DE202015106804U1

DE202015106804U1 - Markersystem für die medizintechnische Navigation

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Publication number: DE202015106804U1
Application number: DE202015106804.2U
Authority: DE
Original assignee: Brainlab AG
Current assignee: Brainlab AG
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2016-01-26
Anticipated expiration: 2025-12-16

Abstract

System (1) für die medizintechnische Navigation, mit einer Markeranordnung (10), die ein Referenzelement (11) und Markerhalter (13) aufweist, und mit einem Träger (20) für die Markeranordnung (10), wobei der Träger (20) den Funktionsteil (21) eines medizinischen oder medizintechnischen Instruments aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Markeranordnung (10) oder das Referenzelement der Markeranordnung aus einem vom Trägermaterial verschiedenen Material ausgestaltet ist.

Description

Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Markersysteme für die medizintechnische Navigation. Solche Marker dienen, wie später noch detaillierter erläutert wird, im Rahmen der medizintechnischen Navigation zur Positionsermittlung und Verfolgung von Instrumenten oder Patientenkörperteilen, wobei eine Markeranordnung im Navigationsumfeld mit Hilfe eines Trackingsystems geortet werden kann. Die Kenntnis über die absoluten und relativen Positionen von Patient und Instrumenten im Operationsumfeld kann dann zur Navigations-Unterstützung für den Behandelnden genutzt werden. Ein Navigationssystem ist beispielsweise aus der DE 196 39 615 A1 bekannt. Es verwendet reflektierende Markerkugeln, die auf Markerhaltern aufgesetzt werden, welche wiederum auf einem Referenzelement sitzen, das an zu navigierenden Instrumenten anzubringen ist. Die US 2007/0100325 A1 beschreibt eine Trackeranordnung mit einem Flachmarkergruppen tragenden Kunststoffaufsatz, der ebenfalls auf ein Referenzelement aufgesetzt wird. Die Referenzelemente, die zusammen mit den Markerhaltern Markeranordnungen bilden, sind ganz allgemein gemäß dem Stand der Technik aus dem gleichen Material wir die Instrumente gefertigt, nämlich aus Metall.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, solche Markersysteme zu verbessern, speziell was ihre Handhabung und/oder ihre Bereitstellung betrifft.
Ein System für die medizintechnische Navigation gemäß der Erfindung, das man auch als Markersystem bezeichnen könnte, wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Die Unteransprüche definieren Ausführungsformen der Erfindung.
Ein System für die medizintechnische Navigation gemäß der Erfindung hat eine Markeranordnung, die ein Referenzelement und Markerhalter aufweist, und einen Träger für die Markeranordnung, wobei der Träger den Funktionsteil eines medizinischen oder medizintechnischen Instruments aufweist, wobei die Markeranordnung oder das Referenzelement der Markeranordnung aus einem vom Trägermaterial verschiedenen Material ausgestaltet ist. Es ist – mit anderen Worten ausgedrückt – möglich, Systeme gemäß der Erfindung, die in ihrer Gesamtheit medizinische oder medizintechnische Instrumente bilden können, als hybride Systeme zu gestalten, was die Materialwahl ihrer Einzelteile angeht.
Diese Gestaltung bringt viele Vorteile mit sich, die speziell die Gestaltungsfreiheit beim Design des Gesamtsystems betreffen. Es ist nämlich durch geeignete Materialwahl für die Markeranordnung bzw. deren Referenzelement möglich, das gesamte System an den vorgesehenen Zweck optimal anzupassen, wobei eine geeignete Materialwahl sowohl die Eignung vor dem Einsatz (z.B. beim sterilen Bereitstellen des Systems), während des Einsatzes (z.B. betreffend die Aufrechterhaltung der Funktion oder die einfache Handhabung) und nach dem Einsatz (z.B. Entsorgung/Wiederverwendung) verbessert.
Die folgenden Ausführungen gelten für Ausführungsformen der Erfindung, wie sie hierin beschrieben werden. Einzelne, hierin nur für bestimmte Ausführungsformen beschriebene Merkmale können auch anderen denkbaren oder aufgezeigten Ausführungsformen zugeordnet werden, um technisch sinnvolle Merkmalskombinationen zu erhalten.
Bei einer Ausführungsform des Systems sind die Markeranordnung und der Träger als eigene (oder eigenständige bzw. funktionell abgrenzbare) Einheiten ausgebildet, wobei die Einheiten fest miteinander verbunden oder fest miteinander verbindbar sind. Dabei können sie gemäß einer oder mehreren der folgenden Arten oder einer Kombination davon miteinander verbunden oder miteinander verbindbar sein:

– durch eine nicht lösbare Verbindung,
– durch eine integrale Verbindung,
– durch eine lösbare Verbindung,
– durch eine stoffschlüssige Verbindung,
– durch eine kraftschlüssige Verbindung,
– durch eine formschlüssige Verbindung.

Es ist möglich, die Markeranordnung auszubilden als:

– Wegwerfartikel,
– Einwegartikel,
– nicht sterilisierbarer Artikel,
– nicht wiederverwendbarer Artikel,
– starrer Artikel
– nur elastisch, nicht plastisch verformbarer Artikel,
– strukturverstärkter Artikel, insbesondere zumindest teilweise rippenverstärkter Artikel,
– Kunststoffartikel,
– Artikel aus Polycarbonat,

Die Markeranordnung kann als Wegwerfartikel ausgebildet sein, während der Träger als wiederverwendbarer Artikel ausgebildet ist, und der Träger kann als Metallträger und die Markeranordnung aus einem nicht metallischen, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sein.
Artikel, bei denen eine erneute Benutzung nicht vorgesehen ist (Wegwerfartikel, Einwegartikel, nicht sterilisierbare Artikel, nicht wiederverwendbare Artikel) machen die Einhaltung der Hygiene leichter, weil die Markeranordnung selbst nicht mehr sterilisiert werden muss und einfach vor dem Einsatz als neuer, steriler Artikel mit dem Träger verbunden werden kann. Ferner reduzieren solche Artikel mit schon vorab daran angebrachten Markern die für den Zusammenbau notwendige Zeit vor der Behandlung, das Risiko unrichtiger Marker-Anbringung und das Risiko, ein verformtes Referenzelement nicht zu bemerken.
Artikel, die starr bzw. nur elastisch, nicht plastisch verformbar ausgebildet (auch strukturverstärkte Artikel, insbesondere zumindest teilweise rippenverstärkte Artikel), erhöhen die Sicherheit gegen Verformung und bleibende Verformung sowie gegen eine ungewollte Benutzung bzw. Weiterbenutzung von verformten Markeranordnungen, welche die Genauigkeit der Navigation beeinträchtigen oder sogar eliminieren. Mit geeigneten solchen Materialien kann sogar eine Rückstellung in den Ausgangs- bzw. Funktionszustand nach einer ungewollten Verformung erreicht werden.
Artikel aus gegenüber Metall leichteren Materialien, wie Kunststoffartikel oder Artikel aus Polycarbonat, machen ferner das Gesamtsystem leichter und billiger. Geeignete Materialkombinationen können ferner eine Verträglichkeit mit vor Ort eingesetzten Geräten herstellen oder verbessern, die durch zu massive Metallkörper gestört werden, z.B. elektromagnetische Navigationssysteme.
Bei einer Ausführungsform weist die Markeranordnung ein dem Referenzelement zugeordnetes Referenzelement-Befestigungselement auf, das insbesondere als ein Teil oder Abschnitt des Referenzelements ausgebildet ist, und der Träger weist ein Träger-Befestigungselement auf, das insbesondere als ein Teil oder Abschnitt des Trägers ausgebildet und mit dem Referenzelement-Befestigungselement verbindbar ist. Anders ausgedrückt wird z. B. zur klinischen Verwendung der Markeranordnung ein Träger bereitgestellt, der – in Kombination mit einer für eine spezifische Markeranordnung charakteristischen Schnittstelle (Befestigungselement(e)) – das in Verbindung mit der klinischen Behandlung eingesetzte System definiert, welches ein medizintechnisches Instrument verkörpern kann.
Das Träger-Befestigungselement und/oder der Funktionsteil des Instruments kann aus Metall ausgebildet sein, und das Referenzelement-Befestigungselement und/oder das Referenzelement kann aus dem vom Trägermaterial verschiedenen Material ausgebildet sein. Die Vorteile der möglichen Materialwahlen sind oben aufgezeigt.
Es ist möglich, das Referenzelement und das Referenzelement-Befestigungselement zusammen integral und/oder zusammen einstückig und/oder aus demselben Material auszubilden, und/oder so, dass das Befestigungselement einen Teil oder Abschnitt des Referenzelements bildet. Es ist ferner möglich, dass das Referenzelement-Befestigungselement und das Träger-Befestigungselement komplementär zusammenwirkend ausgestaltet sind.
Mögliche Ausführungsformen sehen vor, dass die Verbindung zwischen dem Referenzelement-Befestigungselement und dem Träger-Befestigungselement als Schnellverbindung, insbesondere Steckverbindung und/oder Klippverbindung und/oder Rastverbindung und/oder Bajonettverbindung und/oder Klemmverbindung ausgebildet ist oder mindestens eine dieser Verbindungen aufweist. Die Verbindung zwischen dem Referenzelement-Befestigungselement und dem Träger-Befestigungselement kann ferner als, insbesondere feststellbare und/oder nicht lösbare, Kugelgelenk- bzw. Kugeldrehverbindung ausgebildet ist.
Beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Systems oder Instruments erhält man Informationen über die Natur einer auftretenden Bewegung der Markeranordnung. Verläuft beispielweise die Drehachse der Bewegung durch die Befestigung (zwischen Referenzelement und Träger), kann angenommen werden, dass die Bewegung der Markeranordnung durch eine Relativbewegung zwischen Referenzelement und Träger entstand und damit die Registrierung verloren ging. Wenn die Achse sich nicht durch die Befestigung erstreckt, wurde die Bewegung der Markeranordnung durch eine Bewegung des Trägers (z.B. fest am Patientenkörper angebracht) zusammen mit der Markeranordnung verursacht und die Registrierung bleibt erhalten.
Die Orientierung und Ausrichtung des Befestigungselements der Referenzelemente mit Kugelgelenken bzw. Kugelverbindungen sind weder an einen bestimmten Markerhalter, noch an eine Designkomponente gebunden, sondern können vielmehr frei gewählt werden. Die jeweilige Trennung zwischen Referenzelement und Träger, verbunden durch eine Schnittstelle, kann ebenso nach dem Prinzip der Integralbauweise als ein Bauteil, bestehend aus einem Material, ausgelegt und umgesetzt sein.
Die Befestigung zwischen dem Referenzelement und dem jeweiligen spezifischen Träger kann zur positionsfesten Anbringung in definierter Lage mit einer Ausrichtungshilfe ausgestattet sein. Beispielweise könne Skalen oder feine Raster auf verbindbaren, zueinander beweglichen Teilen bereitgestellt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen System ist mindestens ein Marker in mindestens einen Markerhalter eingesetzt oder befestigt, insbesondere nicht herausnehmbar befestigt oder vorbefestigt (Beim Fertigprodukt vor der Verwendung).
Eine große Herausforderung bei endoprothetischen chirurgischen Eingriffen in Kombination mit optischen Navigationssystemen besteht nämlich darin, die stetige Sichtbarkeit der Marker und somit des Instruments zu garantieren. Dabei spielt, neben der Verdeckung der Kamerasicht durch zwischen Kamera und Marker befindliche Objekte, die Verunreinigung der Marker durch Flüssigkeiten oder Feststoffe eine übergeordnete Rolle. Um diese Sichtbarkeitsproblematik durch Verschmutzung zu eliminieren, können gemäß der Erfindung die Marker eine reflektierende Oberfläche aufweisen, die abwischbar glatt ausgebildet ist. Der bzw. die Marker können auch als Retroreflektor ausgebildet sein, z. B. als Marker mit einer reinigbaren Oberfläche, die dem Prinzip des Katzenauges mit im Marker liegenden retroreflektierenden Eigenschaften folgt. Die Markerhalter der hier beschriebenen Referenzelemente sind dementsprechend an die Marker anpassbar. Solche Marker lösen das Problem der Fokusverschiebung, verbessern die Robustheit des Systems und seine Genauigkeit (Trackinggenauigkeit) gegenüber dem Stand der Technik. Ein erfindungsgemäß einsetzbarer, linsenartiger, retroreflektierender Marker hat eine im Wesentlichen (halb-)kugelförmige, glatte und/oder in sich flache, abwischbare bzw. reinigbare Oberfläche. Er generiert die Retro-Reflexion im Markerkörper und ist deshalb und wegen der optischen Symmetrie des Reflexionsbildes unempfindlich gegen eine Ungenauigkeit, die aus einer Mittelpunktsverschiebung resultiert.
Erfindungsgemäße Systeme können drei Markerhalter bzw. Marker haben (oder auch weniger oder mehr z. B. 2, 4 oder 5 usw., je nach Einsatzfall), und es ist möglich, einen oder mehrere der oder alle Markerhalter im Außenbereich des Referenzelements anzuordnen, insbesondere im äußeren Endbereich von am Referenzelement vorhandenen Armen und/oder im Bereich des Referenzelement-Befestigungselements. Die Markerhalter kommen dann außen an den Armen zu liegen, wobei mit dem Begriff "Endbereich" nicht nur der äußerste Rand des Arms gemeint ist, sondern auch ein Bereich, der sich von diesem etwas nach innen erstreckt, so dass der Markerhalter sicher und fest am Arm angebracht werden kann, aber anzubringende Marker nicht zu weit über das Ende hervorstehen. Andererseits kann aber die Länge des Armes genutzt werden, um den Markerhalter im Außenbereich des Referenzelements positionieren zu können, da weiter voneinander entfernte Marker grundsätzlich eine genauere Positionserfassung ermöglichen. Die Markerhalter sind also außen an den Armen im Bereich des freien Arm-Endes positioniert.
Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt notwendig, die Referenzelemente mit geraden, stabförmigen Armen auszubilden, vielmehr herrscht bei der Wahrung der Abstandsverhältnisse eine relativ große Gestaltungsfreiheit.
Einer oder mehrere Markerhalter können auch im Bereich des Referenzelement-Befestigungselements angeordnet werden.
Systeme gemäß der Erfindung können bezüglich der gewählten Markerhalter (Marker) – Abstandsverhältnisse so gestaltet werden, dass

– das Verhältnis des längsten Markerhalterabstands zum kürzesten Markerhalterabstand im Bereich von 1,0 bis 1,6 liegt, oder
– das Verhältnis des längsten Markerhalterabstands zum kürzesten Markerhalterabstand im Bereich von 3 bis 3,4 liegt, und/oder
– das Verhältnis der beiden kürzeren Markerhalterabstände im Wesentlichen bei 1 liegt, und/oder
– das Verhältnis der beiden längeren Markerhalterabstände im Wesentlichen bei 1 liegt.

Mit einer erfindungsgemäß optimierten, insbesondere hinsichtlich der Markerhalterabstände und ihrer Verhältnisse optimierten, Markeranordnung (auch insgesamt "Markergeometrie" genannt) lässt sich die Genauigkeit bei der Positionserfassung im Rahmen der medizintechnischen Navigation im Vergleich zu bekannten Marker-Konfigurationen erhöhen. Dies ist auch dadurch bedingt, dass die hier aufgeführten Referenzelemente in unterschiedlicher Zusammenstellung, innerhalb einer Behandlungsmethode, gemeinsam agieren und auf einander abgestimmt sowie optimiert sind. Zusätzlich sorgt die erfindungsgemäße Ausgestaltung dafür, dass die Markeranordnung insgesamt nicht zu sperrig oder "einseitig" wird, was eine gute Verpackbarkeit, Handhabung und ein einfaches Setup am Einsatzort ermöglicht und Störungen des Behandlungspersonals im Operationsumfeld ausschließt. Es entsteht eine optimale, so genannte "Markergeometrie" (Anzahl, Anordnung und Natur der Marker des Referenzelements).
Es folgen erfindungsgemäße Beispiele für einzelne Instrumente und deren Referenzelemente. Dabei ist ein erster Markerhalter im Endbereich des ersten Armes des Referenzelements angebracht, der das Befestigungselement aufweist, das die Schnittstelle zum Instrumententräger bildet. Die Referenzelemente weisen dann auf:
Beispiels-Referenzelement 1:

– einen zweiten Markerhalter, insbesondere an einem zweiten Arm, mit einem Markerhalter-Zentrumsabstand (erster Markerhalter) von 138mm ± 3mm;
– einen dritten Markerhalter, insbesondere an einem dritten Arm, mit einem Markerhalter-Zentrumsabstand (erster Markerhalter) von 133mm ± 3mm;
– einen Abstand von 43mm ± 3mm zwischen dem zweiten und dritten Markerhalter, insbesondere zwischen zweiten und dritten Arm;

Beispiels-Referenzelement 2:

– einen zweiten Markerhalter, insbesondere an einem zweiten Arm, mit einem Markerhalter-Zentrumsabstand (erster Markerhalter) von 115 mm ± 3mm;
– einen dritten Markerhalter, insbesondere an einem dritten Arm, mit einem Markerhalter-Zentrumsabstand (erster Markerhalter) von 109 mm ± 3mm;
– einen Abstand von 76mm ± 3mm zwischen dem zweiten und dritten Markerhalter, insbesondere zwischen zweiten und dritten Arm;

Beispiels-Referenzelement 3):

– einen zweiten Markerhalter, insbesondere an einem zweiten Arm, mit einem Markerhalter-Zentrumsabstand (erster Markerhalter) von 97mm ± 3mm;
– einen dritten Markerhalter, insbesondere an einem dritten Arm, mit einem Markerhalter-Zentrumsabstand (erster Markerhalter) von 93mm ± 3mm;
– einen Abstand von 111mm ± 3mm zwischen dem zweiten und dritten Markerhalter, insbesondere zwischen zweiten und dritten Arm;

Beispiels-Referenzelement 4:

– einen zweiten Markerhalter, insbesondere an einem zweiten Arm, mit einem Markerhalter-Zentrumsabstand (erster Markerhalter) von 99mm ± 3mm;
– einen dritten Markerhalter, insbesondere an einem dritten Arm, mit einem Markerhalter-Zentrumsabstand (erster Markerhalter) von 102mm ± 3mm;
– einen Abstand von 95mm ± 3mm zwischen dem zweiten und dritten Markerhalter, insbesondere zwischen zweiten und dritten Arm;

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2

3

4

3

4

Im Folgenden werden nun noch einige allgemeine Erläuterungen bzw. Definitionen zu den hier verwendeten Begriffen "Marker", "Referenzelement/Referenzstern" und "Navigationssystem" gegeben, die dem besseren Verständnis dienen sollen aber die Begriffe in ihrem Sinngehalt nicht einschränken.
Marker werden auf die Markerhalter der Markeranordnung gemäß der Erfindung aufgesetzt oder dort angebracht. Die Aufgabe eines Markers ist es, von einer Markererfassungseinrichtung (z.B. einer Kamera oder einem Unterschallempfänger, die einem medizintechnischen Navigationssystem zugeordnet sind), auch "Trackingsystem" genannt, erfasst zu werden, so dass seine Lage (d.h. Position und/oder Ausrichtung) im Raum ermittelt werden kann. Solche Marker können aktive Marker sein. Ein aktiver Marker emittiert beispielsweise elektromagnetische Strahlung bzw. Wellen, wobei diese Strahlung im infraroten, sichtbaren, und/oder ultravioletten Spektralbereich liegen kann. Der Marker kann aber auch passiv sein, d.h. beispielsweise elektromagnetische Strahlung aus dem infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich reflektieren. Dazu kann der Marker mit einer Oberfläche versehen sein, die entsprechende Reflexionseigenschaften besitzt. Es ist auch möglich, dass ein Marker elektromagnetische Strahlung bzw. Wellen reflektiert und/oder emittiert, die im Bereich der Radiofrequenzen oder bei Ultraschallwellen liegt bzw. liegen. Ein Marker besitzt vorzugsweise sphärische Form bzw. eine kugelähnliche Gestalt und kann daher auch als Markerkugel bezeichnet werden. Marker können aber auch als flache, beispielsweise in Scheibenform oder eckige, beispielsweise würfelige Gestalt ausgelegt werden, und spezielle, vom Navigationssystem erkennbare Symbole, Beschichtung oder Aufdrucke zeigen.
Ein Referenzelement bzw. Referenzstern ist eine Einrichtung, an der mehrere Markerhalter für Marker angebracht sind. Die Marker sind dabei ortsfest an den Markerhaltern des Referenzelements bzw. Referenzsterns angebracht, so dass eine bekannte relative Lage der Marker zueinander entsteht. Die relative Lage der Marker zueinander kann für jedes/jeden im Rahmen eines chirurgischen Navigationsverfahrens verwendeten Referenzelement bzw. Referenzstern individuell unterschiedlich bzw. charakteristisch sein, um anhand der relativen Lage der Marker zueinander eine Identifikation des dazugehörigen Referenzelements bzw. Referenzsterns durch ein medizintechnisches bzw. chirurgisches Navigationssystem zu ermöglichen. Damit können dann auch die Gegenstände (z.B. Instrumente und/oder Körperteile) identifiziert bzw. voneinander unterschieden werden, an welchen das Referenzelement bzw. der Referenzstern angebracht ist. Das Referenzelement bzw. der Referenzstern dient insbesondere dazu, in einem medizintechnischen Navigationsverfahren eine Mehrzahl von Markern an einem Gegenstand (beispielsweise einem Patientenkörperteil oder einem medizinischen Instrument) anzubringen, um die Lage des Gegenstandes im Raum (d.h. seine Position und/oder Ausrichtung) erfassen zu können.
Unter einem medizintechnischen bzw. chirurgischen Navigationssystem, das im weiteren auch oft nur "Navigationssystem" genannt wird, versteht man ein System, das wenigstens einen Marker bzw. eine Markeranordnung, einen Sender, der elektromagnetische Wellen bzw. Strahlung und/oder Ultraschallwellen emittiert, und einen Empfänger, der elektromagnetische Wellen bzw. Strahlung und/oder Ultraschallwellen empfängt sowie eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen kann, die an den Empfänger und/oder den Sender angeschlossen ist. Die Datenverarbeitungsvorrichtung (z.B. ein Computer) umfasst dabei einen Prozessor (CPU), einen Arbeitsspeicher, vorteilhaft eine Anzeigemöglichkeit (z.B. eine visuelle Anzeigemöglichkeit wie einen Monitor und/oder eine Audioanzeigemöglichkeit wie einen Lautsprecher) sowie vorteilhaft einen permanenten Datenspeicher. Die Datenverarbeitungseinrichtung verarbeitet dabei Navigationsdaten, die von dem Empfänger an sie weitergegeben werden und kann vorteilhaft Hinweisinformationen zur Behandlungsunterstützung über die Anzeigemöglichkeit an einen Anwender ausgeben. Die Navigationsdaten können in dem permanenten Datenspeicher abgelegt werden und beispielsweise mit Daten verglichen werden, die dort zuvor bereitgestellt worden sind. Dem Navigationssystem kann ein sogenanntes Trackingsystem zugeordnet werden, welches beispielsweise mit Hilfe eines stereoskopischen Kamerasystems und einer entsprechenden Datenverarbeitungsvorrichtung die Raumpositionen von Markern bzw. Markeranordnungen erfassen kann.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Offenbarung wird durch dieses Beispiel nicht eingeschränkt und umfasst insbesondere auch solche Ausgestaltungen, die einzelne hierin beschriebene Merkmale umfassen, welche nicht in Kombination mit anderen beschriebenen Merkmalen aufgezeigt sind. An dieser Stelle ist auch anzumerken, dass die vorliegende Offenbarung auch Ausführungsformen umfasst, die nicht unbedingt die Merkmale aufweisen müssen, welche oben unter Bezugnahme auf die hybride Materialwahl, also die verschiedenen Materialien für Markeranordnung bzw. Referenzelement und Träger, erörtert worden sind. Die in den Unteransprüchen definierten Merkmale und Merkmalskombinationen sind also als alleinstehend offenbarte Ausführungsformen anzusehen, aber auch untereinander kombinierbar, und zwar auch ohne eine hybride Materialwahl. Beispielsweise können die Verbindungsarten als alleinstehende Merkmale den kennzeichnenden Charakter bilden, aber auch die Ausbildung als bestimmter Artikel (z.B. Wegwerfartikel), oder eine Kombination hiervon.
In den Zeichnungen zeigen:
1 und 2 perspektivische Ansichten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Markersystems mit ersten Markerabstandsverhältnissen in getrenntem und zusammengebautem Zustand von Markeranordnung und Träger;
3 eine frontale Ansicht des Systems der 1 und 2;
4 eine seitliche Ansicht des Systems der 1 und 2;
5 bis 7, 8 bis 10 und 11 bis 13 frontale, seitliche und perspektivische Ansichten weiterer Ausführungsformen von Markeranordnungen für die erfindungsgemäßen Markersysteme mit den ersten Markerabstandsverhältnissen;
14 eine frontale Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Markersystems mit zweiten Markerabstandsverhältnissen;
15 eine seitliche Ansicht des Markersystems der 14;
16 eine perspektivische Ansicht des Markersystems der 14;
17 bis 19, 20 bis 22 und 23 bis 25 frontale, seitliche und perspektivische Ansichten weiterer Ausführungsformen von Markeranordnungen für die erfindungsgemäßen Markersysteme mit den zweiten Markerabstandsverhältnissen;
26 eine frontale Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Markersystems mit dritten Markerabstandsverhältnissen;
27 eine seitliche Ansicht des Markersystems der 26;
28 eine perspektivische Ansicht des Markersystems der 26;
29 bis 31, 32 bis 34 und 35 bis 37 frontale, seitliche und perspektivische Ansichten weiterer Ausführungsformen von Markeranordnungen für die erfindungsgemäßen Markersysteme mit den dritten Markerabstandsverhältnissen;
38 eine frontale Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Markersystems mit vierten Markerabstandsverhältnissen;
39 eine seitliche Ansicht des Markersystems der 38;
40 eine perspektivische Ansicht des Markersystems der 38;
41 bis 43, 44 bis 46 und 47 bis 49 frontale, seitliche und perspektivische Ansichten weiterer Ausführungsformen von Markeranordnungen für die erfindungsgemäßen Markersysteme mit den vierten Markerabstandsverhältnissen.
Zur Beschreibung der ersten dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Markersystems und seiner Einzelteile wird zunächst auf das Markersystem 1 der 1 bis 4 Bezug genommen. Das Markersystem weist die Markeranordnung 10 auf, die zusammen mit dem Träger 20 und dessen Funktionsteil, dem Zeiger 21 mit dem Endpunkt 17, ein medizintechnisches Instrument, einen sogenannten Pointer bildet. Die Markeranordnung 10 weist das Referenzelement 11 mit seinem Befestigungselement 14 auf, wobei an den Enden des Referenzelements 11 – am hinteren Ende an Armen 12 – Markerhalter 13 mit Markern 30 angeordnet sind. Die Markeranordnung 10 ist dazu vorgesehen, über ein Träger-Befestigungselement an einem Träger 20, angebracht zu werden, um so insgesamt den Pointer aufzubauen mit dem die Aufnahme und Vermessung von patientenspezifischen Landmarken sowie die Positionsermittlung von chirurgischen Instrumenten durchgeführt werden kann. Als Beispiel sei hierbei die Aufnahme der Punkte auf einer femoralen Kondyle oder dem Acetabulum zur navigationsgestützten Behandlung oder Registrierung genannt.
Die dargestellte Befestigung mit den Elementen 14 und 22 ist ein kombinierter Steck-Klippmechanismus. Der Träger 20 besteht aus Metall, z.B. rostfreiem Stahl oder Titan oder ähnlichem, während das Referenzelement 11 als Wegwerfartikel aus Kunststoff, z.B. Polycarbonat, ausgebildet ist.
Die oben genannten Bezugszeichen gelten für die entsprechenden Bauteile in allen gezeigten Figuren. Auch die Materialkombination kann entsprechend überall so gewählt werden.
Die Ausführungsformen der 1 bis 13, 14 bis 25, 26 bis 37 und 38 bis 49 weisen jeweils erste bis vierte, eigene Markerabstandsverhältnisse auf, die hierin angegeben werden, wobei die Längen L1–L12 Abstände der jeweiligen Markerhalter 13 bezeichnen und die Längen Lp1–Lp4 Abstände zu einem virtuellen Punkt, der bei der Ausführungsform der 1 bis 4 der Zeigerendpunkt 17 und bei der Ausführungsform der 14 bis 16 der Kreuzungspunkt 16 der Längsachse des Trägers 20 mit dessen unterer Stirnfläche ist. Dieser virtuelle Punkt ist dem verwendeten Navigationssystem positionell bekannt und kann somit im virtuellen dreidimensionalen Raum relativ zu der Markergeometrie lokalisiert werden. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung und die hier dargestellte Ausführungsformen gerade Abstandsverhältnisse verwenden, die eine optimale Genauigkeit bei der Erfassung der Markeranordnung durch das Navigationssystem gestatten, und damit auch eine optimale Instrumenten- bzw. Patientennavigation. Sowohl durch die Auswahl der Gestaltung als auch der Abmessungen selbst wird ein optimaler Kompromiss zwischen einer insgesamt nicht zu kleinen Markergeometrie einerseits und einer sperrigen bzw. einseitigen Ausgestaltung andererseits gefunden.
Die gezeigten Systeme weisen jeweils zwei Arme 12 auf, die sich von einer gemeinsamen Zentrumsachse aus symmetrisch zur Seite hin erstrecken und im Endbereich die Markerhalter 13 tragen, von denen jeweils nur einer bezeichnet worden ist. Auf die Markerhalter 13 werden hier nur in der 1 dargestellte Markerkugeln 30 aufgesetzt, welche dann die medizintechnische Navigation bzw. das Tracking ermöglichen.
Für die Ausführungsformen der 1 bis 13 gelten folgende Abstände:

– L1 = 138,00 mm
– L2 = 43,00 mm
– L3 = 133,00 mm
– Lp1 = 130,00 mm
– Lp2 = 21,10 mm,

Die Bildung der Verhältnisse kann ganz allgemein mit jedem längeren Markerhalterabstand im Verhältnis zu jedem kürzeren Markerhalterabstand erfolgen. Insbesondere kann beispielhaft auch der längste Markerhalterabstand mit dem kürzesten Markerhalterabstand ins Verhältnis gesetzt werden, was das größte Verhältnis ergibt, aber auch der zweitlängste mit dem zweitkürzesten Markerhalterabstand, was das niedrigste Verhältnis ergeben wird.
Die Ausführungsformen der 14 bis 25 zeigen ein Markersystem und Markeranordnungen für die navigationsgestützte Positionsermittlung einer Sägeblattführung eines femoralen Schneidblocks, der in der endoprothetischen Chirurgie verwendet wird. Dabei wird die Lage des Schneidblocks mittels der Markeranordnung 10 und der Position des systembekannten Punktes 16 (Lp3, Lp4) ermittelt.
Für die Ausführungsformen der 14 bis 25 gelten folgende Abstände:

– L4 = 115,00 mm
– L5 = 76,00 mm
– L6 = 109,00 mm
– Lp3 = 48,81 mm
– Lp4 = 34,75 mm

Die Ausführungsformen der 26 bis 37 und der 27 bis 49 weisen jeweils wieder Markeranordnungen 10 auf, die zur Anbringung an einem Träger 20 vorgesehen sind, wobei der Träger 20 so gestaltet ist, dass er positionsfest gegenüber einem Patienten an einem Körperteil des Patienten befestigt werden kann. Ein Beispiel hierfür wäre der Tibia- und/oder Femur-Knochen (nicht dargestellt) eines Patienten an dem ein endoprothetischer chirurgischer Eingriff vorgenommen wird. Der Tibia- oder Femur-Knochen hält dann den Träger 20 mit seinem Befestigungselement 22, welches mit dem Befestigungselement 14 in Eingriff kommt (Befestigungselemente nur in 26 separat bezeichnet), wobei eine definierte Position und Lage eingehalten wird. Die dargestellte Befestigung 14, 22 ist ein kombinierter Steck-Klemmverschluss, ausgelegt als Teil eines Kugelgelenks. Über die Ausrichtung des Referenzelements 10 am Träger 20 kann der Referenzstern 10 im Operationsumfeld dort positioniert werden, wo er vom Navigationssystem bzw. von dessen Trackingsystem in jeder Lage gut erkennbar, bzw. sichtbar ist. Es sei speziell darauf hingewiesen, dass die Befestigung 14 stufenlos bzw. frei am Referenzelement 10 platziert werden kann. Eine feste Position, gebunden an einen Marker oder eine Designcharakteristik, ist hierbei nicht zwingend erforderlich.
Für die Ausführungsformen der 26 bis 37 gelten folgende Abstände:

– L7 = 97,00 mm
– L8 = 111,00 mm
– L9 = 93,00 mm

Für die Ausführungsformen der 38 bis 49 gelten folgende Abstände:

– L10 = 99,00 mm
– L11 = 95,00 mm
– L12 = 102,00 mm

Die 5 bis 13, 17 bis 25, 29 bis 37 und 41 bis 49 zeigen anders gestaltete Ausführungsformen, die aber noch mit den oben zugeordneten ersten bis vierten Abstandsverhältnissen für die Markerhalter 13 aufgebaut sind. So ist in den 5 bis 7 und 17 bis 19 jeweils eine Markeranordnung gezeigt, bei der das Referenzelement einen gegabelten Arm aufweist. Das Referenzelement der 8 bis 10 und 20 bis 22 hat zwei von der Zentralachse aus nach unten gebogene Arme 12, und das Referenzelement, das jeweils in den 11 bis 13 und 23 bis 25 gezeigt wird, weist ein bogenförmiges Design mit zusammenlaufenden Kreisabschnitten auf.
In den 29 bis 31 und 41 bis 43 ist jeweils eine Markeranordnung gezeigt, bei der das Referenzelement als Dreieck ausgeführt ist. Das Referenzelement der 32 und 34 und 44 bis 46 hat jeweils zwei von der Zentralachse aus nach unten gebogene Arme, und das Referenzelement, das jeweils in den 35 bis 37 und 47 bis 49 gezeigt ist, weist einen gegabelten Arm auf.
Ein Träger ist bei den oben beschriebenen Ausführungsformen nicht dargestellt, es kann jedoch der jeweilige Träger 20 aus den 26 bis 28 oder 38 bis 40 Einsatz finden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19639615 A1 [0001]
US 2007/0100325 A1 [0001]

Claims

System (1) für die medizintechnische Navigation, mit einer Markeranordnung (10), die ein Referenzelement (11) und Markerhalter (13) aufweist, und mit einem Träger (20) für die Markeranordnung (10), wobei der Träger (20) den Funktionsteil (21) eines medizinischen oder medizintechnischen Instruments aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Markeranordnung (10) oder das Referenzelement der Markeranordnung aus einem vom Trägermaterial verschiedenen Material ausgestaltet ist.
System (1) nach Anspruch 1, bei dem die Markeranordnung (10) und der Träger (20) als eigene Einheiten ausgebildet, wobei die Einheiten fest miteinander verbunden oder fest miteinander verbindbar sind.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Markeranordnung (10) und der Träger (20) gemäß einer oder mehreren der folgenden Arten oder einer Kombination davon miteinander verbunden oder miteinander verbindbar sind: – durch eine nicht lösbare Verbindung, – durch eine integrale Verbindung, – durch eine lösbare Verbindung, – durch eine stoffschlüssige Verbindung, – durch eine kraftschlüssige Verbindung, – durch eine formschlüssige Verbindung.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Markeranordnung (10) ausgebildet ist als: – Wegwerfartikel, – Einwegartikel, – nicht sterilisierbarer Artikel, – nicht wiederverwendbarer Artikel, – starrer Artikel – nur elastisch, nicht plastisch verformbarer Artikel, – strukturverstärkter Artikel, insbesondere zumindest teilweise rippenverstärkter Artikel, – Kunststoffartikel, – Artikel aus Polycarbonat, oder als eine Kombination zweier oder mehrerer der genannten Arten.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Markeranordnung (10) als Wegwerfartikel ausgebildet ist, während der Träger (20) als wiederverwendbarer Artikel ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Träger (20) ein Metallträger und die Markeranordnung (10) aus einem nicht metallischen, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet ist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Markeranordnung (10) ein dem Referenzelement (11) zugeordnetes Referenzelement-Befestigungselement (14) aufweist, das insbesondere als ein Teil oder Abschnitt des Referenzelements ausgebildet ist, und bei dem der Träger (20) ein Träger-Befestigungselement (22) aufweist, das insbesondere als ein Teil oder Abschnitt des Trägers ausgebildet und mit dem Referenzelement-Befestigungselement (14) verbindbar ist.
System (1) nach Anspruch 7, bei dem das Träger-Befestigungselement (22) und/oder der Funktionsteil (21) des Instruments aus Metall ausgebildet ist bzw. sind, und bei dem das Referenzelement-Befestigungselement (14) und/oder das Referenzelement aus dem vom Trägermaterial verschiedenen Material ausgebildet sind.
System (1) nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Referenzelement (11) und das Referenzelement-Befestigungselement (14) zusammen integral und/oder zusammen einstückig und/oder aus demselben Material ausgebildet sind und/oder das Befestigungselement (14) einen Teil oder Abschnitt des Referenzelements (11) bildet.
System (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Referenzelement-Befestigungselement (14) und das Träger-Befestigungselement (22) komplementär zusammenwirkend ausgestaltet sind.
System (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Verbindung zwischen dem Referenzelement-Befestigungselement (14) und dem Träger-Befestigungselement (22) als Schnellverbindung, insbesondere Steckverbindung und/oder Klippverbindung und/oder Rastverbindung und/oder Bajonettverbindung und/oder Klemmverbindung ausgebildet ist oder mindestens eine dieser Verbindungen aufweist.
System (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Verbindung zwischen dem Referenzelement-Befestigungselement (14) und dem Träger-Befestigungselement (22) als, insbesondere feststellbare und/oder nicht lösbare, Kugelgelenk- bzw. Kugeldrehverbindung ausgebildet ist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit mindestens einem Marker (30), der in mindestens einen Markerhalter (13) eingesetzt oder befestigt, insbesondere nicht herausnehmbar befestigt oder vorbefestigt ist.
System (1) nach Anspruch 13, bei dem der bzw. die Marker (30) eine Oberfläche aufweist bzw. aufweisen, die abwischbar glatt ausgebildet ist.
System (1) nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der bzw. die Marker (30) als Retroreflektor ausgebildet ist bzw. sind.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit drei Markerhaltern bzw. Markern.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem einer oder mehrere der oder alle Markerhalter im Außenbereich des Referenzelements angeordnet sind, insbesondere im äußeren Endbereich von am Referenzelement vorhandenen Armen und/oder im Bereich des Referenzelement-Befestigungselements.
System (1) nach Anspruch 16 oder 17, bei dem das Verhältnis des längsten Markerhalterabstands zum kürzesten Markerhalterabstand im Bereich von 1,0 bis 1,6 liegt.
System (1) nach Anspruch 16 oder 17, bei dem das Verhältnis des längsten Markerhalterabstands zum kürzesten Markerhalterabstand im Bereich von 3 bis 3,4 liegt.
System (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem das Verhältnis der beiden kürzeren Markerhalterabstände im Wesentlichen bei 1 liegt.
System (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem das Verhältnis der beiden längeren Markerhalterabstände im Wesentlichen bei 1 liegt.