DE202007010078U1 - Chirurgisches Markerelement, chirurgisches Referenzelement und chirurgisches Navigationssystem - Google Patents

Chirurgisches Markerelement, chirurgisches Referenzelement und chirurgisches Navigationssystem Download PDF

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    • A61B90/39Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
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Abstract

Chirurgisches Markerelement (28; 28a) für eine chirurgische Referenzierungseinheit (20; 20a) eines chirurgischen Navigationssystems (10), mit welchem eine Position und/oder eine Orientierung der Referenzierungseinheit (20; 20a) bestimmbar ist, welches Markerelement eine äußere Oberfläche (30; 30a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche (54) mindestens teilweise nanostrukturiert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein chirurgisches Markerelement für eine chirurgische Referenzierungseinheit eines chirurgischen Navigationssystems, mit welchem eine Position und/oder eine Orientierung der Referenzierungseinheit bestimmbar ist, welches Markerelement eine äußere Oberfläche aufweist.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine chirurgische Referenzierungseinheit für ein chirurgisches Navigationssystem, wobei eine Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheit im Raum durch das Navigationssystem bestimmbar ist, welche Referenzierungseinheit mindestens ein chirurgisches Markerelement umfasst, welches eine äußere Oberfläche aufweist.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein chirurgisches Navigationssystem mit mindestens einer Referenzierungseinheit und mit mindestens einer Nachweisvorrichtung zum Detektieren der Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheit im Raum, wobei die chirurgische Referenzierungseinheit mindestens ein chirurgisches Markerelement umfasst, welches eine äußere Oberfläche aufweist.
  • In der Chirurgie kommen chirurgische Navigationssysteme zum Einsatz, mit denen Positionen und/oder Orientierungen bestimmter Punkte an Körpern von Patienten und/oder von Instrumenten oder Werkzeugen vor, während und/oder nach einem chirurgischen Eingriff bestimmt werden können. So werden beispielsweise bei Operationen zum Implantieren künstlicher Gelenke, insbesondere bei Hüftgelenkoperationen und Kniegelenkoperationen, häufig Gelenkzentren und Achsen von die Gelenke definierenden Knochen bestimmt, indem Referenzierungseinheiten an diesen festgelegt, und deren Positionen und/oder Orientierungen im Raum sowohl in Ruhe als auch in Bewegung bestimmt und daraus entsprechend Gelenkzentren und Achsen berechnet werden.
  • Damit eine Position und/oder eine Orientierung einer Referenzierungseinheit beispielsweise durch eine Nachweisvorrichtung eines chirurgischen Navigationssystems bestimmt werden kann, müssen das oder die Markerelemente der jeweiligen Referenzierungseinheit für die Nachweisvorrichtung des Navigationssystems "sichtbar" sein. Diese Sichtbarkeit kann jedoch während eines chirurgischen Eingriffs nicht mehr gegeben sein, da insbesondere an chirurgischen Instrumenten oder nahe eines Operationssitus an einem Patientenkörper angebrachter Referenzierungseinheiten leicht mit Blut, Sekret, Spülwasser oder anderen Stoffen während des Eingriffs beschmutzt werden können. Ist ein Markerelement völlig verschmutzt, so ist es überhaupt nicht mehr sichtbar, und unter Umständen kann dann eine Positions- und/oder Orientierungsbestimmung überhaupt nicht mehr durchgeführt werden. Wird eine Oberfläche des Markerelements jedoch nur teilweise durch Schmutz verdeckt, so wird, was häufig noch im Wesentlich negativere Folgen haben kann, nicht mehr die tatsächliche Oberfläche des Markerelements, sondern nur noch ein Teil desselben mit der Nachweisvorrichtung bestimmbar, wodurch sich im schlimmsten Fall signifikante Abweichungen bei der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung der Referenzierungseinheit ergeben können.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein chirurgisches Markerelement, eine chirurgische Referenzierungseinheit und ein chirurgisches Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass Markerelemente während chirurgischer Eingriffe besser erkennbar bleiben.
  • Diese Aufgabe wird bei einem chirurgischen Markerelement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die äußere Oberfläche mindestens teilweise nanostrukturiert ist.
  • Durch eine Nanostrukturierung der äußeren Oberfläche, zumindest teilweise, werden Adhäsionskräfte zwischen auf die Oberfläche gelangter Verschmutzungen und der Oberfläche verringert. Schmutz, wie beispielsweise Blut, Sekret, Spülwasser und andere Stoffe, haftet deutlich schlechter oder praktisch überhaupt nicht mehr an einer solchen nanostrukturierten Oberfläche. Sie hat sozusagen selbstreinigende Eigenschaften und kann zudem auf einfache Weise durch Abspülen mit einer Reinigungsflüssigkeit, beispielsweise Wasser, schnell und praktisch rückstandsfrei gereinigt werden. Dadurch wird ein aufgrund hartnäckiger Verschmutzungen häufig erforderliches Austauschen der Markerelemente während eines chirurgischen Eingriffs überflüssig. Ein solches Austauschen ist teuer und stört zudem den Ablauf des chirurgischen Eingriffs. Insgesamt wird so eine Verschmutzung des mindestens einen Markerelements verringert und dessen intraoperative Reinigung vereinfacht.
  • Vorzugsweise ist die äußere Oberfläche vollständig nanostrukturiert. So kann man sich die oben beschriebenen Vorteile einer nanostrukturierten Oberfläche für die gesamte Oberfläche des Markerelements nutzbar machen.
  • Ein besonders guter Selbstreinigungseffekt kann erreicht werden, wenn die nanostrukturierte Oberfläche Strukturen in einem Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 100 nm aufweist.
  • Vorzugsweise weist die nanostrukturierte Oberfläche Strukturen in einem Bereich von etwa 1 nm bis 10 nm auf. Derartige Strukturgrößen verhindern wirksam eine dauerhafte Verschmutzung und Benetzung einer Oberfläche des Markerelements.
  • Günstigerweise ist die Oberfläche derart strukturiert, dass ein Kontaktwinkel bei einer Benetzung mit Wasser in einem Bereich von etwa 130° bis etwa 180° liegt. Kontaktwinkel von Wasser zur Oberfläche im genannten Bereich verhindern praktisch eine vollständige Benetzung der Oberfläche mit Wasser. Kohäsionskräfte in einem Wassertropfen sind dann größer, so dass sich auf der Oberfläche befindliches Wasser zu Tropfen sammeln kann, die dann leicht abfließen und Schmutz mitreißen können.
  • Die selbstreinigende Eigenschaft der nanostrukturierten Oberfläche wird weiter verbessert, wenn sie derart strukturiert ist, dass ein Kontaktwinkel bei einer Benetzung mit Wasser in einem Bereich von etwa 150° bis etwa 175° liegt.
  • Das Anhaften von Schmutz wird wirksam verhindert, wenn die nanostrukturierte Oberfläche eine Vielzahl von Nanovorsprüngen aufweist.
  • Besonders gut Schmutz abweisend wird die nanostrukturierte Oberfläche, wenn die Vielzahl von Nanovorsprüngen eine Höhe in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 nm aufweist.
  • Besonders gute Schmutz abweisende Eigenschaften hat eine nanostrukturierte Oberfläche, bei welcher die Vielzahl von Nanovorsprüngen eine Höhe in einem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 30 nm aufweist.
  • Damit ein Anhaften und damit eine Benetzung von Wasser auf der Oberfläche wirksam verhindert werden kann, ist es vorteilhaft, wenn die Vielzahl von Nanovorsprüngen mindestens teilweise einen Nanokörper aus einem hydrophoben Material trägt. Selbstverständlich kann die Vielzahl von Nanovorsprüngen jeweils selbst aus einem hydrophoben Material gebildet sein. In jedem Fall wird so eine Benetzung der nanostrukturierten Oberfläche mit Wasser minimiert oder gar ganz verhindert.
  • Günstig ist es, wenn das hydrophobe Material ein Wachs, beispielsweise ein natürliches oder künstlich hergestelltes, oder ein hydrophober Kunststoff wie beispielsweise Teflon ist.
  • Besonders einfach herzustellen werden die Nanokörper, wenn sie kugelig oder kristallartig geformt sind.
  • Um eine Grundstruktur der nanostrukturierten Oberfläche nicht zu zerstören und deren Reinigungswirksamkeit nicht zu gefährden, ist es vorteilhaft, wenn die Nanokörper kleiner als die sie tragenden Nanovorsprünge sind.
  • Besonders einfach herzustellen wird das Markerelement, wenn die nanostrukturierte Oberfläche durch eine Beschichtung der äußeren Oberfläche gebildet ist.
  • Vorzugsweise ist die Beschichtung durch eine Nanolackschicht aus einem Nanolack gebildet. Eine Nanolackschicht lässt sich auf die äußere Oberfläche des Markerelements auf einfache Weise auch großtechnisch auftragen.
  • Um eine möglichst stabile nanostrukturierte Oberfläche zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn der Nanolack ein zur Verarbeitung flüssiger und aushärtbarer Nanolack ist. Ein solcher Nanolack lässt sich beispielsweise leicht aufsprühen oder durch Walzen auftragen oder durch Eintauchen des zu beschichtenden Markerelements in ein Nanolackbad aufbringen.
  • Vorzugsweise ist die Nanolackschicht durch Sprühen, Tauchen oder Walzen aufgetragen. Die Nanolackschicht derart aufzubringen ist besonders einfach und auch großtechnisch realisierbar.
  • Um möglichst wenig Nanolack zu verbrauchen und daher Herstellungskosten des Markerelements möglichst niedrig zu halten, ist es günstig, wenn die Nanolackschicht eine Dicke in einem Bereich von 1 μm bis 20 μm aufweist.
  • Damit die Nanolackschicht dauerhaft haltbar und widerstandsfähig ist, ist es vorteilhaft, wenn sie eine bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 100°C bis etwa 220°C ausgehärtete Nanolackschicht ist.
  • Vorzugsweise ist die Nanolackschicht eine durch ultraviolette Strahlung ausgehärtete Nanolackschicht. Ein Aushärten der Nanolackschicht durch entsprechende Temperaturbehandlung oder durch ultraviolette Bestrahlung ist auf einfache Weise realisierbar, insbesondere auch großtechnisch.
  • Vorzugsweise ist die Beschichtung durch eine Nanofolie gebildet. Die Beschichtung des Markerelements ist dann besonders einfach, denn es muss lediglich mit der Nanofolie bezogen werden. Diese kann selbstklebend ausgebildet sein oder aufgrund ihrer Materialeigenschaften selbsthaftend, das heißt zwischen der Nanofolie und einer äußeren Oberfläche des Markerelements wirkende Adhäsionskräfte können ausreichend groß sein, um die Nanofolie am Markerelement zu halten.
  • Besonders einfach verarbeitbar und trotzdem eine ausreichende Stabilität aufweisend ist eine Nanofolie, welche eine Dicke in einem Bereich von 1 μm bis 20 μm aufweist.
  • Günstigerweise enthält die Beschichtung eine Vielzahl von Nanoteilchen, welche die Nanovorsprünge bilden. So kann durch Aufbringen der Beschichtung, beispielsweise in Form einer Folie oder in Form eines Nanolacks oder dergleichen, eine Nanostrukturierung der äußeren Oberfläche des Markerelements erreicht werden.
  • Besonders wirkungsvoll sind Nanoteilchen, welche in flüssigen Nanolack oder bei der Herstellung der Folie kolloidal gelöste Hydrolysate und Teilkondensate von Siliziumalkoxiden sind. Bei derartigen Nanoteilchen ist eine besonders gute und selbstreinigende Eigenschaft der Nanostrukturierung erreichbar.
  • Eine besonders gute Schmutz- und Wasserabweisung kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die nanostrukturierte Oberfläche durch ein anorganisch-organisches Hybridnetzwerk gebildet ist.
  • Insbesondere bei einer Beschichtung oder Nanostrukturierung einer äußeren Oberfläche eines aktiven Markerelements, welches von einer Nachweisvorrichtung eines Navigationssystems detektierbare Strahlung, insbesondere elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall, aussenden kann, ist es vorteilhaft, wenn die nanostrukturierte Oberfläche transparent ist.
  • Besonders kostengünstig und unabhängig von einer Energieversorgung ist das Markerelement, wenn es ein passives Markerelement ist.
  • Günstigerweise ist die äußere Oberfläche des passiven Markerelements eine elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall reflektierende Oberfläche. Damit eignet sich das Markerelement hervorragend zur Verwendung herkömmlicher und im Einsatz befindlicher Navigationssysteme, die elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, und/oder Ultraschall aussenden und die von Markerelementen entsprechend reflektierte Strahlung detektieren können.
  • Günstig kann es jedoch auch sein, wenn das Markerelement ein aktives Markerelement ist. So kann insbesondere auch auf eine Sendeeinheit bei der Ausbildung des Navigationssystems verzichtet werden.
  • Um das Markerelement mit derzeit gängigen Navigationssystemen zusammen nutzen zu können, ist es günstig, wenn das aktive Markerelement eine Sendeeinheit umfasst zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung oder von Ultraschall.
  • Der Aufbau des Markerelements wird besonders einfach, wenn es in Form einer Kugel oder in Form einer flachen Kreisscheibe ausgebildet ist. Insbesondere kann die äußere Oberfläche eine vollständige oder nahezu vollständige Kugeloberfläche bilden oder eine Kreisscheibe oder einen definierten Teil einer solchen.
  • Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer chirurgischen Referenzierungseinheit erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die äußere Oberfläche mindestens teilweise nanostrukturiert ist.
  • Eine solche Referenzierungseinheit verschmutzt wesentlich weniger stark als herkömmliche Referenzierungseinheiten. Dies hat den Vorteil, dass das mindestens eine Markerelement der Referenzierungseinheit für eine Nachweisvorrichtung eines Navigationssystems deutlich besser sichtbar ist als eine mit herkömmlichen Markerelementen. Ferner ist es deutlich einfacher reinigbar und weist zudem auch selbstreinigende Eigenschaften auf.
  • Günstig ist es, wenn das mindestens eine Markerelement eines der oben beschriebenen Markerelemente ist. Der Referenzierungseinheit kommen dann auch die in Zusammenhang mit den oben beschriebenen Ausführungsformen von Markerelementen dargelegten Vorteile zu.
  • Günstigerweise weist die Referenzierungseinheit drei oder mehr chirurgische Markerelemente auf. Mit drei Markerelementen kann sowohl eine Position als auch eine Orientierung der Referenzierungseinheit im Raum eindeutig bestimmt werden. Werden mehr chirurgische Markerelemente vorgesehen, dann kann eine Messgenauigkeit durch redundante Ermittlung von Positionen der Markerelemente erhöht werden. Zudem kommt es auch immer wieder vor, dass ein Markerelement zwar nicht beschmutzt, aber durch ein anderes Instrument oder eine in einem Operationssaal befindliche Person verdeckt wird.
  • Des Weiteren wird die eingangs beschriebene Aufgabe bei einem chirurgischen Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die äußere Oberfläche mindestens teilweise nanostrukturiert ist.
  • Eine nanostrukturierte Oberfläche lässt sich besonders einfach reinigen und verschmutzt zudem wesentlich weniger stark als Oberflächen herkömmlicher Markerelemente.
  • Günstigerweise ist das Markerelement eines der oben beschriebenen Markerelemente. Damit weist auch das Navigationssystem insgesamt die bereits oben im Zusammenhang mit den näher erläuterten Ausführungsformen von Markerelementen dargelegten Vorteile auf.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Navigationssystems mit einer Referenzierungseinheit;
  • 2: eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer chirurgischen Referenzierungseinheit;
  • 3: eine Schnittansicht längs Linie 3-3 in 1;
  • 4: eine Schnittansicht längs Linie 4-4 in 2,
  • 5: eine stark vergrößerte Ansicht einer Oberflächenstruktur in den Bereichen A in den 1 und 2;
  • 6: eine schematische Darstellung der Benetzung einer Oberfläche mit Wasser; und
  • 7: eine schematische Darstellung des selbstreinigenden Wirkprinzips einer nanostrukturierten Oberfläche.
  • In 1 ist schematisch ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehenes chirurgisches Navigationssystem dargestellt. Es umfasst eine Nachweisvorrichtung 12, mit mindestens einer Sende- und/oder Empfangseinheit 14 und einer Datenverarbeitungseinheit 16, mit welcher Positions- und/oder Orientierungsdaten ermittelt und auf einer Ausgabeeinheit 18 oder einem Ausgabegerät dargestellt oder ausgegeben werden können.
  • Die Sende- und/oder Empfangseinheit 14 kann insbesondere ausgebildet sein zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise von Infrarotstrahlung, oder zum Aussenden von Ultraschall. Sie ist dann selbstverständlich auch so ausgebildet, dass sie die von ihr ausgesandte Strahlung auch wieder detektieren kann. Optional kann das Navigationssystem 10 auch so ausgebildet sein, dass Sende- und/oder Empfangseinheiten 14 als reine Empfangseinheiten ausgebildet sind. Ein derartiges Navigationssystem 10 eignet sich insbesondere zur Verwendung mit aktiven Markerelementen.
  • Das Navigationssystem 10 umfasst ferner eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 20 versehene Referenzierungseinheit. Diese umfasst wiederum einen wie in 1 beispielhaft dargestellten kreuzförmigen Träger 22. Auf einer ebenen Oberseite 24 des Trägers 22 sind insgesamt vier Markerelemente 28 angeordnet. Die Markerelemente 28 sind in Form von Kugeln ausgebildet und weisen eine sphärische äußere Oberfläche 30 auf. Die Markerelemente 28 sind lösbar verbindbar auf senkrecht von der Oberseite 24 weg weisenden Kupplungszapfen 32 gehalten.
  • Über ein Verbindungselement 34 kann die Referenzierungseinheit 20 an einem Instrument oder mit einem Befestigungselement, beispielsweise einer Knochenschraube oder einem Knochennagel oder dergleichen, an einem menschlichen oder einem tierischen Körper festgelegt werden.
  • In 2 ist eine alternative Ausführungsform einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 20a versehenen Referenzierungseinheit dargestellt. Sie unterscheidet sich von der Referenzierungseinheit 20 lediglich durch die Ausgestaltung der Markerelemente, die bei der Referenzierungseinheit 20a mit dem Bezugszeichen 28a gekennzeichnet sind. Daher sind alle Teile, die identisch mit Teilen der Referenzierungseinheit 20 ausgebildet sind, mit denselben Bezugszeichen versehen wie bei der in 1 dargestellten Referenzierungseinheit 20.
  • Das Markerelement 28 umfasst einen scheibenförmigen Träger 36, welcher auf einer Oberseite eine flache kreisförmige Vertiefung 38 aufweist. Die Vertiefung 38 wird von einem kreisförmigen umlaufenden flachen Rand 40 begrenzt, von welchem ein in Richtung auf eine vom Träger 36 definierte Längsachse 42 hin weisender nach innen vorstehender flacher Flansch 44 absteht. Es wird so eine ringförmige und umlaufende Nut 46 gebildet.
  • Eine vom Träger weg weisende Oberfläche 48 des Trägers 36 ist mit einer ersten Schicht 50 bedeckt, welche aus einem Ultraschall und/oder elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Infrarotstrahlung, reflektierenden Material gebildet ist. Die erste Schicht 50 ist von einer zweiten Schicht 52 bedeckt, so dass insgesamt eine Doppelschicht ausgebildet wird, die sich bis unter den Flansch 44 erstreckt und die Vertiefung 38 im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Die zweite Schicht 52 weist eine nanostrukturierte Oberfläche 54 auf oder bildet eine solche.
  • In 3 ist der Aufbau des Markerelements 28 etwas detaillierter dargestellt. Es umfasst einen kugelförmigen Grundkörper 56, welcher mit einer ersten, Ultraschall und/oder elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Infrarotstrahlung, reflektierenden Schicht 50 vollständig bedeckt ist. Auf der ersten Schicht 50 ist eine zweite Schicht 52, die eine nanostrukturierte äußere Oberfläche 54 aufweist.
  • Aufbau und Funktion der bei beiden Markerelementen 28 und 28a a identischen Schichten 50 und 52 sowie der nanostrukturierten Oberfläche 54 werden nachfolgend gemeinsam erläutert.
  • Die erste Schicht 50 kann insbesondere in Form einer Reflektionsfolie ausgebildet sein. Es kann sich auch um eine aufgesprühte, aufgewalzte oder durch Eintauchen in ein Bad ausgebildete Lackschicht handeln, die die beschriebenen Strahlungsarten reflektieren kann.
  • Die zweite Schicht 52 mit der nanostrukturierten Oberfläche 54 ist beispielsweise in Form einer Nanolackschicht aus einem Nanolack gebildet. Es kann sich insbesondere um einen Nanolack handeln, der zur Verarbeitung flüssig und durch Temperaturbehandlung in einem Bereich von etwa 100°C bis etwa 200°C aushärtbar ist. Der flüssige Nanolack kann insbesondere durch Sprühen, Eintauchen des mit der ersten Schicht 50 versehenen Markerelements 28 beziehungsweise 28a in ein Nanolack-Bad oder durch Walzen aufgetragen werden. Die Dicke der zweiten Schicht 52 beträgt vorzugsweise 1 μm bis 20 μm. Optional kann der Nanolack auch durch ultraviolette Strahlung aushärtbar sein.
  • Statt eines Nanolacks kann die zweite Schicht auch durch eine Nanofolie gebildet werden, welche eine Dicke in einem Bereich von 1 μm bis 20 μm aufweist.
  • Die zweite Schicht enthält eine Vielzahl von Nanoteilchen 58, welche Nanovorsprünge 60 bilden. Derartige Nanoteilchen 58 sind beispielhaft in 5 dargestellt, die schematisch einen Ausschnitt einer Rasterelektronenmikroskopaufnahme zeigt. Vorzugsweise handelt es sich bei den Nanoteilchen 58 im flüssigen Nanolack oder bei der Herstellung der Folie um kolloidal gelöste Hydrolysate und Teilkondensate von Siliziumalkoxiden. Somit ergibt sich insgesamt eine nanostrukturierte Oberfläche 54, welche durch ein anorganisch-organisches Hybridnetzwerk 62 gebildet ist.
  • Die zweite Schicht 52 ist vorzugsweise transparent, so dass auf das Markerelement 28 beziehungsweise 28a auftreffende Strahlung die zweite Schicht durchdringen, an der ersten Schicht 50 reflektiert werden und die zweite Schicht 52 wiederum durchstrahlen kann.
  • Die Oberfläche 54 weist insbesondere Strukturen in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 100 nm auf, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 nm. Die Nanovorsprünge 60 weisen vorzugsweise eine Höhe in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 nm auf, vorzugsweise in einem Bereich von 2 nm bis etwa 30 nm. Die Nanovorsprünge 60 sind vorzugsweise aus einem hydrophoben Material gebildet. Optional können sie einen Nanokörper 64 aus einem hydrophoben Material tragen. Bei dem hydrophoben Material kann es sich um ein natürliches oder künstliches Wachs oder um einen hydrophoben Kunststoff handeln. Die Nanokörper 64 sind vorzugsweise kugelig oder kristallartig geformt sowie kleiner als die sie tragenden Nanovorsprünge 60.
  • Durch die nanostrukturierte Oberfläche 54 wird insbesondere ein Kontaktwinkel 66 zwischen Wassertropfen 68 und der Oberfläche 54 im Vergleich zu einer nicht nanostrukturierten Oberfläche deutlich vergrößert. So kann der Kontaktwinkel bei einer nanostrukturierten Oberfläche 54 bei einer Benetzung mit Wassertropfen 68 in einem Bereich von etwa 130° bis etwa 180° liegen, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 150° bis etwa 175°. Der Kontaktwinkel hängt vom Benetzungsgrad und dieser wiederum von Grenzflächenspannungen ab, welche zwischen Festkörpern, Wasser und Luft herrschen. Ein Kontaktwinkel von 180° entspricht einer vollkommenen Unbenetzbarkeit, wo hingegen ein Kontaktwinkel von 0° eine totale Benetzung darstellt. Ein Was sertropfen wird im letztgenannten Fall zu einem monomolekularen Film zerlaufen.
  • Der Selbstreinigungseffekt nanostrukturierter Oberflächen 54 ist in 7 schematisch dargestellt. Schmutzteilchen 70, die auf einer glatten Oberfläche 72 oder einer nanostrukturierten Oberfläche 54 anhaften, können aufgrund der unterschiedlichen Benetzung der Oberflächen mit Wasser unterschiedlich gut haften. Im Gegensatz zu glatten Oberflächen 72 wird durch die aufgrund der Nanostrukturierung der Oberfläche 54 deutlich geringeren Adhäsionskräfte das Abfließen von Wasser wesentlich erleichtert. Abfließendes Wasser kann Schmutzteilchen 70 von der Oberfläche wegreißen, aufnehmen und wegspülen. Bei einem aufgrund erhöhter Adhäsionskräfte auf der glatten Oberfläche 72 haftenden Wassertropfen 68 können die Schmutzteilchen 70 nicht auf eine äußere Oberfläche des Wassertropfens gelangen und somit auch nicht auf einfache Weise entfernt werden.
  • Die beschriebenen Markerelemente 28 und 28a sind in ihrem Aufbau rein beispielhaft. Wesentliches Merkmal ihres Aufbaus ist ihre nanostrukturierte äußere Oberfläche 54.
  • Bei den beiden beschriebenen Markerelementen 28 und 28a handelt es sich um sogenannte passive Markerelemente. Ein nahezu analoger Aufbau ergäbe sich für aktive Markerelemente, wobei bei aktiven Markerelementen auf die oben beschriebene erste Schicht 50 verzichtet werden kann, da aktive Markerelemente üblicherweise eine Sendeeinheit aufweisen, mit welcher sie elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, oder Ultraschall aussenden können. Bei aktiven Markerelementen ist vorzugsweise nur die zweite Schicht 52 auf deren äußere Oberfläche aufzubringen oder auf dieser auszubilden, die vorzugsweise so transparent ist, dass die von der Sendeeinheit des aktiven Markerelements erzeugte Strahlung durch die zweite Schicht 52 durchtreten kann.

Claims (36)

  1. Chirurgisches Markerelement (28; 28a) für eine chirurgische Referenzierungseinheit (20; 20a) eines chirurgischen Navigationssystems (10), mit welchem eine Position und/oder eine Orientierung der Referenzierungseinheit (20; 20a) bestimmbar ist, welches Markerelement eine äußere Oberfläche (30; 30a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche (54) mindestens teilweise nanostrukturiert ist.
  2. Markerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche (54) vollständig nanostrukturiert ist.
  3. Markerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Oberfläche (54) Strukturen in einem Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 100 nm aufweist.
  4. Markerelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Oberfläche (54) Strukturen in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 nm aufweist.
  5. Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (54) derart strukturiert ist, dass ein Kontaktwinkel (66) bei einer Benetzung mit Wasser (68) in einem Bereich von etwa 130° bis etwa 180° liegt.
  6. Markerelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (54) derart strukturiert ist, dass ein Kontaktwinkel (66) bei einer Benetzung mit Wasser in einem Bereich von etwa 150° bis etwa 175° liegt.
  7. Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Oberfläche (54) eine Vielzahl von Nanovorsprüngen (60) aufweist.
  8. Markerelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Nanovorsprüngen (60) eine Höhe in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 nm aufweist.
  9. Markerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Nanovorsprüngen (60) eine Höhe in einem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 30 nm aufweist.
  10. Markerelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Nanovorsprüngen (60) mindestens teilweise einen Nanokörper (64) aus einem hydrophoben Material trägt.
  11. Markerelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrophobe Material ein Wachs oder ein hydrophober Kunststoff ist.
  12. Markerelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanokörper (64) kugelig oder kristallartig geformt ist.
  13. Markerelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanokörper (64) kleiner als die sie tragenden Nanovorsprünge (60) sind.
  14. Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Oberfläche (54) durch eine Beschichtung (52) der äußeren Oberfläche (30; 48) gebildet ist.
  15. Markerelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (52) durch eine Nanolackschicht (52) aus einem Nanolack gebildet ist.
  16. Markerelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanolack ein zur Verarbeitung flüssiger und aushärtbarer Nanolack ist.
  17. Markerelement nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanolackschicht (52) durch Sprühen, Tauchen oder Walzen aufgetragen ist.
  18. Markerelement nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanolackschicht (52) eine Dicke in einem Bereich von 1 μm bis 20 μm aufweist.
  19. Markerelement nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanolackschicht (52) eine bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 100°C bis etwa 220°C ausgehärtete Nanolackschicht (52) ist.
  20. Markerelement nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanolackschicht (52) eine durch ultraviolette Strahlung ausgehärtete Nanolackschicht (52) ist.
  21. Markerelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (52) durch eine Nanofolie (52) gebildet ist.
  22. Markerelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofolie (52) eine Dicke in einem Bereich von 1 μm bis 20 μm aufweist.
  23. Markerelement nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Vielzahl von Nanoteilchen (58) enthält, welche die Nanovorsprünge (60) bilden.
  24. Markerelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoteilchen (58) im flüssigen Nanolack oder bei der Herstellung der Folie kolloidal gelöste Hydrolysate und Teilkondensate von Siliziumalkoxiden sind.
  25. Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Oberfläche (54) durch ein anorganisch-organisches Hybridnetzwerk (62) gebildet ist.
  26. Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierte Oberfläche (54) transparent ist.
  27. Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Markerelement (28; 28a) ein passives Markerelement (28; 28a) ist.
  28. Markerelement nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche (30; 30a) des passiven Markerelements (28; 28a) eine elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall reflektierende Oberfläche (50) ist.
  29. Markerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Markerelement ein aktives Markerelement ist.
  30. Markerelement nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Markerelement eine Sendeeinheit umfasst zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung oder von Ultraschall.
  31. Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Markerelement (28; 28a) in Form einer Kugel oder in Form einer flachen Kreisscheibe ausgebildet ist.
  32. Chirurgische Referenzierungseinheit (20; 20a) für ein chirurgisches Navigationssystem (10), wobei eine Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheit (20; 20a) im Raum durch das Navigationssystem (10) bestimmbar ist, welche Referenzierungseinheit (20; 20a) mindestens ein chirurgisches Markerelement (28; 28a) umfasst, welches eine äußere Oberfläche (30; 30a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche (54) mindestens teilweise nanostrukturiert ist.
  33. Chirurgische Referenzierungseinheit nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch mindestens ein Markerelement (28; 28a) nach einem der Ansprüche 1 bis 31.
  34. Chirurgische Referenzierungseinheit nach Anspruch 32 oder 33, gekennzeichnet durch drei oder mehr chirurgische Markerelemente (28; 28a).
  35. Chirurgisches Navigationssystem (10) mit mindestens einer Referenzierungseinheit (20; 20a) und mit mindestens einer Nachweisvorrichtung (12) zum Detektieren der Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheit (20; 20a) im Raum, wobei die chirurgische Referenzierungseinheit (20; 20a) mindestens ein chirurgisches Markerelement (28; 28a) umfasst, welches eine äußere Oberfläche (30; 30a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche (54) mindestens teilweise nanostrukturiert ist.
  36. Chirurgisches Navigationssystem nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch mindestens ein Markerelement (28; 28a) nach einem der Ansprüche 1 bis 31.
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