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KORRESPONDIERENDE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der älteren vorläufigen US-Anmeldung USSN 62/232.597, eingereicht am 25. September 2015, wobei der Inhalt dieser älteren Anmeldung durch Verweis vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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FACHGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Verfolgungssysteme und Marker, die in solchen Systemen verwendet werden. Typischerweise werden solche optischen Verfolgungssysteme auf dem Gebiet der computergestützten Chirurgie oder Zahnmedizin, mittels Roboter unterstützten Chirurgie oder Zahnmedizin, Rehabilitation und anderen ähnlichen medizinischen Anwendungsgebieten verwendet. Auf einer allgemeineren Ebene werden sie auf dem Gebiet der Bewegungserkennung verwendet, die auf medizinische Anwendungen oder andere Anwendungen bezogen werden kann, bei denen ein Verfolgen von Bewegungen erforderlich ist.
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STAND DER TECHNIK
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Traditionelle optische Positionsverfolgungssysteme umfassen zwei Kameras. Sie verwenden Triangulation, um die dreidimensionale Position von lichterzeugenden Elementen im Raum zu bestimmen. Diese lichterzeugenden Elemente können entweder aktiv sein: sie emittieren Licht (z. B. LED) oder sie können passiv sein: sie reflektieren Licht (z. B. reflektierende Scheiben oder Kugeln), oder sie können eine Kombination aus aktiv und passiv sein. Im Fall der passiven Elemente wird Licht auf Ringen aus LEDs, die sich rund um die Kameras des optischen Verfolgungssystems befinden, erzeugt. Emittiertes Licht wird ferner von verfolgten Objekten reflektiert und von den Kameras abgefühlt.
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Ein solches Verfolgungssystem ist dazu in der Lage, die dreidimensionale Position eines einzelnen lichterzeugenden Elements zu berechnen (d. h. zu bestimmen). Falls zumindest 3 lichterzeugende Elemente mit bekannten relativen Positionen gemessen werden, ist es ferner möglich, eine 3D-Ausrichtung zu berechnen (d. h. zu bestimmen). Ein solches Objekt wird als Marker bezeichnet und Marker werden auf zu verfolgenden Zielobjekten/Individuen befestigt.
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Im Kontext einer medizinischen Anwendung berührt ein Benutzer (z. B. ein Chirurg) eine Region von Interesse am Körper des Patienten unter Verwendung einer distalen Spitze eines Objekts (z. B. einer Sonde oder eines chirurgischen Instruments). Ein Verfolgungssystem erkennt den/die Marker, die an dem Objekt angebracht sind, und ist dazu in der Lage seine/ihre Position(en) zu erfassen. Auf der Basis der bekannten Beziehung zwischen der Position des/der Marker und der Position der Objektspitze bestimmt das Marker-Verfolgungssystem dann die Koordinaten der Objektspitze sowie ihre Ausrichtung. Solche Informationen können z. B. von einer Anwendung verwendet werden, um den Patienten im Rahmen eines präoperativen Plans zu registrieren und/oder um den interventionellen Radiologen beim Einführen einer Biopsienadel anzuleiten.
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Darüber hinaus erfordern medizinische und insbesondere chirurgische Anwendungen, dass die Marker steril sind. Weitverbreitete passive Marker sind üblicherweise Einweg-Elemente, autoklavierbar oder eine Mischung aus beiden.
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In Veröffentlichung
US20070183041A1 umfassen Marker lichterzeugende Elemente, die zwei runde Kappen mit unterschiedlichem Radius umfassen, die in Relation zueinander im Wesentlichen konzentrisch angeordnet sind. Ein solches Verfahren ermöglicht die Herstellung von Einweg-Markern wie Radix
TM von Northern Digital (
http://www.ndigital.com/medical/products/accessories/radix-lens/).
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Die am weitesten verbreiteten reflektierenden Marker verwenden eine Glaskugeltechnologie, bei der viele winzig kleine Glaskügelchen in einem reflektierenden Substrat (z. B. das 3M
TM Scotchlite
TM reflektierende Material) eingebettet werden. Die reflektierende Folie wird entweder auf flache Scheiben aufgeklebt oder auf Kugeln aufgebracht. Patent
US6675040B1 stellt viele verschiedene einfache Konstruktionen solcher Marker vor. Eine besser ausgearbeitete Konstruktion ist in Patent
US8386022B2 beschrieben, das einen Einwegmarker mit mehreren Oberflächen mit reflektierenden Scheiben vorstellt.
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Die stark strukturierte Oberfläche einer reflektierenden Folie ist anfällig für Verunreinigungen durch Schmutz, Blut, Finger, Olen etc. Jegliche Verunreinigung, die auf der Oberfläche des Markers vorhanden ist, kann das zurückreflektierende Leistungsverhalten des passiven Markers beeinträchtigen, wodurch es zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung einer Position des Objekts, an dem der Marker angebracht ist, kommen kann oder diese verursacht werden. Deshalb sollte der Teil, der das reflektierende Material enthält, vorzugsweise leicht austauschbar und idealerweise für mehr Sicherheit und Einfachheit wegwerfbar sein. Veröffentlichung
DE 10 2008 022 254 A1 stellt ein austauschbares lichterzeugendes Element vor, das das reflektierende Material ferner innerhalb einer Kuppel einbettet, um das Verunreinigungsproblem zu reduzieren.
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Veröffentlichung
WO2014127814A1 stellt einen Marker mit einem Aussparungsmechanismus vor, um das lichterzeugende Element für jede Operation austauschen zu können. Die Basis des Markers wird für die weitere Verwendung autoklaviert. Dieses Produkt umfasst leider mehrere Fächer und Aussparungen, die während des Sterilisationsvorgangs nur schwer zu reinigen sind. Darüber hinaus besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, das reflektierende Material beim Einführen eines lichterzeugenden Elements in die Aussparung zu beschädigen/zerkratzen. Dies beeinträchtigt die Verfolgungspräzision und am Ende die Sicherheit des Patienten stark.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen kostengünstigen Marker für optische Verfolgungssysteme, der einen Marker, ein oder mehrere lichterzeugende Elemente und einen Mechanismus umfasst, der es ermöglicht, das lichterzeugende Element unkompliziert auf den Markern anbringen/austauschen zu können.
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Somit wurden einige der Merkmale der Erfindung in einem eher groben Umriss dargelegt, damit die detaillierte Beschreibung davon besser verstanden wird, und damit der vorliegende Beitrag zum Stand der Technik mehr Anerkennung erhalten kann. Es gibt viele zusätzliche Merkmale der Erfindung, die hierin nachfolgend beschrieben werden.
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Diesbezüglich gilt zu verstehen, dass, bevor zumindest eine Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben wird, die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details im Aufbau oder auf die Anordnungen der Komponenten beschränkt ist, die in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung ist auch dazu in der Lage, in anderen Ausführungsformen und auf andere Art und Weise praktiziert und ausgeführt zu werden. Zudem gilt zu verstehen, dass die hierin verwendete Ausdrucksweise und Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung dient und nicht als beschränkend auszulegen ist.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstigen Marker für eine optische Verfolgung bereitzustellen, der zumindest zwei verschiedene Teile umfasst, wobei der erste einen Träger mit Öffnungen bereitstellt, die präzise angeordnet sind, und der zweite ein oder mehrere lichterzeugende Elemente (Reflektoren, LEDs, Knickpunkte etc.) umfasst, die unterhalb des Trägers angebracht sind und dem optischen Verfolgungssystem zugewandt sind.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen Markers für eine optische Verfolgung, der zusammen mit einem passiven optischen Nahinfrarot-Positionsverfolgungssystem während einer computergestützten OP (bzw. bei der Zahnchirurgie oder einer interventionellen Radiologie) verwendet werden soll.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen Markers für eine optische Verfolgung, der für jede Positionsverfolgungsanwendung verwendet werden könnte, einschließlich der Bewegungserkennung, Rehabilitation, Ganganalyse, Qualitätskontrolle oder Nachkonstruktion oder jeder anderen beliebigen Verfolgungsanwendung.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen Markers für eine optische Verfolgung, der günstig genug ist, um als komplettes oder zum Teil als Einwegelement hergestellt zu werden.
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Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Leser dargelegt werden und es ist beabsichtigt, dass diese Ziele und Vorteile unter den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen. Um die obigen und ähnliche Ziele zu erreichen, kann diese Erfindung in der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Form ausgeführt werden, wobei jedoch darauf hingewiesen werden muss, dass die Zeichnungen nur illustrativ sind, und dass an der speziellen dargestellten und innerhalb des Schutzumfangs dieser Anwendung beschriebenen Konstruktion Änderungen vorgenommen werden können, z. B. unter Verwendung gleichwertiger Mittel.
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In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung einen Marker für ein optisches Verfolgungssystem, wobei der Marker zumindest einen Träger mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei der Träger zumindest drei Öffnungen umfasst, die an vorbestimmten Positionen an dem Träger angeordnet sind, wobei ein oder mehrere lichterzeugende Elemente auf der Rückseite des Trägers angebracht sind, die die Öffnungen so verdecken, dass das/die lichterzeugende(n) Element(e) durch die Öffnungen für das Verfolgungssystem detektierbar sind, und Mittel zum Fixieren des lichterzeugenden Elements auf der Rückseite umfasst und wobei die lichterzeugenden Elemente während des Betriebs platziert oder entfernt werden können. Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann der Betrieb über jede beliebige Verfolgungsanwendung unter Verwendung des vorliegenden Markers erfolgen. Dies kann ein chirurgischer Eingriff oder eine andere Anwendung sein.
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In einer Ausführungsform sind die Öffnungen des Markers kreisförmig, wobei sich rund um die Öffnungen eine Abschrägung befindet, wo sich der scharfe Teil nahe an dem lichterzeugenden Element befindet, um den Verfolgungsfehler zu reduzieren, wenn der Marker angewinkelt ist.
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In einer Ausführungsform bedeckt ein lichterzeugendes Element zumindest eine der Öffnungen.
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In einer Ausführungsform umfasst der Träger ein lichterzeugendes Element pro Öffnung.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Befestigung des/der lichterzeugenden Elements/Elemente an den Träger des Markers über einen Federmechanismus oder einen weiteren gleichwertigen Mechanismus.
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In einer Ausführungsform umfasst der Federmechanismus zumindest eine Blattfeder.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Befestigung des/der lichterzeugenden Elements/Elemente an den Träger des Markers über magnetische Mittel.
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In einer Ausführungsform befindet sich der Befestigungsmechanismus auf dem Marker oder dem Träger.
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In einer Ausführungsform befindet sich der Befestigungsmechanismus auf dem/den lichterzeugenden Element(en).
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In einer Ausführungsform befindet sich der Befestigungsmechanismus zum Teil auf dem/den lichterzeugenden Element(en) und zum Teil auf dem Träger.
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In einer Ausführungsform umfassen die lichterzeugenden Elemente eine reflektierende Folie.
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In einer Ausführungsform wird die Folie auf die Rückseite des Trägers aufgebracht und bedeckt zumindest die Öffnungen.
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In einer Ausführungsform wird die Folie von einem unteren Teil des Markers auf der Rückseite fixiert, der über Anbringungselemente fixiert wird.
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In einer Ausführungsform umfasst das lichterzeugende Element einen Diffusor und eine Lichtquelle.
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In einer Ausführungsform umfasst die Lichtquelle eine LED, die auf einer Platine montiert ist.
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In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfolgungssystem, das zumindest einen Marker wie hierin definiert umfasst.
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In einer Ausführungsform umfasst das Verfolgungssystem zumindest zwei Marker wie hierin definiert und das System umfasst ferner Kameramittel zum Verfolgen der Kameras.
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In einer Ausführungsform des Verfolgungssystems umfassen die Kameramittel zwei Kameras und Beleuchtungsmittel zum Beleuchten der reflektierenden Folie.
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In einer Ausführungsform des Verfolgungssystems umfassen die Beleuchtungsmittel einen Ring aus LEDs, der jede Kamera umgibt.
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In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein bildgeführtes Chirurgiesystem, das zumindest einen Marker wie hierin definiert oder ein Verfolgungssystem wie hierin definiert umfasst. Das System kann ein Roboterelement wie einen Roboterarm, das bei der OP verwendet wird, umfassen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Verschiedene andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden voll anerkannt werden, wenn dieselbe in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden wird, in denen ähnliche Verweise/Buchstaben in allen der Ansichten dieselben oder ähnliche Elemente bezeichnen, und worin:
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1 eine Perspektivenansicht einer Ausführungsform eines kostengünstigen Markers gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Diese umfasst zumindest zwei verschiedene Teile, den Marker 10 und ein lichterzeugendes Element 20. In dieser Ausführungsform könnte der Marker 10 ein ebener Träger sein, der einen Mechanismus 11 zur Anbringung an ein Objekt/Individuum aufweist. Der Marker umfasst mehrere Öffnungen 12, die präzise angeordnet sind. Eine Abschrägung, die sich rund um die Öffnungen befindet, ermöglicht die Verbesserung der Verfolgungsgenauigkeit, wenn der Marker in Bezug auf das Verfolgungssystem gedreht wird. Lichterzeugende Elemente 20 weisen einen Durchmesser auf, der etwas größer ist als die Öffnungen 12. Sie passen von der Rückseite in die Öffnungen, sind dem Verfolgungssystem zugewandt und werden von Blattfedern 13 als Anbringungsmittel blockiert;
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2 eine Schnittteilansicht des Markers 10 aus 1, einschließlich des lichterzeugenden Elements 20 und der Blattfeder- 13 Mittel, ist;
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3 eine weitere Ausführungsform des Markers zeigt, der drei verschiedene Teile umfasst: den oberen Marker 10 mit dem Träger und den präzise angeordneten Öffnungen 12, den Anbringungsmechanismus 11 zum Anbringen davon an einem Objekt/Individuum und zusätzliche Anbringungsmittel 14, 31 zum Befestigen des oberen 10 und unteren Marker- 30 Teils. Eine reflektierende Folie 21 ist sandwichartig zwischen den zwei Markerteilen (oberer und unterer Teil) angeordnet. Schließlich identifiziert Bezugsziffer 31 das Schnapp-Einrastelement, das ermöglicht, dass die oberen und die unteren Markerteile 10, 30 miteinander verbunden werden können und dass die reflektierende Folie 21 dazwischen eingeschlossen wird. Es gilt anzumerken, dass die reflektierende Folie 21 alternativ dazu auf den unteren Marker 30 aufgeklebt werden kann;
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4 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Schnittteilansicht des Markers 10 aus 1 umfasst die reflektierende Scheibe 20 mit einem anderen Befestigungsmechanismus. In dieser Ausführungsform umfasst die Scheibe ferromagnetische Teile und Magneten 15, was ermöglicht, dass die Scheibe direkt auf dem Marker befestigt wird (anstelle der in 1 dargestellten Blattfedern 13). Alternativ dazu könnte der Magnet Teil der Scheibe sein und der ferromagnetische Teil könnte sich auf dem Marker befinden;
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5 ein Beispiel für eine Anwendung des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einem passiven optischen Verfolgungssystem 40 zeigt, das zwei Kameras 41 umfasst, wobei die Kameras von einem Ring aus Infrarot-LEDs 42 umgeben werden, die verwendet werden, um die lichterzeugenden Elemente 20 auf den Markern 10 zu beleuchten. Der linke Marker 10 – z. B. einer, der in 1 dargestellt ist – ist an dem zu verfolgenden Objekt/Individuum 60 befestigt. Der rechte Marker 10 ist an (bzw. einem Teil) einer Sonde 51 befestigt, die von einem Benutzer 50 des Verfolgungselements gehalten wird, wie einem Roboterarm bzw. einer Hand;
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6 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Schnittansicht eines aktiven Markers 10 zeigt. Im Gegensatz zu 1 wird die reflektierende Scheibe 20 von einem Streumaterial 22 ersetzt, das an dem Träger befestigt ist. In dieser Ausführungsform wird Licht nicht reflektiert, sondern wird von der darunterliegenden LED 23 erzeugt. Die LED ist beispielsweise auf einer Platine befestigt, die Steuerschaltungen und eine Batterie umfasst. Die Platine ist z. B. unter Verwendung von Blattfedern 13 an dem oberen Teil des Markers befestigt;
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7 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Perspektivenansicht eines Markers 10 darstellt, der einen Träger 17 umfasst, der eine Vorderseite 18 und eine Rückseite 19 aufweist. Die Öffnungen 12 sind präzise auf dem Träger 17 angeordnet. Sie sind von einer Abschrägung 16 umgeben, um die Verfolgungsgenauigkeit zu verbessern, wenn der Marker gedreht wird. Lichterzeugende Elemente 20 weisen einen Durchmesser auf, der etwas größer ist als die Öffnungen 12. Sie passen von der Rückseite in die Öffnungen. Wenn sie platziert sind, sind sie dem Verfolgungssystem zugewandt (wie z. B. in 5 dargestellt). Befestigungsmittel 24 befinden sich in dieser Ausführungsform auf dem Teil des lichterzeugenden Elements, was ermöglicht, dass sie auf den Marker geklemmt werden können.
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8 eine alternative Ausführungsform von 7 zeigt. Der Schnappmechanismus ist durch einen Befestigungsmechanismus 25 ersetzt, der auf einer Blattfeder basiert, die von der Seite der Scheibe 20 hervorragt. Wenn sie in die Rückseite des Markers eingeführt ist, blockiert die laterale Blattfeder das lichterzeugende Element 20. Eine Rille kann alternativ dazu auf der Rückseite des Markers 19 und rund um die Öffnung 12 ausgebildet sein, um die lichterzeugenden Elemente 20 in einer stabilen und bekannten Position zu fixieren.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter beschreibender Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugsziffern/Buchstaben in allen Ansichten ähnliche Elemente bezeichnen, zeigen die Figuren einen Marker, ein oder mehrere lichterzeugende Elemente (z. B. reflektierende Teile, LEDs) und ein Mechanismussystem, das ermöglicht, dass der/die Teile) der lichterzeugenden Elemente an dem Marker befestigt werden.
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Marker
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Der Marker umfasst einen Träger 17 und einen Anbringungsmechanismus 11. Der Träger 17 umfasst mehrere Öffnungen 12, die so ausgelegt sind, dass das lichterzeugende Element 20 durch eine Öffnung sichtbar ist und idealerweise flach und rund sind.
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Die Öffnungen 12 sollten sehr präzise ausgebildet sein, so dass der sichtbare Teil des lichterzeugenden Elements 20, der durch sie hindurch gesehen werden kann, reproduzierbar ist. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn eine Charge von Markern hergestellt wird, da dies verhindert, dass jeder von ihnen einzeln kalibriert werden muss.
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Die Öffnungen 12 sollten vorzugsweise eine Abschrägung 16 aufweisen, die ermöglicht, dass das lichterzeugende Element 20 gesehen werden kann, wenn der Marker 10 in Bezug auf das Verfolgungssystem angewinkelt wird, ohne dabei die Genauigkeit der Verfolgung zu beeinträchtigen.
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Der Marker 10 – in der Literatur auch als Starrkörper bezeichnet – umfasst mehrere lichterzeugende Elemente 20, die starr miteinander verbunden sind. Die Position der lichterzeugenden Elemente 20 in Bezug auf den Anbringungsmechanismus 11 wird als Geometrie bezeichnet und sollte bekannt sein. Während des Verfolgungsvorgangs werden diese lichterzeugenden Elemente 20 von dem Verfolgungssystem in 3D detektiert. Falls zumindest drei Referenzpunkte 20 detektiert werden, wird ferner ein Algorithmus (z. B. Arun: „Least-Squares Fitting of Two 3-D Points Sets", IEEE 1987) verwendet, um die Position (Position + Translation) des Markers 10 in der Verfolgungssystemreferenz zu berechnen. Die Präzision dieses Schritts wird teilweise von der Präzision der Geometrie definiert, die von dem Herstellungsprozess des Trägers beeinflusst wird. Der vorgeschlagene Marker 10 gemäß der vorliegenden Erfindung weist kreisförmige Öffnungen 12 auf – sehr präzise ausgebildet – unter denen sich das/die lichterzeugende(n) Element(e) 20, 21 befindet/befinden, so dass der Träger als Maske fungiert. Eine Abschrägung 16 auf einer Seite der Öffnung, die dem Verfolgungsmittel (z. B. Kameras) zugewandt ist, verhindert ein teilweises Verdecken dadurch, dass ermöglicht wird, dass das Verfolgungssystem das gesamte lichterzeugende Element sieht, sogar wenn die Öffnungen 12 nicht parallel zu den Kameras des Verfolgungssystems sind.
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Der Marker 10 kann aus Metall, Carbon und/oder einem Hartplastikteil oder einer Mischung daraus angefertigt werden. Der Befestigungsmechanismus 13, 15 kann direkt in den Marker integriert sein. Er kann ausgelegt werden, autoklaviert zu werden oder als Einweg-Element für chirurgische Anwendungen zu fungieren. Ein Marker kann direkt in den Aufbau einer Sonde/eines Instruments 51 integriert werden. Idealerweise ist der Träger der Marker präzise gefertigt und/oder geformt, um einen individuellen Kalibrierungsprozess zu vermeiden.
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Lichterzeugende Elemente
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Die lichterzeugenden Elemente 20 können aktiv (wie eine LED) oder passiv (wie ein reflektierendes Material) sein. Die sichtbare Oberfläche (die durch die Öffnungen 12 von dem Verfolgungssystem gesehen wird) ist auf der Rückseite des Trägers 10 befestigt. Diese Öffnungen 12 sind etwas kleiner als das reflektierende Material und fungieren somit als Masken. Alternativ dazu könnte der Befestigungsmechanismus 30, 24, 25 Teil des lichterzeugenden Elements sein.
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Im Fall von passiven Elementen wird das reflektierende Material optimiert, um in der Wellenlänge arbeiten zu können, die von dem Verfolgungssystem angegeben wird (z. B. Nah-Infrarot). Die reflektierende Oberfläche sollte flach, so einheitlich wie möglich sein und sollte auch bei verschiedenen Winkeleinstellungen des Markers in Bezug auf das Verfolgungssystem eine gute Reaktion bieten. Idealerweise ist die reflektierende Oberfläche größer als das Loch 12 des Markers 10, so dass sie einfach angepasst werden kann.
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Der reflektierende Teil kann eine Scheibe 20 (z. B. Form und Größe einer flachen Münze) mit einer aufgeklebten reflektierenden Folie 21 sein. Der reflektierende Teil 20 kann magnetische Teile darin aufweisen oder kann aus ferromagnetischem Material bestehen, so dass er magnetisch an dem Marker 15 angeklemmt werden kann. Alternativ dazu kann der reflektierende Teil nur eine Folie 21 sein, wie in 3 beschrieben. Da das reflektierende Material sehr empfindlich ist und von Flüssigkeiten, Kratzern und/oder Einschlüssen beschädigt werden kann, ist es notwendig, zu ermöglichen, dass die reflektierenden Teile 20 oder die Folie 21 vor oder während einer OP einfach ausgetauscht werden können. Es gilt anzumerken, dass das existierende reflektierende Material in chirurgischen Anwendungen nicht mit einem Autoklav sterilisiert werden kann. Somit ist erforderlich, dass dieser Teil ein Einwegelement ist.
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Im Fall eines aktiven Elements – wie z. B. in 6 dargestellt – ist der reflektierende Teil durch ein Streumaterial 22 ersetzt, das auf der Rückseite des Trägers befestigt ist. Licht wird nicht reflektiert, sondern wird von einer darunterliegenden LED 23 erzeugt. Dieser Mechanismus weist den Vorteil auf, dass keine sehr präzise Anordnung der LED auf der Platine erforderlich ist, da der Diffusor eine einheitliche Beleuchtung erzeugt und die Öffnung eine präzise Anordnung garantiert.
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Externer Befestigungsmechanismus
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Der Befestigungsmechanismus ermöglicht, dass der Teil des lichterzeugenden Elements auf dem Marker befestigt oder angebracht werden kann. Diese Befestigung könnte Teil des Markers 10 sein (z. B. Blattfedern 13 oder magnetische Befestigung 14). Die Befestigung könnte alternativ dazu auf dem lichterzeugenden Element angebracht werden (z. B. die Blattfeder 25 oder das Schnappsystem 24). Schließlich könnte sich die Befestigung teilweise auf dem Marker und teilweise auf dem lichterzeugenden Element befinden (z. B. das Schnappsystem 14). Eine Kombination der Befestigungen ist ebenfalls möglich.
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Die Befestigung ist ausgelegt, das lichterzeugende Element 20 an der Rückseite der Öffnung 12 des Trägers anzubringen. Sie sollte ebenfalls ermöglichen, dass das lichterzeugende Element 20 jederzeit (z. B. während eines chirurgischen Eingriffs, falls dieses z. B. durch Körperflüssigkeiten verdeckt wird) einfach ausgewechselt werden kann.
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Der Befestigungsmechanismus kann ein Schnappelement 24, 31, ein magnetisches Schnappelement 15 oder eine Blattfeder 13, 25 sein. Jede andere gleichwertige Art eines Befestigungsmechanismus ist natürlich ebenfalls möglich, genau wie Kombinationen daraus. Da der Marker 10 im Gegensatz zu den reflektierenden Teilen 20 mehrmals verwendet werden kann, sollte der Befestigungsmechanismus vorzugsweise jegliche Beschädigung am Marker 10 vorzugsweise vermeiden oder zumindest minimieren.
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Passives optisches Verfolgungssystem
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Die passiven optischen Verfolgungssysteme umfassen eine oder mehrere Kameras 41. Sie emittieren Infrarotlicht z. B. ausgehend von einem Ring 42, der jede Infrarotkameralinse umgibt und verwendet Kugeln oder Scheiben als passive Zielobjekte. Lichterzeugende Elemente sind mit einem retroreflektierenden Material beschichtet, das kleine Kügelchen enthält, die das Licht zurück auf die Linsen werfen, was verursacht, dass die lichterzeugenden Elemente als helle Punkte in den Infrarotbildern erscheinen. Passive Verfolgungssysteme können auch lichterzeugende Elemente detektieren, die aus Infrarot-LEDs bestehen. Passive optische Verfolgungssysteme können in sichtbaren und Nah-IR-Spektren betrieben werden.
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Passive optische Verfolgungssysteme werden in der Chirurgie und bei Bewegungserfassungsanwendungen weitverbreitet eingesetzt. Sie umfassen im Wesentlichen einen Satz aus Kameras mit einer bekannten Basislinie – entsprechende Position der Kameras. Die Kameras arbeiten im Infrarotbereich, so dass die Lichtblitze die Benutzer nicht stören. Die Lichtblitze werden von Infrarotlichtern emittiert, die vorzugsweise auf einem Ring rund um die Kameralinsen angeordnet sind.
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Die am häufigsten verwendete Kamera ist eine Stereokamera – bestehend aus zwei Kameras – die auf einer Leiste angebracht ist. Die relative Position der Kamera ist werkskalibriert. Wird ein lichterzeugendes Element von beiden Kameras gleichzeitig detektiert, ist es möglich, seine 3D-Position mittels Triangulation zu berechnen.
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Beispiele für häufig verwendete, passive optische Verfolgungssysteme sind Atracsys infiniTrack und fusionTrack, NDI Polaris oder Axios CamBar (alle sind Handelsnamen oder Warenzeichen). Jede beliebige Allzweckkamera kann alternativ dazu als passives optisches Verfolgungssystem verwendet werden. Im Allgemeinen sind diese allerdings weniger präzise als diejenigen Systeme, die mehrere Kameras umfassen.
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Benutzer
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In einer Ausführungsform der Anmeldung benutzt ein Benutzer 50 eine Sonde 51. Der Marker 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf einer Sonde 51 oder einem Instrument befestigt (bzw. ist ein Teil davon). Der Benutzer 50 (z. B. ein Chirurg) benutzt die Sonde so, dass die reflektierenden Teile während der Verfolgung für die Kameras sichtbar sind. Ein Benutzer könnte alternativ dazu ein Roboter oder jede andere gleichwertige Vorrichtung sein.
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Messobjekt/Individuum
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Marker 10 auf einem zu verfolgenden 60 Objekt (bzw. einem Individuum) angebracht. In einer chirurgischen Anwendung ist das Individuum typischerweise der zu operierende Patient. Der Marker 10 kann an einer Knochenstruktur (Oberschenkelknochen, Schienbein, Becken, Schädel etc.), einem Kopfrahmen, der in der Neurologie zum Einsatz kommt, befestigt oder damit verschraubt, verklebt, über ein Gummiband an dem Patienten befestigt, an einem Brillengestell angebracht sein etc.
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Betrieb der bevorzugten Ausführungsform
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5 zeigt einen typischen computergestützten Aufbau unter Verwendung der Erfindung zur Verwendung in der Chirurgie. Dieser Aufbau umfasst zwei Marker 10. Der erste ist in einer Sonde 51 integriert, die von einem Benutzer 50 gehalten wird. Der andere ist an dem Patienten 60 (z. B. über eine Schraube, die an einer Knochenstruktur des Patienten befestigt ist) angebracht.
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Vor dem chirurgischen Eingriff wurden die lichterzeugenden Elemente 20, 21 auf den zwei verschiedenen Markern 10 mittels eines Befestigungsmechanismus 13, 14, 15, 24, 25, wie oben beschrieben, befestigt. Beide Marker 10 weisen eine unterschiedliche Geometrie (relative Position der Öffnungen) auf, so dass jede eindeutig von dem System detektiert werden kann. Die Positionierung der lichterzeugenden Elemente 20 muss nicht präzise sein, sie sollten jedoch für eine optimale Detektion perfekt in die Öffnungen 12 des Markers 10 eingepasst sein.
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Während des Registrierungsschritts richtet der Chirurg die Sonde 51 auf spezielle anatomische Strukturen, um einen Abgleich zwischen der präoperativen Planung und dem echten Patienten zu erstellen. Der Referenzmarker auf dem Patienten ist notwendig, um mögliche Bewegungen des Patienten und/oder des passiven Verfolgungssystems während des gestützten Eingriffs verfolgen und messen zu können.
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Während dieses Schritts sollten zumindest drei lichterzeugende Elemente 20 jedes Markers 10 für das Verfolgungssystem 40 sichtbar sein. Das Verfolgungssystem 40 führt eine Bildverarbeitung der Kamerabilder zum Detektieren des Gravizentrums der lichterzeugenden Elemente 20, Anpassen, Triangulation und schließlich eine Positionsschätzung aufgrund der eindeutigen Geometrie der Marker 10 durch. Das System erkennt schlussendlich die Position der Sonde in Bezug auf den Marker 10, der an dem Patienten 60 angebracht ist.
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Am Ende des chirurgischen Eingriffs werden die lichterzeugenden Elemente 20 entsorgt. Der Marker 10 auf dem Patienten und die Sonde 51 sind entweder so ausgelegt, für die weitere Verwendung autoklaviert zu werden, oder sind Einweg-Elemente.
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Verglichen mit der vorhandenen Technologie (reflektierende Kugeln) weist das vorgestellte System der vorliegenden Erfindung den Vorteil auf, dass es präziser ist, da die Präzision nicht nur von verschraubten oder eingesetzten Kugeln abhängt, sondern auch von der Herstellung der Öffnungen 12, die von Grund auf präziser ist. Dies reduziert zudem die Betriebskosten, da die reflektierenden Teile 20 verglichen mit reflektierenden Scheiben kostengünstiger produziert werden können. Falls der Befestigungsmechanismus letztlich einfach aufgebaut ist, wird auch die Ergonomie verbessert, da das Auswechseln eines reflektierenden Teils während des chirurgischen Eingriffs keine erneute Kalibrierung oder erneuten Registrierungsschritt (der bei bestehenden Systemen erforderlich ist) erfordert.
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Was hierin beschrieben und dargestellt wurde ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zusammen mit einigen ihrer Variationen. Die Begriffe, Beschreibungen und Figuren, die hierin verwendet wurden, sind nur zu Illustrationszwecken dargelegt und sind nicht als Beschränkungen auszulegen. Fachleute auf dem Gebiet werden anerkennen, dass viele Variationen im Rahmen des Geists und des Schutzumfangs der Erfindung möglich sind, in welchen alle Begriffe in ihrem weitesten angemessenen Sinn auszulegen sind, sofern nicht anders angegeben. Jegliche Überschriften, die innerhalb der Beschreibung verwendet werden, dienen nur praktischen Gründen und besitzen keine rechtliche oder einschränkende Wirkungskraft.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Marker
- 11
- Anbringungsmechanismen
- 12
- Öffnungen innerhalb des Trägers
- 13
- Befestigungsmechanismus
- 14
- Alternativer Schnapp-Befestigungsmechanismus
- 15
- Alternativer Magnet-Befestigungsmechanismus
- 16
- Abschrägung rund um die Öffnungen
- 17
- Träger
- 18
- Vorderseite (des Trägers)
- 19
- Rückseite (des Trägers)
- 20
- Lichterzeugendes Element
- 21
- Reflektierende Folie
- 22
- Streumaterial
- 23
- LED
- 24
- Alternativer Schnapp-Befestigungsmechanismus
- 25
- Alternativer Blattfeder-Mechanismus
- 30
- Zweiter Teil des Markers
- 31
- Loch für Schnappvorrichtung
- 32
- Platine
- 40
- Passives optisches Verfolgungssystem
- 41
- Kamera
- 42
- LED-Ring
- 50
- Benutzer
- 51
- Sonde/Instrument
- 60
- Messobjekt/Individuum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20070183041 A1 [0007]
- US 6675040 B1 [0008]
- US 8386022 B2 [0008]
- DE 102008022254 A1 [0009]
- WO 2014127814 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.ndigital.com/medical/products/accessories/radix-lens/ [0007]
- Arun: „Least-Squares Fitting of Two 3-D Points Sets”, IEEE 1987 [0052]
