DE10340434A1 - Verfahren und System für die Kalibrierung eines chirurgischen Werkzeugs und Adapter dafür - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Diese Erfindung betrifft allgemein die Kalibrierung chirurgischer Werkzeuge zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem. Insbesondere betrifft diese Erfindung die Kalibrierung einer Kombination aus einem Universal-Nachführungs(Tracking-)gerät und dem chirurgischen Werkzeug, so dass Position und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs vom chirurgischen Navigationssystem bestimmt werden können.
- Hintergrund der Erfindung
- Die Anwendung bildgeführter chirurgischer Navigationssysteme zur Unterstützung der Chirurgen bei der Durchführung schwieriger Operationen hat sich weiter verbreitet. Typische chirurgische Navigationssysteme nutzen speziell entwickelte Werkzeuge, die eingebaute Nachführungsgeräte enthalten, so dass der Chirurg die Position des chirurgischen Werkzeuges überlagert auf einem Monitor sehen kann, der ein präoperatives oder ein intraoperatives Bild zeigt. Die präoperativen Bilder werden typischerweise durch hinreichend bekannte präoperative Abtasttechniken wie MRI(Kernspin-) oder CT- (Computertomografie)-Schichtbilder erstellt. Die intraoperativen Bilder können mittels Fluoroskop-, Niedrigenergie-Röntgen- oder ähnlichen Geräten erstellt werden. Die Nachführungsgeräte enthalten typischerweise mehrere optische Strahler wie LED's, die vom chirurgischen Navigationssystem erkannt werden können. Aus der Position der Strahler kann das chirurgische Navigationssystem die Position und/oder Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs bestimmen.
- Im Rahmen dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff 'Position' auf die Spitze des chirurgischen Werkzeugs im dreidimensionalen Raum, die x-, y- und z- oder kartesischen Koordinaten, relativ zum chirurgischen Navigationssystem. Der Begriff 'Ausrichtung' beschreibt das Nicken, Rollen und Gieren des chirurgischen Werkzeugs.
- Sind sowohl die Position als auch die Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs definiert, kennt das chirurgische Navigationssystem die absolute Position dieses chirurgischen Werkzeugs.
- Damit ein Chirurg ein chirurgisches Werkzeug ohne ein eingebautes Nachführungsgerät mit einem chirurgischen Navigationssystem verwenden kann, muss ein Universal-Nachführungsgerät am chirurgischen Werkzeug angebracht werden. Die Kombination aus Universal-Nachführungsgerät und chirurgischem Werkzeug muss kalibriert werden, damit das chirurgische Navigationssystem die Beziehung zwischen der Spitze des chirurgischen Werkzeugs und der Position des Nachführungsgeräts kennt. Chirurgische Werkzeuge mit dem daran angebrachten Universal-Nachführungsgerät können kalibriert und dann nachgeführt werden. Sind das Nachführungsgerät und das chirurgische Werkzeug relativ zum chirurgischen Navigationssystem derart kalibriert worden, dass das chirurgische Navigationssystem nur die Position der Spitze aber nicht die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs kennt, dann kann das System nur die Position der Spitze, aber nicht die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs nachführen. Da der genaue Weg, den der Chirurg während einer bestimmten chirurgischen Prozedur nehmen wird, sehr wichtig ist, sollten vorzugsweise sowohl Position als auch Ausrichtung der während dieser Prozedur verwendeten chirurgischen Werkzeuge bekannt sein, so dass die chirurgischen Werkzeuge vollständig auf dem Monitor eines typischen chirurgischen Navigationssystems dargestellt werden können.
- Um sowohl Positions- als auch Ausrichtungsdaten für die Kombination aus dem chirurgischen Werkzeug und dem angebrachten Universal-Nachführungsgerät bereitzustellen, müssen sowohl die Position als auch die Ausrichtung für jede Kombination aus chirurgischem Werkzeug und Nachführungsgerät kalibriert werden. Typische zum Stand der Technik gehörige Kalibriergeräte sind in den U.S.-Patenten Nr. 5,987,960, 5,921,992 und 6,306,126 beschrieben worden. Jedes dieser Kalibriergeräte arbeitet nach dem Prinzip, dass die Achse des chirurgischen Werkzeugs in einer Ebene senkrecht zu einer Basis des Kalibriergeräts fixiert ist. Da die Position der Basis des Kalibriergeräts und die Position der Achse des chirurgischen Werkzeugs relativ zu im Kalibriergerät enthaltenden optischen Nachführungselementen bekannt sind, kann das chirurgische Navigationssystem Position und Ausrichtung für die betreffende Kombination aus chirurgischem Werkzeug und Nachführungsgerät berechnen. Danach kann die betreffende Kombination aus chirurgischem Werkzeug und Nachführungsgerät vom chirurgischen Navigationssystem lückenlos nachgeführt werden.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren für die Kalibrierung sowohl der Position als auch der Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem. Dieses Verfahren enthält den Schritt des Anbauens eines Nachführungsgeräts, das zur Kommunikation mit dem chirurgischen Navigationssystem fähig ist, unter Verwendung eines Adapters am chirurgischen Werkzeug, wobei das chirurgische Werkzeug sowohl eine Werkzeugachse als auch eine Werkzeugspitze hat und der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse besitzt. Das Verfahren enthält ferner den Schritt des Berührens eines Kalibriergeräts mit der Werkzeugspitze, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann und in der Lage ist, die Position der Werkzeugspitze relativ zur Position des Nachführungsgeräts zu bestimmen. Das Verfahren enthält ferner den Schritt des Berechnens der Position der Werkzeugspitze und dann des Berechnens von Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug aus der bekannten Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse. Schließlich enthält das Verfahren den Schritt des Speicherns der Position der Werkzeugspitze und der Ausrichtungsdaten des chirurgischen Werkzeugs im Speicher des chirurgischen Navigationssystems, so dass bei Verwendung des chirurgischen Werkzeugs mit dem chirurgischen Navigationssystem die Position und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können.
- Ein weiteres Verfahren der vorliegenden Erfindung für die Kalibrierung der Position und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit dem chirurgischen Navigationssystem weist die folgenden Schritte auf. Der erste Schritt besteht im Anbauen eines Nachführungsgeräts, das zur Kommunikation mit dem chirurgi schen Navigationssystem fähig ist, unter Verwendung eines Adapters am chirurgischen Werkzeug, wobei das chirurgische Werkzeug eine Werkzeugachse und eine Werkzeugspitze und der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse hat. Der zweite Schritt des Verfahrens ist das Berühren eines Kalibriergeräts mit der Werkzeugspitze, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann und in der Lage ist, die Position der Spitze des chirurgischen Werkzeugs relativ zur Position des Nachführungsgeräts zu bestimmen. Das Verfahren enthält ferner den Schritt des Berechnens der Position der Werkzeugspitze und den Schritt des Speicherns der Position der Werkzeugspitze im Speicher des chirurgischen Navigationssystems. Schließlich enthält das Verfahren den Schritt des Bestimmens von Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug aus der Position der Werkzeugspitze und aus einer Datenbank enthaltend die gespeicherten Beziehungen zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse sowie aus der Position der Werkzeugspitze derart, dass die Position der Werkzeugspitze eine Achse des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank schneidet, so dass dann, wenn das chirurgische Werkzeug mit dem chirurgischen Navigationssystem verwendet wird, die Position und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können.
- Die vorliegende Erfindung ist auch auf einen Adapter gerichtet, mit dem ein Nachführungsgerät an einem chirurgischen Werkzeug mit einer Achse angebracht werden kann, der einen Körper mit einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche aufweist. Der Adapter enthält außerdem eine Kopplungsstruktur für das auf der Außenoberfläche angebrachte Nachführungsgerät. Schließlich enthält der Adapter die Innenoberfläche, die eine sich durch den Körper erstreckende Öffnung begrenzt, wobei die Öffnung eine Achse und eine solche Form besitzt, dass das chirurgische Werkzeug so in Eingriff mit ihr kommt, dass die Öffnungs- und die Werkzeugachse identisch sind.
- Die vorliegende Erfindung beinhaltet des Weiteren ein System für die Kalibrierung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem. Das System weist eine Speichereinheit, einen Adapter, der an dem chirurgi schen Werkzeug mit einer Werkzeugspitze und einer Werkzeugachse angebracht werden kann, und ein Nachführungsgerät auf, das vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden kann, wobei der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse besitzt. Das System weist ferner ein Kalibriergerät auf, das die Position der Werkzeugspitze relativ zur Position des Nachführungsgeräts bestimmen und mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann. Außerdem enthält das System eine erste Schaltung, die betrieben werden kann, um die Position der Werkzeugspitze relativ zur Position des Nachführungsgeräts und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der bekannten Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse sowie aus der Position der Werkzeugspitze zu berechnen, und eine zweite Schaltung, die betrieben werden kann, um die Position der Werkzeugspitze und die Ausrichtung des Werkzeugs in der Speichereinheit zu speichern.
- Ein weiteres System der vorliegenden Erfindung für die Kalibrierung der Position und Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem weist Mittel zum Anbringen eines Nachführungsgeräts, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann, am chirurgischen Werkzeug unter Verwendung eines Adapters auf, wobei das chirurgische Werkzeug eine Werkzeugachse und eine Werkzeugspitze und der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse besitzt. Das System enthält ferner Mittel zur Berechnung der Position der Werkzeugspitze, indem die Werkzeugspitze ein Kalibriergerät berührt, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren und die Position der Werkzeugspitze relativ zur Position des Nachführungsgeräts bestimmen kann, sowie Mittel zur Berechnung von Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug aus der bekannten Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze. Außerdem enthält das System Mittel zur Speicherung der Position der Werkzeugspitze und der Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug im Speicher des chirurgischen Navigationssystems, so dass bei Verwendung des chirurgischen Werkzeugs mit dem chirurgischen Navigationssystem die Position und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können.
- Ein weiteres System der vorliegenden Erfindung für die Kalibrierung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem weist eine Speichereinheit und Mittel zum Anbringen eines Adapters an einem chirurgischen Werkzeug mit einer Werkzeugspitze und einer Werkzeugachse auf. Das System enthält außerdem Mittel zum Nachführen des am Adapter angebrachten chirurgischen Werkzeugs, wobei die Nachführungsmittel vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können und wobei der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse hat, sowie Kalibriermittel, die die Position der Werkzeugspitze relativ zur Position der Nachführungsmittel bestimmen und mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren können. Das System enthält des Weiteren Mittel zur Berechnung der Position der Werkzeugspitre und einer Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der bekannten Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitre sowie Mittel zum Speichern der Position der Werkzeugsspitze und der Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs in der Speichereinheit.
- Ein weiteres System der vorliegenden Erfindung für die Kalibrierung der Position und Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem weist Mittel zum Anbringen eines Nachführungsgeräts, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann, mittels eines Adapters an einem chirurgischen Werkzeug auf, das eine Werkzeugachse und eine Werkzeugspitre besitzt, und bei dem der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse hat. Das System enthält außerdem Mittel zur Berechnung der Position der Werkzeugspitre, indem die Werkzeugspitre ein Kalibriergerät berührt, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren und die Position der Werkzeugspitre relativ zur Position des Nachführungsgeräts bestimmen kann, sowie Mittel zum Speichern der Position der Werkzeugsspitze im Speicher des chirurgischen Navigationssystems. Zusätzlich besitzt das System Mittel zur Bestimmung der Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug aus der Position der Werkzeugspitre und aus in einer Datenbank gespeicherten Beziehungen zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitre, derart dass die Position der Werkzeugspitre eine Achse des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank schneidet, so dass dann, wenn das chirurgische Werkzeug mit dem chirurgischen Navigationssystem verwendet wird, die Position und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können.
- Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine schematische Ansicht des chirurgischen Navigationssystems; -
1A ist ein Blockdiagramm des chirurgischen Navigationssystems von1 ; -
2 ist eine isometrische Ansicht des Adapters gemäß der vorliegenden Erfindung;3 ist eine Seitenansicht im Aufriss des Adapters von2 ; -
4 ist eine Endansicht im Aufriss des Adapters von2 ; -
5 ist eine Endansicht im Aufriss des Adapters von2 von dem der4 gegenüberliegenden Ende aus; -
6 ist eine Schnittansicht des Adapters von2 allgemein entlang der Linie6-6 ; -
7 ist eine isometrische Ansicht des chirurgischen Werkzeugs mit angebrachtem Adapter; -
8 ist eine isometrische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Adapters der vorliegenden Erfindung; -
9 ist eine Seitenansicht des Adapters von8 ;10 ist eine Endansicht des Adapters von8 ; -
11 ist eine Endansicht des Adapters von8 von dem der10 gegenüberliegenden Ende aus; -
12 ist eine Schnittansicht des Adapters von8 allgemein entlang der Linie11-11 ; -
13 ist eine isometrische Ansicht eines Universal-Nachführungsgeräts; -
14 ist eine isometrische Ansicht eines mit dem Adapter von8 zu verwendenden chirurgischen Werkzeugs; -
15 ist eines Explosionsansicht des Adapters von8 , des chirurgischen Werkzeugs von4 und des Universal-Nachführungsgeräts von13 ; -
16 ist eine Zusammenbauansicht des Adapters von8 , des chirurgischen Werkzeugs von14 und des Universal-Nachführungsgeräts von13 ; -
17 ist eine Ansicht des Kalibriergeräts, das das chirurgische Werkzeug von14 mit dem Adapter von8 und dem Universal-Nachführungsgerät von13 zeigt, wie es den Kalibrierpunkt berührt; -
18 ist ein Blockdiagramm eines das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwirklichenden Computerprogrammes; -
18A ,18B ,18C ,18D , und18E sind repräsentative Bildschirmausdrucke verschiedener in18 dargestellter Meldungskästchen; -
19 ist ein Flussdiagramm eines Computerprogramms eines alternativen Verfahrens der vorliegenden Erfindung; und -
20 ist eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Adapters ähnlich dem von8 . - Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
1 und1A sind eine schematische Ansicht und ein Blockdiagramm eines chirurgischen Navigationssystems50 , das ein chirurgisches Werkzeug52 mit einem unter Verwendung eines Adapters56 an diesem angebrachten Universal-Nachführungsgerät54 nachführen kann. Das chirurgische Navigationssystem50 enthält einen Computer58 , bei dem es sich um jeden beliebigen Typ eines leistungsstarken Personal Computer mit einer CPU58a , einer Speichereinheit58b und einer Speichereinheit58c handeln kann, wie beispielsweise um einen Laptop-Computer (dargestellt) oder einen Desktop-Computer (nicht dargestellt). Wird ein Desktop-Computer verwendet, kann er in einem Wagen62 untergebracht werden. Auf dem Wagen62 ist ein Monitor60 installiert, der mit einem Videoausgang des Computers58 verbunden ist. Zum Computer58 gehören außerdem eine Maus64 oder ein anderes geeignete Zeigegerät und eine Tastatur66 . Das chirurgische Navigationssystem50 enthält eine Kamera68 , die aus drei getrennten CCD-Kameras70 ,72 und74 besteht, die vom Universal-Nachführungsgerät54 erzeugte Infrarot-(IR)-Signale erken nen können. Die Kamera68 ist mittels eines Kameraarms76 am Wagen62 installiert. Obwohl die Kamera68 in1 als am Wagen62 angebaut dargestellt ist, ist es nicht notwendig, dass die Kamera tatsächlich physikalisch am Wagen62 angebaut bzw. befestigt ist. Die Kamera68 kann in jeder ortsfesten Position so installiert werden, dass sie eine gute Sicht auf das Operationsgebiet im Operationssaal hat. Die Kamera68 kann beispielsweise an einer Wand des Operationssaals (nicht dargestellt) oder an der Beleuchtung des Operationssaals (nicht dargestellt) installiert werden. Der Kameraarm76 kann auch ein Kabel86 von der Kamera68 zu einem Lokalisieren88 enthalten, der sich im Innern des Wagens62 befindet. Der Lokalisieren88 arbeitet mit der Kamera68 zusammen, um die Orte der LED's84 auf dem Universal-Nachführungsgerät54 und eventueller anderer Nachführungsgeräte, die sich im Gesichtsfeld der Kamera68 befinden, zu identifizieren. Die CCD-Kameras70 ,72 und74 enthalten ihre eigenen Kalibrierinformationen und übermitteln die Positionsdaten der LED's84 an den Lokalisieren88 . Der Lokalisieren88 wandelt dann unter Anwendung von dem Fachmann bekannten Techniken die Rohpositionsdaten in Positions- und Ausrichtungsdaten. Der Lokalisieren88 sendet die Positions- und Ausrichtungsdaten über ein Kabel90 an den Computer58 . Die Kamera68 enthält außerdem zwei Sender/Empfänger (Transceiver)92 und94 , die mit dem Universal-Nachführungsgerät54 mittels dem Fachmann hinreichend bekannter Techniken kommunizieren können. Die Sender/Empfänger92 und94 sind über eine eigene Schaltung im Kabel86 direkt mit dem Computer58 verbunden. Außerdem ist ein Referenz-Nachführungsgerät78 dargestellt, das über eine Nachführer-Halterung82 an einem Operationstisch80 angebracht ist. Vorzugsweise sollte zwar das Referenz-Nachführungsgerät78 ortsfest sein, es könnte aber an einem Patienten (nicht dargestellt) angebracht werden oder ein zweites Hand-Nachführungsgerät sein. Sowohl das Referenz-Nachführungsgerät78 als auch das Universal-Nachführungsgerät haben mehrere LED's84 , die Licht im Infrarotbereich ausstrahlen, das von den CCD-Kameras70 ,72 und74 erfasst werden kann. Eine ausführlichere Beschreibung des chirurgischen Navigationssystems50 ist in der U.S.-Patentanmeldung 09/764,609, eingereicht am 21. Oktober 2001, enthalten, deren Offenbarung hiermit einbezogen wird. - Wie aus
2 bis7 zu ersehen ist, enthält der Adapter56 einen Körper102 mit einer Kopplungsstiftbrücke104 . Der Körper102 hat eine Außenoberfläche106 und eine Innenoberfläche108 . Eine Öffnung112 wird von der Innenoberfläche108 begrenzt und erstreckt sich durch den Körper102 . Die Öffnung112 hat eine Achse110 wie in2 dargestellt. Die Achse110 muss eine bekannte Beziehung zur Innenoberfläche108 des Adapters56 haben. - Auf der Kopplungsstiftbrücke
104 sind mehrere Kopplungsstifte114 angebracht. In der Ausführungsform von2 bis7 sind vier Kopplungsstifte114 dargestellt. Die mehreren Kopplungsstifte114 werden bereitgestellt, um es dem Chirurgen zu ermöglichen, das Universal-Nachführungsgerät54 am günstigsten Kopplungsstift114 anzubringen, so dass während des durchzuführenden chirurgischen Eingriffs die LED's84 im Universal-Nachführungsgerät54 problemlos eine Visierlinie zur Kamera68 aufrechterhalten werden kann. Obwohl die Ausführungsform von2 bis7 vier Kopplungsstifte114 zeigt, kann jede beliebige Anzahl Kopplungsstifte vorgesehen werden. Die Kopplungsstifte114 enthalten einen Sockel115 , der auf eine solche Weise fest auf der Kopplungsbrücke104 gesichert ist, dass sich der Kopplungsstift114 nicht mehr verschiebt, nachdem er auf der Kopplungsbrücke104 gesichert worden ist. Der Kopplungsstift114 enthält außerdem zwei Stifte116 und eine Hinterschneidung118 , die mit der Kopplungsoberfläche des Universal-Nachführungsgeräts54 zusammenwirken, wie später ausführlicher beschrieben wird, um das Universal-Nachführungsgerät54 fest auf dem Adapter56 zu halten. - Die Öffnung
112 verläuft vollständig durch den Körper102 und ist so geformt, dass bei Durchführung eines chirurgischen Werkzeugs52 durch die Öffnung112 die Werkzeugachse120 des chirurgischen Werkzeugs52 identisch mit der Achse110 der Öffnung112 ist. Diese Identität der Achse110 und der Werkzeugachse120 ist ein wichtiger Aspekt des Adapters56 . Sie ermöglicht, dass der mit dem Referenz-Nachführungsgerät78 zu verwendende Adapter56 nicht nur die Position der Werkzeugspitze126 des chirurgischen Werkzeugs52 , sondern auch die Werkzeugachse120 so kalibrieren kann, dass das chirurgische Navigationssystem50 sowohl die Position als auch die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs52 nachführen kann. Die Öffnung112 und ihre Achse110 können gegenüber dem Mittelpunkt des Körpers102 versetzt sein, wenn das chirurgische Werkzeug52 drehfest vom Adapter56 gehalten werden soll. - Sobald der Adapter
56 auf dem chirurgischen Werkzeug52 platziert worden ist, ist es wichtig, dass die Position des Adapters56 relativ zur Werkzeugspitre126 und zur Werkzeugachse120 unverändert bleibt. Es ist zwar möglich, dass der Adapter56 so konfiguriert wird, dass er an Ort und Stelle um die Werkzeugachse120 rotieren kann, sofern jedoch der Abstand von der Werkzeugspitre126 zum Ort des Universal-Nachführungsgeräts54 und sofern die Beziehung zwischen dem Universal-Nachführungsgerät54 und der Werkzeugachse120 unverändert bleiben, können die Position und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs52 kalibriert und vom chirurgischen Navigationssystem50 nachgeführt werden. - Um den Adapter
56 in einer fixierten Lage relativ zur Werkzeugspitre126 zu halten, sind federbelastete Kugeln122 im Innern der Öffnung112 und in der Innenoberfläche108 des Körpers102 vorgesehen. Diese Kugeln122 werden von Federn124 nach außen vorgespannt und stehen mit dem chirurgischen Werkzeug52 in festem Eingriff, so dass die Beziehung zwischen dem Adapter56 und dem chirurgischen Werkzeug52 aufrechterhalten wird. Das chirurgische Werkzeug52 kann beispielsweise einen kleinen Kanal (nicht dargestellt) haben, in den die Kugeln122 einrasten, wodurch sie den Adapter56 in einer festen Beziehung zur Werkzeugspitre126 halten. Es können auch andere Mittel zur sicheren Befestigung des Adapters56 am chirurgischen Werkzeug52 verwendet werden. - In
8 bis13 ist eine zweite Ausführungsform des Adapters56 dargestellt. Bei der Beschreibung der8 bis13 werden ähnliche Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen wie oben erläutert. Ein Adapter150 enthält eine Kopplungsstiftbrücke104 und hat eine Außenoberfläche106 und eine Innenoberfläche108 . Wie aus8 ersichtlich verläuft eine Achse168 durch eine von der Innenoberfläche108 begrenzte Öffnung152 . Die Öffnung152 im Adapter150 ist größer als die Öffnung112 im Adapter56 . Der Grund für diese größere Öffnung ist das Zusammenwirken mit einem an einem chirurgischen Werkzeug156 angebrachten Befestigungsgerät154 . Auf der Außenoberfläche106 des Adapters150 befindet sich eine Reihe Arretierungen158 . Die Arretierungen158 wirken mit einer Reihe Kugeln160 zusammen, die in der Innenoberfläche162 des Befestigungsgeräts154 gehalten werden. Diese Kugeln160 werden durch einen den Umfang des Befestigungsgeräts154 umgebenden Sicherungsring164 in ihrer Lage gehalten. Das Befestigungsgerät154 enthält außerdem einen glatten Vorsprung166 , der so geformt ist, dass er mit der Öffnung152 des Adapters150 einen engen Passsitz bildet. Der glatte Vorsprung166 hat eine solche Form, dass die Achse168 der Öffnung152 identisch mit der Werkzeugachse170 des chirurgischen Werkzeugs156 ist. Ferner ist auf der Außenoberfläche106 des Adapters150 eine Reihe Nuten172 dargestellt. Diese Nuten172 sind um das Ende des Adapters150 gegenüber der Kopplungsstiftbrücke104 angeordnet. Diese Nuten172 wirken mit einem oder mehreren Stiften174 in der hinteren Oberfläche176 des Befestigungsgeräts154 zusammen. Die Nuten172 und die Stifte174 verhindern die Drehung des Adapters150 um die Achse168 . Die Nuten172 oder die Stifte174 oder beide können entfallen, wenn gewünscht wird, dass sich der Adapter156 frei um die Achse168 drehen kann. - Wie aus
6 und12 ersichtlich ist, können die Adapter56 und150 der vorliegenden Erfindung aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, das maßlich stabil ist und mindestens ein Mal sterilisiert werden kann. Obwohl es wünschenswert sein kann, dass die Adapter wiederholt sterilisiert werden, ist es auch möglich, die Adapter der vorliegenden Erfindung als Einwegartikel zu konzipieren, die bei der Herstellung sterilisiert, bis zur Verwendung im sterilisierten Zustand gehalten und danach entsorgt werden. Wie in6 dargestellt können geeignete Kunststoffe, die maßlich stabil und für chirurgische Zwecke brauchbar sind, wie Polyetheretherketon (PEEK), kohlenfaserverstärktes PEEK, Polysulfon, Polycarbonat, Nylon und Mischungen derselben, verwendet werden. Außerdem können wie in12 gezeigt geeignete Metalle, die für chirurgische Zwecke brauchbar sind, wie chirurgischer Edelstahl, Titan, Wolframcarbid und andere für chirurgische Zwecke geeignete Metalle verwendet werden. - Nunmehr sei auf
14 verwiesen, in der das Universal-Nachführungsgerät54 detaillierter dargestellt ist. Das in14 dargestellte Universal-Nachführungsgerät54 enthält fünf LED's84 , die so angeordnet sind, dass keine drei LED's auf einer einzigen Geraden liegen. Diese Anordnung ermöglicht es dem chirurgischen Navigationssystem50 sowohl die Position als auch die Ausrichtung des Universal-Nachführungsgeräts54 zu bestimmen. Wie zuvor erwähnt, senden diese LED's84 typischerweise Licht im Infrarotbereich aus, was dem Durchschnittsfachmann hinreichend bekannt ist. Das Universal-Nachführungsgerät54 hat eine Taste98 . Diese Taste98 aktiviert die LED's84 , so dass die Kamera68 des chirurgischen Navigationssystems50 das Universal-Nachführungsgerät54 lokalisieren kann. Das Universal-Nachführungsgerät54 enthält außerdem ein programmierbares Statuslicht190 , das auf verschiedene Weise betrieben werden kann. Das Statuslicht190 kann beispielsweise so programmiert werden, dass es kurzzeitig leuchtet, nachdem eine Energiequelle wie eine Batterie194 in einen geeigneten Batteriehalter im Universal-Nachführungsgerät54 eingelegt worden ist. Das Universal-Nachführungsgerät54 enthält ferner eine toleranzlose Adapter-Schnittstelle195 mit einer Öffnung196 , durch die einer der Kopplungsstifte114 eingeführt werden kann. Die Struktur der Öffnung196 und der Kopplungsstifte114 ist dergestalt, dass bei Einführen des Kopplungsstiftes114 in die Öffnung196 eine innere Verriegelung (nicht dargestellt) um die Hinterschneidung118 einschnappt. Die innere Verriegelung kann durch Drücken einer Taste198 gelöst werden, um das Universal-Nachführungsgerät54 vom Kopplungsstift114 abzunehmen. Die Bedeutung der toleranzlosen Adapterschnittstelle besteht darin, dass nach dem das Universal-Nachführungsgerät54 auf dem Kopplungsstift platziert worden ist, die relative Position des Universal-Nachführungsgeräts54 und des Kopplungsstiftes114 nicht mehr verändert werden darf. Ist der Verbund aus Universal-Nachführungsgerät54 , Adapter150 und chirurgischem Werkzeug156 einmal kalibriert, kann das chirurgische Werkzeug156 vom chirurgischen Navigationssystem50 nachgeführt werden. Wird jedoch die Beziehung zwischen diesen Komponenten verändert, muss die Verbundeinheit neu kalibriert werden. - Außerdem enthält das Universal-Nachführungsgerät
54 einen Kalibrierpunkt200 . Der Kalibrierpunkt200 hat eine bekannte Beziehung zu den LED's84 und einen leicht zu identifizierenden Mittelpunkt, so dass das Universal-Nachführungsgerät54 auch als ein Referenz-Nachführungsgerät78 verwendet werden kann, wie in1 dargestellt. Ferner enthält das Universal-Nachführungsgerät54 einen Kommunikations-Sender/Empfänger(-Transceiver)202 , so dass es über die Sender/Empfänger92 und94 direkt mit dem chirurgischen Navigationssystem50 kommunizieren kann. -
15 ist eine Explosionsansicht des Universal-Nachführungsgeräts54 , des Adapters150 und des chirurgischen Werkzeugs156 . Bei der Anwendung wird der Adapter150 über die Länge des chirurgischen Werkzeugs156 geschoben, bis er fest mit dem Befestigungsgerät154 in Eingriff kommt, das fest auf dem chirurgischen Werkzeug156 angebracht ist. Typischerweise wird das Befestigungsgerät154 während der Herstellung zusammen mit dem chirurgischen Werkzeug156 ausgebildet, aber es ist auch möglich, das Befestigungsgerät154 mit Hilfe eines geeigneten Befestigungsmittels (nicht dargestellt) später auf dem chirurgischen Werkzeug156 anzubringen.16 zeigt eine Ansicht des chirurgischen Werkzeugs156 , des Adapters150 und des Universal-Nachführungsgeräts54 im zusammengebauten Zustand. Wie zuvor erwähnt, müssen das chirurgische Werkzeug156 und das daran angebrachte Universal-Nachführungsgerät54 kalibriert werden, bevor das Werkzeug mit dem chirurgischen Navigationssystem verwendet werden kann. - Wie aus
17 ersichtlich ist, wird die Werkzeugspitze126 an den Kalibrierpunkt200 des Referenz-Nachführungsgerät78 angelegt. Das chirurgische Navigationssystem50 kennt sowohl die Lage des Kalibrierpunktes200 auf dem Referenz-Nachführungsgerät78 als auch die Position des Universal-Nachführungsgeräts54 . Aufgrund dieser bekannten Beziehung kann das chirurgische Navigationssystem50 die Lage der Werkzeugspitze126 relativ zum Universal-Nachführungsgerät54 bestimmen, wenn die Werkzeugspitze126 gegen den Kalibrierpunkt200 gehalten wird. Das chirurgische Navigationssystem50 speichert dann die Lage der Werkzeugspitze und die Beziehung zwischen der Lage der Werkzeugspitze und dem Universal-Nachführungsgerät54 im Speicher58b des Computers58 . Darüber hinaus kann das chirurgische Navigationssystem50 die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs156 kalibrieren, da der Adapter150 dazu dient, das Universal-Nachführungsgerät54 auf dem chirur gischen Werkzeug156 anzubauen. Der Adapter150 hat eine bekannte und zuvor definierte Beziehung hinsichtlich der verschiedenen Kopplungsstifte114 zur Achse168 der Öffnung152 und der Werkzeugachse170 . Außerdem ist die Beziehung zwischen jedem Kopplungsstift114 und dem Universal-Nachführungsgerät54 ebenfalls bekannt und zuvor definiert worden. Diese Beziehungen werden in einer im Speicher58b des Computers58 gehaltenen Datenbank für jeden Adapter gespeichert, der mit dem chirurgischen Navigationssystem50 verwendet werden kann. -
18 ist ein Flussdiagramm eines das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwirklichenden Computerprogramms. Das Programm beginnt in Block300 , der bestimmt, ob ein Kalibriergerät wie das Referenz-Nachführungsgerät78 aktiv ist. Ist das Gerät nicht aktiv, verzweigt das Programm zu Block301 , der eine Meldung wie in18A dargestellt anzeigt, wonach das Kalibriergerät eingeschaltet werden sollte. Das Programm geht zu Block300 zurück und wartet, bis das chirurgische Navigationssystem50 ein Signal erhält, das das Einschalten des Kalibriergeräts meldet. Ist das Kalibriergerät aktiviert, verzweigt das Programm zu Block302 , der eine Meldung wie in18B dargestellt anzeigt, mit der der Benutzer zuerst angewiesen wird, den Kalibrierpunkt auf dem Kalibriergerät, z.B. den Kalibrierpunkt200 , mit der Werkzeugspitze, z.B. mit der Werkzeugspitze126 zu berühren, und zweitens die Taste des Nachführungsgeräts, z.B. die Taste98 , zu drücken. Ist die Taste98 aktiviert, werden die LED's84 auf dem Universal-Nachführungsgerät54 aktiviert und von der Kamera68 erkannt. Die Positionsdaten der LED's84 werden an den Lokalisieren88 geschickt, der die Position und Ausrichtung des Universal-Nachführungsgeräts54 an den Computer68 überträgt. Diese Daten werden im Speicher58b gespeichert und sind als Datenblock303 dargestellt. In ähnlicher Weise bestimmt das chirurgische Navigationssystem50 die Position und Ausrichtung des Kalibriergeräts, z.B. des Referenz-Nachführungsgeräts78 . Diese Daten werden ebenfalls im Speicher58b gespeichert und sind als Datenblock304 dargestellt. Das Programm geht dann zum Berechnungsblock305 weiter. Im Block305 berechnet das Programm die Position der Werkzeugspitze aus den in Block303 gespeicherten Positionsdaten des Nachführungsgeräts und der in Block304 gespeicherten Position des Kalibriergeräts. Die Berechnung der Position der Werkzeugspitze erfolgt auf herkömmliche Weise unter Verwendung von Algorithmen, die dem Fachmann hinreichend bekannt und anerkannt sind. - Die Position der Werkzeugspitze aus dem Berechnungsblock
305 wird dann gespeichert und die gespeicherte Position der Werkzeugspitze an den Berechnungsblock306 übergeben, der die Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug156 berechnet. Außer der Position der Werkzeugspitze aus Block305 enthält das chirurgische Navigationssystem50 die Datenbank96 möglicher Achsen der Öffnung152 relativ zur im Speicher58b in der Datenbank96 gespeicherten Lage des Universal-Nachführungsgeräts54 . Die Datenbank96 ist als Block306 dargestellt und enthält Daten, die zuvor im Speicher58b bezüglich der relativen Position des Universal-Nachführungsgeräts54 zu den möglichen Achsen der Öffnung für verschiedene Adapter, z.B. Achse110 oder Achse168 , gespeichert worden sind. Da der Adapter56 und der Adapter150 verschiedene Anzahlen Kopplungsstifte114 haben können, befindet sich jeder dieser Kopplungsstifte relativ zur Achse110 bzw. zur Achse168 in einer anderen Position und hat eine andere Ausrichtung. Die relative Position des Universal-Nachführungsgeräts54 entweder zur Achse110 oder zur Achse168 für jeden Kopplungsstift114 kann durch im Stand der Technik hinreichend bekannte Verfahren berechnet werden. Das Ergebnis dieser Berechnung für die Lage jedes Kopplungsstiftes114 für jeden möglichen Adapter, der mit dem chirurgischen Navigationssystem verwendet werden kann, wird dann in der Datenbank96 gespeichert, die zuvor bei der Initialisierung des Programm in den Speicher58b des Computers58 geladen wurde. - Da es eine Reihe verschiedener Adapterkonfigurationen geben kann, wird der Abstand vom Universal-Nachführungsgerät
54 zur Achse jedes bestimmten Adapters verschieden sein. Jeder Adaptertyp kann mit einem spezifischen Identifizierungszeichen codiert werden, das in das chirurgische Navigationssystem50 eingegeben werden kann. Dies kann manuell über die Tastatur66 oder die Maus64 zur Kennzeichnung des gerade verwendeten Adapters oder unter Verwendung eines intelligenten Adapters500 wie in20 dargestellt automatisch erfolgen. Der Adapter500 hat einen Kommunikations-Sender/Empfänger (Transceiver)502 , der im Adapter500 ge speicherten Informationen wie eine bestimmte Modell- und/oder Ausführungsnummer über die Kommunikations-Sender/Empfänger92 und94 an das chirurgische Navigationssystem50 übertragen kann. - Sobald das chirurgische Navigationssystem
50 die Identität des jeweiligen Adapters kennt, wird die Datenbank96 hinsichtlich der potentiellen Achse für den jeweils verwendeten Adapter, z.B. den Adapter150 , abgefragt und die Untermenge der Daten wird zusammen mit der Position der Werkzeugspitze in den Speicher gelegt, wie durch den Datenblock306 dargestellt. Die Untermenge der im Datenblock306 aus der Datenbank96 gespeicherten Daten wird dann zur Berechnung der Ausrichtungsdaten verwendet. Das Programm geht zu Block307 weiter, der die Ausrichtungsdaten durch Vergleich der Werkzeugspitzenposition mit der Datenuntermenge aus der Datenbank96 , die im Datenblock306 für diesen betreffenden Adapter gespeichert worden sind, berechnet. Liegt die Position der Werkzeugspitze auf einer der potentiellen Achsen aus dem Datenblock306 und liegt die Abweichung der Position der Werkzeugspitre von der gewählten potentiellen Achse innerhalb zulässiger Grenzwerte, dann verzweigt das Programm wie in Block308 gezeigt zum Validierungsprozess. Liegt die Position der Werkzeugspitre nicht innerhalb der zulässigen Grenzwerte auf einer der Achsen, verzweigt das Programm zu Block309 , der eine in18C dargestellte Fehlermeldung anzeigt. Die Steuerung wird dann zu Block302 zurückgeschleift, um den Kalibrierungsprozess zu wiederholen. - Zu Beginn des Validierungsprozesses zeigt ein Block
310 eine in18C dargestellte Meldung an. Die Meldung weist den Benutzer an, den Kalibrierpunkt200 des Kalibriergeräts mit der Werkzeugspitre zu berühren und dann die Taste98 zu drücken. Sobald die Taste98 gedrückt wird, bestimmt das chirurgische Navigationssystem50 die Position des Universal-Nachführungsgeräts54 wie oben beschrieben und speichert sie in einem Datenblock312 . Außerdem wird die Position des Kalibriergeräts auf die gleiche Weise wie oben beschrieben bestimmt und im Datenblock311 gespeichert. Im Block313 wird dann die im Block311 gespeicherte Position mit der gespeicherten Werkzeugspitzenposition aus Block305 verglichen. Liegt der Vergleich durch den Block313 innerhalb zulässiger Fehlergrenzen, bestimmt Block314 , ob die Kalibrierung validiert worden ist, und die Achsendaten sowie die Daten der Werkzeugspitzenposition werden dann in den Speicher58b geschrieben, wie von Block318 dargestellt. Ist der Validierungsprozess nicht erfolgreich, d.h. überschreitet der Vergleich den zulässigen Fehler, so verzweigt das Programm und Block315 zeigt die in18E dargestellte Meldung an, die den Benutzer anweist, den Kalibrierungsschritt zu wiederholen. Zu jedem Zeitpunkt entweder während des Kalibrierungs- oder des Validierungsschrittes hat der Benutzer die Möglichkeit, den gesamten Prozess abzubrechen und entweder die Kalibrierung erneut zu beginnen oder zu einer anderen Aufgabe zurückzugehen. -
19 ist ein Flussdiagramm eines alternativen Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Das Programm beginnt in Block400 , der bestimmt, ob ein Kalibriergerät aktiv ist. Ist das Kalibriergerät nicht aktiv, zeigt Block401 eine Meldung an und das Programm wartet, bis ein Kalibriergerät aktiviert ist. Die in Block401 angezeigte Meldung ist ähnlich der in18A dargestellten. Nach der Aktivierung des Kalibriergeräts zeigt Block402 eine Meldung ähnlich der in18B dargestellten an. Sobald der Benutzer den Kalibrierpunkt200 auf dem Referenz-Nachführungsgerät78 mit der Werkzeugspitze berührt und die Nachführ-Taste98 des Universal-Nachführungsgeräts54 drückt, berechnet Block403 die Position der Werkzeugspitre unter Verwendung der aus der Position des Universal-Nachlaufgeräts54 erzeugten im Block404 gespeicherten Daten und der im Datenblock405 gespeicherten Daten der Position des Kalibriergeräts. Die Position der Werkzeugspitre wird von Block403 in ähnlicher Weise wie in Zusammenhang mit18 beschrieben berechnet. Sobald die Position der Werkzeugspitre bestimmt und gespeichert worden ist, bestimmt ein Block406 , ob der Kalibrierschritt erfolgreich abgeschlossen wurde oder nicht. War der Kalibrierschritt nicht erfolgreich, z.B. eines der Nachführungsgeräte war für das chirurgische Navigationssystem nicht sichtbar, zeigt Block416 eine Fehlermeldung an, die die Art des Fehlers beschreibt. - Ist die Kalibrierung abgeschlossen, speichert Block
406 die Werkzeugspitzenposition im Speicher, das Programm geht zu Block407 weiter, der eine Validierungsmeldung ähnlich der von18C anzeigt. Die Meldung weist den Benutzer an, den Kali brierpunkt200 auf dem Referenz-Nachführungsgerät78 mit der Werkzeugspitre zu berühren und dann die Aktivierungstaste98 am Universal-Nachführungsgerät54 zu drücken. Da das Nachführungsgerät aktiviert ist, bestimmt und speichert Block408 die Position des Nachführungsgeräts und Block409 bestimmt und speichert die Kalibrierposition in ähnlicher Weise wie oben beschrieben. Block410 vergleicht dann die Validierungslage der Werkzeugspitre mit der gespeicherten Position der Werkzeugspitze. Falls Block411 bestimmt, dass die Abweichung zwischen der in Block403 gespeicherten Werkzeugspitzenposition und dem in Block410 bestimmten Validierungswert größer als ein zulässiger Grenzwert ist, war die Validierung nicht erfolgreich und das Programm verzweigt, wie in einer Entscheidung angezeigt; Block421 zeigt eine Fehlermeldung an. Diese Fehlermeldung ist ähnlich wie die in18E dargestellte. Liegt dagegen der Vergleich von Block410 innerhalb der zulässigen Fehlergrenzen, übergibt Block411 die Steuerung zur Achsenkalibrierung. - Block
412 bestimmt die Achsenkalibrierung anhand der gespeicherten validierten Werkzeugspitzenposition aus Block410 und der Überprüfung, ob diese Werkzeugspitzenposition auf einer der im Block413 gespeicherten verfügbaren Achsen aus der Achsendatenbank liegt oder nicht. Die Achsendatenbank ist ähnlich der in Zusammenhang mit18 beschriebenen. Block412 vergleicht die validierte Werkzeugspitzenposition mit den Koordinaten beliebiger Achsengeraden, die dem System bei Verwendung des entsprechenden Adapters zur Verfügung stehen. Liegt die Werkzeugspitzenposition auf einer der entsprechenden Achsen, wird diese Achse gewählt und Block415 verzweigt zu Block414 , der die Daten der gewählten Achse und der Werkzeugspitzenposition in den Speicher58b schreibt, um ein vollständig kalibriertes Werkzeug bereitzustellen. Liegt andererseits die Werkzeugspitzenposition nicht innerhalb zulässiger Grenzwerte auf einer der Achsen der Datenbank, verzweigt Block414 zu Block417 , der nur die Daten der Werkzeugspitzenposition in den Speicher58b schreibt, um ein punktkalibriertes Werkzeug zu schaffen, d.h. ein Werkzeug, von dem nur die Position der Spitze aber nicht die Ausrichtung des Werkzeugs kalibriert ist. Nach dem Schreiben der entsprechenden Daten in den Speicher ist die Kalibrieraufgabe beendet und das Programm endet und geht zu anderen Aufgaben weiter. - Nunmehr sei auf
20 verwiesen, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Adapter500 , der dem Adapter150 ähnelt, bereitgestellt. Dieser Adapter unterscheidet sich vom Adapter150 dadurch, dass er zwei zusätzliche Merkmale hat. Das erste Merkmal ist der Kommunikations-Sender/Empfänger502 , mit dem der Adapter500 Informationen mit dem chirurgischen Navigationssystem50 austauschen kann. Diese Informationen können Kennzeichnung und Typ des Adapters enthalten, so dass die entsprechenden Daten aus der Werkzeugachsen-Datenbank ohne Eingriff seitens des Benutzers gewählt werden können. Ferner ist ein Schalter504 auf der Innenoberfläche108 des Adapters500 dargestellt. Dieser Schalter504 wird gedrückt oder aktiviert, wenn das chirurgische Werkzeug156 in die Öffnung152 des Adapters500 eingeführt wird. Als Schalter504 kann jeder geeignete Schalter verwendet werden. Der Schalter504 könnte beispielsweise von der Art sein, dass er bei Drücken ein Signal über den Kommunikations-Sender/Empfänger502 an das chirurgische Navigationssystem50 sendet, mit dem gemeldet wird, dass ein Werkzeug156 in den Adapter500 eingeführt worden ist. Analog wird bei der Entfernung eines Werkzeugs aus der Öffnung152 und beim Einsetzen eines neuen Geräts in die Öffnung152 des Adapters500 der Schalter zuerst beim Entfernen des Werkzeugs geöffnet und beim Einführen des neuen Werkzeugs gedrückt. Dadurch wird wiederum ein Signal über den Kommunikations-Sender/Empfänger502 an das chirurgische Navigationssystem50 geschickt, dessen Mindestinhalt besagt, dass sich der Zustand des Adapters geändert hat und das Werkzeug neu kalibriert werden muss. Dies kann wichtig sein, da der Adapter für eine große Vielzahl von Werkzeugen während eines chirurgischen Eingriffs verwendet werden könnte, von denen ein jedes eine andere Länge hat, so dass sich der Abstand vom Universal-Nachführungsgerät54 zur Werkzeugspitze ändert. Das System fordert dann den Benutzer auf, die neue Kombination aus Universal-Nachführungsgerät54 , Adapter500 und chirurgischem Werkzeug156 neu zu kalibrieren, so dass die korrekten Daten verwendet und auf dem Monitor60 angezeigt werden. In ähnlicher Weise öffnet der Schalter504 bei Entfernen eines Werkzeugs und schickt ein Signal an das chirurgische Navigationssystem50 , mit dem dieses informiert wird, dass zum betreffenden Adapter und dem zugehörigen Universal-Nachführungsgerät kein Werkzeug vorhanden ist. Das macht die betreffende Kombi nation aus Nachführungsgerät, chirurgischem Werkzeug und Adapter für die Verwendung mit dem System ungültig, bis eine Kalibrierung erfolgt. - Industrielle Anwendbarkeit
- Die vorliegende Erfindung ist für die rasche und einfache Kalibrierung sowohl der Position als auch der Ausrichtung eines bestimmten chirurgischen Werkzeugs nützlich, wobei keine komplizierten Kalibriergeräte erforderlich sind, die getrennt sterilisiert werden müssen, damit sie in einer chirurgischen Umgebung verwendet werden können.
- Angesichts der vorstehenden Beschreibung werden sich für den Fachmann zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung erschließen. Demzufolge soll diese Beschreibung nur als beispielhaft verstanden werden und dient dem Zweck, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung zu verwirklichen und zu nutzen und die beste Art ihrer Verwirklichung zu lehren. Die Ausschlussrechte auf alle Modifikationen, die in den Gültigkeitsbereich der beigefügten Ansprüche fallen, sind vorbehalten.
Claims (62)
- Verfahren für die Kalibrierung einer Position und einer Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend die Schritte: Anbringen eines Nachführungsgeräts, das zur Kommunikation mit dem chirurgischen Navigationssystem fähig ist, unter Verwendung eines Adapters am chirurgischen Werkzeug, wobei das chirurgische Werkzeug eine Werkzeugachse und eine Werkzeugspitze und der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse hat; Berühren eines Kalibriergeräts mit der Werkzeugspitre, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann und in der Lage ist, die Position der Werkzeugspitre relativ zur Position des Nachführungsgeräts zu bestimmen; Berechnen der Position der Werkzeugspitze; Berechnen von Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug aus der bekannten Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse sowie aus der Position der Werkzeugspitze; und Speichern der Position der Werkzeugspitre für das chirurgische Werkzeug und der Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug im Speicher des chirurgischen Navigationssystems, so dass bei Verwendung des chirurgischen Werkzeugs mit dem chirurgischen Navigationssystem die Position und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter eine Innenoberfläche hat und die Innenoberfläche eine Öffnung mit einer Achse begrenzt, und die bekannte Beziehung die Identität der Werkzeugachse mit der Öffnungsachse ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsgerät mittels einer Kopplungsstruktur am Adapter angebracht ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsstruktur das Nachführungsgerät in einer bezüglich des Adapters vorgegebenen Position verriegelt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chirurgische Navigationssystem ein optisches System ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, den weiteren Schritt des Mitteilens von Identitätsinformationen vom Nachführungsgerät zum chirurgischen Navigationssystem enthaltend.
- Verfahren nach Anspruch 1, den weiteren Schritt des Bestimmens der Anwesenheit eines chirurgischen Werkzeugs im Adapter enthaltend.
- Verfahren nach Anspruch 1, den weiteren Schritt des Mitteilens der Anwesenheit des Adapters an das chirurgische Navigationssystem enthaltend.
- Verfahren nach Anspruch 1, den weiteren Schritt des Validierens der Position der Werkzeugspitze enthaltend.
- Verfahren nach Anspruch 1, die weiteren Schritte des Bereitstellens einer Datenbank bekannter Beziehungen zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse; und des Verwendens der Datenbank sowie der Position der Werkzeugspitze zur Berechnung der Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug enthaltend.
- Adapter zum Anbringen eines Nachführungsgeräts an einem chirurgischen Werkzeug mit einer Achse, umfassend: einen Körper mit einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche; eine Kopplungsstruktur für das Nachführungsgerät, die auf der Außenoberfläche angebracht ist; und bei dem die Innenoberfläche eine Öffnung mit einer Achse begrenzt und die Öffnung eine solche Form hat, dass das chirurgische Werkzeug so in Eingriff mit ihr kommt, dass die Achse der Öffnung und die Achse des chirurgischen Werkzeugs identisch sind.
- Adapter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsstruktur das Nachführungsgerät in einer vorgegebenen Position bezüglich des Körpers verriegelt.
- Adapter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsgerät ein optisches Nachführungsgerät ist.
- Adapter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Nachführungsgerät Infrarot-LED's enthält.
- Adapter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper auf das chirurgische Werkzeug schiebbar ist.
- Adapter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper in ein Befestigungsgerät auf dem chirurgischen Werkzeug passt.
- Adapter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper in ein Befestigungsgerät auf dem chirurgischen Werkzeug einrastet.
- Adapter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter ein Näherungsdetektorgerät enthält, um die Anwesenheit eines chirurgischen Werkzeugs zu bestimmen.
- Adapter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter einen Kommunikations-Sender/Empfänger enthält.
- Adapter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenoberfläche zwei Kopplungsstrukturen angebracht sind.
- System für die Kalibrierung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend: eine Speichereinheit; einen Adapter, der an einem chirurgischen Werkzeug mit einer Werkzeugspitre und einer Werkzeugachse angebracht werden kann; ein am Adapter angebrachtes Nachführungsgerät, das vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden kann, wobei der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse besitzt; ein Kalibriergerät, das die Position der Werkzeugspitre relativ zur Position des Nachführungsgeräts bestimmen und mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann; eine erste Schaltung, die die Position der Werkzeugspitre berechnet und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der bekannten Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse sowie aus der Position der Werkzeugspitre berechnet, und eine zweite Schaltung, die die Position der Werkzeugspitre und die Ausrichtung des Werkzeugs in der Speichereinheit speichert.
- System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsgerät mit einer Kopplungsstruktur am Adapter befestigt ist.
- System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsstruktur das Nachführungsgerät relativ zum Adapter in einer vorgegebenen Position verriegelt.
- System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter ein Körper mit einer Innenoberfläche und einer Außenoberfläche ist.
- System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche eine Öffnung mit einer Achse definiert und die Öffnung eine Form hat, mit der das chirurgische Werkzeug in Eingriff bringbar ist, wobei die Werkzeugachse des in die Öffnung eingeführten chirurgischen Werkzeugs und die Achse der Öffnung identisch sind.
- System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsgerät ein optisches Nachführungsgerät ist.
- System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Nachführungsgerät Infrarot-LED's enthält.
- System nach Anspruch 21, das ferner eine Datenbank bekannter Beziehungen zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse enthält, und bei dem eine erste Schaltung die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank bekannter Beziehungen zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse sowie aus der Position der Werkzeugspitze berechnet.
- Verfahren für die Kalibrierung einer Position und einer Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend: Anbringen eines Nachführungsgeräts, das zur Kommunikation mit dem chirurgischen Navigationssystem fähig ist, unter Verwendung eines Adapters am chirurgischen Werkzeug, wobei das chirurgische Werkzeug eine Werkzeugachse und eine Werkzeugspitze besitzt und der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse aufweist; Berühren eines Kalibriergeräts mit der Werkzeugspitze, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann und in der Lage ist, die Position der Werkzeugspitze relativ zur Position des Nachführungsgeräts zu bestimmen; Berechnen der Position der Werkzeugspitze; Speichern der Position der Werkzeugspitze im Speicher des chirurgischen Navigationssystems; und Bestimmen von Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug aus der Position der Werkzeugspitze und aus einer Datenbank gespeicherter Beziehungen des Nachführungsgeräts bezüglich der Werkzeugachse sowie aus der Position der Werkzeugspitze derart, dass die Position der Werkzeugspitze eine Achse des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank schneidet, so dass dann, wenn das chirurgische Werkzeug mit dem chirurgischen Navigationssystem verwendet wird, die Position und Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können.
- Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter eine Innenoberfläche hat, die eine Öffnung mit einer Achse definiert, und bei dem die Werkzeugsachse des in die Öffnung eingeführten chirurgischen Werkzeugs und die Achse der Öffnung identisch sind.
- Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsgerät mittels einer Kopplungsstruktur am Adapter angebracht ist.
- Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsstruktur das Nachführungsgerät in einer vorgegebenen Position relativ zum Adapter verriegelt.
- Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das chirurgische Navigationssystem ein optisches System ist.
- Verfahren nach Anspruch 29, ferner den Schritt des Übertragens von Identitätsinformationen vom Nachführungsgerät zum chirurgischen Navigationssystem enthaltend.
- Verfahren nach Anspruch 29, ferner den Schritt des Bestimmens der Anwesenheit eines chirurgischen Werkzeugs im Adapter enthaltend.
- Verfahren nach Anspruch 29, ferner den Schritt des Mitteilens der Anwesenheit des Adapters an das chirurgische Navigationssystem enthaltend.
- Verfahren nach Anspruch 29, ferner den Schritt des Validierens der Position der Werkzeugspitze enthaltend.
- Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter mehrere Kopplungsstationen hat, und der Schritt des Bestimmens der Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank gespeicherter Werte Achsendaten für die Lage jeder Kopplungsstation verwendet.
- System für die Kalibrierung der Position und Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend: Mittel zum Anbringen eines Nachführungsgeräts, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann, am chirurgischen Werkzeug unter Verwendung eines Adapters, wobei das chirurgische Werkzeug eine Werkzeugachse und eine Werkzeugspitze besitzt und der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse aufweist; Mittel zur Berechnung der Position der Werkzeugspitze, indem die Werkzeugspitze ein Kalibriergerät berührt, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren und die Position der Werkzeugspitze relativ zur Position des Nachführungsgeräts bestimmen kann; Mittel zur Berechnung von Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug aus der bekannten Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze; und Mittel zur Speicherung der Position der Werkzeugspitze für das chirurgische Werkzeug und der Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug im Speicher des chirurgischen Navigationssystems, so dass bei Verwendung des chirurgischen Werkzeugs mit dem chirurgischen Navigationssystem die Position und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können.
- System nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsgerät mittels eines Kopplungsmittels am Adapter angebracht ist.
- System nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel das Nachführungsgerät in einer vorgegebenen Position relativ zum Adapter verriegelt.
- System nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter ein Körper mit einer Innenoberfläche und einer Außenoberfläche ist.
- System nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche eine Öffnung mit einer Achse definiert und eine Form hat, um mit dem chirurgischen Werkzeug in Eingriff gebracht zu werden, wobei die Werkzeugachse des in die Öffnung eingeführten chirurgischen Werkzeugs und die Achse der Öffnung identisch sind.
- System nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsgerät ein optisches Nachführungsgerät ist.
- System nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Nachführungsgerät Infrarot-LED's enthält.
- System nach Anspruch 39, das eine Datenbank bekannter Beziehungen des Nachführungsgeräts bezüglich der Werkzeugachse enthält, und bei dem eine erste Schaltung die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank bekannter Beziehungen des Nachführungsgeräts bezüglich der Werkzeugachse sowie aus der Position der Werkzeugspitze berechnet.
- System für die Kalibrierung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend: eine Speichereinheit; Mittel zum Anbringen eines Adapters an einem chirurgischen Werkzeug mit einer Werkzeugspitze und einer Werkzeugachse; Mittel zum Nachführen des am Adapter angebrachten chirurgischen Werkzeugs, wobei die Nachführungsmittel vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können und der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse hat; Kalibriermittel, die die Position der Werkzeugspitre relativ zur Position der Nachführungsmittel bestimmen und mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren können; Mittel zur Berechnung der Position der Werkzeugspitze und zur Berechnung der Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der bekannten Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze; und Mittel zum Speichern der Position der Werkzeugsspitze und der Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs in der Speichereinheit.
- System nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsmittel mittels eines Kopplungsmittels am Adapter angebracht ist.
- System nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel das Nachführungsgerät in einer vorgegebenen Position relativ zum Adapter verriegelt.
- System nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter ein Körper mit einer Innenoberfläche und einer Außenoberfläche ist.
- System nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche eine Öffnung mit einer Achse definiert und eine Form hat, um mit dem chirurgischen Werkzeug in Eingriff gebracht zu werden, wobei die Werkzeugachse des in die Öffnung eingeführten chirurgischen Werkzeugs und die Achse der Öffnung identisch sind.
- System nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsmittel ein optisches Nachführungsgerät ist.
- System nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Nachführungsgerät Infrarot-LED's enthält.
- System nach Anspruch 47, das ferner eine Datenbank bekannter Beziehungen des Nachführungsgeräts bezüglich der Werkzeugachse enthält, und bei dem die erste Schaltung die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank bekannter Beziehungen des Nachführungsgeräts bezüglich der Werkzeugachse sowie aus der Position der Werkzeugspitze berechnet.
- System für die Kalibrierung einer Position und einer Ausrichtung eines chirurgischen Werkzeugs zur Verwendung mit einem chirurgischen Navigationssystem, umfassend: Mittel zum Anbringen eines Nachführungsgeräts, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren kann, mittels eines Adapters am chirurgischen Werkzeug, das eine Werkzeugachse und eine Werkzeugspitze besitzt und bei dem der Adapter eine bekannte Beziehung zwischen dem Nachführungsgerät und der Werkzeugachse aufweist; Mittel zur Berechnung der Position der Werkzeugspitze, indem die Werkzeugspitze ein Kalibriergerät berührt, das mit dem chirurgischen Navigationssystem kommunizieren und die Position der Werkzeugspitze relativ zur Position des Nachführungsgeräts bestimmen kann; Mittel zum Speichern der Position der Werkzeugspitze im Speicher des chirurgischen Navigationssystems; Mittel zur Bestimmung von Ausrichtungsdaten für das chirurgische Werkzeug aus der Position der Werkzeugspitze und aus einer Datenbank gespeicherter Beziehungen des Nachführungsgeräts bezüglich der Werkzeugachse und aus der Position der Werkzeugspitze derart, dass die Position der Werkzeugspitze eine Achse des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank schneidet, so dass dann, wenn das chirurgische Werkzeug mit dem chirurgischen Navigationssystem verwendet wird, die Position und die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs vom chirurgischen Navigationssystem nachgeführt werden können.
- System nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsgerät mittels eines Kopplungsmittels am Adapter angebracht ist.
- System nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmittel das Nachführungsgerät in einer vorgegebenen Position relativ zum Adapter verriegelt.
- System nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter ein Körper mit einer Innenoberfläche und einer Außenoberfläche ist.
- System nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche eine Öffnung mit einer Achse definiert und eine Form hat, um mit dem chirurgischen Werkzeug in Eingriff gebracht zu werden, wobei die Werkzeugachse des in die Öffnung eingeführten chirurgischen Werkzeugs und die Achse der Öffnung identisch sind.
- System nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachführungsmittel ein optisches Nachführungsgerät ist.
- System nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Nachführungsgerät Infrarot-LED's enthält.
- System nach Anspruch 55, das ferner eine Datenbank bekannter Beziehungen des Nachführungsgeräts bezüglich der Werkzeugachse enthält, und bei dem die erste Schaltung die Ausrichtung des chirurgischen Werkzeugs aus der Datenbank bekannter Beziehungen des Nachführungsgeräts bezüglich der Werkzeugachse sowie aus der Position der Werkzeugspitze berechnet.
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