DE10241072B4 - Device for determining the geometric data of a spherical recess - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Bestimmung der geometrischen Daten einer kugeligen Ausnehmung in einem Gegenstand, insbesondere einem Knochen, mit einem in die Ausnehmung einsetzbaren Tastkörper, an dem ein Markierelement festgelegt ist, dessen Position und Orientierung im Raum durch ein Navigationssystem bestimmbar ist, wobei der Tastkörper eine kreisförmige Anlagelinie mit einem Radius, der kleiner ist als der Radius aller auszumessenden Ausnehmungen definiert, und wobei die Anlagelinie durch mindestens drei auf dieser liegende Stützpunkte definiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützpunkte (17, 18) am Tastkörper (3) so verstellbar gelagert sind, daß der Radius der von ihnen definierten Anlagelinie veränderbar ist.Device for determining the geometric data of a spherical recess in an object, in particular a bone, with a probe body which can be inserted into the recess and on which a marking element is fixed, the position and orientation of which in space can be determined by a navigation system, the probe body being a circular contact line with a radius that is smaller than the radius of all the recesses to be measured, and wherein the contact line is defined by at least three support points lying on it, characterized in that the support points (17, 18) on the probe body (3) are mounted so as to be adjustable, that the radius of the investment line defined by you can be changed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der geometrischen Daten einer kugeligen Ausnehmung in einem Gegenstand, insbesondere einem Knochen, mit einem in die Ausnehmung einsetzbaren Tastkörper, an dem ein Markierelement festgelegt ist, dessen Position und Orientierung im Raum durch ein Navigationssystem bestimmbar ist, wobei der Tastkörper eine kreisförmige Anlagelinie mit einem Radius, der kleiner ist als der Radius aller auszumessenden Ausnehmungen definiert, und wobei die Anlagelinie durch mindestens drei auf dieser liegende Stützpunkte definiert wird.The invention relates to a device to determine the geometric data of a spherical recess in an object, especially a bone, with one in the Recess insertable probe body, on which a marking element is fixed, its position and orientation in the room can be determined by a navigation system, the probe being a circular Investment line with a radius that is smaller than the radius of all to be measured Defines recesses, and being the investment line by at least three bases on this is defined.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der WO 91/16598 beschrieben.Such a device is for example described in WO 91/16598.
Bei vielen Bearbeitungsvorgängen werden in Gegenstände Vertiefungen mit einer kugeligen Außenkontur eingearbeitet, beispielsweise halbkugelförmige Ausnehmungen in Knochen, in die später halbkugelige Implantate eingesetzt werden sollen. Diese Einsetzvorgänge werden heute in vielen Fällen mit navigierten Instrumenten oder unter Zuhilfenahme von Robotern vorgenommen, und daher ist es wichtig, die genaue Positionierung und die genaue Dimensionierung dieser kugeligen Ausnehmungen in dem jeweiligen Gegenstand genau zu kennen. Um diese Daten zu ermitteln ist es bekannt, in die kugeligen Ausnehmungen genau in diese passende kugelige Tastkörper einzusetzen und diese navigiert in den kugeligen Ausnehmungen zu verschwenken. Durch die unterschiedlichen Positionen des kugeligen Tastkörpers in der kugeligen Ausnehmung lassen sich dann der Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung und die Lage der Kugelfläche im Raum bestimmen.With many machining operations into objects Recessed recesses with a spherical outer contour, for example hemispherical Recesses in bones, in the later hemispherical implants should be used. These insertion processes are used in many today Cases with navigated instruments or with the help of robots, and therefore it is important the exact positioning and the exact dimensioning of these spherical recesses in the respective object exactly to know. To determine this data it is known to be spherical Insert recesses exactly into this matching spherical probe body and this navigates to pivot in the spherical recesses. By the different positions of the spherical probe body in the spherical recess can then be the center of the spherical Determine the recess and the position of the spherical surface in the room.
Dieses bekannte Verfahren läßt sich jedoch nur dann anwenden, wenn der kugelige Tastkörper genau in die kugelige Ausnehmung paßt. Wenn in den Gegenstand kugelige Ausnehmungen mit unterschiedlichem Durchmesser eingearbeitet werden, ist daher für die Positionsbestimmung dieser kugeligen Ausnehmungen mit unterschiedlichem Radius jeweils ein an diese kugelige Ausnehmung bestimmter Abmessung angepaßter kugeliger Tastkörper notwendig. Mit anderen Worten, zu jedem kugeligen Fräser, mit dem eine solche Ausnehmung hergestellt wird, muß ein eigener kugeliger Tastkörper vorhanden sein.This known method can be however, only use if the spherical probe body is accurate fits into the spherical recess. If in the object spherical recesses with different Diameters are incorporated, is therefore for the position determination of this spherical recesses with different radius spherical adapted to this spherical recess of certain dimensions sensing body necessary. In other words, with every spherical milling cutter, with to which such a recess is made, a separate spherical probe body must be available his.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß mit einem einzigen Tastkörper auch die geometrischen Daten von kugeligen Ausnehmungen mit unterschiedlichem Radius bestimmt werden können.It is an object of the invention generic device to train so that with a single probe also the geometric data of spherical recesses with different radius can be determined.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stützpunkte am Tastkörper so verstellbar gelagert sind, daß der Radius der von ihnen definierten Anlagelinie veränderbar ist.This task is done with a device of the type described in the introduction solved in that the bases on the probe are so adjustable that the radius of them defined investment line changeable is.
Damit ist es möglich, die Größe der kreisförmigen Anlagelinie an den Radius der kugeligen Ausnehmung anzupassen. Einmal kann dadurch ein größerer Radiusbereich von Ausnehmungen sehr genau ausgemessen werden, zum anderen ist es auch möglich, die Stützpunkte am Tastkörper so zu verstellen, daß der Abstand zwischen der Ebene der kreisförmigen Anlagelinie einerseits und dem Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung andererseits immer gleich ist. Der Tastkörper arbeitet dann so wie ein bekannter kugeliger Tastkörper, dessen Radius jeweils an den Radius der kugeligen Ausnehmung angepaßt ist. Es sind daher auch die gleichen Berechnungsprogramme im Navigationssystem verwendbar, während bei Tastkörpern mit festen Stützpunkten in der oben beschriebenen Weise die Lage des Mittelpunktes beispielsweise durch Berechnung des Schnittpunktes der Normalen auf der kreisförmigen Anlagelinie jedes Mal neu berechnet werden muß.This makes it possible to determine the size of the circular investment line to adapt to the radius of the spherical recess. Once can a larger radius range of recesses are measured very precisely, on the other hand it also possible the bases on the probe to adjust so that the Distance between the plane of the circular contact line on the one hand and the center of the spherical recess on the other hand always the same is. The probe body then works like a well-known spherical probe, its radius is each adapted to the radius of the spherical recess. It is therefore the same calculation programs in the navigation system usable while at Tastkörpern with fixed bases the position of the center point, for example, in the manner described above by calculating the intersection of the normals on the circular investment line each Times must be recalculated.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Anlagelinie durch drei auf dieser liegende Stützpunkte definiert wird. Wenn der Tastkörper drei im Abstand voneinander angeordnete Stützpunkte ausbildet, so läßt sich durch diese drei Punkte eine Ebene legen und ein in dieser Ebene liegender Kreis bildet die Anlagelinie. Ein solcher Tastkörper liegt in einer Drei-Punkt-Auflage auf der Innenwand der kugeligen Ausnehmung auf, die drei Kontaktpunkte definieren die kreisförmige Anlagelinie, die in ihrer gesamten Länge auf der kugeligen Innenwand der Ausnehmung liegt.In a first preferred embodiment it is envisaged that the Investment line is defined by three support points lying on it. If the sensing body forms three support points arranged at a distance from one another, so through these three points lay a level and one in that level the circle forms the investment line. Such a probe lies in a three-point edition on the inner wall of the spherical recess, the three contact points define the circular Investment line, the entire length of which on the spherical inner wall the recess.
Selbstverständlich ist es möglich, auf dieser kreisförmigen Anlagelinie noch zusätzliche Stützpunkte vorzusehen, beispielsweise könnten auch sechs derartige Stützpunkte verwendet werden, die dann alle auf einem gemeinsamen Kreis liegen müssen. Bei der Verwendung von nur drei Stützpunkten folgt der Tastkörper jeder Unregelmäßigkeit in der Oberfläche der kugeligen Ausnehmung, so daß zur Bestimmung des Kugelmittelpunktes kein exakter Schnittpunkt der Normalen auf der kreisförmigen Anlagelinie mehr gegeben ist, sondern eine Vielzahl von Schnittpunkten der Normalen in unterschiedlicher Orientierung aufgefunden werden können, aus dieser Vielzahl muß dann durch eine Wichtung näherungsweise der tatsächliche Kugelmittelpunkt bestimmt werden. Verwendet man dagegen eine größere Anzahl von Stützpunkten, so ergibt sich bereits bei der Anlage des Tastkörpers an der Innenwand eine Mittelung, Vertiefungen in der Innenwand der Ausnehmung werden beispielsweise durch einen solchen Tastkörper weitgehend ausgeglichen, da in dem vertieften Bereich der Stützpunkt des Tastkörpers nicht an der Anlagefläche aufliegt, sondern auf der gedachten Kugelfläche liegen bleibt, die von den anderen Stützpunkten durch ihre Anlage an der kugeligen Innenfläche der Ausnehmung definiert wird.Of course, it is also possible to provide additional support points on this circular contact line, for example six such support points could also be used, which must then all lie on a common circle. If only three support points are used, the probe body follows every irregularity in the surface of the spherical recess, so that to determine the center of the sphere there is no longer an exact intersection of the normals on the circular contact line, but a large number of intersections of the normals are found in different orientations from this large number, the actual center of the sphere must then be approximately determined by weighting. If, on the other hand, a larger number of support points is used, an averaging already results when the probe body is in contact with the inner wall, indentations in the inner wall of the recess are largely compensated for, for example, by such a probe body, since the support point of the probe body is not present in the recessed area the contact surface rests, but remains on the imaginary spherical surface that of the whose bases are defined by their abutment on the spherical inner surface of the recess.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Stützpunkte von den Anlagepunkten von konvexen Stützkörpern an der Innenwand der Ausnehmung gebildet werden. Die Stützpunkte können vorzugsweise zumindest im Anlagebereich kugelig geformt sein.In a preferred embodiment it is envisaged that the bases from the contact points of convex supporting bodies on the inner wall of the Recess are formed. The bases can preferably at least be spherical in the contact area.
Es kann auch vorgesehen sein, daß außerhalb der Ebene der kreisförmigen Anlagelinie mindestens ein weiterer Stützpunkt am Tastkörper vorgesehen ist, der am Tastkörper synchron mit den Stützpunkten auf der Anlagelinie derart verstellbar ist, daß alle Stützkörper auf einer gemeinsamen Kugelfläche liegen. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, punktförmig Kugelflächen zu definieren, deren Radius unterschiedlich groß ist. Damit können mit einem solchen Tastkörper kugelförmige Tastkörper mit unterschiedlichem Radius nachgebildet werden, die dann genauso arbeiten wie feste kugelige Tastkörper, der Benutzer benötigt jedoch nicht verschiedene kugelige Tastkörper, sondern kann kugelige Ausnehmungen mit verschiedenem Radius mit einem einzigen Tastkörper ausmessen.It can also be provided that outside the level of circular Contact line provided at least one other base on the probe is on the probe in sync with the bases is adjustable on the line so that all support bodies on a common spherical surface lie. With such an arrangement, it is possible to form spherical surfaces at points define the radius of which is different. So that with a such a probe spherical Probe with different radius are reproduced, which then work the same way like solid spherical probes, the user needs however not different spherical probe bodies, but can have spherical recesses measure with different radius with a single probe.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments the invention serves in conjunction with the drawing for a more detailed explanation. Show it:
Die Erfindung wird nachstehend am
Beispiel der Ausmessung einer kugeligen Ausnehmung
Zur Bestimmung der Lage und der Abmessungen
der kugeligen Ausnehmung
Diese Verschwenkbewegung kann von
einem Navigationssystem
Zu diesem Zweck sind an dem Tastkörper
Die so berechneten Daten werden einer
Datenverarbeitungsanlage
In den
Die Abstände der Anlagekörper
Durch die Verstellung des relativen
Abstandes der Anlagekörper
Bei der in den
Bei der Verschwenkbewegung des Tastkörpers
Auf diese Weise kann mittels der
Anlagekörper
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