DE102010036719A1 - Trackersystem für optische medizinische Navigation, passive optische Markervorrichtung für Trackersystem sowie deren Verwendung - Google Patents

Trackersystem für optische medizinische Navigation, passive optische Markervorrichtung für Trackersystem sowie deren Verwendung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trackersystem für optische medizinische Navigation, mit einer Basisstruktur (30), die konfiguriert ist für eine Montage an einem medizinischen Instrument oder Hilfsmittel, und passiven optischen Markervorrichtungen (31), die an der Basisstruktur (30) beabstandet voneinander angeordnet und konfiguriert sind, bei einer medizinischen Navigation auf sie einfallendes Messlicht wenigstens teilweise zu reflektieren, wobei die passiven optischen Markervorrichtungen (31) jeweils mit einem Retroreflektor gebildet sind. (1)

Description

  • Die Erfindung betrifft Technologien auf dem Gebiet der optischen medizinischen Navigation.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die optische medizinische Navigation, die auch als optische medizinische Positionsbestimmung bezeichnet werden kann, wird genutzt für die exakte räumliche Positionierung medizinischer Instrumente oder beliebiger medizinischer Hilfsmittel im Einsatz. Beispielsweise wird die optische medizinische Navigation eingesetzt, um Instrumente bei der Operation räumlich exakt zu positionieren und zu navigieren. Anwendung findet die optisch medizinische Positionsbestimmung insbesondere auf dem Gebiet der Neurochirurgie.
  • Bei der optischen medizinischen Navigation wird der Verlauf von Messlichtstrahlen detektiert, um unter Ausnutzung der Gesetzte der Geometrie hieraus eine räumliche Position des zu navigierenden Gegenstandes zu bestimmen. Es sind sogenannte aktive optische Markervorrichtungen bekannt, die selbst Messlicht abgeben, welches von einer zugeordneten Detektoreinrichtung empfangen wird, die üblicherweise als ein Kamerasystem ausgebildet ist. Daneben sind passive optische Markervorrichtungen bekannt, die von einer Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahlen wenigstens teilweise reflektieren, so dass die reflektierten Messlichtstrahlen von der Detektoreinrichtung erfasst werden. Aus den mit der Detektoreinrichtung erfassten Messsignalen wird dann die räumliche Position des in Frage stehenden Gegenstandes ermittelt.
  • Es sind weiterhin sogenannte Trackersysteme bekannt, bei denen an einer Basisstruktur mehrere optische Markervorrichtungen angeordnet sind. Das Trackersystem wird im Einsatz an einem medizinischen Instrument oder einem medizinischen Hilfsmittel beliebiger Art montiert. Auf diese Weise ist bei der optischen medizinischen Navigation die räumliche Position des Instrumentes oder Hilfsmittels exakt bestimmbar.
  • Es wurde vorgeschlagen, passive optische Markervorrichtungen mit Hilfe von Kugeln zu bilden, die auf ihrer äußeren Oberfläche mit einer Reflexionsschicht versehen sind, die zur Reflexion der einfallenden Messlichtstrahlen dient. Bei einer weiteren bekannten Ausführung ist die passive optische Markereinrichtung mit einer Glaskugel gebildet, die auf einer zur äußeren Kugeloberfläche der Glaskugel komplementären Auflagefläche aufgeklebt ist. In diesem Fall ist die Auflagefläche mit einer reflektierenden Schicht versehen, um die auf die Glaskugel einfallenden Messlichtstrahlen zu reflektieren, so dass diese vom Kamerasystem erfasst werden können. Die bekannten passiven optischen Marker sind jedoch nur bedingt für den praktischen Einsatz geeignet. Entweder sind sie als Einwegartikel ausgeführt, was einen hohen Kostenaufwand bedeutet, oder sie vertragen sich nur ungenügend mit den Verfahren zur Sterilisation der Markervorrichtungen, was beim wiederholten Einsatz in der Medizin notwendig ist. Die bekannten Markervorrichtungen sind nicht autoklavierbar.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es neue Technologien in Verbindung mit der optischen medizinischen Navigation anzugeben, insbesondere ein verbessertes Trackersystem, bei dem die Probleme des Standes der Technik vermieden sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Trackersystem nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist eine passive optische Markervorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 8 geschaffen. Schließlich sind ein medizinisches Instrument oder ein medizinisches Hilfsmittel nach dem unabhängigen Anspruch 9 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
  • Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Trackersystems für optische medizinische Navigation mit einer Basisstruktur, die konfiguriert ist für eine Montage an einem medizinischen Instrument oder Hilfsmittel, und passiven optischen Markervorrichtungen, die an der Basisstruktur beabstandet voneinander angeordnet und konfiguriert sind, bei einer medizinischen Navigation auf sie einfallendes Messlicht wenigstens teilweise zu reflektieren, wobei die passiven optischen Markervorrichtungen jeweils mit einem Retroreflektor gebildet sind.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine passive optische Markervorrichtung für eine Trackersystem zur optischen medizinischen Navigation geschaffen, die konfiguriert ist, bei einer medizinischen Navigation einfallendes Messlicht wenigstens teilweise zu reflektieren und die einen Retroreflektor aufweist. Die passive optische Markervorrichtung kann in ein medizinisches Instrument oder ein medizinisches Hilfsmittel integriert sein.
  • Mit den vorgeschlagenen Technologien werden die Vorteile der Retroreflexion für das Trackersystem für optische medizinische Navigation genutzt. Retroreflexion bedeutet allgemein, dass auf einen Gegenstand oder einer Oberfläche einfallendes Licht, welches von einer Lichtquelle ausgeht, zur Lichtquelle hin zurück reflektiert wird. Der Einsatz eines Retroreflektors in der passiven optischen Markervorrichtung verbessert die Effizienz der Messlichtnutzung, indem auf Grund der Retroreflexion Streuverluste minimiert werden.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die passiven optischen Markervorrichtungen als Kugelmarker gebildet sind.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kugelmarker mit einer inneren retroreflektiven Kugel, welche auf der äußeren Kugeloberfläche eine Reflexionsschicht aufweist, und einer die innere retroreflektive Kugel umgebende Hüllschicht aus einem für das Messlicht transparenten Material gebildet ist. Die die innere retroreflektive Kugel umgebende Hüllschicht bricht die auf sie einfallenden Messlichtstrahlen zu der inneren Kugel hin. Die auf die innere retroreflektive Kugel auftreffenden Messlichtstrahlen werden dann retroreflektiert. Mit Hilfe der transparenten Hüllschicht ist die für die Messlichtstrahlen effektiv wirksame Fläche der zugeordneten passiven optischen Markervorrichtung vergrößert. Die äußere Hüllschicht schützt die innere retroreflektive Kugel gegen äußere Einflüsse, insbesondere bei der in der Medizin notwendigen Sterilisation im Autoklaven. Die so gebildeten Markervorrichtungen sind ohne Weiteres mehrfach nutzbar.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Dicke der Hüllschicht etwa gleich dem Durchmesser der inneren retroreflektiven Kugel ist.
  • Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass auf einer inneren Kugeloberfläche der Hüllschicht retroreflektive Strukturen gebildet sind. Die retroreflektiven Strukturen auf der inneren Kugeloberfläche der Hüllschicht können beispielsweise mittels Stempeln, Pressen und/oder Laserbearbeitung hergestellt werden. Dieses erfolgt im Rahmen der Herstellung der passiven optischen Markervorrichtung beispielsweise dadurch, dass zwei Kugelschalenhälften, die zusammen die Hüllschicht bilden, auf der Innenseite zum Ausbilden der retroreflektiven Strukturen bearbeitet werden und anschließend miteinander verklebt werden, so dass die kugelförmige Markervorrichtung hergestellt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Kugel auf der äußeren Oberfläche mit retroreflektiven Strukturen versehen wird, um anschließend die Kugel zur Ausbildung der Hüllschicht mit einem transparenten Material zu umgießen. Sind die retroreflektierenden Strukturen auf der inneren Kugeloberfläche der Hüllschicht gebildet, kann es sich bei der inneren Kugel um eine Hohlkugel handeln. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Bereich der inneren Kugel mit einem Material ausgefüllt wird, nachdem die retroreflektierenden Strukturen auf der inneren Kugelschalenoberfläche der Hüllschicht hergestellt sind.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, die Hüllschicht außen wenigstens abschnittsweise mit einer Beschichtung versehen ist. Beispielsweise kann die äußere Beschichtung eine Antireflexschicht umfassen.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Hüllschicht aus einem Glas- oder einem Kunststoffmaterial ist. Glas- oder Kunststoffmaterialien sind in besonderer Weise geeignet, ein Trackersystem herzustellen, welches den Anforderungen für die Sterilisation medizinischer Instrumente oder Hilfsmittel genügt. Insbesondere Glas gewährleistet eine ausreichende Materialbeständigkeit.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer passiven optischen Markervorrichtung,
  • 2 eine schematische Darstellung zum Vergleich eines wirksamen Winkelbereiches für verschiedene optische Markervorrichtungen,
  • 3 eine schematische Darstellung eines Trackersystems mit mehreren passiven optischen Markervorrichtungen,
  • 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Trackersystems mit mehreren passiven optischen Markervorrichtungen, die an einer Basisstruktur beabstandet angeordnet sind, und
  • 5 eine schematische Darstellung eines anderen Trackersystems, bei dem passive optische Markervorrichtungen selbst als Verbindungsknoten dienen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer passiven optischen Markervorrichtung, bei der ein Kugelmarker 1 auf einem Halteelement 2 angeordnet ist. Der Kugelmarker 1 besteht aus einer inneren retroreflektierenden Kugel 3 und einer Hüllschicht 4, welche die innere retroreflektierende Kugel 3 vollständig umgibt. Die Hüllschicht 4 ist aus einem für Messlichtstrahlen 5 transparenten Material gebildet, beispielsweise Glas oder Kunststoff. Die einfallenden Messlichtstrahlen 5 treffen die äußere Oberfläche der Hüllschicht 4 und werden zur inneren retroreflektierenden Kugel 3 hin gebrochen. An der Oberfläche der inneren retroreflektierenden Kugel 3 werden die Messlichtstrahlen dann retroreflektiert, so dass sie in ihre Einfallsrichtung zurück reflektiert werden.
  • Für den Durchmesser der wirksamen Reflexionsfläche 6 DE gilt die folgende Beziehung DE = 2·R2·sin(asin(n·sin(asin( D1 / D2 )))), wobei D1 der Durchmesser der retroreflektierenden Kugel 3 und D2 der Durchmesser der Hüllschicht 4 sind.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung zum Vergleich eines wirksamen Winkelbereiches für verschiedene passive optische Markervorrichtungen. Bild a) zeigt die Winkelverhältnisse für einen passiven optischen Marker, bei dem eine Glaskugel 20 in eine Aufnahme 21 angeordnet ist, die eine zur Kugeloberfläche komplementär gebildete und mit einer Reflexionsschicht versehene Oberfläche zur Kugelaufnahme bereit stellt. Es ergibt sich ein wirksamer Winkelbereich γ von weniger als 120°.
  • Bild b) zeigt in der Mitte von 2 die Verhältnisse für eine passive optische Markervorrichtung, bei der eine Kugel mit lichtreflektierender Oberfläche genutzt wird. Der wirksame Winkelbereich beträgt γ < 150°.
  • Schließlich zeigt Bild c) in 2 die Verhältnisse für die erfindungsgemäße passive optische Markervorrichtung aus 1. Der wirksame Winkelbereich beträgt γ > 180°.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Trackersystems für eine optische medizinische Navigation, bei der an einer Basisstruktur 30 mehrere passive optische Marker 31 angeordnet sind. Die passiven optischen Markervorrichtungen 31 sind jeweils mit einem Retroreflektor versehen, beispielsweise in der in 1 dargestellten Ausführung.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung für ein weiteres Trackersystem, wobei in 4 für die gleichen Merkmale die selben Bezugszeichen wie in 3 verwendet wurden.
  • Schließlich zeigt 5 eine schematische Darstellung eines anderen Trackersystems mit Basisstruktur 30 und passiven optischen Markervorrichtung 31. Im Unterschied zu den Ausführungsformen in den 3 und 4 ist in 5 ein Knoten oder Verbindungspunkt 32 innerhalb der Basisstruktur 30 durch eine passive optische Markervorrichtung selbst gebildet. Dieses ist ermöglicht, da die Hüllschicht die bei der optischen medizinischen Navigation wirksame innere retroreflektierende Kugel äußerlich schützt. Auf diese Weise können neuartige Trackersysteme für die optische medizinische Navigation variabel hergestellt werden. Die Integration der passive optische Markervorrichtung in die Basis- oder Trägerstruktur selbst erweitert auch die Einsatzmöglichkeiten der Markervorrichtungen an den medizinischen Geräten oder Hilfsmitteln selbst.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims (10)

  1. Trackersystem für optische medizinische Navigation, mit: – einer Basisstruktur (30), die konfiguriert ist für eine Montage an einem medizinischen Instrument oder Hilfsmittel, und – passiven optischen Markervorrichtungen (31), die an der Basisstruktur (30) beabstandet voneinander angeordnet und konfiguriert sind, bei einer medizinischen Navigation auf sie einfallendes Messlicht wenigstens teilweise zu reflektieren, wobei die passiven optischen Markervorrichtungen (31) jeweils mit einem Retroreflektor gebildet sind.
  2. Trackersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven optischen Markervorrichtungen (31) als Kugelmarker gebildet sind.
  3. Trackersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelmarker mit einer inneren retroreflektiven Kugel (3), welche auf der äußeren Kugeloberfläche eine Reflexionsschicht aufweist, und einer die innere retroreflektive Kugel (3) umgebende Hüllschicht (4) aus einem für das Messlicht transparenten Material gebildet ist.
  4. Trackersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Hüllschicht (4) etwa gleich dem Durchmesser der inneren retroreflektiven Kugel (3) ist.
  5. Trackersystem nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer inneren Kugeloberfläche der Hüllschicht (4) retroreflektive Strukturen gebildet sind.
  6. Trackersystem nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllschicht (4) außen wenigstens abschnittsweise mit einer Beschichtung versehen ist.
  7. Trackersystem nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllschicht (4) aus einem Glas- oder einem Kunststoffmaterial ist.
  8. Trackersystem nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der passiven optischen Markervorrichtungen ein Verbindungselement (32) für Strukturelemente der Basisstruktur (30) bildet.
  9. Passive optische Markervorrichtung (31) für ein Trackersystem zur optischen medizinischen Navigation, insbesondere ein Trackersystem nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, die konfiguriert ist, bei einer medizinischen Navigation einfallendes Messlicht wenigstens teilweise zu reflektieren und die einen Retroreflektor aufweist.
  10. Medizinisches Instrument oder medizinisches Hilfsmittel mit mehreren passiven optischen Markervorrichtungen (31) nach Anspruch 9.
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