DE102017200527B4

DE102017200527B4 - Positionierungsvorrichtung, Positionierungssystem und Verfahren zur Positionierung eines Instrumentes

Info

Publication number: DE102017200527B4
Application number: DE102017200527.0A
Authority: DE
Inventors: Marius Siegfarth; Oliver Hotzel; Lawrencia Njume
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2037-01-14
Also published as: DE102017200527A1

Abstract

Positionierungsvorrichtung zur Positionierung und/oder Orientierung eines Instrumentes (18) an einem Objekt (3), aufweisend zumindest eine Lichtsensoreinheit (6), die in einem Strahlengang eines Lichtmusterprojektors (1), mit welchem das Lichtmuster (4)auf das Objekt (3) projizierbar ist, anordenbar ist, und die so eingerichtet ist, dass mit einem Messergebnis der Lichtsensoreinheit (6) eine Position und/oder eine Orientierung des Lichtmusters (4) bestimmbar ist, weiter aufweisendeine Handhabungsvorrichtung (16), an der das Instrument (18) befestigbar ist und mit welcher anhand der aus dem Messergebnis der Lichtsensoreinheit (6) bestimmten Position und/oder Orientierung das Instrument (18) zu einem vorgegebenen Ort bewegbar und/oder in eine vorgegebene Orientierung orientierbar ist,wobei die Lichtsensoreinheit (6) eine erste Gruppe von drei länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) und eine zweite Gruppe von drei länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) aufweist,wobei mit den länglichen Sensoren jeweils ein Ort eines Lichteinfalls auf den länglichen Sensor in Richtung der Längsrichtung des länglichen Sensors lokalisierbar ist,wobei die länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) der ersten Gruppe mit ihren Längsrichtungen parallel zueinander angeordnet sind und in Richtung senkrecht zu ihren Längsrichtungen nebeneinander angeordnet sind,wobei die Längsrichtungen der drei länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) der ersten Gruppe nicht alle in der gleichen Ebene verlaufen,wobei die länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) der zweiten Gruppe mit ihren Längsrichtungen parallel zueinander angeordnet sind und in Richtung senkrecht zu ihren Längsrichtungen nebeneinander angeordnet sind,wobei die Längsrichtungen der drei länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) der zweiten Gruppe nicht alle in der gleichen Ebene verlaufen,wobei die Längsrichtungen der länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) der ersten Gruppe in einem Winkel von größer als Null Grad und kleiner als 180 Grad, zu den Längsrichtungen der länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) der zweiten Gruppe stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionierungsvorrichtung, ein Positionierungssystem und ein Verfahren zur Positionierung eines Instruments an einem Objekt, insbesondere an einem Patienten. Ein Lichtmusterprojektor projiziert ein Lichtmuster auf das Objekt und eine Lichtsensoreinheit bestimmt eine Position und/oder eine Orientierung des Lichtmusters, so dass das Instrument mit einer Handhabungsvorrichtung zu einem vorgegebenen Ort bewegbar ist.
Bei einer Reihe medizinischer Eingriffe müssen Nadeln oder andere Instrumente anhand radiologischer Bilder (CT, MRT) positioniert werden. Die Planung erfolgt zunächst am Computer anhand dreidimensionaler Aufnahmen des Patienten. Anschließend kann als Hilfe für den Arzt ein Laserkreuz auf den Patienten projiziert werden, anhand dessen er die korrekte Einstichstelle und Richtung der Nadel erkennen kann, um damit die gewünschte Stelle im Körperinneren zu erreichen. Die Positionierung muss von Hand erfolgen, wobei es insbesondere beim Einstechvorgang durch die Bewegung zu Abweichungen von der Idealposition (projizierter Punkt) kommt.
Es sind motorisierte Systeme (Manipulatoren) auf dem Markt, die eine Nadel positionieren können. Die Ausrichtung erfolgt durch den Arzt über ein Bedienteil (Joystick o.ä.). Zur Kontrolle der Position kann entweder eine Lasermarkierung verwendet werden, oder sie erfolgt anhand von Röntgen-Kontrollscans.
Beispiele finden sich in DE202011109495U1 , DE202005014582U1 .
Andere Systeme beinhalten nur einen Laser, der automatisch auf das gewünschte Ziel ausgerichtet werden kann und hier ein Kreuz projiziert. Die Daten hierfür werden vom Computer-Planungssystem übertragen. Die Positionierung der Nadel anhand der Lasermarkierung muss aber weiterhin manuell erfolgen.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Navigations-/Trackingsystems. Das Funktionsprinzip ist in der Regel optisch oder magnetisch. Alle Instrumente, deren Position bestimmt werden soll (z.B. die Nadel) müssen über Trackingmarker verfügen, deren Position im Raum das System bestimmen kann. Magnetische Trackingsysteme sind jedoch anfällig gegen magnetische Störfelder, die von anderen Geräten ausgehen, und optische Trackingsysteme funktionieren nur, solange Sichtkontakt zwischen dem Instrument und den Kameras besteht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtmustervermessungsvorichtung, ein Positionierungssystem und ein Verfahren zur Positionierung eines Instgruments an einem Objekt anzugeben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwunden werden können.
Die WO 2015/191605 A1 beschreibt ein optisches Tracking-System. Es wird dabei ein virtueller feststarrer Körper auf eine Oberfläche projiziert. Das Tracking-System weist ein optisches Detektionssystem auf, mittels dessen das Lichtmuster detektierbar ist. Anhand des detektierten Lichtmusters kann die Position des virtuellen starren Körpers und damit des Projektors, der den starren Körper projiziert, detektiert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1, das Positionierungssystem nach Anspruch 17 und das Verfahren zur Positionierung eines Instrumentes an einem Objekt nach Anspruch 18. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Positionierungsvorrichtung, des Positionierungssystems und des Verfahrens an.
Erfindungsgemäß wird eine Positionierungsvorrichtung bereitgestellt, mit der ein Instrument an einem Objekt positioniert und/oder orientiert werden kann.
Die Positionierungsvorrichtung weist zumindest eine Lichtsensoreinheit auf, die im Strahlengang eines Lichtmusterprojektors anordenbar ist, mit welchem das Lichtmuster auf das Objekt projizierbar ist. Der Lichtmusterprojektor soll hier bevorzugt nicht als Teil der beanspruchten Erfindung angesehen werden, da die Erfindung grundsätzlich mit allen bekannten Lichtmusterprojektoren realisierbar ist, und Lichtmusterprojektoren in einem Umfeld, in dem die Erfindung zum Einsatz kommen kann, häufig bereits vorhanden sind.
Mit der Lichtsensoreinheit kann Licht des Lichtmusterprojektors detektiert werden. Erfindungsgemäß ist die Lichtsensoreinheit so eingerichtet, dass mit dem Messergebnis der Lichtsensoreinheit die Position und/oder die Orientierung des Lichtmusters bestimmbar ist. Die Orientierung kann dabei als Ausrichtung des Lichtmusters verstanden werden und die Position als dessen Lage. Der Begriff Objekt soll hier allgemein verstanden werden. Das Objekt kann beispielsweise ein Patient sein.
Vorzugsweise ermöglicht hierzu die Lichtsensoreinheit eine Lokalisierung des auf sie einfallenden Lichtes des Lichtmusterprojektors. Aus den Orten des Lichteinfalls auf die Lichtsensoreinheit kann dann auf die Lage und/oder Orientierung des Lichtmusters geschlossen werden. Vorteilhaft kann das Instrument fest gegenüber der Lichtsensoreinheit anordenbar sein, so dass sich also seine Orientierung und/oder Position gegenüber der Lichtsensoreinheit nicht ändert. In diesem Fall folgt aus der Position und/oder Orientierung des Lichtmusters gegenüber der Lichtsensoreinheit unmittelbar die Position und/oder Orientierung des Instrumentes gegenüber dem Lichtmuster. Vorteilhaft kann das Lichtmuster fest gegenüber dem Objekt bzw. dem vorgegebenen Punkt sein. In diesem Fall folgt aus der Position und/oder Orientierung des Instrumentes gegenüber dem Lichtmuster unmittelbar die Position und/oder Orientierung des Instrumentes gegenüber dem Objekt. Das Instrument kann dann ohne weiteres zum vorgegebenen Ort bewegt werden und/oder in der vorgegebenen Orientierung orientiert werden.
Erfindungsgemäß weist die Positionierungsvorrichtung außerdem eine Handhabungsvorrichtung auf, an der das Instrument befestigbar ist, und mit welcher anhand der aus dem Messergebnis der Lichtsensoreinheit bestimmten Position und/oder Orientierung das Instrument zu einem vorgegebenen Ort bewegbar und/oder in eine vorgegebene Orientierung orientierbar ist.
Der vorgegebene Ort ist vorzugsweise ein Ort an dem Objekt oder auf dem Objekt, es kann jedoch auch ein vom Objekt beabstandeter Ort sein, wenn beispielsweise der Ort an dem Objekt, wo das Instrument anzusetzen ist, von diesem beabstandeten Ort konstruktionsbedingt ohne Abweichung erreichbar ist.
Vorteilhaft kann das Instrument fest gegenüber der Lichtsensoreinheit anordenbar sein, so dass sich also seine Orientierung und/oder Position gegenüber der Lichtsensoreinheit nicht ändert. In diesem Fall folgt aus der Position und/oder Orientierung des Lichtmusters gegenüber der Lichtsensoreinheit unmittelbar die Position und/oder Orientierung des Instrumentes gegenüber dem Lichtmuster. Vorteilhaft kann das Lichtmuster fest gegenüber dem Objekt bzw. dem vorgegebenen Punkt sein. In diesem Fall folgt aus der Position und/oder Orientierung des Instrumentes gegenüber dem Lichtmuster unmittelbar die Position und/oder Orientierung des Instrumentes gegenüber dem Objekt. Das Instrument kann dann ohne weiteres zum vorgegebenen Ort bewegt werden und/oder in der vorgegebenen Orientierung orientiert werden.
In bestimmten Situationen kann es ausreichen, wenn nur eine Position oder nur eine Orientierung des Lichtmusters bestimmbar ist, beispielsweise wenn die jeweils andere Größe konstruktionsbedingt nicht veränderlich ist.
Vorteilhaft können das Instrument und die Lichtsensoreinheit gemeinsam an der Handhabungsvorrichtung angeordnet sein, so dass sie gemeinsam durch die Handhabungsvorrichtung positionierbar und/oder orientierbar sind. Es ist aber vorteilhaft auch möglich, dass die Lichtsensoreinheit fest gegenüber einer festen Basis der Handhabungsvorrichtung angeordnet ist und dass das Instrument mittels der Handhabungsvorrichtung gegenüber der Lichtsensoreinheit positionierbar und/oder orientierbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Lichtmuster ein Kreuz, vorzugsweise ein rechtwinkliges Kreuz sein.
Vorteilhafterweise kann die Positionierungsvorrichtung mit länglichen Sensoren ausgestaltet sein. Unter einem länglichen Sensor soll hierbei ein Lichtsensor verstanden werden, der in einer Richtung, die als Längsrichtung des Lichtsensors bezeichnet werden soll, länger, vorzugsweise um ein Vielfaches länger, ausgedehnt ist, als in seiner hierzu senkrechten Richtung in einer Detektionsebene des Lichtsensors. In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die länglichen Sensoren abschnittsweise oder vollständig eindimensionale Sensoren sein, mit denen eine Lokalisierung des Lichteinfalls auf diesen Sensor entlang einer Linie, vorzugsweise nur entlang der Linie, detektierbar und lokalisierbar ist. Die Linie kann hierbei in die Längsrichtung des Sensors verlaufen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Längsrichtung des Sensors ortsabhängig sein kann, so dass der Sensor auch gekrümmt verlaufen kann. Vorzugsweise sind einige oder alle der länglichen Sensoren der Lichtsensoreinheit zumindest abschnittsweise oder vollständig gerade ausgestaltet, so dass die genannte Linie entlang einer Geraden verläuft.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Lichtsensoreinheit zwei Gruppen von jeweils drei länglichen Sensoren aufweisen. Vorzugsweise sind die länglichen Sensoren der gleichen Gruppe jeweils mit ihren Längsrichtungen parallel zueinander angeordnet. Das heißt, die Sensoren der ersten Gruppe können zueinander parallel angeordnet sein und die Sensoren der zweiten Gruppe können zueinander parallel angeordnet sein. Dass die länglichen Sensoren parallel zueinander angeordnet sind, bedeutet dabei, dass ihre Längsrichtungen parallel zueinander stehen. Auch gegebenenfalls gekrümmte Sensoren können auf diese Weise parallel zueinander verlaufen.
Bevorzugterweise verlaufen die Längsrichtungen der drei länglichen Sensoren der ersten Gruppe nicht alle in der gleichen Ebene. Bevorzugt ist insbesondere, dass die Detektionsflächen, also jene Orte, an denen der Lichteinfall detektiert wird, nicht für alle Sensoren der gleichen Gruppe in der gleichen Ebene liegen. Entsprechend ist es auch bevorzugt, wenn die Längsrichtungen der drei länglichen Sensoren der zweiten Gruppe nicht alle in der gleichen Ebene verlaufen, insbesondere, wenn die Lichtdetektionsflächen dieser Sensoren nicht alle in der gleichen Ebene liegen. Auf diese Weise wird es möglich, eine Neigung jener Flächen zu detektieren, die durch die vom Lichtmusterprojektor ausgehenden Lichtstrahlen aufgespannt wird.
Bevorzugterweise sind die länglichen Sensoren der ersten Gruppe mit ihren Längsrichtungen senkrecht angeordnet zu den Längsrichtungen der Sensoren der zweiten Gruppe. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können die Längsrichtungen bzw. Lichtdetektionsorte von zwei Sensoren der ersten Gruppe und zwei Sensoren der zweiten Gruppe in einer gemeinsamen ersten Ebene verlaufen, während die Längsrichtungen bzw. Lichtdetektionsorte des weiteren Sensors der ersten Gruppe und des weiteren Sensors der zweiten Gruppe in einer zweiten gemeinsamen Ebene liegen, die von der ersten Ebene verschieden ist.
Vorteilhaft können die drei länglichen Sensoren der Gruppen jeweils auf einem Profil angeordnet sein, dass in einer Schnittebene senkrecht zur Längsrichtung der Sensoren eine L-Form hat. Es können dann zwei der länglichen Sensoren an einem Schenkel des L und einer der Sensoren am Ende des anderen Schenkels des L angeordnet sein. Bevorzugt liegen dabei jene Richtungen, aus denen die Sensoren Licht empfangen können, für alle Sensoren parallel zueinander.
Die Längsrichtungen der Sensoren der ersten Gruppe können zu den Längsrichtungen der Sensoren der zweiten Gruppe in einem Winkel von größer als 0° und kleiner als 180°, vorzugsweise von 90°, stehen. Dabei kann vorzugsweise der Winkel bei geraden länglichen Sensoren um jenen Punkt gemessen werden, in dem sich die Geraden, auf denen die Längsrichtungen der entsprechenden Sensoren liegen, kreuzen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die länglichen Sensoren Zeilensensoren sein, in denen eine Vielzahl von Sensorelementen in der entsprechenden Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei in hier zu senkrechter Richtung jeweils nur ein Sensorelement vorliegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können derartige Zeilensensoren auch mit länglichen Flächensensoren kombiniert sein. In diesem Falle können die Zeilensensoren zusammen mit den länglichen Flächensensoren als längliche Sensoren im oben genannten Sinne angesehen werden. Bevorzugt wird unter einem länglichen Flächensensor dabei ein Flächensensor verstanden, der in seiner Längsrichtung deutlich größer ausgedehnt ist als in hierzu senkrechter Richtung. Bevorzugterweise ist die Ausdehnung des länglichen Flächensensors in zur Längsrichtung senkrechter Richtung parallel zur Lichteinfallsebene gleich der Breite des Zeilensensors in dessen Richtung senkrecht zur Längsrichtung und parallel zur Lichteinfallsebene. Vorteilhafterweise kann hierdurch ein länglicher Sensor jeweils einen Zeilensensor aufweisen, der zwischen zwei unmittelbar angrenzenden Flächensensoren angeordnet ist. Dabei bilden vorzugsweise die Längsrichtungen der beiden länglichen Flächensensoren und des Zeilensensors eine stetige, vorzugsweise zumindest teilweise gerade, Linie.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen jeweils einem länglichen Sensor der ersten Gruppe und einem länglichen Sensor der zweiten Gruppe ein dieser die beiden länglichen Sensoren jeweils verbindender länglicher Flächensensor angeordnet sein. Auch hier können die länglichen Sensoren der ersten und der zweiten Gruppe Zeilensensoren sein. Es kann hier dann also jeweils ein Sensor der ersten Gruppe zusammen mit einem der verbindenden länglichen Flächensensoren und einem länglichen Sensor der zweiten Gruppe entlang einer gemeinsamen stetigen Linie, die sich vorzugsweise in einer Ebene erstreck, angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Lichtsensoreinheit drei längliche Sensoren aufweisen, von denen jeder einen länglichen Sensor der ersten Gruppe, einen verbindenden länglichen Flächensensor und einen länglichen Sensor der zweiten Gruppe enthält. Bevorzugterweise können weitere längliche Flächensensoren auf jenen den verbindenden länglichen Flächensensoren abgewandten Seiten der länglichen Sensoren der ersten und der zweiten Gruppe angeordnet sein. Es ergibt sich dann also für jeden der drei Sensoren eine Abfolge von länglichem Flächensensor, länglichem Sensor, beispielsweise einem Zeilensensor, verbindendem länglichem Sensor, länglichem Sensor der zweiten Gruppe, beispielsweise einem Zeilensensor, und länglichem Flächensensor.
Ist ein länglicher Flächensensor vorgesehen, der einen länglichen Sensor der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe verbindet, so ist dieser längliche Flächensensor vorzugsweise gebogen, so dass der längliche Sensor der ersten Gruppe und der längliche Sensor der zweiten Gruppe im oben genannten Winkel zueinander stehen.
Die genannte Biegung jenes länglichen Sensors, der jeweils den Sensor der ersten Gruppe und den Sensor der zweiten Gruppe verbindet, kann vorzugsweise zumindest bereichsweise entlang eines Kreissegments verlaufen. Auf diese Weise können die länglichen Sensoren der ersten und zweiten Gruppe im genannten Winkel zueinander stehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die genannten länglichen Sensoren auch dadurch gebildet werden, dass in den länglichen Sensoren der ersten und zweiten Gruppe jeweils ein Punktsensor, mit welchem Lichteinfall an nur einem Punkt lokalisierbar ist, zwischen zwei länglichen Flächensensoren angeordnet ist. In diesem Falle können die Längsrichtungen der länglichen Sensoren vorzugsweise entlang einer gemeinsamen stetigen Linie verlaufen, die vorzugsweise gerade ist, und der Punktsensor kann auf dieser Linie vorliegen. Auch in dieser Ausführungsform kann ein gebogen verlaufender länglicher Sensor vorgesehen sein, der einen Punktsensor der ersten Gruppe mit einem Punktsensor der zweiten Gruppe verbindet. Es geht also jeweils wiederum ein länglicher Sensor der ersten Gruppe in einen länglichen Sensor der zweiten Gruppe in dem gekrümmten Sensor ineinander über.
Bevorzugterweise liegt der vorgegebene Ort auf einer Schnittgeraden jener Ebene, in der die Punktsensoren der ersten Gruppe angeordnet sind mit jener Ebene, in der die Punktsensoren der zweiten Gruppe angeordnet sind.
Jene Lichtsensoreinheiten, in denen ortsauflösende Sensoren, wie Punktsensoren oder Zeilensensoren, mit länglichen Flächensensoren verbunden werden, ermöglichen eine Ausrichtung bezüglich des Lichtmusters. Zunächst kann im allgemeinen Fall das Lichtmuster so angeordnet sein, dass es nur durch die Flächensensoren detektiert wird. Auf diese Weise wird der entsprechende Abschnitt des Lichtmusters als auf der einen oder der anderen Seite des ortsauflösenden Sensors vorliegend bestimmt. Es ist dann bekannt, in welche Richtung Lichtmuster und Lichtsensoreinheit zueinander bewegt werden müssen, damit das Licht auf den entsprechenden ortsauflösenden Sensor einfällt. Wird nun das Lichtmuster also gegenüber der Lichtsensoreinheit in die entsprechende Richtung bewegt und fällt dann auf den ortsauflösenden Sensor ein, so kann mit diesem eine genauere Lokalisierung erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Lichtsensoreinheit auch zwei Matrixsensoren aufweisen. Diese können in einem Winkel um einen vorgegebenen Ort zueinander stehen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Lichtmuster ein aus zwei geraden Linien zusammengesetztes Kreuz ist. Die Linien dieses Kreuzes stehen in einem Winkel zueinander. Vorteilhafterweise stehen die Matrixsensoren um den vorgegebenen Ort im gleichen Winkel zueinander. Besonders bevorzugt ist dieser Winkel ein rechter Winkel. Bevorzugt kreuzen sich Geraden, entlang derer Zeilen oder Spalten der Matrixsensoren angeordnet sind, in diesem Winkel.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Handhabungsvorrichtung zumindest einen Kreuztisch aufweisen. Ein solcher kann zwei senkrecht zueinander stehende Positionierungsarme aufweisen, mit denen zumindest ein Gelenk in zwei zueinander senkrechten Richtungen positionierbar ist. Ein Positionierungsarm kann hier als eine Vorrichtung verstanden werden, mit der eine lineare und bevorzugt gerade Bewegung und dadurch Positionierung möglich ist. Ist ein Gelenk an einem solchen Positionierungsarm angeordnet kann es auf die genannte Weise linear in einer Richtung verschoben werden. Ist das Gelenk also an zwei senkrecht zueinander stehenden Positionierungsarmen angeordnet, deren Richtungen der linearen Bewegung in einer gemeinsamen Ebene liegen, so kann das Gelenk in alle Richtung in dieser Ebene verschoben werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können zwei solche Kreuztische mit jeweils zwei Positionierungsarmen vorgesehen sein. Dabei können jeweils zwei der Positionierungsarme parallel zueinander übereinander angeordnet sein. Die Positionierungsarme des gleichen der Kreuztische stehen wiederum vorzugsweise senkrecht aufeinander. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann jeder der beiden Kreuztische jeweils ein Gelenk führen, wobei das Instrument an den beiden Gelenken anordenbar ist. Ist das Instrument länglich, wie beispielsweise eine Nadel, so können die Gelenke am Instrument an unterschiedlichen Positionen in Richtung dessen Längsrichtung angreifen. Durch die Ausgestaltung der Erfindung mit zwei Kreuztischen ist das Instrument positionierbar und/oder orientierbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Handhabungsvorrichtung einen Manipulatorarm und/oder einen Roboterarm aufweist, der zumindest zwei translatorische Freiheitsgrade zur Positionierung des Instrumentes und/oder zumindest zwei rotatorische Freiheitsgrade zum Kippen des Instrumentes um unterschiedliche Raumachsen hat, wobei das Instrument den dem Manipulatorarm oder dem Roboterarm befestigbar sein kann.
Die Lichtsensoreinheit kann vorteilhafterweise zumindest einen Filter aufweisen, mit welchem andere Wellenlängen als jene des Lichtmusters absorbierbar sind. Der Filter lässt also vorteilhafterweise nur die Wellenlängen des Lichtmusters hindurch. Auf diese Weise kann der Einfluss von Streulicht auf das Messergebnis der Lichtsensoren vermindert bzw. minimiert werden.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Positionierungssystem zur Positionierung eines Instrumentes an einem Objekt angegeben. Das Positionierungssystem kann vorteilhaft für die Positionierung eines medizinischen und/oder chirurgischen Instruments an einem Patienten eingerichtet sein.
Das erfindungsgemäße Positionierungssystem weist einen Lichtmusterprojektor auf, mit dem ein Lichtmuster auf das Objekt projizierbar ist. Das Lichtmuster kann beispielsweise ein Kreuz sein. Der Lichtmusterprojektor kann beispielsweise einen Laser und eine Ablenkeinheit für einen durch den Laser erzeugten Laserstrahl aufweisen, wobei die Ablenkeinheit den Laserstrahl so ablenken kann, dass dieser das Lichtmuster auf dem Objekt ausleuchtet. Auch andere Lichtmusterprojektoren, beispielsweise mit abbildenden Linsenoptiken, sind möglich.
Erfindungsgemäß weist das erfindungsgemäße Positionierungssystem außerdem zumindest eine Positionierungsvorrichtung wie vorstehend beschrieben auf.
Vorteilhafterweise kann dabei die Positionierungsvorrichtung wie oben beschrieben ausgestaltet sein. Die oben gemachten Aussagen bezüglich des Lichtmusters, des Objektes und des vorgegebenen Ortes gelten daher vorteilhafterweise auch für das erfindungsgemäße Positionierungssystem.
Optional kann das Instrument fest gegenüber der Lichtsensoreinheit anordenbar sein, so dass das Instrument mit der der Lichtsensoreinheit zusammen bewegbar ist bzw. sich bewegt. Auf diese Weise kann die Positionierung und/oder Orientierung des Instruments geregelt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Handhabungsvorrichtung in einer festen Position in Bezug auf das Lichtmuster angeordnet ist, so dass das Lichtmuster zusammen mit der Handhabungsvorrichtung bewegbar ist bzw. sich zusammen mit der Handhabungsvorrichtung bewegt.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zur Positionierung eines Instrumentes an einem Objekt angegeben. Dabei wird von einem Lichtmuster ausgegangen, das auf das Objekt projiziert wird. Es wird eine Position und/oder Orientierung des Lichtmusters aus einem Messergebnis einer Lichtsensoreinheit bestimmt. Es wird dann mit einer Handhabungsvorrichtung, an der das Instrument befestigt ist, anhand der aus dem Messergebnis der Lichtsensoreinheit bestimmten Position und/oder Orientierung das Instrument zu einem vorgegebenen Ort und/oder in eine vorgegebene Orientierung bewegt. Bevorzugterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem wie oben beschrieben ausgestalteten Positionierungssystem und/oder einer wie oben ausgestalteten Positionierungsvorrichtung durchgeführt.
In allen Ausgestaltungen der Erfindung ist es bevorzugt, wenn der Lichtmusterprojektor ein Laserscanner ist, der das Lichtmuster dadurch erzeugt, dass er einen Laserstrahl über das Objekt scannt bzw. bewegt.
Bevorzugterweise ist das Instrument eine Nadel, die an der vorgegebenen Position in das Objekt, beispielsweise den Körper eines Patienten, eingestochen werden soll.
Die Erfindung ermöglicht eine automatische Ausrichtung des Instrumentes schneller und präziser als beim manuellen Vorgehen. Durch die mechanische Führung des Instrumentes bewegt sich das Instrument nicht mehr, sobald die Positionierung abgeschlossen ist. Somit kann es nicht mehr zum Verrutschen beim Einstechen kommen. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Positionierungssystems ist die Verwendung auch an schwer zugänglichen Stellen, wie beispielsweise im OP-Umfeld oder an der CT-Röhre möglich. Eventuelle Abweichungen von der Sollposition können gemessen und angezeigt werden. Bevor das Instrument angesetzt wird, kann anhand eines Röntgenscans noch einmal die korrekte Position überprüft werden.
Vorteil ist, dass die Information zur gewünschten Position der Handhabungsvorrichtung und damit des Instrumentes direkt vom Lichtmuster, beispielsweise vom Laserkreuz, abgelesen werden kann. Dadurch bleibt der Prozess für den Arzt nachverfolgbar, anders, als wenn der CT-Scanner die Positionsdaten direkt an die Handhabungsvorrichtung übergeben würde. Auch müsste in diesem Falle eine Differenzierung zwischen Scanner und Handhabungsvorrichtung erfolgen, welche in der Zulassung sehr aufwändig wäre.
Die Erfindung kann insbesondere für medizinische Eingriffe, bei denen eine Nadel oder ein anderes Instrument anhand radiologischer Bilder ausgerichtet werden muss, eingesetzt werden. Da das System keine Verbindung zum bildgebenden System, wie beispielsweise CT oder CT-Bogen benötigt, kann es herstellerunabhängig in Verbindung mit allen Systemen eingesetzt werden, die über einen Lichtmusterprojektor, insbesondere einen Laserkreuzprojektor, verfügen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Beispielen gezeigten Merkmale können auch unter den Beispielen kombiniert werden und unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein.
Es zeigt

1 ein Beispiel einer Lichtmusterprojektion,
2 ein Beispiel einer Lichtsensoreinheit,
3 die in 2 gezeigte Lichtsensoreinheit in Verbindung mit einem Lichtmusterprojektor,
4 ein weiteres Beispiel einer Lichtsensoreinheit,
5 ein weiteres Beispiel einer Lichtsensoreinheit,
6 ein weiteres Beispiel einer Lichtsensoreinheit,
7 eine Lichtsensoreinheit mit einer Handhabungsvorrichtung, und
8 ein erfindungsgemäßes Positionierungssystem.

1 zeigt ein Beispiel einer Lichtmusterprojektion auf ein Objekt 3. Das Objekt 3 ist im gezeigten Beispiel der Einfachheit halber eine kreisförmige Scheibe, es kann aber auch beispielsweise der Körper eines Patienten sein. Mittels eines Lichtmusterprojektors, der im in 1 gezeigten Beispiel zwei Linienlasermodule 1a und 1b enthält, wird auf die Oberfläche des Objektes 3 ein Lichtmuster 4 projiziert, das im gezeigten Beispiel ein Kreuz 4 ist. Das Kreuz 4 entsteht auf der Oberfläche des Objektes 3 dadurch, dass zum einen eine vom Lasermodul 1a aufgespannte Laserebene 2a die Oberfläche des Objektes 3 schneidet und zum anderen eine vom Linienlasermodul 1b aufgespannte Laserebene 2b die Oberfläche des Objektes 3 schneidet. Der Schnittpunkt 5 von Balken des Kreuzes 4 kann hier dazu dienen, einen Ort zu markieren, an dem ein Instrument wie beispielsweise eine Nadel angesetzt werden soll. In einem erfindungsgemäßen Positionierungssystem kann das Instrument, beispielsweise die Nadel, so geführt werden, beispielsweise mittels einer Handhabungsvorrichtung, dass das Instrument am Kreuzungspunkt 5 des Kreuzes 4 ansetzt. Mittels einer Lichtsensoreinheit 6 kann die Lage und/oder Orientierung des Kreuzes 4 bestimmt werden.
2 zeigt ein Beispiel einer Lichtsensoreinheit 6. Die in 2 gezeigte Lichtsensoreinheit 6 weist eine erste Gruppe von drei länglichen Sensoren 7a, 7b und 7c sowie eine zweite Gruppe von drei länglichen Sensoren 8a, 8b, 8c auf. Die Sensoren 7a, 7b, 7c und 8a, 8b, 8c sind hier länglich und gerade ausgestaltet. Die Längsrichtungen, in denen sich die Sensoren 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c länglich erstrecken, liegen innerhalb der Gruppen jeweils parallel zueinander. Die Sensoren 7a, 7b, 7c bzw. 8a, 8b, 8c der gleichen Gruppe sind jeweils in Richtung senkrecht zur Längsrichtung dieser Sensoren nebeneinander angeordnet. Im gezeigten Beispiel verlaufen die Sensoren 7a, 7b, 7c nicht alle in der gleichen Ebene, wie auch die Sensoren 8a, 8b, 8c nicht alle in der gleichen Ebene verlaufen. Die Sensoren 7a, 7b, 7c der ersten Gruppe stehen zu den Sensoren 8a, 8b, 8c in einem Winkel, der im gezeigten Beispiel 90° beträgt.
Die Sensoren 7a, 7b, 7c und 8a, 8b, 8c sind in der Lichtsensoreinheit 6 der 2 an einer Tragevorrichtung 9a, 9b angeordnet, die zwei in einem rechten Winkel zueinander stehende Profile aufweist. Die beiden Profile haben in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der Sensoren 7a, 7b, 7c bzw. 8a, 8b, 8c die Form eines L. Dadurch, dass zwei der Sensoren 7b, 7c bzw. 8b, 8c an einem Schenkel des L angeordnet sind und der jeweils dritte Sensor 7a und 8a am Ende des anderen Schenkels, wird erreicht, dass die Sensoren 7a, 7b, 7c bzw. 8a, 8b, 8c nicht alle in der gleichen Ebene verlaufen.
Mit der gezeigten Lichtsensoreinheit 6 kann die Lage und/oder Orientierung eines Lichtmusters bestimmt werden. Hierzu kann die Lichtsensoreinheit 6 in einem Strahlengang eines Lichtmusterprojektors 1a, 1b angeordnet sein, wie dies beispielsweise in 3 gezeigt ist. Die Lichtsensoreinheit, welche die Sensoren 7a, 7b, 7c und 8a, 8b, 8c enthält, ist so eingerichtet, dass mit einem Messergebnis dieser Lichtsensoreinheit die Position und/oder die Orientierung des Lichtmusters 4 bestimmbar ist.
Die in 2 und 3 gezeigten länglichen Sensoren 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c können beispielsweise Zeilensensoren sein, die eine Vielzahl von in Richtung der Längsrichtung des entsprechenden Sensors 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c angeordnete Sensorpixel aufweisen. Es kann dann beispielsweise aus dem Index des Pixels, an dem der Laser von dem entsprechenden Sensor 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c erkannt wurde, ein Punkt im Raum bestimmt werden, der sich in der entsprechenden Laserebene 2a, 2b befindet. Aus jeweils drei auf diese Weise ermittelten Punkten kann dann die vom Laser aufgespannte Ebene 2a, 2b berechnet werden. Sind die Ebenen 2a und 2b auf diese Weise bestimmt worden, kann ohne Weiteres die Schnittgerade dieser beiden Ebenen berechnet werden, die dann den gewünschten Pfad für das Instrument darstellt. Wird durch die Handhabungsvorrichtung das Instrument entlang dieses Pfades bewegt, so kann durch das Messergebnis der Lichtsensoreinheit 6 der Ort bestimmt werden, an dem das Instrument an dem Objekt ansetzen wird. Es ist dies gerade der Ort, an dem die genannte Schnittgerade der beiden Laserebenen 2a und 2b auf das Objekt 3 trifft. Erfindungsgemäß kann also berechnet werden, wo sich der Soll-Instrumentenpfad, d. h. die Schnittgerade der Laserebene 2a und 2b in Relation zur Lichtsensoreinheit 6 befindet. Über die Vorgabe des gewünschten Instrumentenpfades kann die translatorische und/oder rotatorische Abweichung des Ist-Zustands vom Soll-Zustand berechnet werden. Diese Abweichung entspricht dann der Transformation, die die Handhabungsvorrichtung bzw. ein Manipulator ausführen muss, um die Nadel am vorgegebenen Pfad auszurichten.
Anhand der berechneten Position und Ausrichtung des Nadelpfads kann anschließend die Handhabungsvorrichtung die Nadel ausrichten. Ist die Lichtsensoreinheit 6 bzw. das Sensormodul 6 so mit der Handhabungsvorrichtung verbunden, dass es der Bewegung des Instruments folgt, kann die Positionierung generell geregelt werden. Wird das Instrument unabhängig vom Sensormodul bewegt, kann die Ausrichtung nur gesteuert erfolgen. Eine Kontrolle, ob die gewünschte Position erreicht wird, ist in diesem Fall nicht ohne Weiteres möglich.
4 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung einer Lichtsensoreinheit. Es sind hierbei wieder zwei Gruppen von Zeilensensoren vorgesehen, nämlich einerseits in einer ersten Gruppe die Zeilensensoren 7a, 7b und 7c und in der zweiten Gruppe die Zeilensensoren 8a, 8b und 8c. Dabei sind die Zeilensensoren 7a, 7b, 7c und die Zeilensensoren 8a, 8b, 8c jedenfalls zwischen zwei länglichen Flächensensoren 10aa bis 10cc angeordnet. Der Zeilensensor 7a ist hierbei zwischen den länglichen Flächensensoren 10aa und 10ab angeordnet und der Zeilensensor 8a ist zwischen den länglichen Flächensensoren 10ab und 10cc angeordnet. Entsprechend ist der Zeilensensor 7b zwischen den Flächensensoren 10ba und 10bb angeordnet und der Zeilensensor 8b zwischen den Flächensensoren 10bb und 10bc. Der Zeilensensor 7c ist zwischen den länglichen Flächensensoren 10ca und 10cb angeordnet und der Zeilensensor 8c zwischen den Flächensensoren 10cb und 10cc.
Die länglichen Flächensensoren 10ab, 10bb und 10cb, die zwischen jeweils zweien der Zeilensensoren 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c angeordnet sind, sind im gezeigten Beispiel entlang eines Kreissegments gebogen und erstrecken sich jeweils von einem Zeilensensor der ersten Gruppe 7a, 7b, 7c zu einem Zeilensensor 8a, 8b, 8c der zweiten Gruppe. Jene Richtung, in der die Zeilensensoren 7a, 7b und 7c der ersten Gruppe nebeneinander angeordnet sind, kreuzt im gezeigten Beispiel jene Richtung, in der die Zeilensensoren 8a, 8b, 8c der zweiten Gruppe nebeneinander angeordnet sind im rechten Winkel in dem vorgegebenen Punkt, an dem das Instrument angesetzt werden soll. Zur Positionierung kann zunächst bestimmt werden, auf welchen der länglichen Flächensensoren 10aa bis 10cc das Lichtmuster einfällt. Es kann daraus geschlossen werden, in welcher Richtung das Lichtmuster vom entsprechenden Zeilensensor 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c abweicht. Es kann dann eine Translations- und/oder Rotation in Richtung der Zeilensensoren 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c durchgeführt werden. Fällt das Lichtmuster auf die Zeilensensoren 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c, ist mit diesen dann eine genauere Positionierung möglich.
5 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung einer Lichtsensoreinheit. Es sind hierbei zwei Gruppen von Punktsensoren vorgesehen, nämlich einerseits in einer ersten Gruppe die Punktsensoren 11a, 11b und 11c und in der zweiten Gruppe die Punktsensoren 12a, 12b und 12c. Dabei sind die Punktsensoren 11a, 11b, 11c und die Punktsensoren 12a, 12b, 12c jedenfalls zwischen zwei länglichen Flächensensoren 10aa bis 10cc angeordnet. Der Punktsensor 11a ist hierbei zwischen den länglichen Flächensensoren 10aa und 10ab angeordnet und der Punktsensor 12a ist zwischen den länglichen Flächensensoren 10ab und 10cc angeordnet. Entsprechend ist der Punktsensor 11b zwischen den Flächensensoren 10ba und 10bb angeordnet und der Punktsensor 12b zwischen den Flächensensoren 10bb und 10bc. Der Punktsensor 11c ist zwischen den länglichen Flächensensoren 10ca und 10cb angeordnet und der Punktsensor 12c zwischen den Flächensensoren 10cb und 10cc.
Die länglichen Flächensensoren 10ab, 10bb und 10cb, die zwischen jeweils zweien der Punktsensoren 11a, 11b, 11c, 12a, 12b, 12c angeordnet sind, sind im gezeigten Beispiel entlang eines Kreissegments gebogen und erstrecken sich jeweils von einem Punktsensor der ersten Gruppe 11a, 11b, 11c zu einem Punktsensor 12a, 12b, 12c der zweiten Gruppe. Jene Richtung, in der die Punktsensoren 11a, 11b und 11c der ersten Gruppe nebeneinander angeordnet sind, kreuzt im gezeigten Beispiel jene Richtung, in der die Punktsensoren 12a, 12b, 12c der zweiten Gruppe nebeneinander angeordnet sind im rechten Winkel in dem vorgegebenen Punkt, an dem das Instrument angesetzt werden soll. Zur Positionierung kann zunächst bestimmt werden, auf welchen der länglichen Flächensensoren 10aa bis 10cc das Lichtmuster einfällt. Es kann daraus geschlossen werden, in welcher Richtung das Lichtmuster vom entsprechenden Punktsensor 11a, 11b, 11c, 12a, 12b, 12c abweicht. Es kann dann eine Translations- und/oder Rotation in Richtung der Punktsensoren 11a, 11b, 11c, 12a, 12b, 12c durchgeführt werden. Fällt das Lichtmuster auf die Punktsensoren 11a, 11b, 11c, 12a, 12b, 12c, ist dessen Ort der Ort des Lichteinfalls. Eine genaue Positionierung ist also erreicht, wenn das kreuzförmige Lichtmuster alle Punktsensoren 11a, 11b, 11c, 12a, 12b, 12c ausleuchtet.
6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Lichtsensoreinheit, die zwei Matrixsensoren 13 und 14 aufweist. Die beiden Matrixsensoren 13 und 14 sind in einem Winkel um einen vorgegebenen Ort angeordnet, der gleich einem Winkel ist, in dem sich die zwei Geraden des kreuzförmigen Lichtmusters 4 kreuzen. Der Winkel wird dabei um den Kreuzungspunkt 5 bestimmt. Allgemein gesprochen können die Matrixsensoren matrixförmig angeordnete Pixel aufweisen. Die Pixel können dabei in Zeilen und Spalten angeordnet sein. Die beiden Matrixsensoren 13 und 14 können dann so zueinander angeordnet sein, dass sich Verlängerungen der Spalten oder Zeilen im rechten Winkel in einem Punkt schneiden, der im ausgerichteten Zustand dem Schnittpunkt 5 des Lichtmusters 4 entspricht.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Positionierungsvorrichtung mit einer Lichtsensoreinheit 6 und einer Handhabungsvorrichtung 16. Die Lichtsensoreinheit 6 ist im gezeigten Beispiel wie in 2 ausgestaltet. Die Handhabungsvorrichtung weist zwei übereinander angeordnete Kreuztische 16 und 17 auf. Jeder der Kreuzische 16 und 17 weist zwei Schenkel 16a, 16b bzw. 17a, 17b auf. Jeweils ein Schenkel des oberen Kreuztisches 16 und des unteren Kreuztisches 17 sind zueinander parallel übereinander angeordnet. Der obere Kreuztisch 16 weist zwei Motoren 16c und 16d auf, mit denen ein Drehgelenk 16e in Richtung der beiden Schenkel 16a und 16b bewegbar ist. Entsprechend weist der untere Kreuztisch zwei Motoren 17c und 17d auf, mit denen ein weiteres Drehgelenk 17e in Richtung der beiden Schenkel 17a und 17b bewegbar ist. Die beiden Drehgelenke 16e und 17e sind im gezeigten Beispiel übereinander angeordnet und unabhängig voneinander bewegbar. Eine Nadel 18 als zu positionierendes Instrument wird durch die beiden Drehgelenke 16e und 17e getragen. Durch die Motoren 16c, 16d, 17c, 17d ist die Nadel positionierbar und orientierbar. Vorteilhafterweise kann die Handhabungsvorrichtung 16 an einem Roboter angeordnet sein, mit dem sie bewegbar ist.
8 zeigt eine Anordnung, in dem die erfindungsgemäße Positionierungsvorrichtung zum Einsatz kommen kann. Ein Patient 20 wird mittels eines Laserprojektors 1 mit einem Lichtmuster beschienen. Der Lichtmusterprojektor 1 kann beispielsweise an einem bildgebenden System 22, beispielsweise einem C-Bogen, angeordnet sein. Im Strahlengang 2 des Laserprojektors 1 wird mittels eines Roboters 21 als Handhabungsvorrichtung die Lichtsensoreinheit 6 angeordnet. Die Lichtsensoreinheit ist im gezeigten Beispiel fest mit dem Instrument verbunden, hier der Nadel 18. Dadurch ist die Nadel mittels des Roboters 21 aufgrund des Messergebnisses der Lichtsensoreinheit 6 zum gewünschten Ansatzort bewegbar und/oder in einer gewünschten Orientierung orientierbar.

Claims

Positionierungsvorrichtung zur Positionierung und/oder Orientierung eines Instrumentes (18) an einem Objekt (3), aufweisend zumindest eine Lichtsensoreinheit (6), die in einem Strahlengang eines Lichtmusterprojektors (1), mit welchem das Lichtmuster (4)auf das Objekt (3) projizierbar ist, anordenbar ist, und die so eingerichtet ist, dass mit einem Messergebnis der Lichtsensoreinheit (6) eine Position und/oder eine Orientierung des Lichtmusters (4) bestimmbar ist, weiter aufweisend eine Handhabungsvorrichtung (16), an der das Instrument (18) befestigbar ist und mit welcher anhand der aus dem Messergebnis der Lichtsensoreinheit (6) bestimmten Position und/oder Orientierung das Instrument (18) zu einem vorgegebenen Ort bewegbar und/oder in eine vorgegebene Orientierung orientierbar ist, wobei die Lichtsensoreinheit (6) eine erste Gruppe von drei länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) und eine zweite Gruppe von drei länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) aufweist, wobei mit den länglichen Sensoren jeweils ein Ort eines Lichteinfalls auf den länglichen Sensor in Richtung der Längsrichtung des länglichen Sensors lokalisierbar ist, wobei die länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) der ersten Gruppe mit ihren Längsrichtungen parallel zueinander angeordnet sind und in Richtung senkrecht zu ihren Längsrichtungen nebeneinander angeordnet sind, wobei die Längsrichtungen der drei länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) der ersten Gruppe nicht alle in der gleichen Ebene verlaufen, wobei die länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) der zweiten Gruppe mit ihren Längsrichtungen parallel zueinander angeordnet sind und in Richtung senkrecht zu ihren Längsrichtungen nebeneinander angeordnet sind, wobei die Längsrichtungen der drei länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) der zweiten Gruppe nicht alle in der gleichen Ebene verlaufen, wobei die Längsrichtungen der länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) der ersten Gruppe in einem Winkel von größer als Null Grad und kleiner als 180 Grad, zu den Längsrichtungen der länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) der zweiten Gruppe stehen.
Positionierungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Lichtmuster ein Kreuz ist.
Positionierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Längsrichtungen der länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) der ersten Gruppe in einem Winkel von 90 Grad, zu den Längsrichtungen der länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) der zweiten Gruppe stehen.
Positionierungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c) eindimensionale Sensoren sind, mit denen jeweils ein Ort des Lichteinfalls in genau einer Richtung bestimmbar ist, wobei diese Richtung die Längsrichtung des entsprechenden länglichen Sensors (7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c) ist.
Positionierungsvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c) Zeilensensoren sind.
Positionierungsvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c) jeweils einen Zeilensensor aufweisen, der jeweils in Richtung der Längsrichtung des entsprechenden länglichen Sensors zwischen zwei unmittelbar angrenzenden, sich in der entsprechenden Längsrichtung länglich erstreckenden, Flächensensoren angeordnet ist.
Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jeweils zwischen einem der länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c) der ersten Gruppe und einem der länglichen Sensoren (8a, 8b, 8c) der zweiten Gruppe ein diese beiden länglichen Sensoren verbindender länglicher Flächensensor (10ab, 10bb, 10cb) angeordnet ist.
Positionierungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die jeweils zwei der länglichen Sensoren (7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c) verbindenden längliche Flächensensoren (10ab, 10bb, 10cb) entlang ihrer Längsrichtung zumindest bereichsweise in Form eines Kreissegmentes verlaufen.
Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die länglichen Sensoren jeweils einen zwischen zwei länglich ausgebildeten und in ihrer Längsrichtung hintereinander angeordneten Flächensensoren angeordneten Punktsensor (11a, 11b, 11c, 12a, 12b, 12c) aufweisen.
Positionierungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der vorgegebene Ort auf einer Schnittgeraden jener Ebene, in der die Punktsensoren (11a, 11b, 11c) der ersten Gruppe angeordnet sind, mit jener Ebene, in der die Punktsensoren (12a, 12b, 12c) der zweiten Gruppe angeordnet sind, liegt.
Positionierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtmuster (4) ein aus zwei geraden Linien zusammengesetztes Kreuz ist, und wobei die Lichtsensoreinheit (6) zwei Matrixsensoren (13, 14) aufweist, die in einem Winkel zueinander um einen vorgegebenen Ort stehen, der gleich einem Winkel ist, in dem die zwei Geraden Linien des Kreuzes zueinander stehen, wobei vorzugsweise die zwei geraden Linien senkrecht aufeinander stehen und die zwei Matrixsensoren (13, 14) einen rechten Winkel um den vorgegebenen Ort einschließen.
Positionierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Handhabungsvorrichtung (16) zumindest einen Kreuztisch (16) mit zwei senkrecht zueinander stehenden Positionierungsarmen (16a, 16b) aufweist, mit denen zumindest ein Gelenk (16e) in zwei zueinander senkrechten Richtungen positionierbar ist, wobei an dem Gelenk das Instrument (18) anordenbar ist.
Positionierungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Handhabungsvorrichtung (16) zwei der Kreuztische (16, 17) aufweist, deren Positionierungsarme (16a, 16b, 17a, 17b) jeweils parallel zueinander übereinander angeordnet sind, wobei mit jedem der Positionierungsarme (16a, 16b, 17a, 17b) jeweils ein Gelenk (16e, 17e) in den zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen positionierbar ist, wobei das Instrument (18) an den beiden Gelenken (16e, 17e) anordenbar ist.
Positionierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtsensoreinheit zumindest einen Filter aufweist, mit welchem andere Wellenlängen als jene der Lichtmusters absorbierbar sind.
Positionierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Handhabungsvorrichtung (16) einen Manipulatorarm (21) und/oder einen Roboterarm (21) aufweist, der zumindest zwei translatorische Freiheitsgrade zur Positionierung des Instrumentes (18) und/oder zumindest zwei rotatorische Freiheitsgrade zum Kippen des Instrumentes (18) um unterschiedliche Raumachsen hat, wobei das Instrument an dem Manipulatorarm (21) oder dem Roboterarm (21) befestigbar ist.
Positionierungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Instrument (18) in einer festen Position in Bezug auf die Lichtsensoreinheit (6) anordenbar ist, und das Instrument (18) zusammen mit der Lichtsensoreinheit (6) bewegbar ist.
Positionierungssystem zur Positionierung eines Instruments an einem Objekt, aufweisend einen Lichtmusterprojektor, mit dem ein Lichtmuster (4) auf das Objekt (3) projizierbar ist, weiter aufweisend eine Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Lichtsensoreinheit (6) im Strahlengang des Lichtmusterprojektors angeordnet ist.
Verfahren zur Positionierung eines Instruments an einem Objekt, wobei eine Position und/oder Orientierung eines auf das Objekt (3) projizierten Lichtmusters (4) aus einem Messergebnis einer Lichtsensoreinheit (6) bestimmt wird, und mit einer Handhabungsvorrichtung (16), an der das Instrument (18) befestigt ist, anhand der aus dem Messergebnis der Lichtsensoreinheit (6) bestimmten Position und/oder Orientierung das Instrument (18) zu einem vorgegebenen Ort bewegt wird, wobei das Verfahren mit einer Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder einem Positionierungssystem nach Anspruch 17 ausgeführt wird.