sensors are known per se ( DE 10 2004 040 003 B4 ). These are sensors that operate according to different physical principles, but in which a generally gaseous fluid is essentially considered in a closed volume, in which changes in the fluid are caused by an inclination of the sensor or an acceleration of the sensor For example, changes in local density or in particular changes in the local temperature distribution. For this purpose, such sensors usually contain elements which generate a specific profile of physical states in the fluid, for example elements which produce a periodic density fluctuation or, in particular, elements which generate a heating of the fluid or a cooling of the fluid and thus build up a specific temperature profile that changes in the volume of the sensor from place to place. This temperature profile changes when the sensor is accelerated or when it is tilted with respect to the gravitational field, and these changes can be measured by suitable temperature sensors. In another arrangement heating or cooling elements are arranged in the sensor, which compensate for a change in the temperature profile due to accelerations or changes in inclinations of the sensor, so that the temperature profile is maintained as unchanged as possible in the sensor. The necessary power supplies to the heating or cooling elements can be measured and thus form signals that are dependent on the accelerations of the sensor in different directions, depending on rotations or different orientations relative to the gravitational field. In this way, signals which are a measure can be generated with such known thermodynamic sensors are for accelerations in different directions, for rotations or orientation changes of the sensor in a reference coordinate system.

An sich könnte man annehmen, dass es genügen würde, einen Gegenstand, dessen Lagedaten bestimmt werden sollen, fest mit einem derartigen thermodynamischen Sensor zu verbinden. Es hat sich jedoch in der Praxis herausgestellt, dass bei Verwendung eines einzigen derartigen thermodynamischen Sensors nicht alle gewünschten Lagedaten mit der erforderlichen Genauigkeit erhalten werden können. Dies liegt einmal daran, dass die thermodynamischen Sensoren bei unterschiedlichen Bewegungen unterschiedlich empfindlich reagieren und damit unterschiedlich große Signale abgeben. So ist beispielsweise eine Drehung um eine Symmetrieachse des Sensors unter Umständen weniger deutlich feststellbar als eine Translationsbeschleunigung des Sensors, auch kann eine Neigung gegenüber dem Gravitationsfeld gegebenenfalls weniger deutliche Signale ergeben als sie durch eine Translationsbeschleunigung von Sensoren erzeugt werden.As such, one might assume that it would be sufficient to rigidly connect an item whose location data is to be determined to such a thermodynamic sensor. However, it has been found in practice that when using a single such thermodynamic sensor not all desired position data with the required accuracy can be obtained. This is due to the fact that the thermodynamic sensors react differently sensitive to different movements and thus emit different sized signals. Thus, for example, a rotation about an axis of symmetry of the sensor may be less clearly detectable than a translation acceleration of the sensor, and an inclination relative to the gravitational field may yield less significant signals than are generated by a translation acceleration of sensors.

Gemäß der Erfindung werden daher an einem zu navigierenden Gegenstand mindestens drei derartige thermodynamische Sensoren angeordnet, so dass auf diese Weise eine Redundanz der Signale erzeugt wird, die sich aufgrund von Veränderungen der Lagedaten des Gegenstandes einstellen. Diese Redundanz kann von der Datenverarbeitungseinrichtung verwendet werden, um die Lagedaten des Gegenstandes mit erhöhter Präzision zu bestimmen. Außerdem ist dadurch möglich, eine genauere Bestimmung der Ausgangslage des Gegenstands im Referenz-Koordinatensystem vorzunehmen.According to the invention, at least three such thermodynamic sensors are therefore arranged on an object to be navigated, so that in this way a redundancy of the signals is produced, which are due to changes in the positional data of the object. This redundancy can be used by the data processing device to determine the position data of the object with increased precision. In addition, this makes it possible to make a more accurate determination of the initial position of the object in the reference coordinate system.

Bei der Neigung der thermodynamischen Sensoren gegenüber dem Gravitationsfeld sind die von den Sensoren erzeugten Signale unmittelbar ein Maß für die Neigung gegenüber dem Gravitationsfeld, bei den Beschleunigungsdaten dagegen sind die vom Sensor erzeugten Signale in dieser Form noch nicht verwendbar, um daraus unmittelbar Positionsdaten abzulesen. Hier ist eine zweifache Integration notwendig, und dies führt dazu, dass durch die Sensoren nur Änderungen der Geschwindigkeit und damit auch der Lage gemessen werden können. Es ist daher notwendig, zu Beginn der Messung von einer bestimmten Referenzposition auszugehen, gegenüber der Änderungen der Positionsdaten bestimmt werden. Die Verwendung von mindestens drei Sensoren an dem Gegenstand ermöglicht es jedoch, durch die Positionsbestimmung der drei Sensoren die Orientierung des Gegenstandes im Referenzierungssystem festzustellen, so dass für die Ausgangsmessung genügt, wenn die Ausgangslage nur eines Punktes des Gegenstandes bestimmt wird, es ist nicht notwendig, bei Messungsbeginn auch noch die Orientierung des Gegenstandes relativ zu diesem Punkt zu bestimmen, dies ergibt sich durch die Signale der Sensoren aus diesen unmittelbar, da durch die drei Sensoren am Gegenstand deren Orientierung zu dem einen festen Punkt bestimmt werden kann. Bei dem festen Punkt kann es sich beispielsweise um die Spitze eines Tastinstrumentes handeln.In the case of the inclination of the thermodynamic sensors with respect to the gravitational field, the signals generated by the sensors are directly a measure of the inclination relative to the gravitational field, while in the acceleration data, the signals generated by the sensor in this form are not yet usable to read directly from position data. Here, a two-fold integration is necessary, and this leads to the fact that only changes in the speed and thus the position can be measured by the sensors. It is therefore necessary at the beginning of the measurement to start from a specific reference position against which changes in the position data are determined. However, the use of at least three sensors on the object makes it possible to establish the orientation of the object in the referencing system by determining the position of the three sensors, so that it is sufficient for the initial measurement if the starting position of only one point of the object is determined; at the beginning of the measurement also to determine the orientation of the object relative to this point, this is due to the signals of the sensors from these directly, as can be determined by the three sensors on the object whose orientation to the one fixed point. The fixed point may, for example, be the tip of a touch instrument.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert ist, dass sie aus zeitlich aufeinander folgenden Signalen jedes der mindestens drei Sensoren Daten für die Änderung der Position und / oder der Orientierung jedes Sensors berechnet, über die entsprechenden Daten von mindestens zwei Sensoren mittelt und die gemittelten Daten zur Berechnung der Lagedaten des Gegenstandes verwendet. Auf diese Weise kann die Genauigkeit durch diese Mittelung erhöht werden.In a first embodiment of the invention it is provided that the data processing device is programmed to calculate data for the change of the position and / or the orientation of each sensor from chronologically successive signals of each of the at least three sensors, via the corresponding data of at least two Averages sensors and uses the averaged data to calculate the location data of the object. In this way, the accuracy can be increased by this averaging.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dagegen vorgesehen, dass die Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert ist, dass sie aus zeitlich aufeinander folgenden Signalen jedes der mindestens drei Sensoren Daten für die Änderung der Position und / oder der Orientierung jedes Sensors berechnet, die entsprechenden Daten der mindestens drei Sensoren miteinander vergleicht und nach vorgegebenen Kriterien bestimmte Daten von nur einem oder zwei Sensoren auswählt und diese ausgewählten Daten zur Berechnung der Lagedaten des Gegenstandes verwendet. Kriterien können beispielsweise sein, dass bei bestimmten Bewegungen die dadurch an einem Sensor erzeugten Signale sehr klein und an einem anderen Sensor erzeugte Signale deutlich größer sind. So kann beispielsweise bei einer Drehung des Gegenstandes um eine durch einen Sensor hindurchgehende Drehachse in diesem Sensor nur ein Signal für eine Drehung erzeugt werden, bei den anderen Sensoren dagegen auch Signale für Translation, und es kann die Empfindlichkeit der Sensoren für Translation größer sein als für Drehung, so dass es günstig ist, nicht die auf der Drehung des im Bereich der Drehachse liegenden Sensors beruhenden Signale zu verwenden, sondern die Translationsdaten der anderen Sensoren, die im Abstand von der Drehachse liegen und daher mit größerer Empfindlichkeit Aussagen über die Drehung ermöglichen.In another embodiment of the invention, on the other hand, it is provided that the data processing device is programmed to calculate data for the change of the position and / or the orientation of each sensor from chronologically successive signals of each of the at least three sensors, the corresponding data of the at least three Compare sensors with each other and selects specific data from only one or two sensors according to predetermined criteria and uses this selected data to calculate the position data of the object. Criteria may be, for example, that for certain movements, the signals generated thereby at one sensor are very small and signals generated at another sensor are significantly larger. Thus, for example, upon rotation of the object about an axis of rotation passing through a sensor in this sensor, only one signal for rotation can be generated, while in the other sensors also signals for translation are generated and the sensitivity of the sensors for translation can be greater than for Rotation, so that it is convenient not to use the signals based on the rotation of lying in the region of the rotation axis sensor signals, but the translation data of the other sensors, which are spaced from the axis of rotation and therefore with greater sensitivity statements about the rotation.

Günstig ist es, wenn mindestens zwei der Sensoren mit unterschiedlicher Orientierung an dem Gegenstand fest angeordnet sind, so dass die physikalischen Einflüsse des Gravitationsfeldes und auch der auftretenden Beschleunigungen auf die Sensoren unterschiedlich wirken und damit gegebenenfalls zu unterschiedlich großen Signalen führen. Damit können die Signale ausgewählt werden, die am empfindlichsten auf entsprechende Änderungen der Neigung und auf Beschleunigungen reagieren.It is favorable if at least two of the sensors with different orientation are fixedly arranged on the object, so that the physical influences of the gravitational field and also of the occurring accelerations act differently on the sensors and thus possibly lead to signals of different sizes. This allows you to select the signals that are most sensitive to changes in inclination and acceleration.

Zusätzlich zu den mindestens drei fest mit dem Gegenstand verbundenen Sensoren kann weiterhin vorgesehen sein, dass an mindestens einem beweglichen Teil des Gegenstandes ein weiterer thermodynamischer Sensor angeordnet ist, der ebenfalls mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden ist, und dass die Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert ist, dass sie aus den Signalen der mindestens drei fest mit dem Gegenstand verbundenen Sensoren einerseits und des mit dem beweglichen Teil verbundenen Sensors andererseits die Lagedaten des beweglichen Teils relativ zu den Lagedaten des Gegenstandes berechnet. Damit kann die jeweilige Stellung des beweglichen Teils bestimmt werden, es kann sich dabei beispielsweise um Bedienungstasten an einem chirurgischen Instrument handeln oder um bewegliche Instrumententeile, beispielsweise um axial oder radial verschiebbare Bestätigungselemente, Klemmbacken etc. In addition to the at least three sensors permanently connected to the object, provision may also be made for a further thermodynamic sensor, which is likewise connected to the data processing device, to be arranged on at least one movable part of the object, and for the data processing device to be programmed the signals of the at least three sensors fixedly connected to the object on the one hand and the sensor connected to the movable part on the other hand calculates the position data of the movable part relative to the position data of the object. Thus, the respective position of the movable part can be determined, it can be, for example, operating buttons on a surgical instrument or moving instrument parts, for example, axially or radially displaceable confirmation elements, jaws, etc.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

  • 1: einen chirurgischen Taster mit vier fest daran angeordneten thermodynamischen Sensoren und einer mit den Sensoren verbundenen Datenverarbeitungseinrichtung;
  • 2: eine vergrößerte schematische Ansicht eines thermodynamischen Sensors mit einem sensoreigenen Koordinatensystem;
  • 3: eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispieles eines thermodynamischen Sensors mit Verbindung zu einer Datenverarbeitungseinrichtung und
  • 4: eine schematische Ansicht eines chirurgischen Instrumentes mit vier fest mit dem Instrument verbundenen thermodynamischen Sensoren und mit einem an einer beweglichen Taste fest angeordneten thermodynamischen Sensor.
The following description of preferred embodiments of the invention is used in conjunction with the drawings for further explanation. Show it:
  • 1 a surgical probe having four thermodynamic sensors fixedly attached thereto and a data processing device connected to the sensors;
  • 2 : An enlarged schematic view of a thermodynamic sensor with a sensor-own coordinate system;
  • 3 a schematic view of an embodiment of a thermodynamic sensor with connection to a data processing device and
  • 4 : A schematic view of a surgical instrument with four fixedly connected to the instrument thermodynamic sensors and with a fixed to a movable button thermodynamic sensor.

In 1 ist als Beispiel für ein chirurgisches Instrument ein Taster 1 beschrieben mit einer Tastspitze 2 und einem Griff 3.In 1 is a push button as an example of a surgical instrument 1 described with a stylus tip 2 and a handle 3 ,

An dem Griff 3 sind an vier verschiedenen Stellen thermodynamische Sensoren 4 fest angeordnet, die jeweils über eine Leitung 5 mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 6 verbunden sind. Der Griff 3 kann in der aus 1 ersichtlichen Weise an seinem proximalen Ende zwei seitlich abstehende Arme 7, 8 aufweisen, an deren Enden jeweils einer der Sensoren 4 angeordnet ist. Die Orientierung und die Position der Sensoren 4 am Griff 3 ist unveränderlich. Außerdem ist bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ersichtlich, dass die einzelnen Sensoren 4, die in 1 nur schematisch als Quader dargestellt sind, relativ zum Griff 3 unterschiedlich orientiert sind, das heißt die einander entsprechenden Achsen der an sich gleich aufgebauten Sensoren 4 verlaufen nicht parallel zu einander.At the handle 3 are thermodynamic sensors in four different places 4 firmly arranged, each via a conduit 5 with a data processing device 6 are connected. The handle 3 can in the off 1 apparent at its proximal end two laterally projecting arms 7 . 8th have, at the ends in each case one of the sensors 4 is arranged. The orientation and the position of the sensors 4 on the handle 3 is unchanging. In addition, in the embodiment of the 1 it can be seen that the individual sensors 4 , in the 1 only schematically shown as a cuboid, relative to the handle 3 are oriented differently, that is, the corresponding axes of the same built up sensors 4 do not run parallel to each other.

Die mit dem Taster 1 verbundenen Sensoren 4 sind so genannte thermodynamische Sensoren, also Sensoren, die in einem abgeschlossenen Volumen 9 durch geeignete physikalische Geber 10 den physikalischen Zustand einer gasförmigen oder gegebenenfalls auch flüssigen Füllung des Volumens 9 beeinflussen. Es kann sich dabei beispielsweise um Geber 10 handeln, die periodische Druckschwankungen in eine gasförmige Füllung des Volumens 9 einbringen oder insbesondere können die Geber 10 als Heiz- oder Kühlelemente ausgebildet sein, die in einer umgebenden Gasfüllung Temperaturänderungen erzeugen, so dass ein bestimmtes Temperaturprofil in der Füllung des Volumens 9 erzeugt wird. In 2 ist ein solcher Sensor 4 schematisch dargestellt, dieser umfasst ein abgeschlossenes Gehäuse 11, welches das Volumen 9 umgibt, und mindestens einen Geber 10, der in der Füllung des Gehäuses 11 ein bestimmtes Profil der vom Geber 10 beeinflussten physikalischen Größe erzeugt, beispielsweise der Temperatur, dieses Profil 12 ist in 2 durch einige Linien angedeutet, die Orte gleicher physikalischer Größe angeben, also beispielsweise Isothermen.The with the button 1 connected sensors 4 are so-called thermodynamic sensors, ie sensors that are in a closed volume 9 by suitable physical sensors 10 the physical state of a gaseous or optionally also liquid filling of the volume 9 influence. For example, it can be donors 10 act, the periodic pressure fluctuations in a gaseous filling of the volume 9 or in particular donors 10 be designed as heating or cooling elements, which generate temperature changes in a surrounding gas filling, so that a certain temperature profile in the filling of the volume 9 is produced. In 2 is such a sensor 4 schematically illustrated, this includes a sealed housing 11 which is the volume 9 surrounds, and at least one giver 10 which is in the filling of the housing 11 a specific profile from the donor 10 influenced physical size, for example, the temperature, this profile 12 is in 2 indicated by some lines indicating locations of equal physical size, so for example, isotherms.

Bei einer Beschleunigung des Sensors 4, und zwar sowohl bei einer Translationsbeschleunigung längs der sensoreigenen Achsen x, y oder z, aber auch bei einer Winkelbeschleunigung mit Drehungen um eine der sensoreigenen Achsen x, y oder z und bei Änderung der Neigung gegenüber dem Gravitationsfeld ändert sich das Profil 12 aufgrund von Strömungen in der Füllung des Sensors 4, und diese Änderung kann festgestellt werden und führt zur Entstehung von Signalen, die ein Maß sind für die erfahrenen Beschleunigungen oder Neigungen.At an acceleration of the sensor 4 , both at a translational acceleration along the sensor's own axes x . y or z , but also with an angular acceleration with rotations about one of the sensor's own axes x . y or z and changing the inclination to the gravitational field changes the profile 12 due to flows in the filling of the sensor 4 , and this change can be detected and leads to the generation of signals that are a measure of the experienced accelerations or inclinations.

Derartige Sensoren sind beispielsweise beschrieben in der DE 10 2004 040 003 B4 , auf die hier ausdrücklich voll inhaltlich Bezug genommen wird.Such sensors are described for example in the DE 10 2004 040 003 B4 , which is expressly referred to in full here.

In 3 ist schematisch ein solcher Sensor dargestellt, der in dem abgeschlossenen Gehäuse 11 vier verschiedene Geber 10 in Form von Heizelementen aufweist, die jeweils um sich herum aufgrund der Aufheizung der Gasfüllung des Gehäuses 11 ein Temperaturprofil 12 erzeugen mit in der Zeichnung angedeuteten Isothermen.In 3 schematically, such a sensor is shown in the closed housing 11 four different donors 10 in the form of heating elements, each around it due to the heating of the gas filling of the housing 11 a temperature profile 12 generate with indicated in the drawing isotherms.

Jeder dieser Geber 10 ist über eine Leitung 13 mit einer Energieversorgung 14 verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgebildet ist, dass sie den Gebern 10 mehr oder weniger Energie zuführt, um das Profil 12 auch bei Beschleunigungen und einer Neigung des Sensors 4 möglichst unverändert aufrecht zu erhalten. Dazu sind in dem Volumen 9 weitere, in der Zeichnung nicht dargestellte Sensorelemente angeordnet, die das Profil 12 ausmessen, die also feststellen, ob an bestimmten Orten Temperaturänderungen aufgetreten sind, diese Sensorelemente erzeugen entsprechende Messsignale, die ebenfalls der Energieversorgung 14 zugeführt werden und die dann zu einer Regelung dergestalt führen, dass das Profil 12 im Wesentlichen unverändert beibehalten wird.Each of these donors 10 is over a line 13 with a power supply 14 connected, which is formed in the illustrated embodiment, that they donors 10 Gives more or less energy to the profile 12 even with accelerations and a tilt of the sensor 4 keep unchanged as possible. These are in the volume 9 further, not shown in the drawing, sensor elements arranged, the profile 12 measure, so determine whether at certain locations temperature changes have occurred, these sensor elements generate corresponding measurement signals, which also the power supply 14 are supplied and then lead to a scheme such that the profile 12 essentially unchanged.

Die in der Zeichnung nicht gesondert dargestellten Sensorelemente können auch durch die Geber 10 selbst gebildet werden, die dann nicht nur als Heizelemente wirken, sondern die auch, beispielsweise durch Messung von Widerstandsänderungen, auf Temperaturänderungen ansprechen und entsprechende Korrektursignale an die Energieversorgung 14 senden.The sensor elements not shown separately in the drawing can also by the encoder 10 themselves are formed, which then not only act as heating elements, but also, for example, by measuring resistance changes, respond to temperature changes and appropriate correction signals to the power supply 14 send.

Bei anderen thermodynamischen Sensoren wird tatsächlich eine Änderung des Profiles 2 zugelassen, die sich aufgrund von Beschleunigungen oder Neigungen einstellt, und die sich dadurch ergebenden Änderungen des Temperaturprofils werden durch entsprechende Sensorelemente unmittelbar gemessen. In diesem Falle werden diese Messsignale als Signale verwendet, die ein Maß für die Beschleunigung und / oder Neigung des Sensors sind.In other thermodynamic sensors is actually a change in the profile 2 permitted due to accelerations or inclinations, and the resulting changes in the temperature profile are directly measured by corresponding sensor elements. In this case, these measurement signals are used as signals that are a measure of the acceleration and / or inclination of the sensor.

In allen Fällen werden die Signale, die entweder zur Aufrechterhaltung des Temperaturprofils notwendig sind oder die sich aus der Messung der Änderung des Temperaturprofils ergeben, über die Leitung 5 der Datenverarbeitungseinrichtung 6 zugeführt, und diese kann die von den mindestens drei Sensoren 4 stammenden Signale so verarbeiten, dass daraus die Lagedaten des Tasters 1 zu bestimmen sind, das heißt also die Positionsdaten und die Orientierungsdaten in einem vorzugsweise raumfesten Referenz-Koordinatensystem.In all cases, the signals necessary either to maintain the temperature profile or resulting from the measurement of the change in the temperature profile are sent over the line 5 the data processing device 6 fed, and this can be from the at least three sensors 4 process originating signals so that the position data of the probe 1 are to be determined, that is, the position data and the orientation data in a preferably spatially fixed reference coordinate system.

Da jeder Sensor Daten liefert, die von der Beschleunigung des jeweiligen Sensors und von seiner Neigung im Gravitationsfeld abhängen, ergibt sich dadurch eine gewisse Redundanz der von den Sensoren stammenden Signale, und diese Redundanz kann in der Datenverarbeitungseinrichtung dazu verwendet werden, die Signale mit höherer Genauigkeit zu verarbeiten.Since each sensor provides data dependent on the acceleration of the particular sensor and its inclination in the gravitational field, this results in some redundancy of the signals from the sensors, and this redundancy can be used in the data processing device to provide the signals with higher accuracy to process.

So ist es beispielsweise möglich, einander entsprechende Signale von zwei oder auch von drei Sensoren zu mitteln und mit diesem Mittelwert die Lagedaten des Gegenstandes zu bestimmen. Es ist auch möglich, aus den entsprechenden Signalen der verschiedenen Sensoren die Signale von nur einem Sensor oder von zwei Sensoren auszuwählen und allein mit diesen Signalen die Lagebestimmung des Gegenstandes vorzunehmen. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn aufgrund der bestimmten Bewegungen der Sensoren an einem oder an zwei Sensoren größere oder empfindlichere Signale entstehen als bei einem anderen Sensor. Beispielsweise kann die Empfindlichkeit der Sensoren gegen eine Winkeldrehung abhängig sein von der Größe der Winkeldrehung, beispielsweise ist die Empfindlichkeit bei kleineren Drehungen größer als bei größeren Drehungen. Es ist dann günstig, die Werte des Sensors zu verwenden, der nur eine kleinere Drehung erfahren hat, in anderen Fällen kann es vorteilhaft sein, Translationsbeschleunigungen von Sensoren zu verwerten, um dadurch eine Drehung des Gegenstandes zu bestimmen, so dass über die Translationsbeschleunigungen eine empfindlichere Aussage erfolgen kann als über Signale, die einer Winkelbeschleunigung eines Sensors entsprechen.Thus, it is possible, for example, to average signals corresponding to one another from two or also from three sensors and to use this mean value to determine the position data of the object. It is also possible to select the signals from only one sensor or from two sensors from the corresponding signals of the various sensors and to carry out the position determination of the object with these signals alone. This is particularly advantageous if, due to the specific movements of the sensors on one or two sensors larger or more sensitive signals than in another sensor. For example, the sensitivity of the sensors to angular rotation may be dependent on the magnitude of the angular rotation, for example, the sensitivity is greater for smaller rotations than for larger rotations. It is then convenient to use the values of the sensor which has experienced only a minor rotation, in other cases it may be advantageous to utilize translational accelerations from sensors to thereby determine a rotation of the object such that a more sensitive one is provided by the translational accelerations Statements can be made as about signals that correspond to an angular acceleration of a sensor.

Hier kann es unterschiedliche Kriterien für die Auswahl geben, diese sind abhängig von dem Aufbau der jeweils verwendeten thermodynamischen Sensoren und ihren Empfindlichkeiten gegenüber Beschleunigungen, Drehungen und Neigungen.Here, there may be different criteria for the selection, these are dependent on the structure of each thermodynamic sensors used and their sensitivities to accelerations, rotations and inclinations.

In 4 ist ein weiteres chirurgisches Instrument 15 dargestellt mit einem Schaft 16 und einen Handgriff 17. Über einen verschwenkbar am Handgriff 17 gelagerten Hebel 18 kann in aus der Zeichnung nicht näher ersichtlicher Weise ein Maulteil 19 am distalen Ende des Schaftes 16 aus einer Offenstellung in eine Schließstellung und umgekehrt verschwenkt werden. Am Handgriff 17 sind in gleicher Weise wie bei dem Taster 1 der 1 Sensoren 4 fest angeordnet, und zwar in diesem Falle am Handgriff drei derartige Sensoren. Ein weiterer Sensor 20, der ebenfalls als thermodynamischer Sensor ausgebildet ist, ist an dem Hebel 18 festgelegt, so dass er sich bei Bewegung des Hebels 18 gegenüber dem Handgriff 17 in gleicher Weise gegenüber dem Handgriff 17 und damit gegenüber den drei fest mit dem Handgriff 17 verbundenen Sensoren 4 bewegt.In 4 is another surgical tool 15 illustrated with a shaft 16 and a handle 17 , About a swivel on the handle 17 stored lever 18 can in a manner not apparent from the drawing, a jaw part 19 at the distal end of the shaft 16 be pivoted from an open position to a closed position and vice versa. At the handle 17 are the same as with the button 1 the 1 sensors 4 firmly arranged, in this case on the handle three such sensors. Another sensor 20 , which is also designed as a thermodynamic sensor, is on the lever 18 set, so that it moves the lever 18 opposite the handle 17 in the same way with respect to the handle 17 and thus against the three stuck with the handle 17 connected sensors 4 emotional.

Alle Sensoren sind mit der Datenverarbeitungseinrichtung 6 verbunden, die auf diese Weise die von den Sensoren erzeugten Signale empfängt und diese Signale nicht nur zur Lagebestimmung des Instrumentes 15 einsetzt, sondern auch zur Lagebestimmung des Sensors 20 und damit zur Bestimmung der Stellung des Hebels 18 relativ zum Handgriff 17. Auf diese Weise erhält man eine zusätzliche Information über den jeweiligen Zustand des Hebels 18 und damit über den jeweiligen Schließzustand des Maulteiles 19.All sensors are with the data processing device 6 connected, which receives in this way the signals generated by the sensors and these signals not only for determining the position of the instrument 15 but also for determining the position of the sensor 20 and thus to determine the position of the lever 18 relative to the handle 17 , In this way one obtains additional information about the respective state of the lever 18 and thus on the respective closed state of the jaw part 19 ,

Claims (4)

Navigationssystem für chirurgische Zwecke zur Lagebestimmung eines Gegenstandes in einem Referenz-Koordinatensystem, wobei an dem Gegenstand (1; 15) mindestens drei Sensoren (4), die in Abhängigkeit von ihrer Beschleunigung und ihrer Orientierung im Gravitationsfeld Signale erzeugen, in festem gegenseitigem Abstand und relativ zu dem Gegenstand (1; 15) fest angeordnet sind, und wobei die Sensoren (4) mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (6) verbunden sind, die so programmiert ist, dass aus den Signalen der mindestens drei Sensoren (4) die Position und die Orientierung des Gegenstandes (1; 15) im Referenz-Koordinatensystem berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4) thermodynamische Sensoren (4) sind und dass die Datenverarbeitungseinrichtung (6) so programmiert ist, dass sie aus zeitlich aufeinander folgenden Signalen jedes der mindestens drei thermodynamischen Sensoren (4) Daten für die Änderung der Position und / oder der Orientierung jedes thermodynamischen Sensors (4) berechnet, über die entsprechenden Daten von mindestens zwei thermodynamischen Sensoren (4) mittelt und die gemittelten Daten zur Berechnung der Lagedaten des Gegenstandes (1; 15) verwendet.Navigation system for surgical purposes for determining the position of an object in a reference coordinate system, wherein on the object (1; 15) at least three sensors (4) which generate signals in dependence on their acceleration and their orientation in the gravitational field, in fixedly spaced and relative to the object (1; 15) are fixed, and wherein the sensors (4) are connected to a data processing device (6) which is programmed so that from the signals of the at least three sensors (4) Position and orientation of the object (1; 15) is calculated in the reference coordinate system, characterized in that the sensors (4) are thermodynamic sensors (4) and that the data processing device (6) is programmed to be of temporally successive Signals of each of the at least three thermodynamic sensors (4) calculated data for the change of position and / or orientation of each thermodynamic sensor (4), averages over the corresponding data of at least two thermodynamic sensors (4) and the averaged data for calculating the position data of the article (1; 15). Navigationssystem für chirurgische Zwecke zur Lagebestimmung eines Gegenstandes in einem Referenz-Koordinatensystem, wobei an dem Gegenstand (1; 15) mindestens drei Sensoren (4), die in Abhängigkeit von ihrer Beschleunigung und ihrer Orientierung im Gravitationsfeld Signale erzeugen, in festem gegenseitigem Abstand und relativ zu dem Gegenstand (1; 15) fest angeordnet sind, und wobei die Sensoren (4) mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (6) verbunden sind, die so programmiert ist, dass aus den Signalen der mindestens drei Sensoren (4) die Position und die Orientierung des Gegenstandes (1; 15) im Referenz-Koordinatensystem berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4) thermodynamische Sensoren (4) sind und dass die Datenverarbeitungseinrichtung (6) so programmiert ist, dass sie aus zeitlich aufeinander folgenden Signalen jedes der mindestens drei thermodynamischen Sensoren (4) Daten für die Änderungen der Position und / oder der Orientierung jedes thermodynamischen Sensors (4) berechnet, die entsprechenden Daten der mindestens drei thermodynamischen Sensoren (4) miteinander vergleicht und nach vorgegebenen Kriterien bestimmte Daten von nur einem oder zwei thermodynamischen Sensoren (4) auswählt und diese ausgewählten Daten zur Berechnung der Lagedaten des Gegenstandes (1; 15) verwendet.Navigation system for surgical purposes for determining the position of an object in a reference coordinate system, wherein the object (1; 15) at least three sensors (4) which generate signals in dependence on their acceleration and orientation in the gravitational field, in fixed mutual distance and relative to the object (1; 15), and wherein the sensors (4) are connected to a data processing device (6) which is programmed in such a way that the position and orientation of the signal from the signals of the at least three sensors (4) Is calculated in the reference coordinate system, characterized in that the sensors (4) are thermodynamic sensors (4) and that the data processing device (6) is programmed to be composed of chronologically successive signals of each of the at least three thermodynamic sensors (4) data for the changes in position and / or orientation of each thermodynamic calculates the corresponding data of the at least three thermodynamic sensors (4) and selected according to predetermined criteria certain data from only one or two thermodynamic sensors (4) and these selected data for calculating the position data of the object (1; 15) is used. Navigationssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der thermodynamischen Sensoren (4) mit unterschiedlicher Orientierung an dem Gegenstand (1; 15) fest angeordnet sind.Navigation system according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the thermodynamic sensors (4) are fixedly arranged on the object (1; 15) with different orientation. Navigationssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem beweglichen Teil (18) des Gegenstandes (15) ein weiterer thermodynamischer Sensor (20) angeordnet ist, der ebenfalls mit der Datenverarbeitungseinrichtung (6) verbunden ist, und dass die Datenverarbeitungseinrichtung (6) so programmiert ist, dass sie aus den Signalen der mindestens drei fest mit dem Gegenstand verbundenen thermodynamischen Sensoren (4) einerseits und des mit dem beweglichen Teil (18) verbundenen thermodynamischen Sensors (20) andererseits die Lagedaten des beweglichen Teils (18) relativ zu den Lagedaten des Gegenstandes (15) berechnet.Navigation system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one movable part (18) of the article (15), a further thermodynamic sensor (20) is arranged, which is also connected to the data processing device (6), and that the data processing device ( 6) is programmed in such a way that it relative to the signals of the at least three thermodynamic sensors (4) fixedly connected to the object on the one hand and the thermodynamic sensor (20) connected to the movable part (18) relative to the position data of the movable part (18) calculated to the positional data of the item (15).
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