DE202008016436U1

DE202008016436U1 - Navigation system for surgical purposes

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Publication number: DE202008016436U1
Application number: DE202008016436U
Authority: DE
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2018-12-12

Abstract

Navigationssystem für chirurgische Zwecke zur Lagebestimmung eines Gegenstandes in einem Referenz-Koordinatensystem, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gegenstand (1; 15) mindestens drei thermodynamische Sensoren (4), die in Abhängigkeit von ihrer Beschleunigung und ihrer Orientierung im Gravitationsfeld Signale erzeugen, in festem gegenseitigem Abstand und relativ zu dem Gegenstand (1; 15) fest angeordnet sind und dass die Sensoren (4) mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (6) verbunden sind, die so programmiert ist, dass aus den Signalen der mindestens drei thermodynamischen Sensoren (4) die Position und die Orientierung des Gegenstandes (1; 15) im Referenz-Koordinatensystem berechnet wird.navigation system for surgical purposes for determining the position of an object in a reference coordinate system, characterized in that at least three thermodynamic sensors on the article (1; 15) (4), which depend on their acceleration and their Orientation in the gravitational field generate signals in fixed mutual Distance and relative to the object (1; 15) are fixedly arranged and that the sensors (4) with a data processing device (6), which is programmed so that from the signals the at least three thermodynamic sensors (4) the position and the orientation of the article (1; 15) in the reference coordinate system is calculated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Navigationssystem für chirurgische Zwecke zur Lagebestimmung eines Gegenstandes in einem Referenz-Koordinatensystem.The The invention relates to a navigation system for surgical Aims for determining the position of an object in a reference coordinate system.

Es sind Navigationssysteme für chirurgische Zwecke bekannt, bei denen zur Lagebestimmung eines Gegenstandes in einem Referenz-Koordinatensystem, das heißt zur Bestimmung von dessen Positionsdaten und Orientierungsdaten in dem Referenz-Koordinatensystem, an dem Gegenstand so genannte Markierelemente festgelegt sind, beispielsweise Reflexionskörper, die auftreffende sichtbare oder ultrarote Strahlung reflektieren oder aktive Strahlungsquellen wie Leuchtdioden. Von diesen Markierungselementen ausgehende Strahlung wird von stationären Strahlungsempfängern aufgenommen, und aufgrund der empfangenen Strahlung können die Positionsdaten der Markierelemente in einem Referenz-Koordinatensystem, das mit den Strahlungsempfängern fest verbunden ist, bestimmt werden. Aus den Lagedaten der mindestens drei Markierelemente lässt sich dann auch die Lage, das heißt also die Position und Orientierung, des Gegenstandes im Referenz-Koordinatensystem bestimmen. Diese Bestimmung wird üblicherweise durch eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgenommen.It navigation systems are known for surgical purposes, in which for determining the position of an object in a reference coordinate system, that is, to determine its position data and Orientation data in the reference coordinate system on which object so-called marking elements are fixed, such as reflection body, reflect the incident visible or ultra-red radiation or active radiation sources such as LEDs. From these marking elements outgoing radiation is emitted by stationary radiation receivers recorded, and due to the received radiation can the position data of the marking elements in a reference coordinate system, which is firmly connected to the radiation receivers determined become. From the location data of at least three marking elements leaves then the situation, that is the position and Orientation of the object in the reference coordinate system determine. This determination is usually made by a data processing device performed.

Für derartige Navigationssysteme sind Strahlungssender und Strahlungsempfänger notwendig. Die Strahlungssender können entweder an dem Gegenstand selbst angeordnet sein, oder auch stationär, in jedem Fall muss ein System von Strahlungsempfängern vorgesehen sein, so dass sich insgesamt eine relativ komplizierte Struktur eines solchen Navigationssystems ergibt.For Such navigation systems are radiation transmitters and radiation receivers necessary. The radiation transmitters can either be attached to the object be arranged yourself, or stationary, in any case there must be a system of radiation receivers, so that overall a relatively complicated structure of a such navigation system results.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Navigationssystem so auszubilden, dass mit relativ geringem Aufwand und mit hoher Genauigkeit die Lagedaten eines Gegenstandes, beispielsweise eines chirurgischen Instrumentes, bestimmt werden können.It is the object of the invention, a generic Navigation system so that with relatively little effort and with high accuracy the location data of an object, for example a surgical instrument can be determined.

Diese Aufgabe wird bei einem Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an dem Gegenstand mindestens drei thermodynamische Sensoren, die in Abhängigkeit von ihrer Beschleunigung und ihrer Orientierung im Gravitationsfeld Signale erzeugen, in festem gegenseitigem Abstand und relativ zu dem Gegenstand fest angeordnet sind und dass die Sensoren mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden sind, die so programmiert ist, dass aus den Signalen der mindestens drei thermodynamischen Sensoren die Position und die Orientierung des Gegenstandes im Referenz-Koordinatensystem berechnet wird.These Task is in a navigation system described above Art solved according to the invention that on the object at least three thermodynamic sensors, the depending on their acceleration and their orientation generate signals in the gravitational field, in fixed mutual distance and are fixed relative to the object and that the Sensors are connected to a data processing device, which is programmed so that from the signals of at least three thermodynamic sensors the position and orientation of the Object is calculated in the reference coordinate system.

Im Gegensatz zu bekannten Navigationssystemen werden also nicht Sensoren verwendet, die eine Strahlung abgeben, aufgrund der die Position des Markierelementes im Referenz-Koordinatensystem festgestellt wird, sondern es werden thermodynamische Sensoren verwendet, die selbst elektrische Signale erzeugen, und zwar in Abhängigkeit von der Orientierung eines solchen Sensors im Gravitationsfeld und/oder in Abhängigkeit von Beschleunigungen, die der Sensor erfährt. Aus den Beschleunigungsdaten lässt sich durch Integration zunächst die Geschwindigkeit und durch weitere Integration die Position des Sensors bestimmen, und aus diesen Positionsdaten zusammen mit den Orientierungsdaten kann dann in der Datenverarbeitungseinrichtung auch die Position und Orientierung des Gegenstandes im Referenz-Koordinatensystem berechnet werden. Ein System von Strahlungsempfängern wie bei bekannten Navigationssystemen ist bei dieser Anordnung nicht notwendig, da die Sensoren selbst, die am Gegenstand angeordnet sind, entsprechende Signale liefern, die unmittelbar von der Datenverarbeitungseinrichtung zur Berechnung der Lagedaten verwendet werden können.in the Unlike known navigation systems are therefore not sensors used, which emit a radiation, due to the position of the Marking element is detected in the reference coordinate system, but thermodynamic sensors are used, which themselves generate electrical signals, depending on from the orientation of such a sensor in the gravitational field and / or depending on accelerations experienced by the sensor. The acceleration data can be obtained by integration first the speed and further integration determine the position of the sensor, and from this position data together with the orientation data can then also in the data processing device the position and orientation of the object in the reference coordinate system be calculated. A system of radiation receivers like in known navigation systems is not in this arrangement necessary, since the sensors themselves, which are arranged on the object are to provide corresponding signals directly from the data processing device can be used to calculate the location data.

Derartige thermodynamische Sensoren sind an sich bekannt ( DE 10 2004 040 003 B4 ). Es handelt sich dabei um Sensoren, die nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien funktionieren, bei denen aber im Wesentlichen in einem abgeschlossenen Volumen ein in der Regel gasförmiges Fluid betrachtet wird, in welchem durch eine Neigung des Sensors oder eine Beschleunigung des Sensors Veränderungen in dem Fluid hervorgerufen werden, beispielsweise Veränderungen der lokalen Dichte oder insbesondere Veränderungen der lokalen Temperaturverteilung. Zu diesem Zweck sind in derartigen Sensoren in der Regel Elemente enthalten, die in dem Fluid ein bestimmtes Profil von physikalischen Zuständen erzeugen, beispielsweise Elemente, die eine periodische Dichteschwankung erzeugen oder insbesondere Elemente, die eine Erwärmung des Fluides oder eine Abkühlung des Fluides erzeugen und damit ein bestimmtes sich im Volumen des Sensors von Ort zu Ort änderndes Temperaturprofil aufbauen. Dieses Temperaturprofil ändert sich, wenn der Sensor beschleunigt wird oder wenn er gegenüber dem Gravitationsfeld geneigt wird, und diese Änderungen lassen sich durch geeignete Temperaturfühler ausmessen. Bei einer anderen Anordnung sind Heiz- oder Kühlelemente im Sensor angeordnet, die eine Änderung des Temperaturprofiles aufgrund von Beschleunigungen oder geänderten Neigungen des Sensors kompensieren, so dass das Temperaturprofil im Sensor möglichst unverändert aufrecht erhalten wird. Die dazu notwendigen Leistungszufuhren zu den Heiz- oder Kühlelementen können gemessen werden und bilden auf diese Weise Signale, die abhän gig sind von den Beschleunigungen des Sensors in verschiedenen Richtungen, abhängig von Drehungen oder von unterschiedlichen Orientierungen gegenüber dem Gravitationsfeld. Auf diese Weise lassen sich mit derartigen, an sich bekannten thermodynamischen Sensoren Signale erzeugen, die ein Maß sind für Beschleunigungen in unterschiedlicher Richtung, für Drehungen oder Orientierungsänderungen des Sensors in einem Referenz-Koordinatensystem.Such thermodynamic sensors are known per se ( DE 10 2004 040 003 B4 ). These are sensors which operate according to different physical principles, but in which a generally gaseous fluid is essentially considered in a closed volume, in which changes in the fluid are caused by an inclination of the sensor or an acceleration of the sensor For example, changes in local density or in particular changes in the local temperature distribution. For this purpose, such sensors usually contain elements which generate a specific profile of physical states in the fluid, for example elements which produce a periodic density fluctuation or, in particular, elements which generate a heating of the fluid or a cooling of the fluid and thus build up a specific temperature profile that changes in the volume of the sensor from place to place. This temperature profile changes when the sensor is accelerated or when it is tilted with respect to the gravitational field, and these changes can be measured by suitable temperature sensors. In another arrangement heating or cooling elements are arranged in the sensor, which compensate for a change in the temperature profile due to accelerations or changes in inclinations of the sensor, so that the temperature profile is maintained as unchanged as possible in the sensor. The necessary power supplies to the heating or cooling elements can be measured and thus form signals that are dependent on the accelerations of the sensor in different directions, depending on rotations or of different orientations relative to the gravitational field. In this way, signals which are a measure of accelerations in different directions, of rotations or changes in orientation of the sensor in a reference coordinate system can be generated with such known thermodynamic sensors.

An sich könnte man annehmen, dass es genügen würde, einen Gegenstand, dessen Lagedaten bestimmt werden sollen, fest mit einem derartigen thermodynamischen Sensor zu verbinden. Es hat sich jedoch in der Praxis herausgestellt, dass bei Verwendung eines einzigen derartigen thermodynamischen Sensors nicht alle gewünschten Lagedaten mit der erforderlichen Genauigkeit erhalten werden können. Dies liegt einmal daran, dass die thermodynamischen Sensoren bei unterschiedlichen Bewegungen unterschiedlich empfindlich reagieren und damit unterschiedlich große Signale abgeben. So ist beispielsweise eine Drehung um eine Symmetrieachse des Sensors unter Umständen weniger deutlich feststellbar als eine Translationsbeschleunigung des Sensors, auch kann eine Neigung gegenüber dem Gravitationsfeld gegebenenfalls weniger deutliche Signale ergeben als sie durch eine Translationsbeschleunigung von Sensoren erzeugt werden.At one could assume that it would suffice an object whose location data is to be determined to connect with such a thermodynamic sensor. It has however, in practice, that when using a single Such thermodynamic sensor not all desired Position data can be obtained with the required accuracy. This is due to the fact that the thermodynamic sensors at react differently sensitive to different movements and thus deliver different sized signals. So is For example, a rotation about an axis of symmetry of the sensor below Circumstances less clearly detectable as a translational acceleration of the sensor, too, may have a tilt relative to the gravitational field possibly give less clear signals than they by a Translation acceleration generated by sensors.

Gemäß der Erfindung werden daher an einem zu navigierenden Gegenstand mindestens drei derartige thermodynamische Sensoren angeordnet, so dass auf diese Weise eine Redundanz der Signale erzeugt wird, die sich aufgrund von Veränderungen der Lagedaten des Gegenstandes einstellen. Diese Redundanz kann von der Datenverarbeitungseinrichtung verwendet werden, um die Lagedaten des Gegenstandes mit erhöhter Präzision zu bestimmen. Außerdem ist dadurch möglich, eine genauere Bestimmung der Ausgangslage des Gegenstands im Referenz-Koordinatensystem vorzunehmen.According to the Invention are therefore on an object to be navigated at least arranged three such thermodynamic sensors, so that on This way a redundancy of the signals is generated, which is due to of changes in the location data of the object. This redundancy can be used by the data processing device be elevated to the location data of the object with To determine precision. It also makes it possible a more accurate determination of the initial position of the object in the reference coordinate system make.

Bei der Neigung der thermodynamischen Sensoren gegenüber dem Gravitationsfeld sind die von den Sensoren erzeugten Signale unmittelbar ein Maß für die Neigung gegenüber dem Gravitationsfeld, bei den Beschleunigungsdaten dagegen sind die vom Sensor erzeugten Signale in dieser Form noch nicht verwendbar, um daraus unmittelbar Positionsdaten abzulesen. Hier ist eine zweifache Integration notwendig, und dies führt dazu, dass durch die Sensoren nur Änderungen der Geschwindigkeit und damit auch der Lage gemessen werden können. Es ist daher notwendig, zu Beginn der Messung von einer bestimmten Referenzposition auszugehen, gegenüber der Änderungen der Positionsdaten bestimmt werden. Die Verwendung von mindestens drei Sensoren an dem Gegenstand ermöglicht es jedoch, durch die Positionsbestimmung der drei Sensoren die Orientierung des Gegenstandes im Referenzierungssystem festzustellen, so dass für die Ausgangsmessung genügt, wenn die Ausgangslage nur eines Punktes des Gegenstandes bestimmt wird, es ist nicht notwendig, bei Messungsbeginn auch noch die Orientierung des Gegenstandes relativ zu diesem Punkt zu bestimmen, dies ergibt sich durch die Signale der Sensoren aus diesen unmittelbar, da durch die drei Sensoren am Gegenstand deren Orientierung zu dem einen festen Punkt bestimmt werden kann. Bei dem festen Punkt kann es sich beispielsweise um die Spitze eines Tastinstrumentes handeln.at the inclination of the thermodynamic sensors over the Gravitational field are the signals generated by the sensors directly a measure of the inclination towards the Gravitational field, in the acceleration data, however, are the signals generated by the sensor are not yet usable in this form, to read position data immediately. Here is a double Integration is necessary, and this leads to that through the Sensors only changes the speed and therefore too the situation can be measured. It is therefore necessary starting from a certain reference position at the beginning of the measurement, determined against the changes of the position data become. The use of at least three sensors on the object makes it possible, however, by determining the position of the three sensors the orientation of the object in the referencing system determine, so that suffices for the initial measurement, if the starting position determines only one point of the object is, it is not necessary, at the beginning of measurement also the orientation of the object relative to this point, this gives through the signals of the sensors from these directly, because of the three sensors on the object whose orientation to the one fixed Point can be determined. For example, at the fixed point to act around the tip of a palpation instrument.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert ist, dass sie aus zeitlich aufeinander folgenden Signalen jedes der mindestens drei Sensoren Daten für die Änderung der Position und/oder der Orientierung jedes Sensors berechnet, über die entsprechenden Daten von mindestens zwei Sensoren mittelt und die gemittelten Daten zur Berechnung der Lagedaten des Gegenstandes verwendet. Auf diese Weise kann die Genauigkeit durch diese Mittelung erhöht werden.at a first preferred embodiment is provided that the data processing device is programmed so that they consist of temporally successive signals of each of the at least three sensors data for the change of position and / or the orientation of each sensor calculated via the corresponding data from at least two sensors averages and the averaged data for calculating the location data of the object used. In this way the accuracy can be determined by this averaging increase.

Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dagegen vorgesehen, dass die Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert ist, dass sie aus zeitlich aufeinander folgenden Signalen jedes der mindestens drei Sensoren Daten für die Änderung der Position und/oder der Orientierung jedes Sensors berechnet, die entsprechenden Daten der mindestens drei Sensoren miteinander vergleicht und nach vorgegebenen Kriterien bestimmte Daten von nur einem oder zwei Sensoren auswählt und diese ausgewählten Daten zur Berechnung der Lagedaten des Gegenstandes verwendet. Kriterien können beispielsweise sein, dass bei bestimmten Bewegungen die dadurch an einem Sensor erzeugten Signale sehr klein und an einem anderen Sensor erzeugte Signale deutlich größer sind. So kann beispielsweise bei einer Drehung des Gegenstandes um eine durch einen Sensor hindurchgehende Drehachse in diesem Sensor nur ein Signal für eine Drehung erzeugt werden, bei den anderen Sensoren dagegen auch Signale für Translation, und es kann die Empfindlichkeit der Sensoren für Translation größer sein als für Drehung, so dass es günstig ist, nicht die auf der Drehung des im Bereich der Drehachse liegenden Sensors beruhenden Signale zu verwenden, sondern die Translationsdaten der anderen Sensoren, die im Abstand von der Drehachse liegen und daher mit größerer Empfindlichkeit Aussagen über die Drehung ermöglichen.at another preferred embodiment is against provided that the data processing device programmed so is that they consist of temporally consecutive signals each the at least three sensors data for the change the position and / or orientation of each sensor, the corresponding data of the at least three sensors with each other compares and, according to given criteria, certain data from only one or two sensors selects and those selected Data used to calculate the location data of the object. criteria For example, that can be certain movements the signals generated thereby at a sensor very small and on signals generated by another sensor are significantly larger are. For example, during a rotation of the object around a passing through a sensor axis of rotation in this sensor only one signal for a rotation can be generated at the other sensors also have signals for translation, and it can reduce the sensitivity of the sensors for translation be greater than for rotation, so that it is cheap, not on the turn of the in the field using the rotation axis based sensor based signals but the translation data of the other sensors in the distance from the axis of rotation and therefore with larger Sensitivity statements about the rotation allow.

Günstig ist es, wenn mindestens zwei der Sensoren mit unterschiedlicher Orientierung an dem Gegenstand fest angeordnet sind, so dass die physikalischen Einflüsse des Gravitationsfeldes und auch der auftretenden Beschleunigungen auf die Sensoren unterschiedlich wirken und damit gegebenenfalls zu unterschiedlich großen Signalen führen. Damit können die Signale ausgewählt werden, die am empfindlichsten auf entsprechende Änderungen der Neigung und auf Beschleunigungen reagieren.It is favorable if at least two of the sensors with different orientation are fixedly arranged on the object, so that the physical influences of the gravitational field and also of the occurring accelerations act differently on the sensors and thus possibly lead to signals of different sizes. In order to It is possible to select the signals that are most sensitive to changes in inclination and acceleration.

Zusätzlich zu den mindestens drei fest mit dem Gegenstand verbundenen Sensoren kann weiterhin vorgesehen sein, dass an mindestens einem beweglichen Teil des Gegenstandes ein weiterer thermodynamischer Sensor angeordnet ist, der ebenfalls mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden ist, und dass die Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert ist, dass sie aus den Signalen der mindestens drei fest mit dem Gegenstand verbundenen Sensoren einerseits und des mit dem beweglichen Teil verbundenen Sensors andererseits die Lagedaten des beweglichen Teils relativ zu den Lagedaten des Gegenstandes berechnet. Damit kann die jeweilige Stellung des beweglichen Teils bestimmt werden, es kann sich dabei beispielsweise um Bedienungstasten an einem chirurgischen Instrument handeln oder um bewegliche Instrumententeile, beispielsweise um axial oder radial verschiebbare Bestätigungselemente, Klemmbacken etc.additionally to the at least three sensors permanently connected to the object may further be provided that at least one movable Part of the object another thermodynamic sensor arranged which is also connected to the data processing device is, and that the data processing device programmed so is that they are from the signals of at least three stuck with the Subject-related sensors on the one hand and the one with the mobile Partly connected sensor on the other hand, the location data of the movable Partly calculated relative to the location data of the object. So that can the respective position of the movable part are determined, it may be, for example, to control buttons on a surgical Act instrument or moving instrument parts, for example axially or radially displaceable confirmation elements, Jaws etc.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments The invention is in connection with the drawing of the closer Explanation. Show it:

1: einen chirurgischen Taster mit vier fest daran angeordneten thermodynamischen Sensoren und einer mit den Sensoren verbundenen Datenverarbeitungseinrichtung; 1 a surgical probe having four thermodynamic sensors fixedly attached thereto and a data processing device connected to the sensors;

2: eine vergrößerte schematische Ansicht eines thermodynamischen Sensors mit einem sensoreigenen Koordinatensystem; 2 : An enlarged schematic view of a thermodynamic sensor with a sensor-own coordinate system;

3: eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispieles eines thermodynamischen Sensors mit Verbindung zu einer Datenverarbeitungseinrichtung und 3 a schematic view of an embodiment of a thermodynamic sensor with connection to a data processing device and

4: eine schematische Ansicht eines chirurgischen Instrumentes mit vier fest mit dem Instrument verbundenen thermodynamischen Sensoren und mit einem an einer beweglichen Taste fest angeordneten thermodynamischen Sensor. 4 : A schematic view of a surgical instrument with four fixedly connected to the instrument thermodynamic sensors and with a fixed to a movable button thermodynamic sensor.

In 1 ist als Beispiel für ein chirurgisches Instrument ein Taster 1 beschrieben mit einer Tastspitze 2 und einem Griff 3.In 1 is a push button as an example of a surgical instrument 1 described with a stylus tip 2 and a handle 3 ,

An dem Griff 3 sind an vier verschiedenen Stellen thermodynamische Sensoren 4 fest angeordnet, die jeweils über eine Leitung 5 mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 6 verbunden sind. Der Griff 3 kann in der aus 1 ersichtlichen Weise an seinem proximalen Ende zwei seitlich abstehende Arme 7, 8 aufweisen, an deren Enden jeweils einer der Sensoren 4 angeordnet ist. Die Orientierung und die Position der Sensoren 4 am Griff 3 ist unveränderlich. Außerdem ist bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ersichtlich, dass die einzelnen Sensoren 4, die in 1 nur schematisch als Quader dargestellt sind, relativ zum Griff 3 unterschiedlich orientiert sind, das heißt die einander entsprechenden Achsen der an sich gleich aufgebauten Sensoren 4 verlaufen nicht parallel zu einander.At the handle 3 are thermodynamic sensors in four different places 4 firmly arranged, each via a conduit 5 with a data processing device 6 are connected. The handle 3 can in the off 1 apparent at its proximal end two laterally projecting arms 7 . 8th have, at the ends in each case one of the sensors 4 is arranged. The orientation and the position of the sensors 4 on the handle 3 is unchanging. In addition, in the embodiment of the 1 it can be seen that the individual sensors 4 , in the 1 only schematically shown as a cuboid, relative to the handle 3 are oriented differently, that is, the corresponding axes of the same built up sensors 4 do not run parallel to each other.

Die mit dem Taster 1 verbundenen Sensoren 4 sind so genannte thermodynamische Sensoren, also Sensoren, die in einem abgeschlossenen Volumen 9 durch geeignete physikalische Geber 10 den physikalischen Zustand einer gasförmigen oder gegebenenfalls auch flüssigen Füllung des Volumens 9 beeinflussen. Es kann sich dabei beispielsweise um Geber 10 handeln, die periodische Druckschwankungen in eine gasförmige Füllung des Volumens 9 einbringen oder insbesondere können die Geber 10 als Heiz- oder Kühlelemente ausgebildet sein, die in einer umgebenden Gasfüllung Temperaturänderungen erzeugen, so dass ein bestimmtes Temperaturprofil in der Füllung des Volumens 9 erzeugt wird. In 2 ist ein solcher Sensor 4 schematisch dargestellt, dieser umfasst ein abgeschlossenes Gehäuse 11, welches das Volumen 9 umgibt, und mindestens einen Geber 10, der in der Füllung des Gehäuses 11 ein bestimmtes Profil der vom Geber 10 beeinflussten physikalischen Größe erzeugt, beispielsweise der Temperatur, dieses Profil 12 ist in 2 durch einige Linien angedeutet, die Orte gleicher physikalischer Größe angeben, also beispielsweise Isothermen.The with the button 1 connected sensors 4 are so-called thermodynamic sensors, ie sensors that are in a closed volume 9 by suitable physical sensors 10 the physical state of a gaseous or optionally also liquid filling of the volume 9 influence. For example, it can be donors 10 act, the periodic pressure fluctuations in a gaseous filling of the volume 9 or in particular donors 10 be designed as heating or cooling elements, which generate temperature changes in a surrounding gas filling, so that a certain temperature profile in the filling of the volume 9 is produced. In 2 is such a sensor 4 schematically illustrated, this includes a sealed housing 11 which is the volume 9 surrounds, and at least one giver 10 which is in the filling of the housing 11 a specific profile from the donor 10 influenced physical size, for example, the temperature, this profile 12 is in 2 indicated by some lines indicating locations of equal physical size, so for example, isotherms.

Bei einer Beschleunigung des Sensors 4, und zwar sowohl bei einer Translationsbeschleunigung längs der sensoreigenen Achsen x, y oder z, aber auch bei einer Winkelbeschleunigung mit Drehungen um eine der sensoreigenen Achsen x, y oder z und bei Änderung der Neigung gegenüber dem Gravitationsfeld ändert sich das Profil 12 aufgrund von Strömungen in der Füllung des Sensors 4, und diese Änderung kann festgestellt werden und führt zur Entste hung von Signalen, die ein Maß sind für die erfahrenen Beschleunigungen oder Neigungen.At an acceleration of the sensor 4 , both at a translation acceleration along the sensor's own axes x, y or z, but also at an angular acceleration with rotations about one of the sensor's own axes x, y or z and when changing the inclination to the gravitational field changes the profile 12 due to flows in the filling of the sensor 4 , and this change can be detected and leads to the emergence of signals that are a measure of the experienced accelerations or inclinations.

Derartige Sensoren sind beispielsweise beschrieben in der DE 10 2004 040 003 B4 , auf die hier ausdrücklich voll inhaltlich Bezug genommen wird.Such sensors are described for example in the DE 10 2004 040 003 B4 , which is expressly referred to in full here.

In 3 ist schematisch ein solcher Sensor dargestellt, der in dem abgeschlossenen Gehäuse 11 vier verschiedene Geber 10 in Form von Heizelementen aufweist, die jeweils um sich herum aufgrund der Aufheizung der Gasfüllung des Gehäuses 11 ein Temperaturprofil 12 erzeugen mit in der Zeichnung angedeuteten Isothermen.In 3 schematically, such a sensor is shown in the closed housing 11 four different donors 10 in the form of heating elements, each around it due to the heating of the gas filling of the housing 11 a temperature profile 12 generate with indicated in the drawing isotherms.

Jeder dieser Geber 10 ist über eine Leitung 13 mit einer Energieversorgung 14 verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgebildet ist, dass sie den Gebern 10 mehr oder weniger Energie zuführt, um das Profil 12 auch bei Beschleunigungen und einer Neigung des Sensors 4 möglichst unverändert aufrecht zu erhalten. Dazu sind in dem Volumen 9 weitere, in der Zeichnung nicht dargestellte Sensorelemente angeordnet, die das Profil 12 ausmessen, die also feststellen, ob an bestimmten Orten Temperaturänderungen aufgetreten sind, diese Sensorelemente erzeugen entsprechende Messsignale, die ebenfalls der Energieversorgung 14 zugeführt werden und die dann zu einer Regelung dergestalt führen, dass das Profil 12 im Wesentlichen unverändert beibehalten wird.Each of these donors 10 is over a line 13 with a power supply 14 connected in the illustrated embodiment is designed so that they donors 10 Gives more or less energy to the profile 12 even with accelerations and a tilt of the sensor 4 keep unchanged as possible. These are in the volume 9 further, not shown in the drawing, sensor elements arranged, the profile 12 measure, so determine whether at certain locations temperature changes have occurred, these sensor elements generate corresponding measurement signals, which also the power supply 14 are supplied and then lead to a scheme such that the profile 12 essentially unchanged.

Die in der Zeichnung nicht gesondert dargestellten Sensorelemente können auch durch die Geber 10 selbst gebildet werden, die dann nicht nur als Heiz elemente wirken, sondern die auch, beispielsweise durch Messung von Widerstandsänderungen, auf Temperaturänderungen ansprechen und entsprechende Korrektursignale an die Energieversorgung 14 senden.The sensor elements not shown separately in the drawing can also by the encoder 10 themselves are formed, which then not only act as heating elements, but also, for example by measuring resistance changes, respond to temperature changes and appropriate correction signals to the power supply 14 send.

Bei anderen thermodynamischen Sensoren wird tatsächlich eine Änderung des Profiles 2 zugelassen, die sich aufgrund von Beschleunigungen oder Neigungen einstellt, und die sich dadurch ergebenden Änderungen des Temperaturprofils werden durch entsprechende Sensorelemente unmittelbar gemessen. In diesem Falle werden diese Messsignale als Signale verwendet, die ein Maß für die Beschleunigung und/oder Neigung des Sensors sind.In other thermodynamic sensors is actually a change in the profile 2 permitted due to accelerations or inclinations, and the resulting changes in the temperature profile are directly measured by corresponding sensor elements. In this case, these measurement signals are used as signals that are a measure of the acceleration and / or inclination of the sensor.

In allen Fällen werden die Signale, die entweder zur Aufrechterhaltung des Temperaturprofils notwendig sind oder die sich aus der Messung der Änderung des Temperaturprofils ergeben, über die Leitung 5 der Datenverarbeitungseinrichtung 6 zugeführt, und diese kann die von den mindestens drei Sensoren 4 stammenden Signale so verarbeiten, dass daraus die Lagedaten des Tasters 1 zu bestimmen sind, das heißt also die Positionsdaten und die Orientierungsdaten in einem vorzugsweise raumfesten Referenz-Koordinatensystem.In all cases, the signals necessary either to maintain the temperature profile or resulting from the measurement of the change in the temperature profile are sent over the line 5 the data processing device 6 fed, and this can be from the at least three sensors 4 process originating signals so that the position data of the probe 1 are to be determined, that is, the position data and the orientation data in a preferably spatially fixed reference coordinate system.

Da jeder Sensor Daten liefert, die von der Beschleunigung des jeweiligen Sensors und von seiner Neigung im Gravitationsfeld abhängen, ergibt sich dadurch eine gewisse Redundanz der von den Sensoren stammenden Signale, und diese Redundanz kann in der Datenverarbeitungseinrichtung dazu verwendet werden, die Signale mit höherer Genauigkeit zu verarbeiten.There Each sensor provides data that depends on the acceleration of each Sensors and depend on its inclination in the gravitational field, this results in a certain redundancy of the sensors This signal may be redundant in the data processing device can be used to the signals with higher accuracy too to process.

So ist es beispielsweise möglich, einander entsprechende Signale von zwei oder auch von drei Sensoren zu mitteln und mit diesem Mittelwert die Lageda ten des Gegenstandes zu bestimmen. Es ist auch möglich, aus den entsprechenden Signalen der verschiedenen Sensoren die Signale von nur einem Sensor oder von zwei Sensoren auszuwählen und allein mit diesen Signalen die Lagebestimmung des Gegenstandes vorzunehmen. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn aufgrund der bestimmten Bewegungen der Sensoren an einem oder an zwei Sensoren größere oder empfindlichere Signale entstehen als bei einem anderen Sensor. Beispielsweise kann die Empfindlichkeit der Sensoren gegen eine Winkeldrehung abhängig sein von der Größe der Winkeldrehung, beispielsweise ist die Empfindlichkeit bei kleineren Drehungen größer als bei größeren Drehungen. Es ist dann günstig, die Werte des Sensors zu verwenden, der nur eine kleinere Drehung erfahren hat, in anderen Fällen kann es vorteilhaft sein, Translationsbeschleunigungen von Sensoren zu verwerten, um dadurch eine Drehung des Gegenstandes zu bestimmen, so dass über die Translationsbeschleunigungen eine empfindlichere Aussage erfolgen kann als über Signale, die einer Winkelbeschleunigung eines Sensors entsprechen.So For example, it is possible to have corresponding signals average of two or even three sensors and with this mean value determine the location of the object. It is also possible, from the corresponding signals of the various sensors the signals select from only one sensor or from two sensors and only with these signals the orientation of the object make. This is particularly favorable if due the specific movements of the sensors on one or two sensors larger or more sensitive signals than with another sensor. For example, the sensitivity of the sensors to be dependent on an angular rotation of the size of the angular rotation, for example the sensitivity increases with smaller turns as with larger turns. It is then cheap to use the values of the sensor, only a minor rotation has learned in other cases, it may be beneficial Translational accelerations of sensors to use, thereby to determine a rotation of the object so that over the translational accelerations made a more sensitive statement can be considered as having signals that are an angular acceleration of a Sensors correspond.

Hier kann es unterschiedliche Kriterien für die Auswahl geben, diese sind abhängig von dem Aufbau der jeweils verwendeten thermodynamischen Sensoren und ihren Empfindlichkeiten gegenüber Beschleunigungen, Drehungen und Neigungen.Here there can be different criteria for selection These are dependent on the structure of each used thermodynamic sensors and their sensitivities to accelerations, Twists and inclinations.

In 4 ist ein weiteres chirurgisches Instrument 15 dargestellt mit einem Schaft 16 und einen Handgriff 17. Über einen verschwenkbar am Handgriff 17 gelagerten Hebel 18 kann in aus der Zeichnung nicht näher ersichtlicher Weise ein Maulteil 19 am distalen Ende des Schaftes 16 aus einer Offenstellung in eine Schließstellung und umgekehrt verschwenkt werden. Am Handgriff 17 sind in gleicher Weise wie bei dem Taster 1 der 1 Sensoren 4 fest ange ordnet, und zwar in diesem Falle am Handgriff drei derartige Sensoren. Ein weiterer Sensor 20, der ebenfalls als thermodynamischer Sensor ausgebildet ist, ist an dem Hebel 18 festgelegt, so dass er sich bei Bewegung des Hebels 18 gegenüber dem Handgriff 17 in gleicher Weise gegenüber dem Handgriff 17 und damit gegenüber den drei fest mit dem Handgriff 17 verbundenen Sensoren 4 bewegt.In 4 is another surgical tool 15 illustrated with a shaft 16 and a handle 17 , About a swivel on the handle 17 stored lever 18 can in a manner not apparent from the drawing, a jaw part 19 at the distal end of the shaft 16 be pivoted from an open position to a closed position and vice versa. At the handle 17 are the same as with the button 1 of the 1 sensors 4 firmly attached, in this case on the handle three such sensors. Another sensor 20 , which is also designed as a thermodynamic sensor, is on the lever 18 set, so that it moves the lever 18 opposite the handle 17 in the same way with respect to the handle 17 and thus against the three stuck with the handle 17 connected sensors 4 emotional.

Alle Sensoren sind mit der Datenverarbeitungseinrichtung 6 verbunden, die auf diese Weise die von den Sensoren erzeugten Signale empfängt und diese Signale nicht nur zur Lagebestimmung des Instrumentes 15 einsetzt, sondern auch zur Lagebestimmung des Sensors 20 und damit zur Bestimmung der Stellung des Hebels 18 relativ zum Handgriff 17. Auf diese Weise erhält man eine zusätzliche Information über den jeweiligen Zustand des Hebels 18 und damit über den jeweiligen Schließzustand des Maulteiles 19.All sensors are with the data processing device 6 connected, which receives in this way the signals generated by the sensors and these signals not only for determining the position of the instrument 15 but also for determining the position of the sensor 20 and thus to determine the position of the lever 18 relative to the handle 17 , In this way one obtains additional information about the respective state of the lever 18 and thus on the respective closed state of the jaw part 19 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102004040003 B4 [0007, 0024]

Claims

Navigation system for surgical purposes for determining the position of an object in a reference coordinate system, characterized in that on the object ( 1 ; 15 ) at least three thermodynamic sensors ( 4 ) which generate signals in the gravitational field as a function of their acceleration and their orientation, at a fixed mutual distance and relative to the object ( 1 ; 15 ) are fixed and that the sensors ( 4 ) with a data processing device ( 6 ) programmed to derive from the signals of the at least three thermodynamic sensors ( 4 ) the position and orientation of the object ( 1 ; 15 ) is calculated in the reference coordinate system.

Navigation system according to claim 1, characterized in that the data processing device ( 6 ) is programmed to be composed of chronologically successive signals of each of the at least three thermodynamic sensors ( 4 ) Data for changing the position and / or orientation of each thermodynamic sensor ( 4 ), via the corresponding data from at least two thermodynamic sensors ( 4 ) and the averaged data for calculating the location data of the object ( 1 ; 15 ) used.

Navigation system according to one of claims 1 or 2, characterized in that the data processing device ( 6 ) is programmed to be composed of chronologically successive signals of each of the at least three thermodynamic sensors ( 4 ) Data for the changes in position and / or orientation of each thermodynamic sensor ( 4 ), the corresponding data of the at least three thermodynamic sensors ( 4 ) and according to predetermined criteria specific data from only one or two thermodynamic sensors ( 4 ) and these selected data for calculating the location data of the object ( 1 ; 15 ) used.

Navigation system according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the thermodynamic sensors ( 4 ) with different orientation to the object ( 1 ; 15 ) are fixed.

Navigation system according to one of the preceding claims, characterized in that on at least one movable part ( 18 ) of the object ( 15 ) another thermodynamic sensor ( 20 ), which is also connected to the data processing device ( 6 ) and that the data processing device ( 6 ) is programmed to derive from the signals of the at least three thermodynamic sensors fixedly connected to the article ( 4 ) on the one hand and with the movable part ( 18 ) connected thermodynamic sensor ( 20 ) On the other hand, the position data of the movable part ( 18 ) relative to the location data of the object ( 15 ).