DE102021202951A1

DE102021202951A1 - Medizinisches Gerät zur Ermittlung der räumlichen Lage eines flächig ausgebildeten Markers

Info

Publication number: DE102021202951A1
Application number: DE102021202951.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Voigt; Nils Haverkamp
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2022-09-29
Also published as: US20220304754A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Gerät zur Ermittlung der räumlichen Lage eines flächig ausgebildeten Markers (1). Das erfindungsgemäße medizinische Gerät weist eine Beleuchtungseinrichtung (7) zur Beleuchtung des Markers (1), einen Detektor (2) zur Detektion von Licht, das vom Marker (1) zum Detektor (2) gelenkt wird und eine Auswerteeinrichtung (6) zur Ermittlung der Richtung einer Verkippung des Markers (1) aus einer Analyse eines ersten Werts, der vom Detektor (2) detektiert wird, während der Marker (1) aus einer ersten Richtung beleuchtet wird und eines zweiten Werts, der vom Detektor (2) detektiert wird, während der Marker (1) aus einer zweiten Richtung beleuchtet wird, auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Gerät zur Ermittlung der räumlichen Lage eines flächig ausgebildeten Markers im Rahmen einer medizinischen Untersuchung oder eines medizinischen Eingriffs. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System aus einem flächig ausgebildeten Marker und einem derartigen medizinischen Gerät sowie ein Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Lage eines Markers.
Im Rahmen einer medizinischen Untersuchung oder eines medizinischen Eingriffs kann es hilfreich oder sogar erforderlich sein, die räumliche Lage eines Objekts, also die Position und Orientierung des Objekts, zu ermitteln. Die ermittelten Lageinformationen können beispielsweise in die Steuerung robotischer Stative für bildgebende Geräte einfließen, für die eine Kenntnis der räumlichen Lage des Patienten relativ zur Bildsensorik des Geräts benötigt wird. Auch im Bereich der Chirurgie besteht ein wachsender Bedarf an Geräten zur Erfassung der räumlichen Lage eines Objekts. Diese Geräte werden für die Durchführung und/oder für die Dokumentation von operativen Eingriffen eingesetzt. Eine derartige Anwendung ist beispielsweise das Tracking für die intraoperative Navigation.
In vielen Fällen werden zur Durchführung der Lagebestimmung Marker am Objekt angebracht, die von einem Erfassungsgerät detektiert werden können. Als Marker werden häufig kleine - Kugeln eingesetzt, die Licht im Infrarotbereich reflektieren. Da diese Kugeln jeweils lediglich Positionsinformationen und keine Winkelinformationen liefern, sind für eine vollständige Ermittlung der räumlichen Lage mehrere Kugeln erforderlich, die an unterschiedlichen Stellen des Objekts angebracht sind. Das treibt die Kosten in die Höhe und kann beispielsweise bei kleinen Objekten oder bei Objekten, bei denen aus anderen Gründen kein Platz für derart ausgebildete Marker vorhanden ist, zu Problemen führen. Außerdem erfordert die Detektion derartig ausgebildeter Marker einen vergleichsweise hohen apparativen Aufwand.
Es sind auch bereits Marker bekannt, die flächig ausgebildet sind und bei denen pro Objekt lediglich ein Marker für eine Durchführung der Lagebestimmung erforderlich ist. Der apparative Aufwand zur Detektion dieser flächig ausgebildeten Marker ist in der Regel geringer als für Marker, die als Kugeln ausgebildet sind. Allerdings haben Untersuchungen der Erfinder ergeben, dass bei der Verwendung flächig ausgebildeter Marker unter bestimmten Bedingungen Messartefakte auftreten können.
Wenn für die Detektion des flächig ausgebildeten Markers eine einzige Kamera verwendet wird und der Marker so verkippt ist, dass der Marker einen kleinen Winkel mit einer zur optischen Achse der Kamera senkrecht orientierten Ebene einschließt, können Schwierigkeiten bei der Bestimmung des Vorzeichens der Verkippung auftreten. Als eine Verkippung wird im Folgenden eine Orientierung angesehen, bei der der Marker nicht senkrecht zur optischen Achse der Kamera ausgerichtet ist. Es kann passieren, dass ein falsches Vorzeichen und somit eine Verkippung in eine falsche Richtung ermittelt wird. Bedingt durch das Rauschen der Messsignale kann es auch zu einem fortwährenden Springen zwischen einem positiven und einem negativen Vorzeichen beim ermittelten Kippwinkel kommen und damit zu einer abwechselnden Ermittlung einer Verkippung in eine Richtung und in die dazu entgegengesetzte Richtung. Etwaige Fehler bei der Bestimmung des Vorzeichens des Kippwinkels des Markers haben entsprechende Fehler bei der ermittelten Lage des Objekts, an dem der Marker angebracht ist, zur Folge.
Bei einer Lagebestimmung im Bereich der Medizin ist in der Regel aber nicht nur eine hohe Präzision, sondern auch eine geringe Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion von großer Bedeutung, um zu vermeiden, dass der Patient zu Schaden kommt. Eine Ermittlung einer falschen Kipprichtung eines Objekts kann fatale Folgen haben, sodass der Einsatz eines flächig ausgebildeten Markers im Rahmen einer medizinischen Untersuchung oder eines medizinischen Eingriffs, bei dem kleine Kippwinkel des Markers bezüglich einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der für die Detektion des Markers verwendeten Kamera auftreten können, riskant sein kann. Diese Problematik ist bei einem Einsatz von flächig genutzten Markern, die ansonsten eine Reihe von Vorteilen aufweisen, bei medizinischen Eingriffen und medizinischen Untersuchungen zu berücksichtigen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, im Rahmen einer medizinischen Untersuchung oder eines medizinischen Eingriffs eine zuverlässige Detektion der räumlichen Lage eines flächig ausgebildeten Markers zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen der Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße medizinische Gerät zur Ermittlung der räumlichen Lage eines flächig ausgebildeten Markers weist eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Markers und einen Detektor zur Detektion von Licht, das vom Marker zum Detektor gelenkt wird, auf. Weiterhin weist das erfindungsgemäße medizinische Gerät eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Richtung einer Verkippung des Markers auf. Die Ermittlung der Richtung der Verkippung erfolgt aus einer Analyse eines ersten Werts, der vom Detektor detektiert wird, während der Marker aus einer ersten Richtung beleuchtet wird und eines zweiten Werts, der vom Detektor detektiert wird, während der Marker aus einer zweiten Richtung beleuchtet wird.
Im Rahmen der Erfindung wird als eine Verkippung des Markers eine Orientierung angesehen, die nicht aus einem Schwenken des Markers um die optische Achse des Detektors resultiert, sodass eine Verkippung immer dann vorliegt, wenn der Marker nicht senkrecht zur optischen Achse des Detektors ausgerichtet ist. Insbesondere können der Winkel und die Richtung der Verkippung des Markers relativ zu einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Detektors ermittelt werden.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie im Rahmen einer medizinischen Untersuchung oder eines medizinischen Eingriffs eine zuverlässige Detektion der räumlichen Lage und insbesondere der Richtung der Verkippung eines flächig ausgebildeten Markers ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist, dass diese Ermittlung auch bei kleinen Kippwinkeln und für eine große Bandbreite an Detektoroptiken, insbesondere für einen großen Bereich an Brennweiten, zuverlässig gelingt. Die Detektoroptik kann demgemäß eine vergleichsweise große Brennweite aufweisen, die ihrerseits einen relativ kleinen Marker und/oder einen Detektor mit einem vergleichsweise geringen Auflösungsvermögen ermöglicht.
Weitere Vorteile bestehen darin, dass das erfindungsgemäße medizinische Gerät einfach aufgebaut, kompakt ausgebildet und kostengünstig zu realisieren ist. Außerdem ist das erfindungsgemäße medizinische Gerät problemlos in bestehende Produkte integrierbar.
Die Detektion des ersten Werts kann mit der Beleuchtung aus der ersten Richtung synchronisiert sein und/oder die Detektion des zweiten Werts kann mit der Beleuchtung aus der zweiten Richtung synchronisiert sein. Weiterhin kann die Detektion der beiden Werte bei einem vergleichbaren, vorzugsweise identischen Betrieb des Detektors erfolgen. Dadurch ist gewährleistet, dass die detektierten Werte repräsentativ für die verwendeten Lichtrichtungen sind und nicht durch sonstige Einflüsse verfälscht werden.
Die Analyse kann durch einen Vergleich des ersten und des zweiten Werts erfolgen. Beim ersten und zweiten Wert kann es sich jeweils um einen Wert für die Lichtintensität oder eine damit zusammenhängende Größe handeln. Abhängig vom Ergebnis der Analyse kann darauf geschlossen werden, ob der Marker stärker der ersten oder der zweiten Beleuchtungsrichtung zugewandt ist und dadurch die Richtung der Verkippung ermittelt werden. Insbesondere kann die Richtung der Verkippung daraus ermittelt werden, dass die Beleuchtungsrichtung, für die der größere Wert der Lichtintensität detektiert wurde, einen kleineren Winkel mit einer senkrecht zum Marker orientierten Normalen einschließt als die Beleuchtungsrichtung, für die der kleinere Wert der Lichtintensität detektiert wurde.
Die erste Richtung und die zweite Richtung, aus welchen der Marker beleuchtet wird, können abhängig von der räumlichen Orientierung einer Kippachse, um die der Marker verkippt ist, variiert werden. Insbesondere können die erste und die zweite Richtung so variiert werden, dass der Marker jeweils möglichst senkrecht zur Kippachse beleuchtet wird. Dies hat den Vorteil, dass der Unterschied zwischen den beiden detektierten Werten maximiert wird und dadurch der Vergleich der Werte ein besonders zuverlässiges Ergebnis liefert und demgemäß auch die Richtung der Verkippung mit hoher Zuverlässigkeit ermittelt werden kann.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung so ausgebildet sein, dass die Beleuchtung des Markers abhängig von der Position des Markers variiert wird. Beispielsweise kann die Intensität des von der Beleuchtungseinrichtung erzeugten Lichts global für beide Beleuchtungsrichtungen oder individuell für jede Beleuchtungsrichtung variiert werden. Insbesondere kann die Beleuchtung abhängig von der Entfernung der Beleuchtungseinrichtung vom Marker und/oder abhängig von der Entfernung zwischen Marker und Detektor variiert werden. Auf diese Weise kann sowohl eine ausreichende Ausleuchtung bei großen Entfernungen gewährleistet werden als auch eine Überbelichtung bei kleinen Entfernungen verhindert werden. Weiterhin kann die Beleuchtung abhängig von der lateralen Verschiebung des Markers zur optischen Achse des Detektors variiert werden. Dadurch kann eine potentiell mit der Verschiebung einhergehende unterschiedliche Ausleuchtung des Markers für die beiden Beleuchtungsrichtungen kompensiert werden und somit die Zuverlässigkeit der Ermittlung der Richtung der Verkippung erhöht werden.
Außerdem kann die Beleuchtungseinrichtung den Marker mit Licht einer anderen Wellenlänge als das Umgebungslicht in der für das erfindungsgemäße medizinische Gerät vorgesehenen Betriebsumgebung beleuchten. Dies hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße medizinische Gerät weniger störanfällig für Einflüsse des Umgebungslichts ist. Insbesondere kann eine Wellenlänge im Infrarotbereich vorgesehen sein.
Die Beleuchtungseinrichtung kann mehrere Lichtquellen aufweisen und die Beleuchtung aus der ersten Richtung kann durch eine erste Untermenge von Lichtquellen und die Beleuchtung aus der zweiten Richtung durch eine zweite Untermenge von Lichtquellen realisiert sein. Die erste Untermenge von Lichtquellen und die zweite Untermenge von Lichtquellen können an verschiedenen Positionen angeordnet sein. Dies ermöglicht mit vergleichsweise geringem Aufwand eine Realisierung der Beleuchtung aus unterschiedlichen Richtungen.
Die Lichtquellen können innerhalb eines Raumwinkelbereichs, der für die Beleuchtung des Markers vorgesehen ist, wenigstens paarweise eine identische Abstrahlcharakteristik aufweisen. Das trägt dazu bei, dass die Beleuchtung des Markers aus der ersten und der zweiten Richtung unter gleichen Bedingungen erfolgt und wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit der Ermittlung der Richtung der Verkippung aus.
Eine derartige Abstrahlcharakteristik kann bereits im Rahmen der Fertigung der Lichtquellen ausgebildet werden. Abhängig von der Langzeitstabilität kann das späteren Kalibrieraufwand ersparen. Ebenso ist es möglich, dass die Lichtquellen wenigstens paarweise kalibriert sind. Insbesondere kann beim erfindungsgemäßen medizinischen Gerät ein Kalibriermodus vorgesehen sein, bei dem in einer Orientierung des Markers senkrecht zur optischen Achse die Lichtquellen wenigstens paarweise kalibriert werden, sodass die Kalibrierung nach Bedarf erfolgen kann. Auf diese Weise kann über die gesamte Lebensdauer des erfindungsgemäßen medizinischen Geräts eine identische Abstrahlung erzielt werden. Beispielsweise kann im Kalibriermodus vorgesehen werden, für wenigstens zwei Lichtquellen je einen Wert für das vom Marker zum Detektor gelenkte Licht zu detektieren und die Helligkeit wenigstens einer dieser Lichtquellen so zu einzustellen, dass die detektierten Werte gleich sind.
Die Lichtquellen können innerhalb des Raumwinkelbereichs, der für die Beleuchtung des Markers vorgesehen ist, eine isotrope Abstrahlcharakteristik aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Beleuchtung des Markers hauptsächlich vom Abstand zur Lichtquelle und weniger stark von der relativen Positionierung abhängt.
Zur Umschaltung zwischen der Beleuchtung aus der ersten Richtung und der Beleuchtung aus der zweiten Richtung können die erste Untermenge von Lichtquellen und die zweite Untermenge von Lichtquellen komplementär zueinander ein- und ausgeschaltet werden. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand die Beleuchtung des Markers aus verschiedenen Richtungen unter jeweils vergleichbaren Bedingungen erreicht werden.
Bei einer Abwandlung können sämtliche Lichtquellen dauerhaft eingeschaltet sein und zur Beleuchtung aus der ersten Richtung kann der Lichtweg der zweiten Untermenge von Lichtquellen geblockt und zur Beleuchtung aus der zweiten Richtung kann der Lichtweg der ersten Untermenge von Lichtquellen geblockt werden. Abhängig von der Ausbildung der Lichtquellen können mit dieser Abwandlung eine höhere Lebensdauer und/oder gleichmäßigere Beleuchtungsverhältnisse für die beiden Richtungen erreicht werden, da schaltungsbedingte Instabilitäten vermieden werden.
Ebenso ist es auch möglich, dass die erste Untermenge von Lichtquellen Licht einer ersten Wellenlänge abstrahlt und die zweite Untermenge von Lichtquellen Licht einer zweiten Wellenlänge abstrahlt. Der erste Wert kann durch Detektion von Licht der ersten Wellenlänge und der zweite Wert durch Detektion von Licht der zweiten Wellenlänge detektierbar sein. Auch bei dieser Variante können schaltungsbedingte Nachteile vermieden werden. Im Prinzip ist es sogar möglich, statt der zeitsequentiellen Detektion bei anderen Varianten eine gleichzeitige Detektion beider Beleuchtungsrichtungen durchzuführen, falls der Detektor zwischen den Wellenlängen unterscheiden kann.
Bei einer weiteren Variante weist die Beleuchtung eine bewegliche Lichtquelle auf. Bei dieser Variante wird die Lichtquelle zur Beleuchtung aus der ersten Richtung in eine erste Position gebracht und zur Beleuchtung aus der zweiten Richtung in eine zweite Position gebracht. Dies hat den Vorteil, dass eine für beide Beleuchtungsrichtungen identische Abstrahlcharakteristik ohne Zusatzaufwand erzielbar ist und insbesondere eine Kalibrierung entfallen kann.
Die Beleuchtungseinrichtung kann eine gerade Zahl von Lichtquellen aufweisen. Dadurch ist es möglich, die Lichtquellen gleichmäßig auf beide Beleuchtungsrichtungen aufzuteilen, sodass die Einhaltung vergleichbarer Beleuchtungsbedingungen für beide Beleuchtungsrichtungen erleichtert wird.
Weiterhin kann die Beleuchtungseinrichtung mehr als zwei Lichtquellen aufweisen. Dadurch besteht unabhängig von der Orientierung der Kippachse des Markers die Möglichkeit, zu vermeiden, dass das Licht für die beiden Beleuchtungsrichtungen unter einem ähnlichen Einfallswinkel auf den Marker trifft und demgemäß zu ähnlichen detektierten Werten führt. Außerdem besteht die Chance, den Marker jeweils möglichst senkrecht zur Kippachse zu beleuchten und infolge der damit einhergehenden maximierten Unterschiede im Einfallswinkel große Unterschiede bei den detektierten Werten zu erzielen. Dies führt wiederum zu einer hohen Zuverlässigkeit bei der Ermittlung der Richtung der Verkippung.
Die Lichtquellen können auf einem Kreis konzentrisch zur optischen Achse des Detektors angeordnet sein. Insbesondere können die Lichtquellen äquidistant zueinander angeordnet sein. Dies unterstützt die Schaffung vergleichbarer Bedingungen für die Beleuchtung des Markers aus beiden Richtungen und erhöht somit die Zuverlässigkeit bei der Ermittlung der Richtung der Verkippung.
Der Detektor kann als eine Kamera ausgebildet sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße medizinische Gerät genau einen als eine Kamera ausgebildeten Detektor aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass der apparative Aufwand sehr gering ausfällt. Außerdem ist die Kamera in der Regel ohnehin für die herkömmliche Lagebestimmung vorhanden, sodass für die Bestimmung der Richtung der Verkippung keine weitere Kamera oder ein sonstiger Detektor benötigt wird. Die Kamera kann eine Vielzahl von Pixeln aufweisen und der erste Wert und der zweite Wert können jeweils durch eine Mittelung der Signale mehrerer Pixel oder ein Aufsummieren der Signale mehrerer Pixel ermittelt werden. Dies hat den Vorteil einer hohen Auflösung und einer hohen Empfindlichkeit. Die Auswerteeinrichtung kann in den Detektor integriert sein. Das ermöglicht einen kompakten Aufbau.
Das medizinische Gerät kann als ein Operationsmikroskop ausgebildet sein.
Die Erfindung betriff weiterhin ein System aus einem flächig ausgebildeten Marker und dem erfindungsgemäßen medizinischen Gerät.
Der Marker kann aus einem bahnförmigen Material hergestellt sein. Das ermöglich eine effiziente und kostengünstige Herstellung, insbesondere auch sehr flacher Marker. Weiterhin kann der Marker einen Träger aufweisen. Insbesondere kann der Marker als ein Label oder als ein Etikett ausgebildet sein.
Der Marker kann ein geometrisches Muster aufweisen. Das Muster kann so ausgebildet sein, dass die Lagebestimmung mit hoher Präzision möglich ist. In dem Muster können auch Informationen des Objekts kodiert sein, an das der Marker angebracht ist. Das Muster kann beispielsweise als ein QR-Code ausgebildet sein. Das Muster kann auf einen Träger aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt, sein. Ebenso ist es auch möglich, dass das Muster für eine unmittelbare Aufbringung auf das Objekt, beispielsweise ein Aufdrucken, ausgebildet ist. Das erlaubt eine besonders flache und kostengünstige Ausbildung des Markers.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Lage eines Markers, insbesondere im Rahmen einer medizinischen Untersuchung oder eines medizinischen Eingriffs, wobei ein Detektor zur Detektion von Licht bereitgestellt wird, das vom Marker zum Detektor gelenkt wird, der Marker aus einer ersten Richtung beleuchtet wird und dabei vom Detektor ein erster Wert detektiert wird, der Marker aus einer zweiten Richtung beleuchtet wird und dabei vom Detektor ein zweiter Wert detektiert wird und aus dem ersten und zweiten Wert die Richtung einer Verkippung des Markers ermittelt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Systems während eines ersten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht,
2 zeigt das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während des ersten Betriebszustands in einer schematischen Aufsicht,
3 eine mögliche Ausgestaltung des Markers in Aufsicht,
4 ein vom Detektor detektiertes Bild des Markers gemäß 3,
5 ein weiteres vom Detektor detektiertes Bild des Markers gemäß 3,
6 das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines zweiten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht,
7 das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines dritten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht,
8 das erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während der Kalibrierung der Lichtquellen in einer schematischen Seitenansicht,
9 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines ersten Betriebszustands in einer schematischen Aufsicht,
10 das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines zweiten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht und
11 das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines dritten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Systems während eines ersten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht. Eine zugehörige schematische Aufsicht ist in 2 dargestellt.
Das System weist einen flächig ausgebildeten Marker 1 auf, der an ein Objekt angebracht werden kann, dessen räumliche Lage im Rahmen einer medizinischen Untersuchung oder eines medizinischen Eingriffs von Interesse ist. Unter der räumlichen Lage werden die räumliche Position und Orientierung verstanden. Die räumliche Lage kann durch eine Kombination aus drei Ortskoordinaten und drei Winkelkoordinaten repräsentiert werden. Da der Marker 1 fest am Objekt angebracht wird, kann die räumliche Lage des Objekts aus der räumlichen Lage des Markers 1 ermittelt werden.
Das System weist weiterhin einen Detektor 2 auf, der beispielsweise als eine Kamera ausgebildet ist und über eine optische Achse 3 verfügt. Der Detektor 2 ist in Sichtverbindung zum Marker 1 angeordnet, sodass Licht vom Marker 1 zum Detektor 2 gelangen kann. Der Marker 1 ist relativ zum Detektor 2 bezüglich einer Kippachse 4 verkippt. Eine Verkippung liegt immer dann vor, wenn der Marker 1 nicht parallel zu einer Ebene 5 orientiert ist, die senkrecht zur optischen Achse 3 aufgespannt ist. Ein Winkel a zwischen dem Marker 1 und der Ebene 5 gibt die Größe der Verkippung an.
Als weitere Komponenten sind eine Auswerteeinrichtung 6 und eine Beleuchtungseinrichtung 7, die zwei Lichtquellen 8 aufweist, vorgesehen. Die Auswerteeinrichtung 6 kann wie in 1 dargestellt in den Detektor 2 integriert sein. Alternativ dazu kann die Auswerteeinrichtung 6 auch als eine separate Komponente ausgebildet sein. Die Lichtquellen 8 sind in gleichen Abständen zur optischen Achse 3 des Detektors 2 einander diametral gegenüberstehend angeordnet und beleuchten den Marker 1. Die Auswerteeinrichtung 6 kann die Lichtquellen 8 einzeln ansteuern und entweder in einen eingeschalteten oder einen ausgeschalteten Zustand versetzen. In der Darstellung der 1 sind beide Lichtquellen 8 eingeschaltet.
Die Ausgestaltung des Markers 1 wird anhand von 3 näher erläutert.
3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Markers 1 in Aufsicht.
Der in 3 dargestellte Marker 1 weist einen Träger 9 auf, auf den ein Muster 10 aufgebracht ist. Der Träger 9 kann insbesondere aus einem bahnförmigen Material hergestellt sein und beispielsweise als eine Kunststoff- oder Metallfolie, als ein Stück Papier oder Pappe usw. ausgebildet sein. Insbesondere kann der Träger 9 selbstklebend ausgebildet sein und eine Kleberschicht aufweisen, mit deren Hilfe der Marker 1 am Objekt befestigt werden kann.
Aus Gründen der Anschaulichkeit, insbesondere auch hinsichtlich der sich im Folgenden anschließenden Beschreibung der Vorgehensweise bei der Ermittlung der räumlichen Lage des Markers 1, wurde für die Darstellung der 3 eine Ausgestaltung gewählt, bei der das Muster 10 des Markers 1 als ein Quadrat mit vier gleich langen Seiten der Seitenlänge a ausgebildet ist. In der Regel wird der Marker 1 ein deutlich komplexeres Muster 10 aufweisen, das beispielsweise als ein QR-Code usw. ausgebildet sein kann. An der prinzipiellen Vorgehensweise bei der Ermittlung der räumlichen Lage ändert sich dadurch aber nichts.
Das Muster 10 kann auf den Träger 9 aufgedruckt oder auf sonstige Weise aufgebracht sein. Alternativ zu der in 3 dargestellten Ausgestaltung des Markers 1 ist es beispielsweise auch möglich, den Träger 9 wegzulassen und das Muster 10 auf das Objekt aufzudrucken oder auf sonstige Weise aufzubringen.
Zur Ermittlung der räumlichen Lage des Markers 1 und damit auch des Objekts, an dem der Marker 1 angebracht ist, kann folgendermaßen vorgegangen werden:

Zunächst wird im ersten Betriebszustand, in dem je nach Lichtverhältnissen sämtliche Lichtquellen 8 ausgeschaltet sind oder sämtliche Lichtquellen 8 eingeschaltet sind, von der Auswerteeinrichtung 6 durch Auswertung der vom Detektor 2 erfassten Bildinformation des Markers 1 die räumliche Lage des Markers 1 ermittelt.

Dabei basiert die Ermittlung von zwei der drei Ortkoordinaten des Markers 1 darauf, dass eine Veränderung der Position des Markers 1 relativ zum Detektor 2 senkrecht zur optischen Achse 3 des Detektors 2 zu einer Veränderung der Position des vom Detektor 2 detektierten Bilds des Musters 10 führt. Somit können von der Auswerteeinrichtung 6 aus der Position des vom Detektor 2 detektierten Bilds des Musters 10 zwei der drei Ortskoordinaten des Markers 1 ermittelt werden. Diese beiden Ortskoordinaten geben die Position des Markers 1 in der Ebene 5 an, die senkrecht zur optischen Achse 3 orientiert ist.
Die Ermittlung der dritten Ortskoordinate des Markers 1 basiert darauf, dass eine Positionsänderung des Markers 1 parallel zur optischen Achse 3 eine Änderung der Größe des detektierten Bilds des Musters 10 bewirkt, das heißt bei dem vom Detektor 2 detektierten Bild des Quadrats ändert sich die Seitenlänge abhängig von der Entfernung des Markers 1 vom Detektor 2. Diese Änderung ist aber für alle vier Seiten des Quadrats identisch, sodass alle Seiten weiterhin gleich lang sind und es sich bei dem vom Detektor 2 detektierten Bild weiterhin um ein Quadrat handelt. Aus der Seitenlänge dieses Quadrats kann die Auswerteeinrichtung 6 in Kenntnis der tatsächlichen Seitenlänge a des Musters 10 und der optischen Eigenschaften des Detektors 2 die Position des Markers 1 parallel zur optischen Achse 3 des Detektors 2 und somit die dritte Ortskoordinate des Markers 1 ermitteln.
Eine Drehung des Markers 1 um die optische Achse 3 des Detektors 2 äußert sich in einer entsprechenden Drehung des vom Detektor 2 detektierten Bilds, sodass aus der Winkelorientierung des Bilds von der Auswerteeinrichtung 6 die zugehörige Drehwinkelorientierung des Markers 1, welche der ersten der drei Winkelkoordinaten entspricht, ermittelt werden kann.
Die beiden anderen Winkelkoordinaten entsprechen Verkippungen des Markers 1 um je eine Kippachse 4, wobei die Kippachsen 4 zueinander und zur optischen Achse 3 senkrecht orientiert sind. Den folgenden Erläuterungen liegt eine Verkippung ausschließlich um die Kippachse 4 zugrunde, die in der Darstellung der 2 und 3 vertikal verläuft. Das vom Detektor 2 detektierte Bild des um die Kippachse 4 verkippten Markers 1 gemäß 3 ist in 4 dargestellt.
4 zeigt ein vom Detektor 2 detektiertes Bild des Markers 1 gemäß 3.
Der Marker 1 ist um die Kippachse 4 verkippt, die senkrecht zur optischen Achse 3 des Detektors 2 orientiert ist. In der Darstellung der 4 ist die Kippachse 4 vertikal orientiert und verläuft mittig durch das Muster 10. Durch die Verkippung des Markers 1 kommt es beim detektierten Bild zu einer perspektivischen Verzerrung des als Quadrat ausgebildeten Musters 10. Infolge dieser Verzerrung erscheint eine Seite des Quadrats, die parallel zur Kippachse 4 orientiert ist und durch die Verkippung in einer größeren Entfernung vom Detektor 2 angeordnet ist, im detektierten Bild gestaucht und weist in der Darstellung der 4 eine Seitenlänge b auf. Die dazu gegenüberliegende Seite ist durch die Verkippung in geringerer Entfernung zum Detektor 2 angeordnet und erscheint daher im aufgenommenen Bild gestreckt und weist in der Darstellung der 4 eine Seitenlänge c auf. Demgemäß sind die Seitenlängen b und c nicht identisch. Die Seitenlänge c ist größer als die Seitenlänge b.
Die Verkippung bewirkt außerdem, dass die genannten gegenüberliegenden Seiten im detektierten Bild in einem geringeren Abstand d voneinander angeordnet sind als dies im nicht verkippten Zustand des Markers 1 der Fall wäre. Insgesamt entsteht durch die perspektivische Verzerrung aus dem als Quadrat ausgebildeten Muster 10 im detektierten Bild ein Trapez. Aus der perspektivischen Verzerrung des Musters 10 lässt sich der Kippwinkel α ermitteln. Dabei ergibt sich der Betrag des Kippwinkels α aus dem Verhältnis des Abstands d zum Mittelwert der Seitenlängen b und c. Die Richtung der Verkippung ergibt sich durch einen Vergleich der Seitenlängen b und c. Anders als der aus dem detektierten Bild ermittelte Abstand d hängen die aus dem detektierten Bild ermittelte Seitenlängen b und c von den optischen Eigenschaften des Detektors 2 ab. Dies soll anhand von 5 erläutert werden.
5 zeigt ein weiteres vom Detektor 2 detektiertes Bild des Markers 1 gemäß 3.
Bei der Aufnahme dieses Bilds ist der Marker 1 in identischer Weise wie bei 4 verkippt. Allerdings weist der Detektor 2, mit dem das in 5 dargestellte Bild detektiert wurde, andere optische Eigenschaften auf als der für die Detektion des Bilds gemäß 4 verwendete Detektor 2. Insbesondere unterscheidet sich der bei 5 verwendete Detektor 2 dadurch, dass er eine wesentlich höhere Brennweite aufweist als der Detektor 2 gemäß 4. Das hat zur Folge, dass trotz identischer Verkippung des Markers 1 in 5 der Längenunterschied zwischen den Seitenlängen b und c sehr klein ausfällt und im Rahmen des Messrauschens eventuell nicht mehr erkennbar ist. Dies macht eine zuverlässige Ermittlung der Richtung der Verkippung schwierig. Ohne zusätzliche Maßnahmen kann es sogar dazu kommen, dass von der Auswerteeinrichtung 6 fortwährend eine alternierende Kipprichtung ermittelt wird. Aus diesem Grund werden im Rahmen der Erfindung weitere Maßnahmen vorgehalten, die eine zuverlässige Ermittlung der Kipprichtung ermöglichen. Diese Maßnahmen beinhalten, dass nach Durchführung der vorstehend beschriebenen Ermittlung des Betrags des Kippwinkels α die Lichtquellen 8 von der Auswerteeinrichtung 6 so angesteuert werden, dass die eine der Lichtquellen 8 eingeschaltet und die andere Lichtquelle 8 ausgeschaltet ist. Diese Situation ist in 6 dargestellt.
6 zeigt das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines zweiten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht.
Während des zweiten Betriebszustands werden die Lichtquellen 8 von der Auswerteeinrichtung 6 so angesteuert, dass die in 6 links dargestellte Lichtquelle 8 eingeschaltet ist und die in 6 rechts dargestellte Lichtquelle 8 ausgeschaltet ist. Der Marker 1 wird somit ausschließlich vom Licht der in 6 links dargestellten eingeschalteten Lichtquelle 8 beleuchtet, das aus einer ersten Richtung, genauer gesagt aus einem ersten Bereich von Richtungen, auf den Marker 1 trifft. Der Detektor 2 detektiert die Intensität des vom Marker 1 auf den Detektor 2 gelenkten Lichts der eingeschalteten Lichtquelle 8. Hierzu kann der Detektor 2 wie bereits beim ersten Betriebszustand beschrieben als eine Kamera ausgebildet sein, da eine Kamera in der Regel nicht nur in der Lage ist ein Bild zu detektieren, sondern auch die Intensität des Lichts, welches dieses Bild erzeugt, messen kann. Eine besonders hohe Auflösung kann dabei dadurch erreicht werden, dass über sämtliche Pixel der Kamera gemittelt wird oder die Signale sämtlicher Pixel aufsummiert werden. Der ermittelte Intensitätswert wird der Auswerteeinrichtung 6 für die weitere Analyse zur Verfügung gestellt, das heißt der Detektor 2 führt der Auswerteeinrichtung 6 ein von der detektierten Intensität abhängiges Signal zu.
Anstelle der vorstehend beschriebenen direkten Detektion der Intensität kann die Intensität oder eine mit der Intensität zusammenhängende Größe auch auf indirektem Weg ermittelt werden. Beispielsweise kann die auf den Detektor 2 auftreffende Licht-Intensität solange aufsummiert werden, bis ein vorgegebener Wert erreicht ist und die bis zum Erreichen dieses Werts verstrichene Zeit als ein Maß für die Intensität des Lichts verwendet und der Auswerteeinrichtung 6 zur Verfügung gestellt werden.
Im Anschluss an die direkte oder indirekte Ermittlung der Intensität wird eine weitere Messung in einem dritten Betriebszustand durchgeführt.
7 zeigt das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines dritten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht.
Während des dritten Betriebszustands werden die Lichtquellen 8 von der Auswerteeinrichtung 6 so angesteuert, dass die in 7 rechts dargestellte Lichtquelle 8 eingeschaltet ist und die in 7 links dargestellte Lichtquelle 8 ausgeschaltet ist. Der Marker 1 wird somit ausschließlich vom Licht der in 7 rechts dargestellten eingeschalteten Lichtquelle 8 beleuchtet, das aus einer zweiten Richtung, genauer gesagt aus einem zweiten Bereich von Richtungen, auf den Marker 1 trifft. Der Detektor 2 detektiert die Intensität des vom Marker 1 auf den Detektor 2 gelenkten Lichts der eingeschalteten Lichtquelle 8 und stellt den ermittelten Intensitätswert der Auswerteeinrichtung 6 für die weitere Analyse zur Verfügung, das heißt der Detektor 2 führt der Auswerteeinrichtung 6 ein von der detektierten Intensität abhängiges Signal zu. Alternativ dazu kann sie Intensität oder eine damit zusammenhängende Größe auch auf indirektem Weg ermittelt werden und ein entsprechendes Signal der Auswerteeinrichtung 6 zugeführt werden.
Insgesamt ist die Detektion der Lichtintensität durch den Detektor 2 mit der Steuerung der Lichtquellen 8, also mit dem Einschalten und dem Ausschalten der Lichtquellen 8, synchronisiert, sodass jeweils das Licht der gewünschten Lichtquelle 8 detektiert wird.
Die Auswerteeinrichtung 6 analysiert die während des zweiten und während des dritten Betriebszustands detektierten Intensitätswerte. Beispielsweise erfolgt die Analyse durch einen Vergleich der Intensitätswerte. In der Regel ist der Marker 1 zu der Lichtquelle 8 hin verkippt, die während der Detektion des größeren der beiden Intensitätswerte eingeschaltet war. In den 6 und 7 ist der Marker 1 jeweils zu der links dargestellten Lichtquelle 8 hin verkippt. Beim Einschalten dieser Lichtquelle 8, zu welcher der Marker 1 hin verkippt ist, wird vom Marker 1 wegen der günstigeren Geometrie ein größerer Anteil des Lichts zum Detektor 2 gelenkt als beim Einschalten der gegenüberliegenden Lichtquelle 8, die in den 6 und 7 jeweils rechts dargestellt ist. Demgemäß ist beim ersten Ausführungsbeispiel zu erwarten, dass während des in 6 dargestellten zweiten Betriebszustands eine höhere Intensität detektiert wird als während des in 7 dargestellten dritten Betriebszustands, da beim ersten Ausführungsbeispiel der Marker 1 zu der in 6 und 7 links dargestellten Lichtquelle 8 hin verkippt ist, die während des zweiten Betriebszustands eingeschaltet ist. Somit ergibt sich aus der Analyse der Intensitätswerte die Richtung der Verkippung. Ein Springen des Ergebnisses zwischen entgegengesetzten Richtungen erfolgt nicht. Allerdings liefert die Analyse der Intensitätswerte keine quantitativen Ergebnisse bezüglich des Kippwinkels α. Der Kippwinkel α wird daher in der bereits beschriebenen Weise betragsmäßig bestimmt und erhält nach der Analyse der Intensitätswerte sein Vorzeichen.
Da das Vorzeichen des Kippwinkels α nicht aus der perspektivischen Verzerrung, sondern aus einer Auswertung der detektierten Intensität bei verschiedenen Beleuchtungsrichtungen ermittelt wird, muss bei den optischen Eigenschaften des Detektors 2 nicht auf eine möglichst große perspektivische Verzerrung geachtet werden. Stattdessen können andere Kriterien berücksichtigt werden, wie beispielsweise der Wunsch nach einer großen Brennweite, um insbesondere bei einem weit entfernten Marker 1 eine hohe Genauigkeit zu erzielen. Dadurch ist es möglich, einen kleinen Marker 1 einzusetzen und/oder die Auflösungsanforderungen an den Detektor 2 zu relaxieren.
Um die Störanfälligkeit des erfindungsgemäßen Systems gegen Schwankungen des Umgebungslichts zu verringern, besteht die Möglichkeit, Lichtquellen 8 einzusetzen, die Licht einer Wellenlänge emittieren, die von der Wellenlänge des Umgebungslichts abweicht und einen Detektor 2 einzusetzen, der für die Wellenlänge der Lichtquellen 8, nicht aber für die Wellenlänge des Umgebungslichts empfindlich ist. Diese Wellenlänge kann beispielsweise im Infrarot-Bereich liegen. Sowohl bei der Erzeugung als auch bei der Detektion von Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs können Filter eingesetzt werden
Da die Ermittlung der Richtung der Verkippung des Markers 1 auf einem Vergleich der Intensität des Lichts verschiedener Lichtquellen 8 beruht, das durch den Marker 1 auf den Detektor 2 gelenkt wird, ist es wichtig, dass die Lichtquellen 8 den Marker 1 mit Licht gleicher Intensität beleuchten und dass die Detektion der Intensität auch sonst unter identischen Bedingungen erfolgt. Beispielsweise sind bei der Detektion der Intensität gleiche Belichtungszeiten zu verwenden. Etwaige Autokorrekturmechanismen sind zu deaktivieren. Außerdem ist die Steuerung der Lichtquellen 8 präzise mit der Detektion des vom Marker 1 auf den Detektor 2 gelenkten Lichts zu synchronisieren.
Eine identische Beleuchtung des Markers 1 mit beiden Lichtquellen 8 kann durch folgende Maßnahmen erreicht werden:

Es können identische Lichtquellen 8 mit geringen Toleranzen und guter Langzeitstabilität verwendet werden. Dadurch kann während des Betriebs des erfindungsgemäßen Systems ohne Zusatzaufwand eine identische Beleuchtung des Markers 1 mit beiden Lichtquellen 8 erreicht werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, im Rahmen der Herstellung des erfindungsgemäßen Systems ab Werk eine Kalibrierung der Lichtquellen 8 vorzunehmen. Zusätzlich oder alternativ kann eine solche Kalibrierung vor jeder Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Systems durchgeführt werden. Diese Kalibrierung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, beispielsweise durch Ermittlung der Helligkeit der Lichtquellen 8 und Einjustieren auf einen für alle Lichtquellen 8 identischen Wert. Hierzu ist es insbesondere möglich, das Licht der Lichtquellen 8 mittels einer Fläche zum Detektor 2 zu lenken und die Helligkeit wenigstens einer Lichtquelle 8 so einzustellen, dass der Detektor 2 beim abwechselnden Einschalten der Lichtquellen 8 die gleiche Intensität detektiert. Bei dieser Kalibrierung ist es wichtig, dass das Licht der Lichtquellen 8 unter dem gleichen Winkel auf die Fläche trifft.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, während des Betriebs des erfindungsgemäßen Systems eine Kalibrierung der Lichtquellen 8 vorzunehmen. Dies wird anhand von 8 erläutert.
8 zeigt das erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während der Kalibrierung der Lichtquellen 8 in einer schematischen Seitenansicht.
Wie aus 8 ersichtlich wird der Marker 1 mittig zur optischen Achse 3 des Detektors 2 angeordnet und so orientiert, dass er senkrecht zur optischen Achse 3 des Detektors 2 orientiert ist beziehungsweise parallel zur Ebene 5. Mit anderen Worten, der Marker 1 ist nicht verkippt. Von der Genauigkeit der Positionierung und der Orientierung des Markers 1 hängt die Genauigkeit der Kalibrierung ab. Dann wird zunächst eine der beiden Lichtquellen 8 in Betrieb genommen, beispielsweise die in 8 links dargestellte Lichtquelle 8 und mit Hilfe des Detektors 2 die Intensität des Lichts detektiert, das vom Marker 1 zum Detektor 2 gelenkt wird. Anschließend wird die eingeschaltete Lichtquelle 8 wieder ausgeschaltet und dafür die andere Lichtquelle 8 in Betrieb genommen, beispielsweise die in 8 rechts dargestellte Lichtquelle 8 und mit Hilfe des Detektors 2 abermals die Intensität des Lichts detektiert, das vom Marker 1 zum Detektor 2 gelenkt wird. Dieser Intensitätswert wird mit dem zuerst ermittelten Intensitätswert verglichen und die Helligkeit der eingeschalteten Lichtquelle 8 wird solange bei fortwährender Detektion der Intensität variiert, bis der aktuelle Intensitätswert mit dem zuerst ermittelten Intensitätswert übereinstimmt. Damit ist die Kalibrierung abgeschlossen. Die so eingestellte Helligkeit wird für die nachfolgende Ermittlung der räumlichen Lage des Markers 1 beibehalten. Hierzu muss gewährleistet sein, dass nach einem Ausschalten und einem darauffolgenden Einschalten wieder die in der Kalibrierung eingestellte Helligkeit der Lichtquelle 8 erreicht wird.
Beim ersten Ausführungsbeispiel ist die Kippachse 4 des Markers 1 senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den beiden Lichtquellen 8 orientiert. Dadurch ergibt sich für eine gegebene Verkippung des Markers 1 der maximale Unterschied zwischen den Auftreffwinkeln des Lichts der beiden Lichtquellen 8 auf den Marker 1 und somit der maximale Unterschied in der für beide Lichtquellen 8 detektierten Intensität. Abhängig von der Art der medizinischen Untersuchung oder des medizinischen Eingriffs kann der dabei verwendete Marker 1 jedoch sehr verschiedene räumliche Lagen einnehmen, sodass der Unterschied zwischen den Auftreffwinkeln des Lichts der beiden Lichtquellen 8 auf den Marker 1 und somit der Unterschied in der für beide Lichtquellen 8 detektierten Intensität sehr gering ausfallen kann. Falls die Kippachse 4 des Markers 1 zufällig parallel zur Verbindungslinie zwischen den beiden Lichtquellen 8 orientiert ist, kann der Unterschied zwischen den Auftreffwinkeln sogar völlig entfallen, sodass auch kein Intensitätsunterschied mehr feststellbar ist und daher keine Aussage bezüglich der Richtung der Verkippung getroffen werden kann.
Eine derartige Situation kann vermieden werden, wenn mehr als zwei Lichtquellen 8 verwendet werden, die nicht auf einer Geraden angeordnet sind. Je mehr Lichtquellen 8 vorhanden sind, desto größer ist die Chance, dass zwei gegenüberliegende Lichtquellen 8 dabei sind, deren Verbindungslinie nahezu senkrecht zur Kippachse 4 des Markers 1 orientiert ist. Vorzugsweise kommt eine gerade Anzahl von Lichtquellen 8 zum Einsatz, damit die Möglichkeit besteht, jeweils genau die eine Hälfte der Lichtquellen 8 einzuschalten und die andere Hälfte der Lichtquellen 8 auszuschalten. Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems mit vier Lichtquellen 8 beschreiben.
9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines ersten Betriebszustands in einer schematischen Aufsicht.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind vier Lichtquellen 8 vorgesehen, die auf einem Kreis 11 konzentrisch zur optischen Achse 3 des Detektors 2 angeordnet sind. Die Lichtquellen 8 sind äquidistant zueinander angeordnet, das heißt zwei benachbarte Lichtquellen 8 schließen jeweils einen Mittelpunktswinkel von 90° ein. Um die Komplexität im Rahmen zu halten, wurde für die Darstellung eine Geometrie gewählt, bei der der Marker 1 lediglich um eine Kippachse 4 verkippt ist. Es ist aber ebenso möglich, dass der Marker 1 um zwei Kippachsen 4 verkippt ist.
Durch Auswertung der Bildinformationen des vom Detektor 2 detektierten Musters 10 des Markers 1 unter Berücksichtigung der bekannten Dimensionen des Musters 10 und optischen Eigenschaften des Detektors 2 werden zunächst sämtliche Orts- und Winkelkoordinaten des Markers 1 ermittelt, wobei für die Verkippung die Orientierung der Kippachse 4 und der Betrag des Kippwinkels a, nicht jedoch die Richtung der Verkippung ermittelt wird. Abhängig von der Umgebungsbeleuchtung können dafür alle Lichtquellen 8 ausgeschaltet oder eingeschaltet sein. In der Darstellung der 9 sind alle Lichtquellen 8 eingeschaltet.
In einem nächsten Schritt wird die Richtung der Verkippung durch Auswertung der Lichtintensität bei Beleuchtung des Markers 1 aus verschiedenen Richtungen ermittelt. Dies wird anhand der 10 und 11 erläutert.
10 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines zweiten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht.
Während des zweiten Betriebszustands werden die Lichtquellen 8 von der Auswerteeinrichtung 6 so angesteuert, dass sämtliche Lichtquellen 8 auf seiner Seite der Kippachse 4 eingeschaltet sind und sämtliche Lichtquellen 8 auf der anderen Seite der Kippachse 4 ausgeschaltet sind. In der Darstellung der 10 sind die linke und die obere Lichtquelle 8 eingeschaltet und die rechte und die untere Lichtquelle 8 ausgeschaltet. Die Lage der Kippachse 4 ist der Auswerteeinrichtung 6 durch die im ersten Betriebszustand durchgeführte Messung bekannt. In analoger Weise wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben detektiert der Detektor 2 die Intensität des vom Marker 1 auf den Detektor 2 gelenkten Lichts der eingeschalteten Lichtquellen 8 und leitet den detektierten Wert an die Auswerteeinrichtung 6 weiter. Anschließend wird eine weitere Messung in einem dritten Betriebszustand durchgeführt.
11 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems während eines dritten Betriebszustands in einer schematischen Seitenansicht.
Während des dritten Betriebszustands werden die Lichtquellen 8 von der Auswerteeinrichtung 6 so angesteuert, dass die bislang eingeschalteten Lichtquellen 8 ausgeschaltet werden und die bislang ausgeschalteten Lichtquellen 8 eingeschaltet werden. Demgemäß sind nunmehr die Lichtquellen 8 auf der anderen Seite der Kippachse 4 als im zweiten Betriebszustand eingeschaltet. In der Darstellung der 11 sind die rechte und die untere Lichtquelle 8 eingeschaltet und die linke und die obere Lichtquelle 8 ausgeschaltet. In analoger Weise wie für das erste Ausführungsbespiel beschrieben detektiert der Detektor 2 die Intensität des vom Marker 1 auf den Detektor 2 gelenkten Lichts der eingeschalteten Lichtquellen 8 und leitet den detektierten Wert an die Auswerteeinrichtung 6 weiter. Die Auswerteeinrichtung 6 analysiert die während des zweiten und während des dritten Betriebszustands detektierten Intensitätswerte und ermittelt daraus, in analoger Weise wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, die Richtung der Verkippung.
Die für das erste Ausführungsbeispiel gemachten Anmerkungen zur Sicherstellung identischer Bedingungen während der Detektion der Lichtintensität im zweiten und dritten Betriebszustand, bezüglich der Kalibrierung der Lichtquellen 8 usw. gelten in analoger Weise für das zweite Ausführungsbeispiel und für weiterte Ausführungsbeispiele mit einer abweichenden Anzahl von Lichtquellen 8.
Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen besteht die Möglichkeit, die verschiedenen Betriebszustände nicht durch Ein- und Ausschalten der Lichtquellen 8 zu realisieren, sondern die Lichtquellen 8 dauerhaft eingeschaltet zu lassen und mittels vorgeschalteter Blenden den Lichtweg zum Marker 1 wahlweise zu blockieren und freizugeben.
Ebenso ist es auch möglich, mehrere Lichtquellen 8 einzusetzen, die unabhängig vom Betriebszustand dauerhaft eingeschaltet sind, wobei eine erste Untermenge von Lichtquellen 8 Licht einer ersten Wellenlänge und eine zweite Untermenge von Lichtquellen 8 Licht einer zweiten Wellenlänge abstrahlt. Eine wahlweise Detektion des Lichts der ersten oder der zweiten Untermenge von Lichtquellen 8 ist durch ein Umschalten des Detektors 2 auf eine Detektion der ersten Wellenlänge oder der zweiten Wellenlänge möglich. Diese Umschaltung kann auch mittels dem Detektor 2 vorgeschalteter Filter erfolgen. Bei Verwendung eines als RGB-Kamera ausgebildeten Detektors 2 ist eine wellenlängenselektive Detektion besonders einfach realisierbar, da ohne zusätzliche Maßnahmen ohnehin separate Signale für das detektierte Licht unterschiedlicher Wellenlängen ausgegeben wird. Beispielsweise wird je ein Signal für die Detektion roten, grünen und blauen Lichts ausgegeben. Es ist also lediglich erforderlich, eine erste Untermenge von Lichtquellen 8 vorzusehen, die beispielsweise rotes Licht abstrahlt und eine zweite Untermenge von Lichtquellen 8, die beispielsweise grünes Licht oder blaues Licht abstrahlt. Dann besteht ohne weiteren Aufwand die Möglichkeit, trotz gleichzeitiger Bestrahlung mit den Lichtquellen 8 beider Untermengen das von den Lichtquellen 8 der beiden Untermengen stammende Licht jeweils separat zu erfassen und auszuwerten. Eine Umschaltung des Detektors 1 ist hierbei nicht erforderlich, da er das verschiedenfarbige Licht parallel erfassen kann.
Bei einer weiteren Variante weist die Beleuchtungseinrichtung 7 eine bewegliche Lichtquelle 8 auf und statt eines sequentiellen Betriebs von mehreren Lichtquellen 8, die an verschiedenen Positionen ortsfest angeordnet sind, wird bei dieser Variante dieselbe Lichtquelle 8 sequentiell an den verschiedenen Positionen angeordnet. Dabei kann die Lichtquelle 8 dauerhaft in Betrieb bleiben, falls dadurch die Detektion durch den Detektor 2 nicht gestört wird. Beispielsweise kann der Detektor 2 so gesteuert werden, dass eine Detektion immer nur dann stattfindet, wenn sich die Lichtquelle 8 an einer der vorgesehenen Positionen befindet. Zwischenpositionen können dadurch ausgeblendet werden. Ebenso ist es auch möglich, die bewegliche Lichtquelle 8 ein- und auszuschalten. Verglichen mit mehreren Lichtquellen 8 kann man dadurch auf einfache Weise eine stets gleiche Helligkeit sicherstellen, sodass eine Kalibrierung überflüssig ist.
Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen ist es möglich, die Helligkeit der Lichtquellen 8 in Abhängigkeit von der räumlichen Position des Markers 1 zu variieren. Beispielsweise kann man die Helligkeit der Lichtquellen 8 vom Abstand zwischen den Lichtquellen 8 und dem Marker 1 und/oder zwischen dem Marker 1 und dem Detektor 2 variieren. Insbesondere kann bei einem großen Abstand eine hohe Helligkeit und bei einem geringen Abstand eine geringe Helligkeit gewählt werden. Dadurch kann eine ausreichende Beleuchtung bei großen Abständen sichergestellt werden und gleichzeitig eine Überbelichtung bei kleinen Abständen verhindert werden. Dabei ist es nicht nur möglich, die Helligkeit aller eingeschalteten Lichtquellen 8 gemeinsam zu regeln. Eine individuelle Regelung ist ebenfalls möglich, beispielsweise wenn der Marker 1 quer zur optischen Achse 3 des Detektors 2 verschoben wird und dadurch unterschiedliche Abstände zu den einzelnen Lichtquellen 8 aufweist. Dann können als Kompensation die Lichtquellen 8, die weiter vom Marker 1 entfernt sind mit einer höheren Helligkeit betrieben werden als die Lichtquellen 8, die näher zum Marker 1 angeordnet sind.
Die verwendeten Lichtquellen 8 können jeweils eine geringe Richtcharakteristik aufweisen und in einen großen Raumwinkelbereich, insbesondere in dem für die Beleuchtung des Markers 1 vorgesehenen Raumwinkelbereich, Licht gleicher Intensität abstrahlen und somit für diesen Raumwinkelbereich eine isotrope Abstrahlcharakteristik aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Beleuchtung des Markers 1 hauptsächlich vom Abstand zur Lichtquelle 8 und weniger stark von der relativen Positionierung abhängt.
Die Erfindung kann eventuell auch für den Einsatz bei Koordinatenmessgeräten adaptiert werden.
Zur Erzielung einer höheren Genauigkeit kann die Symmetrie der Streufunktion, gemäß welcher der Marker 1 das auftreffende Licht umlenkt bezüglich der senkrecht zum Marker 1 orientierten Normalen gebrochen werden. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass auf der Oberfläche des Markers 1 Sägezahnprofile oder sonstige flächensegmentweise unterschiedliche Oberflächenneigungen ausgebildet werden. Die Sägezahnprofile können variierende Amplituden und Neigungswinkel aufweisen. Außerdem kann die Neigung der Sägezahnprofile auf der Oberfläche des Markers 1 entlang unterschiedlicher Richtungen innerhalb der Ebene der Oberfläche ausgebildet sein, wobei alle Richtungen annähernd gleich verteilt vorkommen können. Beispielsweise können sich die Sägezahnprofile jeweils ausgehend von einem zentralen Punkt auf der Oberfläche des Markers 1 strahlenförmig in alle Richtungen innerhalb der Ebene der Oberfläche erstrecken. Ebenfalls ist es auch möglich, sonstige Flächensegmente mit verschiedenen, insbesondere gleich verteilten, Oberflächenneigungen auszubilden. Hierzu können auch Verfahren zum Einsatz kommen, die eine statistische Verteilung von Oberflächenneigungen erzeugen. Die Verteilung der Oberflächenneigungen kann bei der Auswertung der vom Detektor erfassten Intensität zur Ermittlung der Kipprichtung des Markers 1 berücksichtigt werden. Dabei können noch präzisere Ergebnisse erzielt werden, wenn nicht lediglich die über die gesamte Detektorfläche kumulierte Intensität, sondern eine Bildinformation, also die Intensitätsverteilung, ausgewertet wird.
Weiterhin kann die Symmetrie der Anordnung der Lichtquellen 8 relativ zur optischen Achse 3 des Detektors 2 gebrochen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass keine konzentrische Anordnung der Lichtquellen 8 um die optische Achse 3 des Detektors 2 gewählt wird.
Zudem oder alternativ können die Lichtquellen 8 so ausgebildet werden, dass sie keine isotrope Abstrahlcharakteristik aufweisen, sondern richtungsabhängig intensitätsmoduliert sind, also in unterschiedliche Richtungen mit unterschiedlicher Intensität strahlen. Dies stellt ebenfalls eine Maßnahme zur Erhöhung der Auflösung bei der Ermittlung der Kipprichtung des Markers 1 dar und wirkt sich insbesondere dann aus, wenn die Entfernungen zwischen dem Marker 1 und den Lichtquellen 8 groß und/oder die Abstände der Lichtquellen 8 zur optischen Achse 3 klein sind. Bei derartigen Konstellationen unterscheiden sich die Auftreffwinkel des Lichts von den einzelnen Lichtquellen 8 auf den Marker 1 nur geringfügig. Durch die Anordnung geeigneter optischer Elemente im Strahlengang der Lichtquellen 8 kann die richtungsabhängige Intensitätsmodulation so ausgestaltet werden, dass der Marker 1 vollflächig mit Licht ausgeleuchtet wird, das die gleiche Winkelverteilung aufweist.
Soweit dies aus Platzgründen möglich ist, können die Lichtquellen 8 in möglichst großen Abständen von der optischen Achse 3 des Detektors 2 angeordnet werden, um eine möglichst große Variation der Auftreffwinkel des Lichts der einzelnen Lichtquellen 8 auf den Marker 1 zu erzielen.
Die Auflösung bei der Ermittlung der Kipprichtung des Markers 1 kann auch dadurch erhöht werden, dass als Detektor 2 eine Rolling-Shutter-Kamera verwendet wird, bei der die Bildinformation zeilen- oder spaltenweise ausgelesen wird und die Lichtquellen 8 so angesteuert werden, dass sie eine zeitlich modulierte Lichtintensität abstrahlen. Die bekannte Abfolge der Kameraauslesung und die bekannte Modulation der Lichtintensität werden bei der Auswertung der Detektorsignale berücksichtigt. Dadurch ergibt sich zwar ein erhöhter Rechenaufwand aber auch eine erhöhte Auflösung.
Bezugszeichenliste

1: Marker
2: Detektor
3: Optische Achse
4: Kippachse
5: Ebene
6: Auswerteeinrichtung
7: Beleuchtungseinrichtung
8: Lichtquelle
9: Träger
10: Muster
11: Kreis

Claims

Medizinisches Gerät zur Ermittlung der räumlichen Lage eines flächig ausgebildeten Markers (1), mit - einer Beleuchtungseinrichtung (7) zur Beleuchtung des Markers (1), - einem Detektor (2) zur Detektion von Licht, das vom Marker (1) zum Detektor (2) gelenkt wird, - einer Auswerteeinrichtung (6) zur Ermittlung der Richtung einer Verkippung des Markers (1) aus einer Analyse eines ersten Werts, der vom Detektor (2) detektiert wird, während der Marker (1) aus einer ersten Richtung beleuchtet wird und eines zweiten Werts, der vom Detektor (2) detektiert wird, während der Marker (1) aus einer zweiten Richtung beleuchtet wird.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 1, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung, aus denen der Marker (1) beleuchtet wird, abhängig von der räumlichen Orientierung einer Kippachse (4), um die der Marker (1) verkippt ist, variiert werden.
Medizinisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtung des Markers (1) abhängig von der Position des Markers (1) variiert wird.
Medizinisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (7) den Marker (1) mit Licht einer anderen Wellenlänge als das Umgebungslicht in der für das medizinische Gerät vorgesehenen Betriebsumgebung beleuchtet.
Medizinisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (7) mehrere Lichtquellen (8) aufweist und die Beleuchtung aus der ersten Richtung durch eine erste Untermenge von Lichtquellen (8) und die Beleuchtung aus der zweiten Richtung durch eine zweite Untermenge von Lichtquellen (8) realisiert ist.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 5, wobei die Lichtquellen (8) innerhalb eines Raumwinkelbereichs, der für die Beleuchtung des Markers (1) vorgesehen ist, wenigstens paarweise eine identische Abstrahlcharakteristik aufweisen.
Medizinisches Gerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei zur Umschaltung zwischen der Beleuchtung aus der ersten Richtung und der Beleuchtung aus der zweiten Richtung die erste Untermenge von Lichtquellen (8) und die zweite Untermenge von Lichtquellen (8) komplementär zueinander ein- und ausgeschaltet werden.
Medizinisches Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die erste Untermenge von Lichtquellen (8) Licht einer ersten Wellenlänge abstrahlt und die zweite Untermenge von Lichtquellen (8) Licht einer zweiten Wellenlänge abstrahlt.
Medizinisches Gerät nach Anspruch 8, wobei der erste Wert durch Detektion von Licht der ersten Wellenlänge und der zweite Wert durch Detektion von Licht der zweiten Wellenlänge detektierbar ist.
Medizinisches Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Beleuchtungseinrichtung (7) eine gerade Zahl von Lichtquellen (8) aufweist.
Medizinisches Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die Beleuchtungseinrichtung (7) mehr als zwei Lichtquellen (8) aufweist.
Medizinisches Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei die Lichtquellen (8) auf einem Kreis (11) konzentrisch zur optischen Achse (3) des Detektors (2) angeordnet sind.
Medizinisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Detektor (2) als eine Kamera ausgebildet ist.
Medizinisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das medizinische Gerät als ein Operationsmikroskop ausgebildet ist.
System mit einem medizinischen Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem flächig ausgebildeten Marker (1).
System nach Anspruch 15, wobei der Marker (1) aus einem bahnförmigen Material hergestellt ist.
System nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei der Marker (10) ein geometrisches Muster (10) aufweist.
Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Lage eines Markers (1), wobei ein Detektor (2) zur Detektion von Licht bereitgestellt wird, das vom Marker (1) zum Detektor (2) gelenkt wird, der Marker (1) aus einer ersten Richtung beleuchtet wird und dabei vom Detektor (2) ein erster Wert detektiert wird, der Marker (1) aus einer zweiten Richtung beleuchtet wird und dabei vom Detektor (2) ein zweiter Wert detektiert wird und aus dem ersten und zweiten Wert die Richtung einer Verkippung des Markers (1) ermittelt wird.