Es ist dementsprechend Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ortsbestimmung
eines stereotaktischen Instruments derart auszugestalten, daß die Eichung besonders
einfach, zuverlässig
und genau durchgeführt
werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man das
Instrument rotierbar so festlegt, daß die Längsachse des Instruments durch den
Drehpunkt verläuft,
dass man das Instrument um diese durch den Drehpunkt verlaufende
Drehachse rotiert, und daß man
aus den dabei ermittelten Koordinaten der Positionselemente die
Drehachse und damit die Richtung der Längsachse des Instruments bestimmt.
Die Rotation des Instruments um den
Drehpunkt führt
dazu, daß jedes
der Positionselemente eine Bahn beschreibt, die vollständig in
einer Kugelsphäre
liegt. Bei mehreren vorhandenen Positionselementen kann somit der
Drehpunkt redundant als Mittelpunkt aller Kugelsphären errechnet
werden. Auf diese Weise lassen sich dann die Koordinaten der Positionselemente
in Abhängigkeit
der ortsfesten Ortskoordinaten des Drehpunkts angeben. Die Menge
aller Spitzenkoordinaten liegt ebenfalls auf einer Kugelsphäre, wobei
der Abstand zwischen der Spitze des Instruments und dem Drehpunkt
einen konstanten Wert in radialer Richtung vom Drehpunkt aus gesehen
darstellt, der beispielsweise mittels eines Abstandsmeßgerätes ermittelt
werden kann. Bei einer derartigen Rotation des Instruments bildet
die Spur der bewegten Längsachse
des Instruments eine Zylinderoberfläche. Die Spuren der Positionselemente bilden
dabei Kreise. Die Drehachse läßt sich
folglich als Verbindungslinie der Mittelpunkte der Kreise und des
Drehpunkts ermitteln. Durch die parallele Anordnung der Längsachse
des Instruments relativ zur Drehachse ist dadurch die Richtung der
Drehachse eindeutig bestimmt. Bei Kenntnis des Drehpunkts und der
als Spuren der Positionselemente ermittelten Kreisbahnen kann die
Längsachse
des Instruments direkt als Verbindungslinie der Mittelpunkte der
durch die Rotationsbewegung der Positionselemente beschriebenen
Kreise ermittelt werden.
Besonders vorteilhaft ist es dabei,
wenn man in einer beliebigen Instrumentenstellung Spitzenkoordinaten
einer Spitze des Instruments relativ zu den Koordinaten der Positionselemente
und den Ortskoordinaten des Drehpunkts mittels eines Abstandsmeßgerätes bestimmt.
Durch die Bestimmung der Spitzenkoordinaten der Spitze ist deren
Position im Koordinatensystem mit dem ortsfesten Drehpunkt eindeutig
festgelegt. Bei einer Rotation des Instruments um den Drehpunkt
bildet die Menge aller Spitzenkoordinaten der Spitze des Instruments
ebenfalls eine Kugelsphäre,
wenn die Spitze des Instrumentes nicht mit dem Drehpunkt zusammenfällt. Durch
die relative Bestimmung der Spitzenkoordinaten zu den Koordinaten
der Positionselemente wird auch die Position der Spitze des Instruments
redundant festgelegt.
Dabei kann vorgesehen sein, daß man die Spitze
des Instruments als Drehpunkt wählt.
Bei dieser Anordnung ist die Bestimmung der Spitzenkoordinaten besonders
einfach, da allein die Berechnung der Koordinaten des Drehpunkts
ausreicht, um die Spitzenkoordinaten zu bestimmen. Dies bedeutet, daß die Spitze
des Instruments gleichzeitig den Mittelpunkt sämtlicher durch die Positionselemente
aufgespannten Kugelsphären
bildet.
Es kann vorteilhaft sein, wenn man
das Instrument und die Drehachse in einem Winkelbereich kleiner
360° rotiert
und wenn man aus den dabei ermittelten Koordinaten einen Rollwinkel
des Instruments bestimmt. Zur endgültigen Charakterisierung der
Lage des Instruments wird im dreidimensionalen Raum eine weitere
Koordinate benötigt.
Zusätzlich zu
den Spitzenkoordinaten und der Richtung der Längsachse kann hierfür der Rollwinkel
des Instruments dienen. Es ist nämlich
oftmals entscheidend, insbesondere bei nicht rotationssymmetrischen
Instrumenten, ob das Instrument bei identischen Spitzenkoor dinaten
und identischer Längsachse
um diese Längsachse
verdreht eingeführt
wird oder nicht. Bei Vorgabe eines bestimmten Winkelbereichs kann eine
winkelhalbierende Position, das heißt eine Zwischenstellung zwischen
den beiden extremen Winkelstellungen aus den Teilkreisabschnitten
berechnet werden, die durch die Spuren der Positionselemente gebildet
werden. Die mittlere oder auch anders ausgedrückt, die winkelhalbierende
Stellung zwischen den beiden extremen Winkelwerten kann in diesem Fall
als Nullstellung des Rollwinkels definiert werden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft,
wenn man das Instrument in einem Winkelbereich zwischen 0 und 90° rotiert.
Rotationen um 90° lassen
sich besonders leicht und genau durchführen.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein,
daß man
das Instrument von Hand rotiert. Bei chirurgischen Eingriffen, die
von einem Operateur ausgeführt
werden, bietet sich eine derartige Handeichung an. Der Operateur
bewegt dabei das relativ zum Drehpunkt festgelegte Instrument in
der oben beschriebenen Art und Weise, wobei gleichzeitig die Koordinaten
der Positionselemente bestimmt werden, die letztendlich zur Ortsbestimmung
des Instrumentes dienen.
Bei einer anderen Art des Verfahrens
kann vorgesehen sein, daß man
das Instrument von einer Maschine rotieren läßt. Chirurgische Eingriffe
werden immer häufiger
mit Robotern durchgeführt,
so daß es günstig ist,
das Instrument direkt in Verbindung mit dem Roboter zu eichen. Hierfür wird das
relativ zum Drehpunkt festgelegte Instrument von dem Roboter selbst
rotiert. Bei dieser Art des Verfahrens kann das Instrument demnach
mit Hilfe der daran angebrachten Positionselemente geeicht werden
oder, wenn der Roboter selbst mit Positionselementen versehen ist,
mit Hilfe der an diesem angeordne ten Positionselemente. Außerdem ist
denkbar, daß das
Instrument und der Roboter durch eine weitere Maschine zum Zwecke
der Eichung angetrieben werden, beispielsweise mit einer Vorrichtung
zur Ortsbestimmung stereotaktischer, mit Positionselementen versehener
Instrumente mit einem Rahmenelement und einer Instrumentenaufnahme,
die einen Antrieb aufweist. In diesem Fall kann über die Vorrichtung automatisch das
Instrument als Zwischenglied zwischen Vorrichtung und Roboter geeicht
werden.
Ferner wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die Vorrichtung
ein Rotationselement aufweist, an dem die Instrumentenaufnahme angeordnet
ist, und daß das
Rotationselement um einen feststehenden Drehpunkt rotierbar am Rahmenelement
gelagert ist.
Mit einer derartigen Vorrichtung
können
stereotaktische Instrumente besonders leicht und einfach geeicht
werden. Hierzu werden sie in die Instrumentenaufnahme der Vorrichtung
eingeführt
und dann gemeinsam mit dem Rotationselement um den Drehpunkt verschwenkt.
Die am Instrument angeordneten Positionselemente beschreiben aufgrund
der Anordnung Bahnen, die sich auf Kugelsphären befinden. Aus der Ermittlung
der Bahnkurven läßt sich
der Drehpunkt der Vorrichtung leicht errechnen, denn er bildet das
Zentrum aller Kugelsphären.
Günstig
ist es dabei, wenn die Instrumentenaufnahme eine zu den Instrumenten
im wesentlichen komplementäre
Form aufweist zur spielfreien Aufnahme der Instrumente. Durch diese
Ausgestaltung werden Fehler bei der Ermittlung des Drehpunkts verhindert,
denn durch die spielfreie Aufnahme des Instruments wird ein Wackeln
des Instruments vermieden, weshalb auch die tatsächliche Bahnbewegung der Positionselemente
auf einer Kugelsphäre zu
finden ist und nicht durch das ungewollte Wackeln von dieser abweicht.
In diesem Fall ist die Instrumentenaufnahme so speziell geformt,
daß nur
ein spezielles Instrument darin geführt und eingespannt werden
kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann eine Vorrichtung zur Fixierung der Instrumente in
der Instrumentenaufnahme vorgesehen sein. Mit einer derartigen Vorrichtung
kann das Instrument auch unabhängig
von der Form der Instrumentenaufnahme eindeutig in dieser fixiert
werden, beispielsweise mit einer Feststellschraube oder einem Klemmechanismus.
In Verbindung mit einer speziell geformten Instrumentenaufnahme
bedeutet dies, daß nur
ein spezielles Instrument darin geführt und eingespannt werden
kann.
Grundsätzlich kann eine relativ zum
Drehpunkt feststehende Nachweisvorrichtung zur Ermittlung der Koordinaten
der Positionselemente vorgesehen sein. Mit der Nachweisvorrichtung
läßt sich
zu jedem Zeitpunkt die Lage der Positionselemente relativ zum Drehpunkt
bestimmen, beispielsweise mittels elektromagnetischer Strahlung.
Auf diese Weise lassen sich während
der Ro tation des Instruments von den Positionselementen beschriebene
Bahnen verfolgen und ermitteln.
Günstig
ist es, wenn eine Längsachse
der Instrumentenaufnahme eine Längsachse
des in der Instrumentenaufnahme befindlichen Instruments parallel
zu einer durch den Drehpunkt verlaufenden Achse vorgibt. Bei Kenntnis
des Drehpunkts und der aus der Rotation ermittelten Drehachse können somit
auch die Koordinaten der Längsachse
des Instruments angegeben werden. Bei Kenntnis des Abstands von
der Spitze des Instruments zum Drehpunkt ist somit die Orientierung
des Instruments, das heißt
dessen Längsachse
und dessen Spitzenposition, genau definiert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Längsachse
des Instruments durch den Drehpunkt verläuft. Durch diese Anordnung
wird sichergestellt, daß die Längsachse
des Instruments stets normal auf den von den Positionselementen
beschriebenen Kugelsphären
verläuft.
Bei einer Rotation um die Längsachse
des Instruments kann diese aus den dann von den Positionselementen
beschriebenen Kreisbahnen direkt als Verbindungslinie von deren
Mittelpunkten errechnet werden.
Dabei kann es von Vorteil sein, wenn
eine Spitze des in der Instrumentenaufnahme befindlichen Instruments
den Drehpunkt bildet. Diese Anordnung stellt auf einfachste Weise
sicher, daß man
aus den ermittelten Koordinaten des Drehpunkts direkt die Koordinaten
der Spitze des Instruments erhält, die
nämlich
identisch sind. Dies vereinfacht alle notwendigen Rechenoperationen
zur Auswertung der Koordinaten des Instruments. Außerdem ist
diese Anordnung mechanisch besonders einfach zu realisieren, denn
der Drehpunkt kann bei einem beliebigen Rotationselement leicht
bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Erfindung eine Rotationsachsenfestlegungsvorrichtung aufweist,
mit der das Rotationselement um eine durch den Drehpunkt verlaufende
Rotationsachse rotierbar festlegbar ist. Die freie Rotation des
Instruments um den Drehpunkt wird durch die Rotationsachsenfestlegungsvorrichtung
derart eingeschränkt, daß das Instrument
lediglich um eine durch den Drehpunkt verlaufende Rotationsachse
rotierbar ist. Auf diese Weise läßt sich
nach der Ermittlung des Drehpunkts und der damit unter Umständen verbundenen
Ermittlung der Spitzenkoordinaten des Instruments die Richtung der
Längsachse
des Instruments bestimmen, und zwar als Verbindungslinie der Mittelpunkte
der von den Positionselementen beschriebenen Kreisbahnen. Besonders
einfach ist diese Bestimmung im Fall der Identität von der Rotationsachse und
der Längsachse
des Instruments.
Dabei ist es günstig, wenn die Rotationsachsenfestlegungsvorrichtung
durch eine Nut- und Federverbindung gebildet wird, daß ein Teil
der Nut- und Federverbindung am Rotationselement und daß der andere
Teil am Rahmenelement vorgesehen ist. Eine Nut- und Federverbindung
ist besonders leicht herzustellen und weist hinsichtlich der Stabilität und Haltbarkeit
durch eine minimale Abnutzung aufgrund großer, wechselwirkender Gleitflächen besondere
Vorteile auf.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn
das Rotationselement eine Umfangsnut aufweist und wenn an dem Rahmenelement
mindestens einer mit der Umfangsnut in Eingriff bringbarer Vorsprung
vorgesehen ist. Durch die Umfangsnut wird eindeutig eine Rotationsachse
festgelegt, die durch den Mittelpunkt und normal zu einer von der
Umfangsnut begrenzten Kreisfläche
verläuft.
Der Vorsprung am Rahmenelement kann beispielsweise bewegbar sein,
so daß das Rotationselement
um den Drehpunkt frei rotierbar ist, wenn der Vorsprung außer Eingriff
mit der Umfangsnut steht, wohingegen das Rotationselement lediglich
um eine durch den Drehpunkt verlaufende Rotationsachse rotierbar
ist, wenn der Vorsprung mit der Umfangsnut in Eingriff steht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Rotationselement um die
Rotationsachse in einem Winkelbereich kleiner 360° verdrehbar
ist. Diese Einschränkung
des Winkelbereichs der Rotation um die Rotationsachse ermöglicht es,
eine dritte Koordinate zur eindeutigen Lagebestimmung des Instruments
zu definieren. Zur vollständigen
Charakterisierung eines Raumpunktes bedarf es der Bestimmung von
drei Koordinaten. Diese können
beispielsweise in einem kartesischen Koordinatensystem jeweils durch
definierte Abschnitte auf drei zueinander normalen Koordinatenachsen
festgelegt sein. Im Fall eines rotierenden Koordinatensystem genügt es jedoch,
ei nen Drehpunkt, eine Rotationsachse und einen normal zur Rotationsachse
verlaufenden Winkel anzugeben. Dieser Winkel wird häufig auch
als Rollwinkel bezeichnet. Bei Kenntnis des eingeschränkten Winkelbereichs
kann folglich eine 0°-Stellung
des Rollwinkels als Winkelhalbierende zwischen den beiden extremen
Winkelstellungen definiert werden. Somit ist das stereotaktische
Instrument vollständig
hinsichtlich seiner Raumlage bestimmt, denn es sind die Koordinaten
der Spitze des Instruments, die Richtung der Längsachse und die Nullstellung
des Rollwinkels in der oben beschriebenen Weise festgelegt.
Günstig
ist es, wenn der Winkelbereich zwischen 0° und 90° liegt. Zueinander normale Richtungen
lassen sich mechanisch besonders einfach und genau herstellen.
Vorteilhafterweise können Winkelanschläge zur Rotationswinkelbegrenzung
vorgesehen sein. Durch die Winkelanschläge wird es besonders einfach,
den Rollwinkel zu bestimmen. Das Instrument wird jeweils in die
Endlage, das heißt,
an die Winkelanschläge
herangeführt,
und während
der Rotation des Instruments zwischen den beiden Winkelanschlägen werden
die Koordinaten der Positionselemente ermittelt. Die 0°-Stellung
des Rollwinkels läßt sich
dann als winkelhalbierende Stellung zwischen den Positionen der
Endanschläge
und der Drehachse definieren, wenn das Instrument in relativer Position
auf eine markierte Drehstellung geführt wird. Hierfür können zusätzlich entsprechende
Markierungen an der Instrumentenaufnahme vorgesehen sein.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein,
daß das
Rotationselement im wesentlichen kugelförmig ist. Kugeln sind einfach
herzustellen und haben den Vorteil, daß es keiner besonders aufwendigen
Haltevorrichtung bedarf, in der die Kugel rotiert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Rotationselement in einer
mit dem Rahmenelement verbundenen korrespondierenden Rotationselementaufnahme gelagert
ist. Durch diese Form der Lagerung wird das Spiel zwischen dem Rotationselement
und dem Rahmenelement minimiert. Besonders günstig ist dies im Fall einer
pfannenförmigen
Lagerung eines kugelförmigen
Rotationselements.
Besonders vorteilhaft kann es sein,
wenn die Instrumentenaufnahme von dem Rotationselement trennbar
ist. Während
eines chirurgischen Eingriffs kann es nötig werden, daß das Instrument
neu geeicht werden muß,
beispielsweise wenn Positionselemente am Instrument verrutschen.
Dabei kann die Instrumentenaufnahme durch verschmutzte Instrumente
stark verschmutzen. Die Reinigung der Instrumentenaufnahme ist besonders
einfach, wenn diese von dem Rotationselement abnehmbar oder trennbar ist.
Besonders günstig ist es, wenn die Instrumentenaufnahme
an dem Rotationselement spielfrei fixierbar ist. Auf diese Weise
werden mögliche
Fehler bei der Ortsbestimmung des Instruments wirksam vermieden.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein,
daß die
Instrumentenaufnahme speziell für
ein bestimmtes Instrument geformt ist. Insbesondere die Position der
Spitze kann auf diese Weise relativ zum Drehpunkt des Rotationselements
eindeutig festgelegt werden. Außerdem
bietet die spezielle Anpassung der Instrumentenaufnahme an ein ganz
bestimmtes Instrument den Vorteil, daß dieses Instrument praktisch
spielfrei in der Instrumentenaufnahme gelagert werden kann. Darüberhinaus
kann bei einer definierten Anordnung der Instrumentenaufnahme am
Rotationselement bereits eine 0°-Stellung
des Rollwinkels für
das Instrument vorgebbar sein, insbesondere dann, wenn das Rotationselement
selbst mit Positionselementen versehen ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Rotationswinkelbegrenzung
durch eine sich über
einen begrenzten Winkelbereich in Umfangsrichtung erstreckende Winkelbegrenzungsnut
gebildet wird und daß ein
an dem Rahmenelement angeordneter Vorsprung mit der Winkelbegrenzungsnut
in Eingriff bringbar ist. Eine derartige Nut- und Federverbindung
ist besonders einfach herzustellen. Insbesondere kann durch den
Winkelbereich, beispielsweise in Verbindung mit einer speziell geformten
und definiert am Rotationselement angeordneten Instrumentenaufnahme,
eine 0°-Stellung
des Rollwinkels vorgegeben werden.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft
sein, wenn an dem Rahmenelement mindestens ein Positionselement
angeordnet ist. Ein derartiges, als Referenzelement wirkendes Positionselement
kann redundant zur Bestimmung des Drehpunkts, insbesondere aber
auch zur Überprüfung der
zeitlichen Stabilität
der Instrumentenkoordinaten verwendet werden. Durch die Positionserfassung
des Referenzelementes kann nachfolgend die Position des charakterisierten
Instruments im ortsfesten Koordinatensystem bestimmt werden.
Ferner kann grundsätzlich vorgesehen
sein, daß an
dem Rotationselement mindestens ein Positionselement angeordnet
ist. Auf diese Weise wird eine genau definierte Kugelsphäre bei einer
Rotation um den Drehpunkt vorgegeben, die stets gleich bleibt und
als Referenzsphäre
für die
Ermittlung der Instrumentenkoordinaten verwendet werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann ein mit Positionselementen versehener, in einer
Schnittebene der Rotationsachse am Rotationselement festlegbarer
Kalibrierring vorgesehen sein. Mit diesem Kalibrierring können bei
einer Rotation des Instruments unter Verwendung einer speziellen
Instrumentenaufnahme die Längsachse
und die Koordinaten der Spitze des Instruments bestimmt werden,
ohne die am Instrument angeordneten Positionselemente auszuwerten.
Die von letzteren ermittelten Koordinaten des Instruments können damit
in redundanter Weise besonders sicher und genau bestimmt werden.
Durch den Kalibrierring ist es ferner möglich, auf Winkelanschläge zu verzichten,
wenn die Position der Positionselemente am Kalibrierring vorab geeicht
wurde. In Verbindung mit einer speziellen Instrumentenaufnahme läßt sich
auf diese Weise die 0°-Stellung
des Rollwinkels eindeutig durch Verschwenkung auch über einen
beliebigen Winkelbereich bestimmen.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein,
daß die
Positionselemente durch einen Strahlungssender oder einen Strahlungsempfänger gebildet
werden. Es können
demnach aktive oder passive Positionselemente Verwendung finden.
Als Strahlungsempfänger
sind auch reflektierende Positionselemente denkbar, die durch ihre
reflektive Eigenschaft in die Funktion des Strahlensenders übergehen.
Bei einer weiteren Ausführungsform
können die
Positionselemente auch durch Drehwinkelsensoren gebildet werden,
wenn beispielsweise ein mehrgliedriger Roboterarm oder ein mehrgliedriger
Positionssensorarm das Instrument fixiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Nachweisvorrichtung einen
Strahlungsempfänger und/oder
einen Strahlungssender umfaßt.
Es besteht damit die Möglichkeit,
die Lage der aktiven Positionselemente mittels eines in der Nachweisvorrichtung angeordneten
Strahlungsempfängers
zu ermitteln, die Position der passiven Bauelemente durch Aussendung
beispielsweise elektromagnetischer Strahlung durch den Strahlungssender
der Nachweisvorrichtung und anschließendem Empfang der von den Positionselementen
zurückgesandten
Strahlung durch einen Strahlungsempfänger der Nachweisvorrichtung.
Ferner kann vorgesehen sein, daß die Nachweisvorrichtung
eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfaßt, die aus der Richtung und/oder
der Laufzeit der übertragenen
Strahlung und/oder der Stärke
oder Frequenz des Strahlungsfeldes die Position der Strahlungssender
beziehungsweise -empfänger
bestimmt. Mit der Datenverarbeitungsvorrichtung lassen sich dann
die Koordinaten der Positionselemente und damit die Lage des Instruments
zu jeder Zeit angeben.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
ein Roboter zum Rotieren des Instruments vorgesehen ist. Bei chirurgischen
Eingriffen, die mit Hilfe eines Roboters oder einer vergleichbaren
Maschine durchgeführt werden,
ist es besonders einfach und effizient, wenn die Eichung, das heißt die Bestimmung
der Koordinaten des Instruments, vorab bereits durch den Roboter durchgeführt wird.
Auf diese Weise läßt sich
auch eine Arbeitsachse eines Roboterarms, der das Instrument hält, bestimmen.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn
am Roboter weitere Positionselemente angeordnet sind. Mit Hilfe
dieser Positionselemente kann die Stellung des Roboters oder eines
Armes desselben zunächst
geeicht und dann während
des chirurgischen Eingriffs jederzeit ermittelt werden.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein,
daß ein
Antrieb an der Vorrichtung angeordnet ist zum Bewegen der Instrumentenaufnahme.
Damit kann die Eichung vollautomatisch durchgeführt werden. Für den Fall,
daß das
Instrument an einem Roboter angeordnet werden soll, kann mit dem
zu eichenden und seinerseits angetriebenen Instrument gleichzeitig
ein Roboter oder dessen Arm angetrieben werden, so daß die beweglichen
Teile des Roboters gleichzeitig im Hinblick auf ihre Orientierung
im Raum mitgeeicht werden können.
Dies ist besonders einfach zu realisieren, wenn am Roboter Drehwinkelsensoren
angeordnet sind, deren Winkelstellungen während der Eichung des Instruments
ständig
erfaßt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Vorrichtung eine Steuer- und Überwachungseinheit umfaßt zur Ansteuerung
und Ermittlung der Position und Orientierung des Roboters. Bei den
chirurgischen Anwendungen sind Zwischenstellungen des Roboters bei
seiner Bahnverfolgung insbesondere dann problematisch, wenn Elemente
des Roboters mit der Umgebung kollidieren können. Daher ergibt sich bei der
chirurgischen Anwendung ein besonderes Anwendungsrisiko. Ein weiteres
Problem ergibt sich, wenn die beabsichtigte Endposition des Roboters oder
des von diesem geführten
Instruments durch nicht ausführbare
Zwischenstellungen der Bewegungskomponenten nicht eingenommen werden kann.
Durch die Steuer- und Überwachungseinheit kann
vermieden werden, daß die
Vorrichtung durch die spezielle Anpassung an den Roboter bei Kenntnis der
unmöglichen
Stellungen diese sogenannten Singularitäten vermeidet. Ferner ist es
durch die Steuer- und Überwachungseinheit
in Verbindung mit der besonderen mechanischen Ausarbeitung der Vorrichtung
und der Abstimmung mit der Instrumentenaufnahme möglich, daß mit der
Vorrichtung ein automatischer Instrumenten wechsel bei einem Einsatz
mit Robotersystemen möglich
wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Steuer- und Überwachungseinheit
oder einer nachfolgenden Datenverarbeitungseinheit die charakteristischen
Merkmale der Instrumentengeometrie vorliegen. Dabei können die für einen
Instrumentenwechsel notwendigen Daten, beispielsweise die genaue
Geometrie des Instruments und der Instrumentenaufnahme, so abgestimmt
sein, daß die
Bewegungsausführung
kollisionsfrei verläuft
und Singularitäten
durch ein optimales Einspannen des Instruments in der Instrumentenaufnahme
vermieden oder nachkorrigiert werden können.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.
Es zeigen:
1:
einen Längsschnitt
durch eine Vorrichtung zur Ortsbestimmung stereotaktischer Instrumente
bei einer Rotation des Instruments um einen Drehpunkt;
2:
eine Schnittansicht ähnlich 1, jedoch bei einer Rotation
des in der Vorrichtung befindlichen Instruments um dessen Längsachse;
und
3:
einen Querschnitt längs
der Linie 3-3 in 2.
In den 1 und 2 ist ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehenes
Justiergerät
dargestellt, das im wesentlichen einen Rahmen 2 und eine in
diesem gelagerte Eichkugel 3 umfaßt. Diese Eichkugel 3 ist
dabei in einer der Eichkugel 3 angepaßten Kugelgelenkpfanne 4 des
Rahmens 2 rotierbar angeordnet.
Zur Aufnahme eines stereotaktischen
Instruments 5 ist die Eichkugel 3 mit einer zylindrischen Ausnehmung 6 versehen,
deren Symmetrieachse durch einen Radialstrahl der Eichkugel 3 gebildet wird.
Von einer Oberfläche 9 der
Eichkugel 3 ausgehend erstreckt sich die Ausnehmung 6 etwas über ein Zentrum 7 der
Eichkugel 3 hinaus.
In die Ausnehmung 6 ist
ein Instrumenteneinsatz 8 formschlüssig eingesetzt, der über die Oberfläche 9 in
radialer Richtung kegelstumpfförmig hervorragt.
Entlang seiner Symmetrieachse weist der Instrumenteneinsatz 8 eine
Instrumentenaufnahme 10 auf, deren innere Kontur an die äußere Kontur
eines Instrumentenschafts 11 des Instruments 5 angepaßt ist.
Auf diese Weise ist das Instrument 5 formschlüssig in
der Instrumentenaufnahme 10 des Instrumenteneinsatzes 8 gelagert,
wenn eine Instrumentenspitze 12 an einem Boden 13 der
Instrumentenaufnahme 10 anschlägt. Die Tiefe der Instrumentenaufnahme 10 ist
so gewählt,
daß die
an dem Boden 13 anschlagende Instrumentenspitze 12 gleichzeitig
das Zentrum 7 der Eichkugel 3 bildet. Das Instrument 5 kann
mit einer in eine quer zur Symmetrieachse der Instrumentenaufnahme 10 verlaufenden Gewindebohrung 15 eingebrachten
Schrau be 14 fixiert werden. Dies ist in der 3 im Querschnitt dargestellt.
Weiterhin ist die Eichkugel 3 mit
einer Umfangsnut 16 versehen, deren Symmetrieachse ebenfalls
durch die Symmetrieachse der Ausnehmung 6 gebildet wird.
Die Umfangsnut 16 ist im Bereich einer der Ausnehmung 6 gegenüberliegenden
Kugelhälfte angeordnet.
Am Rahmen 2 sind ferner verstellbare Vorsprünge 17 und 18 angeordnet,
die in einer Ausgangsstellung (vgl. 1)
mit der Umfangsnut 16 außer Eingriff bringbar sind.
In einer Verriegelungsstellung, in der bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel auch die Symmetrieachsen
der Ausnehmung 6 und des Rahmens 2 zusammenfallen,
sind die Vorsprünge 17 und 18 mit
der Umfangsnut 16 in Eingriff bringbar. Dies geschieht
beispielsweise durch Verschieben oder Verschwenken der Vorsprünge 17 und 18 in
einer jedoch nicht explizit dargestellten Art und Weise. In der
Verriegelungsstellung können
diese Vorsprünge 17 und 18 gegen
ein unbeabsichtigtes Lösen
beispielsweise mittels nicht dargestellter Sicherungsstifte oder
Feststellschrauben gesichert werden. Die in der Verriegelungsstellung
befindliche Eichkugel 3 ist in 2 dargestellt.
Zur Ortsbestimmung des Instruments 5 ist dieses
mit Positionselementen 19a, 19b und 19c versehen,
die sich bei einer Rotation um das Zentrum 7 der Eichkugel 3 auf
Bahnen bewegen, die in Kugelsphären 20a, 20b und 20c enthalten
sind. In ähnlicher Weise
ist der Instrumenteneinsatz 8 mit Kugelpositionselementen 21a und 21b versehen,
die ebenfalls eine Bewegung auf einer Kugelsphäre 22 vollführen, wenn
die Eichkugel 3 um ihr Zentrum 7 rotiert wird. Am
Rahmen 3 sind weitere Rahmenpositionselemente 23 angeordnet.
Zur Bestimmung der Koordinaten der
Positionselemente 19 sowie der Kugel- und Rahmenpositionselemente 21 und 23 ist
ein Nachweisgerät 24 in einem
Raum angeordnet, in dem sich auch das Justiergerät 1 befindet. Das
Nachweisgerät 24 umfaßt einen
Strahlungssender 25, einen Strahlungsempfänger 26 sowie
eine Datenverarbeitungsvorrichtung 27. Dadurch ist es mit
dem Nachweisgerät 24 möglich, sowohl
Koordinaten von aktiven als auch von passiven Positionselementen 19, 21 und 23 zu
bestimmen. Aktive Positionselemente 19, 21 und 23 erzeugen
selbst Strahlung und senden diese aus, passive Positionselemente
hingegen können
Strahlung empfangen oder aber auch reflektieren. Sendet der Strahlungssender 25 beispielsweise
elektromagnetische Strahlung aus, so kann diese von einem passiven Positionselement 19 reflektiert
und aus der verstrichenen Laufzeit zwischen Aussendung der Strahlung vom
Strahlungssender 25 bis zum Empfang der Strahlung vom Strahlungsempfänger 26 kann
die Position, das heißt
die Koordinaten des Positionselements 19 im Raum bestimmt
werden. In gleicher Weise wird mit sämtlichen anderen Positionselementen verfahren,
um deren Koordinaten im Raum zu ermitteln.
Bei einer weiteren Ausführungsform
des Justiergeräts 1 ist
in einer durch die Rotationsachse 29 vorgegebenen Äquatorialebene
der Eichkugel 3 ein Kalibrierring 30 in einer
korrespondierenden Kalibriernut 31 angeordnet, der die
Eichkugel 3 vollständig umspannt
(vgl. 2). Am Kalibrierring 31 sind
weitere Kalibrierpositionselemente 32 radial abstehend angeordnet.
Der Kalibrierring 30 kann abnehmbar oder aber auch mit
der Eichkugel 3 fest verbunden sein. Als Kalibrierpositionselemente 32 eignen
sich sowohl aktive als auch passive Bauelemente.
Bei einer über den Umfang gleichmäßigen Anordnung
der Kalibrierpositionselemente 32 läßt sich ein Rotationswinkel
bei einer Rotation um die Rotationsachse 29 aus den Ortskoordinaten
der Kalibrierpositionselemente 32 relativ zu den Rahmenpositionselementen 23 mit
dem Nachweisgerät 24 bestimmen.
Anhand der 1 bis 3 soll
im folgenden eine Ortsbestimmung des Instruments 5 mittels
des Justiergeräts 1 erläutert werden.
Die Eichkugel 3 wird zunächst mit
einem Instrumenteneinsatz 8 bestückt, der zur Aufnahme des zu
referenzierenden Instrumentes 5, geeignet ist. Das Instrument 5 wird
anschließend
in die Instrumentenaufnahme 10 eingeführt, bis die Instrumentenspitze 12 am
Boden 13 anschlägt
und damit das Zentrum 7 der Eichkugel 7 bildet
und abschließend
mit der Schraube 14 zusätzlich
gesichert. Die Vorsprünge 17 und 18 stehen
mit der Umfangsnut 16 außer Eingriff, weshalb die Eichkugel 3 um
ihr Zentrum 7 frei rotierbar ist. Das Instrument 5 wird
an einem Instrumentengriff 28 von einer Person oder einem Roboter
erfaßt
und hin- und herbewegt. Die besondere Ausgestaltung des Justiergeräts 1 ermöglicht jedoch
einzig eine Rotation um das Zentrum 7 der Eichkugel 3, weshalb
die Positionselemente 19 Bahnen beschreiben, die auf Kugelsphären 20 liegen.
Die während der
Rotation mit dem Nachweisgerät 24 bestimmten Koordinaten
der Positionselemente 19 werden durch die Datenverarbeitungsvorrichtung 27 errechnet
und die Koordinaten des Zentrums 7 und damit der Instrumentenspitze 12 bestimmt,
denn das Zentrum 7 ist gleichzeitig der Mittelpunkt der
Kugelsphären 20.
In einem nächsten Schritt wird der Verlauf der
Instrumentenachse ermittelt. Hierzu wird das Justiergerät 1 in
seine in der 2 dargestellte
Verriegelungsposition übergeführt, und
zwar durch in Eingriff bringen der Vorsprünge 17 und 18 mit
der Umfangsnut 16. Durch das Eingreifen der Vorsprünge 17 und 18 in
die Umfangsnut verbleibt der Eichkugel 3 lediglich ein
Freiheitsgrad der Rotation um die durch das Zentrum 7 verlaufende
Rotationsachse 29, die aufgrund der besonderen Ausgestaltung
mit der Längsachse
des Instruments 5 identisch ist. Das Instrument 5 wird
anschließend
um die Rotationsachse 29 rotiert und die Koordinaten der
Positionselemente 19, 21, 23 und 32 in
der bereits oben beschriebenen Weise durch das Nachweisgerät 24 ermittelt.
Die Positionselemente 19, 21 und 32 beschreiben
gezwungenermaßen
Kreisbahnen, deren Mittelpunkte allesamt auf der Rotationsachse 29 liegen.
Aus der Verbindungslinie dieser Mittelpunkte läßt sich die Rotationsachse 29 und
damit die Längsachse
des Instruments 5 bestimmen.
In einem dritten Schritt wird schließlich ein Rollwinkel
des Instruments bestimmt. Dieses ist insbesondere bei Instrumenten 5 wichtig,
die nicht rotationssymmetrisch sind, beispielsweise Zangen oder Sägen.
Hierfür wird die freie Rotation um
die Rotationsachse 29 zusätzlich durch nicht dargestellte
Anschläge
derart begrenzt, daß lediglich
eine Rotation in einem Winkelbereich kleiner 360°, vorzugsweise jedoch zwischen
0° und 90° möglich ist.
Die Positionselemente 19 beschreiben bei einer solchen
eingeschränkten
Rotation lediglich noch Kreisbogenabschnitte, beispielsweise Viertelkreise.
Die Winkelhalbierende Position zwischen den Endanschlägen bei 0° beziehungsweise
90° ergibt
schließlich
eine Nullgradposition des Rollwinkels, was einer Z-Achse entspricht.
Alternativ kann der Rollwinkel jedoch über die
definiert an dem Kalibrierring 30 angeordneten Kalibrierpositionselemente 32 in
der bereits oben beschriebenen Art und Weise ermittelt werden. Der
Instrumenteneinsatz 8 wird in diesem Fall so in die Ausnehmung 6 eingesetzt,
daß die
aufgrund eines nicht rotationssymmetrischen Instrumentenschafts 11 vorgegebenen
Richtungen 33 und 34 relativ zu den Positionen
der Kalibrierpositionselemente 32 bekannt sind. In diesem
Fall kann auf die Anschläge
zur Begrenzung des Rotationswinkels verzichtet werden.
Die räumliche Lage des Instruments 5 wird demnach
durch ein drei Schritte umfassendes Eichverfahren eindeutig ermittelt.
Dieses umfaßt:
Eine Rotation des Instrumentes 5 um seine Instrumentenspitze 12,
eine freie und eine winkelbegrenzte Rotation um seine Längsachse.
Daraus ergeben sich drei Größen, die
zur vollständigen
Beschreibung eines Körpers
in Standardlage genügen:
die Koordinaten der Instrumentenspitze 12, die Richtung
der Längsachse
des Instruments 5 und der Rollwinkel.
Durch die Auswahl spezieller Instrumenteneinsätze 8 kann
jedes beliebige Instrument 5 äußerst einfach und exakt mit
dem Justiergerät 1 vermessen werden.
Es eignet sich dabei gleichermaßen
für Instrumente 5 mit
abnehmbaren und integrierten Positionselementen 19.