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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf computerunterstützte, bildgeführte medizinische
Systeme und Operationssysteme, die Bilder während medizinischen und chirurgischen
Verfahren erzeugen, die die relative Position verschiedener Körperteile,
chirurgischer Implantate und Instrumente anzeigen. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System für die Bestimmung
der Position einer drahtlosen Referenzsonde oder eines Bogens unter
Verwendung eines sequenzierten Beleuchtungsmusters, um Lichter auf
der Sonde oder einem Referenzbogen oder Rahmen zu synchronisieren,
um eine Position von diesen allen zu bestimmen.
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Computerunterstützte bildgeführte medizinische
und chirurgische Navigationssysteme sind bekannt und werden verwendet,
um Bilder zu erzeugen, um einen Arzt während eines chirurgischen Verfahrens
zu führen.
Solche Systeme sind beispielsweise im US-Patent Nr. 5,383,454 A
von Bucholz; der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US94/04530 (Veröffentlichungsnummer
WO 94/2493 A1) von Bucholz, und der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US95/12984
(Veröffentlichungsnummer
WO 96/11624 A2) von Bucholz et al. beschrieben, wobei diese hiermit
durch Bezugnahme eingeschlossen werden.
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Im
allgemeinen verwenden diese bildgeführten Systeme Bilder eines
Körperteils,
wie CT-Abtastungen, die vor der Operation aufgenommen wurden, um
Bilder auf einer Anzeige, wie einem Kathodenstrahlröhrenmonitorschirm,
während
der Operation zu erzeugen, um die Position eines chirurgischen Instruments
in Bezug auf den Körperteil
darzustellen. Das System umfaßt
typischerweise Spurverfolgungsvorrichtungen, wie beispielsweise
eine LED-Anordnung, die auf einem chirurgischen Instrument als auch
einem Körperteil
montiert sind, einen Digitalisierer oder eine Kameravorrichtung,
um in Echtzeit die Position der LED-Anordnungen und somit des Körperteils
und des Instruments, das während
der Operation verwendet wird, zu verfolgen, und einen Monitorschirm,
um Bilder darzustellen, die den Körperteil und die Position des
Instruments relativ zum Körperteil
darstellen, während
das chirurgische Verfahren durchgeführt wird.
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Aktuelle
stereotaktische chirurgische Systeme, wie sie im US-Patent 5,383,454
A und der PCT-Anmeldung. Nr. PCT/US95/12984 beschrieben sind, beschreiben
ein System, das eine Sonde als auch einen Körperteil während der Operation verfolgen.
Wie dort beschrieben ist, wird ein Referenzbogen oder ein Rahmen
in fester Beziehung zum Kopf eines Patienten positioniert. Sowohl
die Sonde als auch der Referenzbogen schließen Strahler ein, die detektiert
und durch ein Verarbeitungssystem verwendet werden, um die Position
der Sonde und des Bogens im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. In
diesen Systemen des Standes der Technik müssen sowohl der Referenzbogen
als auch die Sonde äußere Signale
empfangen, typischerweise durch einen Draht oder ein Kabel oder
eine andere geeignete Verbindung, um die Strahler zu aktivieren.
Der Chirurg initiiert diese äußeren Signale,
typischerweise indem er beispielsweise einen Knopf auf einem Fußschalter
drückt.
Der Knopf kann mit einem Prozessor verbunden sein, der ein Signal
zu den Sondenstrahlern sendet, und sie veranlaßt, Strahlung auszusenden.
Der Prozessor muß auch
die Strahler auf dem Referenzbogen zu einem Leuchten veranlassen.
Ein Problem bei diesem System des Standes der Technik besteht darin,
daß die
Drähte,
die die Sonde mit dem Prozessor verbinden, die Arbeit des Chirurgen
stören können. Zusätzlich muß sich der
Chirurg Zeit nehmen, das Fußpedal
zu drücken,
ansonsten kann es sein, daß er
nicht konstante Aktualisierungen der Sondenposition ohne ein wiederholtes
Betätigen
des Bodenpedals erhält.
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Die
US 5,622,170 A beschreibt
eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position und Orientierung eines
invasiven Teils einer Sonde innerhalb eines dreidimensionalen Körpers. Die
Sonde umfasst mindestens 2 Lichtemitter, wie beispielsweise Leuchtdioden,
die Lichtpulse aussenden. Die Lichtpulse werden von drei ortsfesten
Lichtsensoren detektiert. Darüber
hinaus können
die Lichtsensoren auch Licht von anderen optionalen Referenzlichtemittern
detektieren. Der Zweck der Referenzemitter besteht darin, die Berechnung
der Transformationsmatrix zwischen dem Koordinatensystem des Bildes
der Sonde und dem Koordinatensystem der Referenzsensoren und des
Patienten selbst zu automatisieren. Eine Steuereinheit, die mit
der beweglichen Sonde über
eine Datenleitung verbunden ist und mit den Sensoren ebenfalls über Datenleitungen
verbunden ist, synchonisiert das Zeitmultiplexen der zwei Lichtemitter.
Die Sonde kann auch ohne ein Kabel verwendet werden, wobei eine
charakteristische Modultion für
jeden der Lichtemitter eingesetzt wird. Die beiden Lichtemitter können sich
durch ihre Pulsdauer oder Freuquenz unterscheiden. Während eines
Korrelationsvorgangs kann die Sonde an jedem der durch Referenzemitter gekennzeichneten
Referenzpunkte positioniert werden, um eine eindeutige lineare Transformation
zwischen der durch die Sensoren vermittelten tatsächlichen
Position der Sonde und dem Bild der Sonde am Monitor festzulegen.
In einem automatischeren Verfahren wird der Ort der Referenzemitter
im realen Raum durch die Sensoren bestimmt. Dieser Vorgang läuft während einer
Korrelationsphase ab, die von einem Computer automatisch eingeleitet
werden kann. Tatsächlich
kann diese Korrelationsphase öfter
kurz wiederholt werden, um die lineare Transformation neu zu berechnen,
falls sich beispielsweise der Patient relativ zu den Sensoren bewegt.
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Die
DE 42 25 112 C1 offenbart
ebenfalls eine Einrichtung zum Messen der Position eines Instruments
relativ zu einem Behandlungsobjekt, z.B. dem Kopf eines Patienten.
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Es
ist die Aufgabe dieser Erfindung, ein zuverlässigeres System für das Anzeigen
einer Position eines Objekts anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
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In
dieser Patentanmeldung beschriebene Systeme umfassen eine Vorrichtung,
um eine Position einer Sonde in Bezug auf ein Objekt, wie beispielsweise
einen Schädel
oder einen spinalen Wirbel, zu bestimmen. Ein Referenzbogen weist
einen ersten Satz von Strahlern, die auf ihm angeordnet sind, auf
und er ist fest auf dem Objekt positioniert. Eine Sonde weist einen
zweiten Satz von Strahlern, die auf ihr positioniert sind, auf,
und sie wird durch einen Chirurgen nahe dem Objekt positioniert.
Eine Aktivierungsschaltung in der Sonde bewirkt ein An- und Ausschalten
des zweiten Satzes von Strahlern in einer vorbestimmten Sequenz,
um ein erstes geordnetes Lichtmuster zu erzeugen. Ein Detektor,
der Teil eines Digitalisierers ist, ist angeordnet, um die Strahlung
von den ersten und zweiten Sätzen
von Strahlern zu detektieren. Ein Prozessor umfaßt Befehle für das Erkennen
des geordneten Musters, das durch den zweiten Satz von Strahlern
ausgegeben wird, basierend auf der Strahlung, die durch den Detektor
detektiert wird, und für
das An- und Abschalten des ersten Satzes von Strahlern in einem
zweiten geordneten Muster, dessen Grenzen mit dem ersten geordneten
Muster überlappen,
wobei eine Position sowohl des Referenzbogens als auch der Sonde
durch den Prozessor auf der Basis der detektierten Strahlung bestimmt
werden kann.
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In
einer alternativen Ausführungsform
umfaßt
der Referenzbogen eine Aktivierungsschaltung für das Aufleuchtenlassen des
ersten Satzes von Strahlern in einem Muster.
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In
einer alternativen Ausführungsform
umfaßt
die Sonde eine Aktivierungsschaltung, die Strahler auf der Sonde
mit einer anderen Rate zum Strahlen bringt als eine Aktivierungsschaltung
im Referenzbogen, die Strahler auf dem Bogen zum Strahlen bringt.
Ein Prozessor umfaßt
Instruktionen für
das Erkennen der verschiedenen geordneten Muster, die vom Satz von
Strahlern auf dem Bogen und der Sonde ausgegeben werden, wobei eine
Position sowohl des Referenzbogens als auch der Sonde auf der Basis
der detektierten Strahlung bestimmt werden kann.
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Es
sollte verständlich
sein, daß die
vorangehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte
Beschreibung nur als Beispiel und Erläuterung dienen und die beanspruchte
Erfindung nicht einschränken
sollen.
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Die
begleitenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung eingeschlossen
werden und einen Teil dieser Beschreibung bilden, zeigen Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die
Aufgabe, Vorteile und Prinzipien der Erfindung zu zeigen.
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1 ist eine schematische
Vorderansicht eines computergestützten
bildgeführten
Operationssystems, das mit einer drahtlosen Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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2 zeigt eine Steuerschaltung,
die in der Sonde, die in 1 gezeigt
ist, gemäß der vorliegenden
Erfindung plaziert ist;
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3 zeigt ein Zeitdiagramm
des Musters der Aktivierung der LEDs auf der Sonde unter Verwendung
der Steuerschaltung der 2 und
sie umfaßt
die zeitliche Abfolge der Aktivierung der LEDs auf einem Referenzbogen,
die durch das System, das in 2 gezeigt
ist, aktiviert werden, und die Detektionsrahmen und Lokalisationsrahmen
des Prozessors;
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4 zeigt ein Flußdiagramm
der Schritte für
das Initialisieren des Systems der vorliegenden Erfindung und das
Bestimmen der Position der Sonde und des Referenzbogens;
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5 zeigt ein Zeitdiagramm
der Ausstrahlung von Licht vom Referenzbogen und der Sonde gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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6 zeigt ein Zeitdiagramm
der Ausstrahlung von Licht vom Referenzbogen und der Sonde gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Es
wird nun im Detail Bezug genommen auf die aktuell bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, von denen Beispiele in den begleitenden Zeichnungen
dargestellt sind. Immer wenn es möglich ist, wurden dieselben
Bezugszeichen in den Zeichnungen und der Beschreibung verwendet,
um dieselben oder ähnliche
Teile zu bezeichnen.
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Das
medizinische Instrument der vorliegenden Erfindung ist allgemein
als Teil des Systems 11 in 1 gezeigt.
Ein Instrument, wie eine Sonde 100, kann in bekannten computerunterstützten bildgeführten chirurgischen
Navigationssystemen, wie dem System 11, das in 1 gezeigt und in der PCT-Anmeldung
Nr. PCT/US95/12984 (Veröffentlichungsnummer
WO 96/11624 A2) von Bucholz et. al. beschrieben ist, verwendet werden.
Ein computerunterstütztes
bildgeführtes
chirurgisches System 11 erzeugt ein Bild für die Anzeige
auf einem Kathodenstrahlröhrenmonitor 106,
das in Echtzeit die Position eines Körperteils, wie eines Schädels, der
allgemein durch einen Kreis 119 dargestellt ist, der Referenzpunkte 118 aufweist,
und die Position einer Sonde 100 relativ zum Körperteil 119 darstellt.
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Ein
Bild kann auf einem Monitor 106 aus einem Bilddatensatz,
der in einer Steuervorrichtung, wie einem Computer 108,
gespeichert ist, der im allgemeinen vor der Operation durch gewisse
Abtasttechniken, wie beispielsweise durch einen CT-Scanner oder durch
eine Magnetresonanzbildgebung (MRI) erzeugt wird, erzeugt werden.
Der Bilddatensatz und das erzeugte Bild haben Referenzpunkte für mindestens
einen Körperteil.
Die Referenzpunkte für den
speziellen Körperteil
haben eine feste räumlich Beziehung
zum speziellen Körperteil.
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Das
System 11 umfaßt
im allgemeinen auch einen Prozessor für das Verarbeiten von Bilddaten, der
als Computer 108 dargestellt ist, und es zeigt diese verarbeitete
Daten auf einem Monitor 106 an. Die Digitalisiersteuereinheit 114 befindet
sich unter der Steuerung des Computers 108. Ein Digitalisierer 114 in
Verbindung mit einem Referenzrahmen oder -bogen 120 und
einer Sensoranordnung 110 oder einer anderen bekannten
Positionmeßeinheit
verfolgt in Echtzeit die Position eines Körperteils, wie des Schädels 119,
der im Referenzbogen 120 festgemacht ist, und die Position
einer Sonde 100. Der Referenzbogen 120 hat Strahler 122 (wie
LEDs A1, A2, A3, A4 und A5) oder andere Spurverfolgungsmittel, die
Signale erzeugen, die die Position von verschiedenen Körperreferenzpunkten
dar stellen. Der Referenzbogen 120 ist räumlich in Beziehung zu einem
Körperteil
durch eine Klammervorrichtung, die allgemein mit 124, 125 und 126 bezeichnet
ist, fixiert, so daß sich der
Bogen 120 bewegt, wenn der Körperteil während der Operation bewegt
wird. Die Sonde 100 weist ebenfalls eine Spurverfolgungsvorrichtung
auf, die als ein Strahleranordnungssatz 40 (wie LEDs 366, 368, 369)
gezeigt ist, der Signale erzeugt, die die Position der Sonde während der
Operation darstellen.
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Die
Sensoranordnung 110, die auf einer Stütze 112 montiert ist,
empfängt
und trianguliert in Verbindung mit dem Digitalisierer 114 und
dem Computer 108 die Signale, die durch die Strahler 122 und den
Strahleranordnungssatz 40 erzeugt werden, um während der
Operation die relative Position der Referenzpunkte auf dem Bogen 120 und
der Sonde 100 zu identifizieren. Der Digitalisierer 114 und
der Computer 108 können
dann den Bilddatensatz gemäß der identifizierten
relativen Position jeder der Referenzpunkte während der Operation modifizieren.
Der Computer 108 kann dann einen Bilddatensatz für eine Anzeige
auf dem Monitor 106 erzeugen, der die Position des Körperteils
und der Sonde auf dem passenden CT oder MRI Bildteil während der
Operation darstellt. Die allgemeine Struktur und der Betrieb eine bildgeführten chirurgischen
Systems ist aus dem Stand der Technik wohl bekannt und muß hier nicht weiter
diskutiert werden.
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Um
die Strahler auf einem Referenzbogen und der Sonde zu initiieren,
fordern einige System des Standes der Technik, daß der Chirurg
eine positive Aktion, wie das Niederdrücken eines Fußschalters,
der mit einem Digitalisierer 114 verbunden ist, der mit
einem Kabel an einer Sonde 100 befestigt ist, durchführt. Dies
belastet jedoch den Chirurgen übermäßig, und
es kann sein, daß keine
kontinuierlichen und einfachen Aktualisierungen der Position der
Sonde möglich
sind. Die vorliegende Erfindung erfordert keine Aktion vom Chirurgen,
um Strahler auf dem Referenzbogen zu aktivieren und sie eliminiert
die Notwendigkeit, daß der
Chirurg ein Kabel an der Sonde 100 befestigt, um die Strahler
zu aktivieren.
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1 zeigt die Sonde 100,
die einen Körper 41 und
einen Strahlersatz 40 aufweist. Bei der Sonde 100 kann
es sich um eine Sonde aus einer Vielzahl von Typen chirurgischer
Instrumente, wie eine chirurgische Koagulationszange, eine bipolare
Koagulationszange, einen Bohrer, ein Saugrohr, eine Bayonettätzvorrichtung,
eine Katheterführung,
eine Bohrerführung
oder irgend ein chirurgisches Instrument, das so modifiziert ist,
wie das in Bezug auf die 2–4 diskutiert wird, handeln.
Die Sonde 100 kann drahtlos sein und sie besitzt eine Batterie 361 für die Leistungsversorgung
und eine innere Schaltung, die in 2 gezeigt
ist, für
das Steuern des Lichtstrahlersatzes 40. In einer Ausführungsform kann
sich ein Schalter auf der Sonde befinden, um den Strahlersatz 40 zu
aktivieren und abzuschalten.
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Die
Sonde 100 umfaßt
innerhalb des Körpers 41 eine
Steuerschaltung 362 für
das Steuern der Ausstrahlung des Lichts vom Strahlersatz 40. 2 zeigt die Hardware der
Steuerschaltung 362, die einen Mikroprozessor 364,
der als ein Motorola 68HC705J2CS gezeigt ist, einschließt. Jeder
geeignete Mikroprozessor oder jede geeignete Mustergeneratorschaltung,
die aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann verwendet werden.
Die Steuerschaltung 362 steuert den Lichtstrahlersatz 40 an,
der mindestens zwei Lichtstrahler einschließt, wobei er in der dargestellten
Form drei LEDs 366, 368 und 369 einschließt, die
alle geeignet auf der Sonde 100 positioniert sind, so daß sie durch
die Sensoranordnung 110 überwacht werden können. Der
Ausgang PAO 18 steuert die erste LED 366 an, der
Ausgang PA1 17 steuert die zweite LED 368 an,
und der Ausgang PA2 16 steuert die dritte LED 369 an.
Wenn zusätzliche Strahler
gewünscht
werden, so können
andere Ausgänge,
wie die Ausgänge 11–15 zur
Ansteuerung verwendet werden. Das Taktzeitsignal, das durch den
4 Megahertz Kristall des Taktgebers 370 erzeugt wird, wird
in OSC1 und OSC2 eingegeben.
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Weiter
umfaßt
in Bezug auf 2 der Mikroprozessor 364 Routinesoftware
und Hardware für das
Steuern der Strahler auf der Sonde 100, so daß sie Signale
erzeugen, um den Strahlersatz 40 anzusteuern. Bei der vorliegenden
Erfindung werden die Strahler auf der Sonde 100 in einem
vorbestimmten geordneten Muster aktiviert, wie das beispielsweise allgemein
bei 400 in 3 gezeigt
ist. Die Sonde der vorliegenden Erfindung agiert unabhängig vom
Digitalisierer 114, insofern die Sonde 100 nicht
mit dem Digitalisierer 114 verbunden oder gesteuert ist.
Die Sonde 100 umfaßt
die innere Schaltung, die oben beschrieben wurde, für das Aktivieren
der Strahler auf der Sonde 100 in einer vorbestimmten Reihenfolge zu
vorbestimmten Zeiten. Diese Reihenfolge und diese zeitliche Folge
der Aktivierung der Strahler wird als geordnetes Muster bezeichnet.
Ein Beispiel des Musters ist in 3 gezeigt.
Andere Muster als das Muster der 3,
wie beispielsweise irgendwelche zyklischen Muster mit einer für die Erkennung
durch den Digitalisierer 114 ausreichenden Periode, können ebenfalls
verwendet werden, solange der Digitalisierer 114 und/oder
der Computer 108 so programmiert sind, daß der Digitalisierer 114 dasselbe
vorbestimmte Muster, das durch die Sonde 100 erzeugt wird,
erkennen kann. Der Computer 108 besitzt einen Speicher,
wobei der Computer 108 im Vorhinein programmiert wird,
um das vordefinierte Muster 400 zu speichern, und dieses
Muster 400 kann in den Digitalisierer 114 während der
Initialisierung programmiert werden; somit kann der Digitalisierer 114 das
Muster 400 erkennen, wenn es durch die Sonde 100 ausgegeben
wird.
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Vorzugsweise überlappt
sich das Russenden der Strahlung von einer LED nicht mit dem von
einer anderen LED. Es kann leere Zeiten bei den Übergangen zwischen den Strahlern
geben. Vorzugsweise existiert ein leerer Zeitzyklus zwischen dem Übergang
von der Sonde zum Bogen, um Fehler in der Synchronisation zu berücksichtigen.
Zusätzlich
kann in einer bevorzugten Ausführungsform
die Geometrie der Strahler auf der Basis der erkannten Strahlung bestimmt
werden, um zu verifizieren, daß die
erkannte Struktur die passende Form für die Sonde oder den Bogen
aufweist. Eine Prüfung
auf eine beste Übereinstim mung
kann während
des Lokalisierverfahrens durchgeführt werden, um eine korrekte
Synchronisation zu verifizieren.
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Das
Zeitdiagramm der 3 ist
in Zeitschlitze unterteilt, wobei jeder Zeitschlitz im allgemeinen einer
LED-Aktivierungsperiode, die als 1–20 unten auf der Zeichnung
gezeigt sind, entspricht. Es ist nicht unbedingt notwendig, daß alle Zeitschlitze gleich
sind, aber in einer bevorzugten Ausführungsform beträgt jeder
Zeitschlitz ungefähr
30 Millisekunden.
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Unter
Bezug auf 3 aktiviert
(schaltet die Lichter ein) die Steuerschaltung 362 die
erste Strahler-LED 366 für den ersten Zeitschlitz S1
des Musters 400. Dann aktiviert die Steuerschaltung 362 die
LED 368 für
den zweiten Zeitschlitz S2. Als nächstes wird eine dritte LED 369 für einen
dritten Zeitschlitz S3 aktiviert. Die Strahler sind während des
gesamten Zeitschlitzes angeschaltet, und vorzugsweise werden die Strahler
sequentiell aktiviert, so daß das
Ende des ersten Zeitschlitzes dem Beginn des zweiten Zeitschlitzes
entspricht. Vorzugsweise überlappen
sich die Perioden der Aktivierung nicht, und es kann viele Zeitlücken zwischen
den Perioden der Aktivierung geben. Änderungen dieser Parameter ändern nur das
Muster 400. Ein entsprechend ähnliches Muster 400 muß sowohl
in der Sonde 100 als auch im Computer 108 gespeichert
werden, um es dem Digitalisierer 114 zu ermöglichen,
das Muster zu erkennen.
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Nach
dem sequentiellen Anschalten des LED-Satzes 40, zählt der
Takt 370, der in den Mikroprozessor 364 eingegeben
wird, sieben Zeitschlitze (Schlitze S4–S10), die als T1–T7 in 3 dargestellt sind, während der
die Sonde 100 keinen der Strahler aktiviert. Der Mikroprozessor 364 steuert
nicht direkt die Strahler 122 auf dem Referenzbogen 120,
statt dessen steuert der Computer 108 in dieser Ausführungsform
den Strahlersatz 122, der die Strahler A1–A5 umfaßt. Das
Zeitdiagramm zeigt das Aussenden der Strahlung von den Strahlern
A1–A5,
wobei dies beginnen kann, nachdem das Muster der Sonde erkannt ist
und eine Synchronisation aufgetreten ist, wie das detaillierter
weiter unten beschrieben wird. Das Gesamtmuster 400, das
durch die Sonde 100 allein erzeugt wird, umfaßt eine
Sequenzierung durch zehn gleiche Zeitschlitze – bei dreien davon wird nur eine
einzelne LED erleuchtet und bei den sieben anderen findet keine
Aktion statt. Während
der Periode, bei der bei der Sonde keine Aktion stattfindet, aktiviert
der Computer 108 die Strahler A1–A5 auf dem Referenzbogen 120.
Wenn die Sonde ihr Muster 400 vollendet hat, so wird das
Muster 400 wieder am Beginn mit der LED 366 durch
den Mikroprozessor neu gestartet.
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Betrachtet
man 4, so ist ein Flußdiagramm
dargestellt, das weiter die Schritte der vorliegenden Erfindung
zeigt. Der Mikroprozessor 364 der Sonde 100 aktiviert
LEDs 366, 368 und 369 und führt das
Muster 400 in 3 (Schritt 500)
unabhängig von
allen anderen Teilen des Systems, die in 1 gezeigt sind, aus. Während das
Muster 400 ausgeführt
wird, detektiert die Sensoranordnung 110 die Lichtausgabe
der LEDs 366, 368 und 369 auf der Sonde 100.
Während
dieser Initialisierungsperiode wird der Strahlerratz 122 auf
dem Referenzbogen 120 durch den Computer 108 nicht
aktiviert. Die Sonde 100 führt das Strahlungsmuster 400 für die LEDs 366, 368 und 369 aus,
wie das in 3 gezeigt
ist. Die Sensoranordnung 110 detektiert konstant das empfangene
Licht (Schritt 510).
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Nach
einer geeigneten Initialisierungsperiode tastet der Digitalisierer 114 das
empfangene Licht in Einheiten, die Detektionsrahmen genannt werden, ab,
um das Muster 400 der Sonde 100 zu erkennen. Wie
in 3 dargestellt ist,
stellen die Detektionsrahmen 115 jeweils einen Bruchteil
der Aktivierungszeit der Sonde 100, das ist die Zeit, bei
der jeder Strahler an ist, dar (Überabtastung),
so daß der
Digitalisierer 114 bestimmen kann, wann die Strahler der
Sonde 100 an und aus sind. Die Abtastrate der Detektionsrahmen
muß mindestens
das Zweifache der einzelnen Strahlerrate (Nyquist-Kriterium) betragen,
aber vorzugsweise werden schnellere Abtastraten, wie beispielsweise
das Vierfache der Strahlerrate verwendet. Je mehr Abtastungen in
einer vorgegebenen Zeitperiode aufgenommen werden, desto größer ist die
Präzision
bei der Bestimmung, wann die Strahler an oder aus sind. In diesem
Beispiel der 3 kann man
sehen, daß für dieses
Beispiel etwa vier Rahmen pro Zeitschlitz vorliegen. Basierend auf
den bekannten erkannten Rahmen, bei denen Licht detektiert wurde,
und den Zeiten, bei denen kein Licht über einem Schwellwert detektiert
wurde, erkennt der Digitalisierer 114 das Muster 400 (Schritt 520).
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Der
Digitalisierer 114 besitzt einen internen Taktgeber, der
vorzugsweise mit derselben Frequenz (oder mit ganzzahligen Vielfachen)
der Frequenz des Taktgebers 370 der Sonde läuft. Basierend
auf dem erkannten Muster 400 synchronisiert der Digitalisierer 114 die
Pulsrate der Strahler 122 auf dem Referenzbogen 120 zu
der Rate der Strahler 40 auf der Sonde 100 (Schritt 530).
Die Synchronisation von Signalen ist aus dem Stand der Technik wohl
bekannt und muß nicht
weiter diskutiert werden. Wenn die Pulsraten synchronisiert sind,
sind dem Digitalisierer 114 die Zeiten bekannt, an dem
der Lichtstrahlersatz 40 auf der Sonde 100 Licht
abgibt, und er definiert die Lokalisierung der Rahmen 116 für die Zeiten,
an welchen die LEDs auf der Sonde Licht abgeben (Schritt 540).
Der Digitalisierer 114 kann dann die Strahler 122 auf
dem Referenzbogen 120 anweisen, sequentiell Licht abzugeben,
A1–A5,
zu den Zeiten, wenn die LEDs auf der Sonde nicht erleuchtet sind
(Schritt 550). Der Digitalisierer 114 tastet die
Sensoranordnung 110 zu Zeiten ab, wenn erwartet wird, daß die Strahler
an sind, was als Sondenlokalisierrahmen 116 gezeigt ist,
und er kann auch eine Abtastung für die Bogenlokalisierrahmen 117 vornehmen
(Schritt 560). Die Positionen des Referenzbogens 120 und der
Sonde 100 können
nun berechnet werden, wie das aus dem Stand der Technik bekannt
ist (Schritt 570).
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Wenn
das Sondensignal für
eine wesentliche Zeit verloren geht, wenn beispielsweise der Chirurg die
Sonde aus der Sichtlinie des Digitalisierer 114 nimmt,
so wird der Digitalisierer 114 annehmen, daß die Sonde
ausgeschaltet ist. Der Digitalisierer 114 wird dann versuchen,
unter Verwendung der Detektionsrahmen eine neue Synchronisierung
vorzunehmen, bis das Muster 400 der Sonde 100 erkannt
wird. Das Sondensignal kann verloren gehen, wenn es blockiert wird
oder wenn das Taktsignal nicht in Phase ist. Wenn der Digitalisierer 114 wieder
synchronisiert ist, so nimmt er die Verarbeitung wieder auf, wie
das oben diskutiert wurde.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Schaltung, die in 2 gezeigt ist, im Referenzbogen 120 statt
in der Sonde 100 enthalten sein, so daß der Referenzbogen drahtlos
ausgeführt
ist und das Muster 400 der 3 unabhängig ausführt. In
diesem Fall aktiviert der Computer 108 die Strahler auf
dem Referenzbogen nicht, aber er muß das Referenzmuster 400 in
derselben Weise, wie sie oben in Bezug auf die Sonde diskutiert wurde,
synchronisieren und erkennen. In dieser Ausführungsform ist es möglich, daß es die
Sonde ist, die an Stelle des Bogens verdrahtet ist und durch den
Digitalisierer 114 gesteuert wird.
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In
einer nochmals anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann die in 1 gezeigt Schaltung
sowohl in der Sonde 100 als auch im Referenzbogen 120 enthalten
sein. Somit können
beide Vorrichtungen drahtlos ausgebildet sein und unabhängig verschiedene
Muster ausführen,
die durch den Digitalisierer 114 erkannt werden. In diesem
Fall wird eine der – Vorrichtungen
ein Muster aufweisen, das die halbe Periode der anderen Vorrichtung
aufweist, oder sie werden sich unterscheidende Muster, die erkannt
werden können,
aufweisen. Der Digitalisierer 114 wird eine Unterscheidung
zwischen den Lichtern auf dem Bogen und der Sonde treffen, indem
er eine bekannte Geometrie der Sonde und des Bogens verwendet, um
zu bestimmen, welche erkannten Lichter zu welchem Element gehören. Das Muster
und seine Detektion werden wiederholt, damit genug Daten der Punkte
der zu detektierenden Lichter ermittelt werden, um eine Geometrie
der detektierten Lichter zu bestimmen. Wenn Digitalisierer 114 synchronisiert
ist, so kann er, wie das bei der vorigen Ausführungsform diskutiert wurde,
die Zeiten kennen, zu denen erwartet werden kann, daß die Lichter sowohl
der Sonde als auch des Bogens erleuchtet werden. Die 5 und 6 zeigen beispielhafte Zeitdiagramme,
die dieser Ausführungsform
entsprechen. Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, wird die Sonde
in den Perioden lokalisiert, bei denen nur die Strahler 366, 368 und 369 der
Sonde an sind, und der Referenzbogen 120 wird während Perioden
lokalisiert, wenn nur die Strahler A1–A5 auf dem Referenzbogen an
sind. 5 zeigt ein Beispiel,
bei dem die Muster der Strahler auf dem Referenzbogen 120 und
der Sonde 100 eine ähnliche
Phase aufweisen, und 6 zeigt
ein Beispiel, bei dem die Muster der Strahler auf dem Referenzbogen 120 und
der Sonde 100 sich nicht in Phase befinden. Während Perioden, in
denen sowohl die Strahler auf der Sonde als auch auf dem Bogen ausgeschaltet
sind, kann der Digitalisierer 114 Strahler auf einer dritten
Vorrichtung, wie einer anderen Sonde, anschalten, um die Position der
dritten Vorrichtung zu detektieren. Beispielsweise kann in 6, während der Periode, in der keine
Lokalisierung stattfindet, wenn sowohl die Strahler auf der Sonde
als auch auf dem Bogen ausgeschaltet sind, der Digitalisierer 114 LEDs
auf einer dritten Struktur zum Leuchten bringen.
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Das
Lichtmusterregistriersystem der vorliegenden Erfindung kann in Verbindung
mit jedem bildgeführten
chirurgischen System verwendet werden, wobei solche Systeme, die
im US-Patent Nr. 5,383,454 A von Bucholz; in der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US94/04530
(Veröffentlichungsnummer
WO 94/24933 A1) von Bucholz, und der PCT-Anmeldung Nr. PCT/US95/12984
(Veröffentlichungsnummer
WO 96/11624 A2) von Bucholz et al. beschrieben sind, eingeschlossen
sind.
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In
einer anderen Ausführungsform
werden die Strahler auf entweder der Sonde oder dem Referenzbogen
durch Reflektoren ersetzt, die Licht reflektieren, das von einer äußeren Quelle,
wie einer Digitalisiereinheit, ausgestrahlt wird. In diesem Fall
werden entweder die Sonde oder der Referenzbogen mit den Reflektoren
während
der A1–A5
Zyklen lokalisiert.
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Systeme,
die der vorliegenden Erfindung entsprechen, gestatten es, daß eine Sonde
oder ein Referenzbogen, die in einer bildgeführten Operation verwendet werden,
kontinuierlich und leicht überwacht
werden können,
ohne daß der
Chirurg wiederholt die Überwachung
initiieren muß und
ohne daß die
chirurgischen Instrumente verkabelt werden müssen. Dies wird erzielt, indem
Strahler auf der Sonde 100 oder dem Referenzbogen 120 angeordnet
werden, wobei sie in einem geordneten Muster 400, das durch
einen Prozessor erkannt wird, erleuchtet werden, so daß das Verarbeitungssystem
die Zeiten kennt, zu denen die Strahler aktiviert werden.