DE102010052678A1 - Coordinate measuring and positioning system for acquisition of angular or spherical coordinates on cylindrical or spherical surfaces of e.g. drilling apparatus, has computing unit to determine movement coordinates - Google Patents

Coordinate measuring and positioning system for acquisition of angular or spherical coordinates on cylindrical or spherical surfaces of e.g. drilling apparatus, has computing unit to determine movement coordinates Download PDF

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Abstract

The system has a measuring device i.e. laser sensor (1), comprising an emitter to emit a light beam relative to a cylindrical or spherical surface that is movable towards the measuring device. A computing unit is connected to the measuring device to detect the movement of the light beam over the cylindrical or spherical surface based on the predetermined dimensions of the cylindrical or spherical surface and determines movement coordinates (X, Y). An optical evaluation and/or display unit displays the determined or calculated movement value or movement coordinates.

Description

Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmess- und Positioniersystem, zur Erfassung von Winkel- oder Kugelkoordinaten auf Zylinder- oder Kugeloberflächen.The invention relates to a coordinate measuring and positioning system for detecting angular or spherical coordinates on cylinder or ball surfaces.

Heutzutage werden auf vielen Operationsgebieten Hilfseinrichtungen eingesetzt, mit denen ein Operationsablauf, wie beispielsweise das Bestimmen und Vorbereiten des Implantatsitzes bestimmt und die exakte Ausrichtung der Instrumente sichergestellt werden kann. Diese Positionierung und Ausrichtung wird auch als Navigation bezeichnet.Nowadays, auxiliary devices are used in many operating areas, with which a surgical procedure, such as the determination and preparation of the implant seat can be determined and the exact alignment of the instruments can be ensured. This positioning and alignment is also referred to as navigation.

Die bekannten, meist optischen Navigationsverfahren sind aufwendig, teuer und benötigen viel Platz und Raum im OP-Bereich. Die Pflege, Reinigung und das Handling ist in der Regel sehr aufwendig..The known, mostly optical navigation methods are complex, expensive and require a lot of space and space in the operating theater area. The care, cleaning and handling is usually very expensive ..

Ein weiterer, aber sehr wesentlicher Nachteil besteht darin, dass die Sterilität in OP-Räumen eine besondere Anforderung an die konstruktiven Gegebenheiten stellt. Wenn beispielsweise die entsprechenden Geräte von Koordinatenmeß- und Navigationsystemen nahe dem eigentlichen Operationsbereich eingesetzt werden, kann es im Verlauf der Operation zu Verschmutzungen durch Blut- oder andere Flüssigkeitsspritzer kommen, so dass erst nach einer aufwendigen Reinigung die Geräte wieder einsetzbar sind.Another, but very significant disadvantage is that the sterility in operating theaters places a special requirement on the structural conditions. If, for example, the corresponding devices of coordinate measuring and navigation systems are used near the actual operating area, contamination by blood or other liquid splashes may occur in the course of the operation, so that the devices can be used again only after extensive cleaning.

Der Kerngedanke der Erfindung liegt somit darin, ein Koordinatenmeß- und Positioniersystem (Navigationssystem) zu schaffen, das einerseits sehr einfach oder problemlos in der Handhabung ist und andererseits auch aus Kostensicht einen schnellen Austausch von nahe dem Operationsbereich eingesetzten Geräteteilen erlaubt, also in Form von Einmal-Systemen oder aber Systemen, die nach dem Entfernen aus dem Operationsbereich schnell durch Austauschelemente ersetzbar sind, deren Reinigung andernorts erfolgte.The core idea of the invention is thus to provide a coordinate measuring and positioning system (navigation system) which on the one hand is very simple or easy to handle and on the other hand also allows a fast exchange of device parts used near the operating area, ie in the form of once Systems or systems which, after being removed from the operating area, can be quickly replaced by replacement elements which have been cleaned elsewhere.

Bei allen Ansprüchen an die einfache Austauschbarkeit der Komponenten, die schnelle und intensive Reinigungsmöglichkeit und natürlich den vertretbaren Kostenaufwand, kommt aber der Präzision des Systems eine entscheidende Bedeutung zu. Nur dann ist es möglich, im Voraus geplante Operationstechniken von der Simulation auf die Realität zu übertragen.Despite all the demands on the easy interchangeability of the components, the fast and intensive cleaning possibilities and, of course, the justifiable costs, the precision of the system is of decisive importance. Only then is it possible to transfer pre-planned operation techniques from simulation to reality.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Koordinatenmess- und Positioniersystem, zur Erfassung von Winkel- oder Kugelkoordinaten auf Zylinder- oder Kugeloberflächen, das gekennzeichnet ist durch mindestens eine Messeinrichtung in der Art eines Lasersensors mit Emitter und Empfänger, dessen Lichtstrahl auf die relativ zu diesem bewegbare Zylinder- oder Kugeloberfläche gerichtet ist und eine angeschlossene Recheneinheit, die unter Berücksichtigung der vorgegebenen Abmessungen der Zylinder- oder Kugeloberfläche die Bewegung des Lichtstrahles über die Zylinder- oder Kugeloberfläche erfasst und daraus die Bewegungskoordinaten ermittelt.This object is achieved according to the invention with a coordinate measuring and positioning system for detecting angular or spherical coordinates on cylinder or spherical surfaces, which is characterized by at least one measuring device in the manner of a laser sensor with emitter and receiver whose light beam to the movable relative to this Cylinder or ball surface is directed and a connected arithmetic unit, which detects the movement of the light beam over the cylinder or spherical surface taking into account the predetermined dimensions of the cylinder or spherical surface and determines therefrom the movement coordinates.

Um die Koordinaten zu ermitteln, umfasst das Koordinatenmess- und Positioniersystem, zur Erfassung von Winkel- oder Kugelkoordinaten auf Zylinder- oder Kugeloberflächen,

  • – eine Lagerung für einen zylinderförmigen oder kugelförmigen Messkörper,
  • – mindestens eine, auf die Messkörperoberfläche ausrichtbare Messeinrichtung, in der Art eines Lasersensors mit Emitter und Empfänger, der die Bewegungsdaten als Winkel- oder Kugelkoordinaten erfasst und an eine Recheneinheit weiterleitet,
  • – einen auf der von der Messeinrichtung abgewandten Seite des Messkörpers mit diesem verbundenen mechanischen Geber, der die Bewegung des Messkörpers in seinen möglichen Bewegungsebenen auf einem den Messkörper umgebenden Zylinder- oder Kugelraum beschreibt und mit den von der Messeinrichtung ermittelten Koordinaten vergleichbar macht, sowie – eine optische Auswerte- und/oder Anzeigeeinheit für die von der Messeinrichtung ermittelten oder errechneten Bewegungswerte oder -koordinaten.
To determine the coordinates, the coordinate measuring and positioning system comprises, for the detection of angular or spherical coordinates on cylindrical or spherical surfaces,
  • A bearing for a cylindrical or spherical measuring body,
  • At least one measuring device which can be aligned with the measuring body surface, in the manner of a laser sensor with emitter and receiver, which detects the movement data as angle or spherical coordinates and forwards them to a computing unit,
  • - A on the side facing away from the measuring device side of the measuring body with this associated mechanical encoder that describes the movement of the measuring body in its possible planes of motion on a cylindrical or spherical space surrounding the measuring body and makes comparable with the coordinates determined by the measuring device, and - a optical evaluation and / or display unit for the movement values or coordinates determined or calculated by the measuring device.

Vorzugsweise ist die Messeinrichtung bezogen auf die Lagerung für den Messkörper ortsfest angeordnet.Preferably, the measuring device is arranged stationary relative to the storage for the measuring body.

Zur Verbesserung der Handhabung, der Flexibilität und zur Erhöhung der Präzision können mehrere Messeinheiten in vorgegebenen Abstand von einander vorgesehen sein.To improve the handling, the flexibility and to increase the precision of several measuring units may be provided at a predetermined distance from each other.

Der Vorteil des hier zu Anwendung kommenden Lasersensors liegt darin, dass diese schon eine – im Vergleich zu LED-Sensoren- höhere Auflösung besitzt, so dass die Oberfläche des Zylinders oder der Kugel durchaus glatt oder sogar poliert sein kann. Von besonderem Vorteil ist es allerdings, wenn die Zylinder- oder Kugeloberfläche eine Textur, Strukturierung oder definierte Oberflächenrauheit aufweist.The advantage of the laser sensor used here is that it already has a higher resolution compared to LED sensors, so that the surface of the cylinder or the ball can be quite smooth or even polished. However, it is of particular advantage if the cylinder or ball surface has a texture, structuring or defined surface roughness.

Um die ermittelten Messwerte ausnutzen bzw. Einsetzen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Zylinder- oder Kugeloberfläche jeweils eine von mehreren Gelenkstellen der Lagerung, Halterung oder Aufhängung eines Bohr-, Ziel- oder Positioniergerätes ist und dass die von der Messeinrichtung ermittelten oder errechneten Bewegungswerte oder -koordinaten auf das Bohr-, Ziel- oder Positioniergerät (Navigationssystem) für zu implantierende Komponenten übertragbar und zur Steuerung dieses nutzbar sind.In order to be able to utilize or use the measured values determined, it is proposed that the cylinder or ball surface is in each case one of a plurality of joint locations for the mounting, mounting or suspension of a drilling, aiming or positioning device and that the movement values determined or calculated by the measuring device or coordinates to the drilling, aiming or positioning device (navigation system) for components to be implanted and can be used to control this.

Der besondere Vorteil einer derartigen Ausbildung besteht darin, dass an den Gelenkstellen beispielsweise sehr preiswerte Kunststoff-Kugelelemente in Verbindung mit ebenfalls sehr preiswerten Lasersensors eingesetzt werden können. An jeder Gelenkstelle können die vorher ermittelten bzw. errechneten Koordinaten nachvollzogen (eingestellt) werden, so dass die Summe der Bewegungen den präzisen OP Bereich definiert.The particular advantage of such a design is that at the joints, for example, very inexpensive plastic ball elements can be used in conjunction with also very inexpensive laser sensor. At each articulation point, the previously determined or calculated coordinates can be traced (adjusted) so that the sum of the movements defines the precise OP range.

Nach der Operation können die entsprechenden Teile leicht und schnell ausgetauscht und gereinigt oder als Einmalprodukte entsorgt werden.After the operation, the corresponding parts can be easily and quickly replaced and cleaned or disposed of as disposable products.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert werden.The invention will be explained below with reference to the drawings.

Dabei zeigen dieThe show

1 und 2 schematisch ein erfindungsgemäßes Messsystem für eine Kugeloberfläche mit zwei Ansichten 1 and 2 schematically an inventive measuring system for a spherical surface with two views

Das eigentliche System besteht aus der Kugel 3 als Messkörper und deren Lagerung 3'. Wenn eine Zylinderoberfläche erfasst werden soll, dann ist der Messkörper als Zylinder ausgebildet und in einer entsprechenden Halterung gelagert.The actual system consists of the ball 3 as a measuring body and their storage 3 ' , If a cylinder surface is to be detected, then the measuring body is designed as a cylinder and stored in a corresponding holder.

Bezogen auf die Lagerung 3' für den Messkörper 3 ist der Lasersensor 1 und der in diesem Fall vorgesehene, zweite Lasersensor 2, ortsfest angeordnet, und zwar mit einem definierten Winkelabstand voneinander.Related to the storage 3 ' for the measuring body 3 is the laser sensor 1 and the second laser sensor provided in this case 2 , fixedly arranged, with a defined angular distance from each other.

Mit dem Geber 5 kann der Messkörper 3 gegenüber dem Lasersensor verdreht werden, wobei dies in der 1 durch die Koordinaten x und y angedeutet ist, die durch den Kugelraum 4 bestimmt werden.With the giver 5 can the measuring body 3 be rotated with respect to the laser sensor, this being in the 1 is indicated by the coordinates x and y, passing through the sphere space 4 be determined.

Für die Berechnung ist der Durchmesser K der Kugel und S, des Kugelraumes wichtig.For the calculation, the diameter K of the sphere and S, of the sphere space is important.

Die 2 zeigt – aus anderem Blickwinkel – dann die dritte Koordinate z im Kugelraum.The 2 shows - from a different angle - then the third coordinate z in the sphere.

Somit kann von dem oder den Lasersensoren die Bewegung des Gebers 5 in allen drei Koordinaten ermittelt und mittels der Recheneinheit erfasst werden.Thus, the movement of the sensor can be of the one or more laser sensors 5 be determined in all three coordinates and detected by the arithmetic unit.

Wird der Geber durch ein Werkzeug ersetzt, kann umgekehrt aus den vom Lasersensor erfassten Koordinaten die Position des Werkzeuges eingestellt werden.If the encoder is replaced by a tool, the position of the tool can conversely be adjusted from the coordinates detected by the laser sensor.

Claims (6)

Koordinatenmess- und Positioniersystem, zur Erfassung von Winkel- oder Kugelkoordinaten auf Zylinder- oder Kugeloberflächen, gekennzeichnet durch mindestens eine Messeinrichtung in der Art eines Lasersensors mit Emitter und Empfänger, dessen Lichtstrahl auf die relativ zu diesem bewegbare Zylinder- oder Kugeloberfläche gerichtet ist und eine angeschlossene Recheneinheit, die unter Berücksichtigung der vorgegebenen Abmessungen der Zylinder- oder Kugeloberfläche die Bewegung des Lichtstrahles über die Zylinder- oder Kugeloberfläche erfasst und daraus die Bewegungskoordinaten ermittelt.Coordinate measuring and positioning system, for detecting angular or spherical coordinates on cylindrical or spherical surfaces, characterized by at least one measuring device in the manner of a laser sensor with emitter and receiver, the light beam is directed to the cylinder or spherical surface movable relative to this and a connected Arithmetic unit, which detects the movement of the light beam over the cylinder or ball surface taking into account the predetermined dimensions of the cylinder or ball surface and determines the movement coordinates therefrom. Koordinatenmess- und Positioniersystem, zur Erfassung von Winkel- oder Kugelkoordinaten auf Zylinder- oder Kugeloberflächen, umfassend – eine Lagerung für einen zylinderförmigen oder kugelförmigen Messkörper, – mindestens eine, auf die Messkörperoberfläche ausrichtbare Messeinrichtung, in der Art eines Lasersensors mit Emitter und Empfänger, der die Bewegungsdaten als Winkel- oder Kugelkoordinaten erfasst und an eine Recheneinheit weiterleitet, – einen auf der von der Messeinrichtung abgewandten Seite des Messkörpers mit diesem verbundenen mechanischen Geber, der die Bewegung des Messkörpers in seinen möglichen Bewegungsebenen auf einem den Messkörper umgebenden Zylinder- oder Kugelraum beschreibt und mit den von der Messeinrichtung ermittelten Koordinaten vergleichbar macht, sowie – eine optische Auswerte- und/oder Anzeigeeinheit für die von der Messeinrichtung ermittelten oder errechneten Bewegungswerte oder -koordinaten.Coordinate measuring and positioning system, for detecting angular or spherical coordinates on cylindrical or spherical surfaces A bearing for a cylindrical or spherical measuring body, At least one measuring device which can be aligned with the measuring body surface, in the manner of a laser sensor with emitter and receiver, which detects the movement data as angle or spherical coordinates and forwards them to a computing unit, - On the side facing away from the measuring device side of the measuring body with this associated mechanical encoder, which describes the movement of the measuring body in its possible planes of movement on a surrounding the measuring body cylinder or spherical space and makes comparable with the coordinates determined by the measuring device, and An optical evaluation and / or display unit for the movement values or coordinates determined or calculated by the measuring device. Koordinatenmess- und Positioniersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung bezogen auf die Lagerung für den Messkörper ortsfest angeordnet ist.Koordinatenmess- and positioning system according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring device is arranged stationary relative to the storage for the measuring body. Koordinatenmess- und Positioniersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messeinheiten in vorgegebenen Abstand von einander vorgesehen sind.Koordinatenmess- and positioning system according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of measuring units are provided at a predetermined distance from each other. Koordinatenmess- und Positioniersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder- oder Kugeloberfläche eine Textur, Strukturierung oder definierte Oberflächenrauheit aufweist.Coordinate measuring and positioning system according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder or ball surface has a texture, texture or defined surface roughness. Koordinatenmess- und Positioniersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder- oder Kugeloberfläche jeweils eine von mehreren Gelenkstellen der Lagerung, Halterung oder Aufhängung eines Bohr-, Ziel- oder Positioniergerätes ist und dass die von der Messeinrichtung ermittelten oder errechneten Bewegungswerte oder -koordinaten auf das Bohr-, Ziel- oder Positioniergerät für zu implantierende Komponenten übertragbar und zur Steuerung dieses nutzbar sind.Coordinate measuring and positioning system according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder or Each one of a plurality of hinge points of the bearing, mounting or suspension of a drilling, aiming or positioning device and that the movement values or coordinates determined or calculated by the measuring device can be transferred to the drilling, targeting or positioning device for components to be implanted and Control this are usable.
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