DE10331885A1

DE10331885A1 - Markierelement für ein chirurgisches Navigationssystem

Info

Publication number: DE10331885A1
Application number: DE10331885A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. HÄUSLER; Roland Alois Dipl.-Ing. Högerle; Josef Dr.sc.hum. Kozak
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-10

Abstract

Um bei einem Markierelement für ein chirurgisches Navigationssystem mit mehreren im Abstand zueinander angeordneten, elektrisch aktivierbaren Strahlungsquellen und einer Energiequelle für diese eine Kabelverbindung der Markierelemente mit einer ortsfesten Energiequelle zu vermeiden und außerdem das Markierelement einschließlich der Strahlungsquelle sterilisierbar zu gestalten, wird vorgeschlagen, daß die Energiequelle ein Superkondensator ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Markierelement für ein chirurgisches Navigationssystem mit mehreren im Abstand zueinander angeordneten elektrisch aktivierbaren Strahlungsquellen und einer Energiequelle für diese.

Navigationssysteme werden bei chirurgischen Operationen in zunehmendem Maße eingesetzt, um die Lage von Körperteilen und/oder Instrumenten sowie Implantaten etc. relativ zueinander zu bestimmen. Es ist dazu üblich, an den Teilen, deren Lage und Orientierung im Raum und damit relativ zueinander bestimmt werden sollen, sogenannte Markierelemente starr festzulegen, beispielsweise über Knochenschrauben an Knochen oder über Halter an Instrumenten, und diese Markierelemente tragen im Abstand zueinander mehrere Strahlungssender, beispielsweise Infrarotdioden oder Ultraschallsender, die eine Strahlung aussenden. Diese Strahlung wird von einem Kamerasystem des Navigationssystems, das mehrere räumlich voneinander entfernte Kameras umfaßt, aufgenommen, und aus der aufgenommenen Strahlung kann die Lage und Orientierung des Markierelementes im Raum bestimmt werden. Diese Daten werden einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt und ermöglichen die Überwachung der Lage und Orientierung von Körperteilen, chirurgischen Instrumenten, Implantaten oder dergleichen relativ zueinander.

Die Markierelemente dieser Art müssen zur Versorgung der Strahlungsquellen mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sein, häufig erfolgt dies über Kabel. Dies ist unbequem und bei Operationen störend, daher ist es auch be kannt, derartige Markierelemente mit herkömmlichen wiederaufladbaren oder nicht wiederaufladbaren Batterien zu bestücken, um damit die Strahlungsquellen zu aktivieren. Dabei ergeben sich allerdings Schwierigkeiten bei der Sterilisation der Markierelemente, da die Batterien für die hohen Temperaturen bei der Sterilisation nicht ausgelegt sind und daher bei der Sterilisation beschädigt werden können. Ein Schutz der Batterien durch thermische Isolation ist kaum möglich, da die Batterien regelmäßig mit Überdruckventilen ausgestattet sind, die eine Kapselung und damit eine thermische Isolation verbieten. Andererseits ist es fast unmöglich, die Markierelemente ohne Batterien zu sterilisieren und dann nicht sterile Batterien in sterile Markierelemente so einzusetzen, daß die Markierelemente insgesamt steril bleiben.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer Energiequelle für aktiv strahlende Markierelemente, die diese Probleme lösen und die außerdem die Verwendung von Kabeln unnötig machen.

Diese Aufgabe wird bei einem Markierelement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Energiequelle ein Superkondensator ist.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß Superkondensatoren als Energiequelle in Markierelementen diese Schwierigkeiten überwinden können. Derartige Superkondensatoren sind elektrochemische Kondensatoren, mit denen sehr hohe Kapazitäten in der Größenordnung einiger hundert Farad erreicht werden können und die in der Regel durch Verwendung elektrochemischer Redoxreaktionen arbeiten. An sich sind derartige Superkondensatoren beispielsweise aus der DE 100 53 276 C1 bekannt.

Superkondensatoren können unter bestimmten Bedingungen auch bei relativ hohen Temperaturen schadensfrei betrieben werden, beispielsweise bei Temperaturen bis 140°C, so daß sie bei entsprechender Abkapselung auch einen Sterilisiervorgang der üblichen Art schadensfrei überstehen, das Markierelement kann also zusammen mit dem Superkondensator sterilisiert werden.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß der Superkondensator von einer thermischen Isolierung umgeben ist. Da ein Superkondensator keine Entlüftung benötigt wie herkömmliche Batterien, ist dies ohne weiteres möglich.

Weiterhin ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß dem Superkondensator eine Ladeschaltung zugeordnet ist, zu der elektrische Energie von einer externen Aufladeeinrichtung berührungslos übertragbar ist, beispielsweise induktiv. Es ist dadurch möglich, den Superkondensator aufzuladen, ohne daß das Markierelement oder der Superkondensator die Aufladeeinrichtung berühren, diese kann also gegebenenfalls unsteril bleiben und beispielsweise durch eine Folie von dem sterilen Markierelement mit Superkondensator getrennt bleiben. Trotzdem ist über die Ladeschaltung eine Aufladung des Superkondensators möglich. Diese Aufladung erfolgt bei Superkondensatoren in sehr kurzer Zeit, beispielsweise in der Größenordnung zwischen 1 und 30 Sekunden, mit einer Ladung können die Strahlungsquellen eines Markierelementes bei den üblicherweise erreichbaren Kapazitäten derartiger Superkondensatoren bis zu 30 Minuten betrieben werden, erst nach dieser Zeit ist eine erneute Aufladung notwendig, die einfach dadurch erfolgen kann, daß das Markierelement mit dem Superkondensator neben eine Aufladeeinrichtung gelegt wird.

Der Superkondensator und die Ladeschaltung können in einem gemeinsamen Gehäuse dicht eingeschlossen sein, dieses Gehäuse kann mit einer thermischen Isolierung versehen werden.

Die Strahlungsquellen können in herkömmlicher Weise Infrarotdioden oder Ultraschallsender sein, grundsätzlich sind auch andere Strahlungsquellen möglich, die elektrische oder Ultraschallwellen absenden.

Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf ein Markierelement der beschriebenen Art, sondern auch auf ein Navigationssystem, in dem derartige Markierelemente eingesetzt werden.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt schematisch ein Navigationssystem mit einem Markierelement mit Infrarotdioden und einem Superkondensator als Energiequelle.

Das in der Zeichnung dargestellte Navigationssystem 1 umfaßt drei im Abstand zueinander angeordnete Empfangseinrichtungen 2, 3, 4, die jeweils von einem Markierelement 5 ausgesandte elektromagnetische oder Ultraschallstrahlung empfangen können. Das Markierelement 5 trägt im Abstand zueinander und relativ zueinander unverschiebbar eine größere Anzahl von Sendeeinrichtungen 6, 7, 8, 9, 10, 11, beispielsweise Infrarotdioden.

Diese Sendeeinrichtungen 6 bis 11 sind an einem Träger 12 befestigt, der an einer Struktur, deren Lage und Orientierung im Raum bestimmt werden soll, starr festgelegt ist, im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Träger 12 über eine Knochenschraube 13 starr mit einem Knochen 14 am Bein eines zu operierenden Patienten verbunden. Am Träger 12 ist in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 15 ein Superkondensator 16 angeordnet, außerdem eine nicht näher dargestellte elektrische Schaltung, mit welcher der Superkondensator 16 aufgeladen werden kann, wenn dieser Schaltung elektrische Energie zugeführt wird. Bei dem Superkondensator 16 handelt es sich um einen elektrochemischen Kondensator mit hoher Kapazität, beispielsweise in der Größenordnung von 100 Farad. Das Gehäuse 15 kann von einer thermischen Isolation umgeben sein, die in der Zeichnung nicht speziell dargestellt ist, gegebenenfalls kann das Gehäuse 15 selbst thermisch isoliert ausgebildet sein.

Der Superkondensator 16 versorgt die Sendeeinrichtungen 6 bis 11 mit elektrischer Energie, so daß diese Strahlung absenden, die von den Empfangseinrichtungen 2, 3, 4 aufgefangen wird. Die entsprechenden Signale werden einer Datenverarbeitungsanlage 17 zugeführt, die aufgrund dieser Signale die Abstände der Sendeeinrichtungen 6 bis 11 des Markierelementes 5 von den einzelnen Empfangseinrichtungen 2 bis 4 bestimmt und daraus die Lage und Orientierung des Markierelementes 5 relativ zu der ortsfesten Empfangseinrichtung 2, 3, 4.

Entsprechende Positions- und Orientierungsdaten können dann verwendet werden, um beispielsweise die Lage des Knochens 14 auf einem Bildschirm 18 darzustellen.

In gleicher Weise kann ein weiteres Markierelement 5 an einem chirurgischen Instrument befestigt werden, mit dem der Knochen 14 zu bearbeiten ist. Es ist dann möglich, die Lage und Orientierung sowohl des Knochens als auch des Instrumentes zu bestimmen und auf dem Bildschirm 18 darzustellen, so daß der Operateur deren relative Zuordnung am Bildschirm ablesen kann.

Der Superkondensator 16 verfügt nur über eine begrenzte Ladekapazität und damit über einen begrenzten Energieinhalt, so daß die Sendeeinrichtungen 6 bis 11 des Markierelementes 5 nur über einen begrenzten Zeitraum versorgt werden können, beispielsweise über einen Zeitraum von 30 Minuten. Danach ist es möglich, den Superkondensator 16 innerhalb sehr kurzer Zeit wieder aufzuladen. Dies kann mit Hilfe eines Ladegerätes 19 erfolgen, das seinerseits mit einer elektrischen Spannungsquelle 20 verbunden ist. Das Ladegerät 19 enthält eine Schaltung, die mit der Ladeschaltung im Inneren des Gehäuses 15 zusammenwirken kann, beispielsweise mittels eines induktiv arbeitenden Übertragers, durch den Energie vom Ladegerät 19 auf die Ladeschaltung übertragen wird, wenn die Ladeschaltung unmittelbar neben dem Ladegerät 19 angeordnet ist. Dazu kann eine entsprechende Halterung vorgesehen sein, die das Markierelement 5 am Ladegerät 19 so positioniert, daß eine Aufladung des Superkondensators 16 erfolgt. Zu diesem Zweck kann der Träger 12 mit der Knochenschraube 13 über eine lösbare Halterung 21 verbunden sein, über die der Träger 12 nach dem Aufladevorgang in genau definierter Position wieder mit der Knochenschraube 13 zu verbinden ist.

Claims

Markierelement für ein chirurgisches Navigationssystem mit mehreren im Abstand zueinander angeordneten, elektrisch aktivierbaren Strahlungsquellen und einer Energiequelle für diese, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle ein Superkondensator (16) ist.
Markierelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Superkondensator (16) von einer thermischen Isolierung umgeben ist.
Markierelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Superkondensator (16) sterilisierbar ist.
Markierelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Superkondensator (16) eine Ladeschaltung zugeordnet ist, zu der elektrische Energie von einer externen Aufladeeinrichtung (19) berührungslos übertragbar ist.
Markierelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Superkondensator (16) und die Ladeschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse (15) dicht eingeschlossen sind.
Markierelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (6 bis 11) Infrarotdioden sind.
Markierelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (6 bis 11) Ultraschallsender sind.
Navigationssystem mit einer Empfangseinrichtung für eine von Strahlungsquellen eines Markierelementes ausgesandten Strahlung und einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Lage und Orientierung des Markierelementes aus der empfangenen Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement (5) die Merkmale mindestens eines der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.