DE4202505A1 - Fuehrungssystem zum raeumlichen positionieren eines instrumentes - Google Patents
Fuehrungssystem zum raeumlichen positionieren eines instrumentesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Führungssystem zum räumlichen
Positionieren eines Instrumentes gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
Zum räumlichen Positionieren eines Instrumentes sind ver
schiedene Führungssysteme bekannt. So stellt sich in der
Medizintechnik z. B. für einen Chirurgen die Aufgabe, ein
Operationsmikroskop, das an einem Stativ angeordnet ist, in
verschiedenen räumlichen Freiheitsgraden zu positionieren.
In der DE-OS 40 32 207 wird hierzu vorgeschlagen, ein
Operationsmikroskop an einem motorisch positionierbaren
Mehrgelenk-Mechanismus anzuordnen. Mit Hilfe dieses Mehr
gelenk-Mechanismus ist es dem bedienenden Chirurg möglich,
das Operationsmikroskop ohne Kraftaufwand beliebig im Raum zu
positionieren. Die Positionierung des Operationsmikroskops
erfolgt jedoch über eine separate Kontroll-Einheit, in die
die gewünschten Raumkoordinaten des Operationsmikroskopes
manuell eingegeben werden müssen. Demzufolge ist mit einer
derartigen Vorrichtung ein definiertes Positionieren während
einer Operation äußerst umständlich, da zur manuellen Eingabe
bestimmter Raumkoordinaten die Operation unterbrochen werden
muß.
Weiterhin ist es in der Medizintechnik bekannt, Operations
mikroskope, die an herkömmlichen Stativen angeordnet sind,
mit Hilfe mechanischer Mittel räumlich zu positionieren. Ein
Mundknebel, mit dem der Chirurg das Operationsmikroskop
während der Operation führt, wird beispielsweise in der
DE-PS 24 18 565 beschrieben. Die starre Verbindung zwischen
dem Kopf des Chirurgen und dem Operationsmikroskop, sowie der
erforderliche Kraftaufwand zum Verfahren des Statives machen
eine derartige Positionierung jedoch ebenfalls sehr umständ
lich.
Eine Vorrichtung zur kontaktlosen Führung eines Operations
mikroskops wird in der US-Patentschrift US 49 89 253 vor
geschlagen, wo ein Operationsmikroskop mit Hilfe eines
sprach-empfindlichen Führungssystems verfahren wird. Zwar
werden mit dieser Vorrichtung wesentliche Nachteile der oben
beschriebenen Führungs- bzw. Positioniersysteme vermieden,
jedoch resultieren hiermit Schwierigkeiten bei der genauen
Bestimmung des jeweiligen Verfahrweges durch den Chirurgen.
Insbesondere die Abstimmung der Reaktionszeiten des sprach
empfindlichen Positioniersystems auf die jeweiligen Sprach
signale ist aufwendig bzw. nur schwer möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
Führungssystem zum räumlichen Positionieren eines Instrumen
tes zu schaffen, welches ein kontaktloses Positionieren in
bis zu sechs räumlichen Freiheitsgraden mit hoher Präzision
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße
Führungssystem mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteil
hafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Wesentlich ist hierbei, daß das erfindungsgemäße Führungs
system ein kontaktloses räumliches Führen und Positionieren
des jeweiligen Instrumentes mit hoher Präzision ermöglicht.
Innerhalb der Medizintechnik kann das erfindungsgemäße Füh
rungssystem beispielsweise eingesetzt werden, um ein Opera
tionsmikroskop, das an einer motorischen Positionier-Mechanik
angeordnet ist, in bis zu sechs räumlichen Freiheitsgraden
den Kopfbewegungen des Chirurgen nachzuführen. Das Opera
tionsmikroskop ist hierzu vorzugsweise an einem geeigneten
motorischen Stativ angeordnet oder aber mittels einer motori
schen Aufhängung an einem herkömmlichen Stativ angeordnet, so
daß zumindest eine eingeschränkte motorische Positionierung
bzw. Nachführung möglich ist. In einer möglichen Ausführungs
form auf optischer Basis wird am Kopf, vorzugsweise an der
Stirn des Chirurgen, entweder eine optische Sende- oder
Empfangseinheit angeordnet. Das an der motorischen Positio
nier-Mechanik angeordnete Operationsmikroskop weist das ent
sprechende Gegenstück, d. h. eine optische Empfangs- oder
Sendeeinheit auf. Die bevorzugte Relativ-Anordnung von opti
scher Sende- und Empfangseinheit ist dergestalt, daß die
Strahlung der Sendeeinheit im herkömmlichen Betrieb die
Empfangseinheit beaufschlagt. Beispielsweise kann die opti
sche Empfangs- oder Sendeeinheit über den Okularen des Ope
rationsmikroskopes angeordnet sein, wo sie sich etwa gegen
über der an der Stirn des Chirurgen angeordneten optischen
Sende- oder Empfangseinheit befindet.
Die optische Sendeeinheit besteht vorzugsweise aus einer oder
mehreren Lichtquellen, beispielsweise handelsüblichen LEDs,
Laserdioden oder konventionellen Lichtquellen mit vorgeschal
teten Blenden, bzw. geeigneten Kollimationsoptiken, so daß
jeweils ein oder mehrere Sende-Strahlengänge resultieren. In
einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, die Lichtquel
len unabhängig von der jeweiligen Bedienperson oder dem In
strument anzuordnen und über Lichtleiter der Sendeeinheit
zuzuführen. Die Lichtquellen der optischen Sendeeinheit kön
nen dabei in verschiedenen Spektralbereichen arbeiten. Zur
Detektion von sechs möglichen Freiheitsgraden sind mindestens
zwei separate Sende-Strahlengänge erforderlich, die auf ver
schiedenste Art und Weise durch die Lichtquellen der opti
schen Sendeeinheit erzeugt werden können.
Die optische Empfangseinheit umfaßt mindestens einen posi
tionsempfindlichen Detektor, der für die Wellenlänge der
jeweiligen Sendeeinheit ausgelegt ist. Hierfür kommen ent
weder räumlich getrennte positionsempfindliche Detektoren wie
etwa Lateraleffektdioden, transparente Lateraleffektdioden
oder segmentierte Photodioden in Frage. Jedoch ist auch der
Einsatz eines einzigen flächigen Detektors, z. B. ein zwei
dimensionales CCD-Array, möglich, der mehrere gleichzeitig
auf treffende Sende-Strahlengänge ortsauflösend registrieren
kann. Um sechs verschiedene Freiheitsgrade detektieren zu
können, muß der jeweilige Detektor mindestens drei beauf
schlagte Punkte räumlich auflösen können.
Je nachdem, in wieviel Freiheitsgraden eine Positionierung
des jeweiligen Instrumentes erforderlich ist bzw. welche
Lichtquellen oder positionsauflösenden Detektoren gewählt
werden, kann eine unterschiedliche Anzahl von separaten
Sende-Strahlengängen bzw. beaufschlagten und aufzulösenden
Punkten auf dem oder den Detektoren erforderlich sein. So
erfordern bestimmte Einsatzzwecke lediglich die freie
Positionierbarkeit bzw. die Führung entlang einer definierten
Achse, wofür dann beispielsweise weniger als zwei separate
Sende-Strahlengänge bzw. eine Detektor-Anordnung ausreicht,
die weniger als drei beaufschlagte Punkte separat auflösen
kann.
Zur Führung bzw. Positionierung in allen möglichen sechs
Freiheitsgraden sind jedoch mindestens zwei separate Sende-
Strahlengänge sowie eine positionsempfindliche Detektor-
Anordnung vorgesehen, die mindestens drei separate, beauf
schlagte Punkte auflösen kann.
Eine bevorzugte Relativ-Anordnung zur Detektion sechs mög
licher Freiheitsgrade sieht zwei separate Sende-Strahlengänge
vor, die z. B. durch zwei getrennte Lichtquellen erzeugt wer
den, sowie drei separate, positionsempfindliche Lateral
effektdioden, von denen mindestens eine für die verwendete
Lichtwellenlänge transparent ist. Von diesen drei Lateral
effektdioden sind zwei versetzt hintereinander in zwei pa
rallelen Ebenen angeordnet, so daß ein erster Sende-Strahlen
gang diese beiden Lateraleffektdioden beaufschlagt, während
der zweite Sende-Strahlengang eine dritte Lateraleffektdiode
beaufschlagt.
Bei der ausschließlichen Verwendung nicht-transparenter po
sitionsempfindlicher Detektoren zur Detektion sechs möglicher
Freiheitsgrade sind drei separate Sende-Strahlengänge erfor-
derlich. Weiterhin muß mit der jeweiligen Detektor-Anordnung
eine ortsauflösende Registierung dreier, beaufschlagter Punk
te möglich sein. Hierzu kann die Detektor-Anordnung entweder
aus mindestens einer flächigen CCD-Anordnung in einer oder
mehreren Ebenen oder drei separaten, positionsempfindlichen
Detektoren in einer Ebene bestehen. Jedoch ist es auch mög
lich, die drei separaten, positionsempfindlichen Detektoren
in zwei oder drei verschiedenen Ebenen relativ zueinander
anzuordnen.
Schließlich ist es des weiteren möglich, sowohl die optische
Sende- und Empfangseinheit zusammen entweder am Kopf der
Bedienperson oder am jeweiligen Instrument anzuordnen. Auf
der jeweils gegenüberliegenden Seite sind Reflektor-Elemente
angeordnet die die einfallenden Sende-Strahlengänge wieder
in Richtung optischer Empfangseinheit zurückreflektieren, die
dann z. B. in der gleichen Ebene wie die optische Sendeeinheit
angeordnet werden kann.
Eine weitere Möglichkeit zur sequentiellen Auflösung der
Sende-Strahlengänge ist durch die Verwendung eines Zeit-Mul
tiplex-Verfahrens gegeben. Dabei sind Sendeeinheit und beauf
schlagte positionsempfindliche Detektoren derart miteinander
synchronisiert, daß zu unterschiedlichen Zeiten emittierte
Sende-Strahlengänge auch nur jeweils von bestimmten zugeord
neten einzelnen Detektoren registriert werden. Hierzu sind
weiterhin Vorrichtungen zur Signalübertragung zwischen Aus
werteeinheit und optischer Empfangs- und Sendeeinheit nötig.
Mit Hilfe einer derartigen Zeit-Multiplex-Anordnung lädt sich
vorteilhafterweise die Zahl der erforderlichen Detektoren
reduzieren.
Daneben existieren jedoch mehrere weitere Möglichkeiten, die
einzelnen positionsempfindlichen Detektoren relativ zuein
ander als auch relativ zur optischen Sendeeinheit anzuordnen.
Derartige Anordnungen sind Gegenstand von weiteren Unter
ansprüchen.
Für das erfindungsgemäße Führungssystem ist des weiteren eine
Auswerteeinheit erforderlich, die die von den einzelnen
positionsempfindlichen Detektoren registrierten Signale
derart verarbeitet, daß ein Zusammenhang zwischen der
Bewegung des Kopfes und der damit verbundenen Lage der
registrierten Signale auf den Detektoren der optischen
Empfangseinheit hergestellt werden kann. Entsprechend der
registrierten Bewegung des Kopfes wird beispielsweise das
Operationsmikroskop anschließend über die motorische
Positionier-Mechanik verfahren und "folgt" somit den Kopf
bewegungen des Chirurgen. Hierzu werden von der Auswerte
einheit entsprechende Steuersignale an die jeweilige
Positionier-Mechanik übermittelt.
Neben der räumlichen Positionierung des Operationsmikroskopes
ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Führungssystem auch
möglich, eine Fokussierung durchzuführen, vorausgesetzt,
diese erfolgt durch eine Abstandsänderung zwischen Opera
tionsmikroskop und Seh-Ebene entlang der optischen Achse
mittels der Positionier-Mechanik.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Führungssystemes ist somit
eine kontaktlose Führung eines Instrumentes im Raum möglich,
ohne Einschränkungen durch mechanische Verbindungen zwischen
der Bedienperson und dem jeweiligen Instrument hinnehmen zu
müssen. Des weiteren ist eine Führung in bis zu sechs Frei
heitsgraden möglich, ohne Handlungsabläufe unterbrechen zu
müssen. Insbesondere geeignet ist das erfindungsgemäße
Führungssystem zur kontaktlosen Bedienung eines Operations
mikroskopes während einer Operation, woraus eine Reduktion
der Operationsdauer resultiert. Jedoch ist damit auch eine
kontaktlose Positionierung von Endoskopen oder diverser
weiterer chirurgischer Geräte innerhalb der Medizintechnik
möglich.
Daneben existieren eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglich
keiten, bei denen ein Instrument räumlich positioniert werden
muß, ohne bestimmte Handlungsabläufe dadurch unterbrechen zu
müssen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Führungssystem
keineswegs beschränkt auf die beschriebene Ausführungsform
auf optischer Basis. So können erfindungsgemäß ebenso
Ultraschall-Sende- und Empfangseinheiten oder magnetische
Sende- und Empfangseinheiten eingesetzt werden. Desweiteren
ist auch der Einsatz von Beschleunigungs-Sensoren innerhalb
der Sendeeinheit möglich, deren Signale von einer
entsprechenden Empfangseinheit registriert werden.
Weitere Einzelheiten sowie Vorteile des erfindungsgemäßen
Führungssystemes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei
bung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der
Zeichnungen.
Dabei zeigt
Fig. 1 die Verwendung des erfindungsgemäßen Führungs
systemes in Verbindung mit einem Operations
mikroskop;
Fig. 2a eine erste mögliche Relativ-Anordnung von
optischer Sende- und Empfangseinheit;
Fig. 2b eine zweite mögliche Relativ-Anordnung von
optischer Sende- und Empfangseinheit;
Fig. 2c eine dritte mögliche Relativ-Anordnung von
optischer Sende- und Empfangseinheit;
Fig. 3 ein Blockschaltbild mit den wichtigsten erforder
lichen Einzelkomponenten des erfindungsgemäßen
Führungssystemes.
In Fig. 1 ist eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen
Führungssystemes dargestellt. An einem motorisch positionier
baren Stativ (1) , das als motorische Positionier-Mechanik
fungiert, ist ein Operationsmikroskop (2) angeordnet. Mit
Hilfe des Operationsmikroskopes (2) verfolgt der Chirurg (3)
die Operation am jeweiligen Patienten (4), der auf dem Opera
tionstisch (5) liegt. Das erfindungsgemäße Führungssystem für
das Operationsmikroskop (2) umfaßt zum einen eine optische
Sendeeinheit (6), die in diesem Ausführungsbeispiel an der
Stirn des Chirurgen (3) befestigt ist. Dies kann beispiels
weise mit Hilfe eines geeigneten Stirnbandes (8) erfolgen.
Die optische Sendeeinheit (6) besteht dabei aus mindestens
einer Lichtquelle und liefert ein oder mehrere Sende-Strah
lengänge. Als Lichtquelle kommen handelsübliche Leuchtdioden
(LEDs), konventionelle Lichtquellen mit Blenden oder aber
Laserdioden in Frage. Möglich ist jedoch auch, eine einzige
Lichtquelle mit Hilfe mehrerer Lichtleiter aufzusplitten und
derart mehrere einzelne Lichtquellen bzw. Sende-Strahlengänge
zu simulieren. Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Führungs
systemes ist des weiteren eine optische Empfangseinheit (7)
erforderlich, die im dargestellten Ausführungsbeispiel gegen
über der optischen Sendeeinheit (6) unmittelbar am Opera
tionsmikroskop (2) angeordnet ist. Günstig ist hierbei die
Anordnung der optische Empfangseinheit (7) über den Binoku
lartuben (9) des Operationsmikroskopes (2), durch die der
Chirurg (3) das Operationsfeld einsieht. Alternativ zum dar
gestellten Ausführungsbeispiel ist es jedoch jederzeit mög
lich, die Anordnung von optischer Sende- (6) und Empfangs
einheit (7) zu vertauschen. Die optische Empfangseinheit (7)
besteht im wesentlichen aus einem oder mehreren positions
empfindlichen Detektoren, die auf die emittierte Wellenlänge
der optischen Sendeeinheit (6) abgestimmt sind und einen oder
mehrere beaufschlagte Punkte ortsabhängig auflösen kann. Die
Anzahl der nötigen Sende-Strahlengänge sowie der aufzulösen
den, beaufschlagten Punkte hängt dabei von den Freiheitsgra
den ab, in denen eine Führung bzw. Positionierung des jewei
ligen Instrumentes erfolgen soll. Als positionsempfindliche
Detektoren können beispielsweise Lateraleffektdioden, trans
parente Lateraleffektdioden, segmentierte Photodioden oder
aber herkömmliche separate CCD-Anordnungen eingesetzt werden.
Als positionsempfindliche Detektoren kommen neben separaten
Einzeldetektoren auch flächige CCD-Anordnungen in Frage, die
eine ortsaufgelöste Registrierung mehrerer, gleichzeitig
beaufschlagter Punkte ermöglichen. Auf mögliche Relativ-
Anordnungen von optischer Sende- (6) und Empfangseinheit (7)
wird anhand von Fig. 2 im folgenden noch genauer eingegangen.
Erforderlich zum Betrieb des erfindungsgemäßen Führungssy
stems ist weiterhin eine Auswerteeinheit (10), die anhand der
registrierten Signale auf der optischen Empfangseinheit (7)
die Bewegung des Kopfes rekonstruiert. Ist dieser Zusammen
hang über numerische Auswerteverfahren bestimmt, so gibt die
Auswerteeinheit (10) entsprechende Steuersignale an das moto
risch in bis zu sechs Freiheitsgraden positionierbare Stativ
(1) weiter, das das Operationsmikroskop (2) anschließend
derart verfährt daß es den Kopfbewegungen des Chirurgen (3)
gleichsam "folgt". Die Auswerteeinheit (10) kann weiterhin
noch zur Steuerung der optischen Sendeeinheit (6) eingesetzt
werden, wozu dann eine entsprechende, vorzugsweise nicht
kontaktive Signalübertragung (25) erforderlich ist. Die
Steuerung bzw. Signalverarbeitung kann auch dergestalt erfol
gen, daß ausgehend von einem bestimmten Betriebsmodus der
optischen Sendeeinheit die optische Empfangseinheit bzw. die
damit verbundene Auswerteeinheit über eine derartige Signal
übertragung gesteuert wird. Zum Betrieb des erfindungsgemäßen
Führungssystems ist es nötig, während einer einmaligen An
dockphase eine definierte Normalposition des Kopfes (8) rela
tiv zum Instrument, z. B. dem Operationsmikroskop (2) fest
zulegen. Diese Normalposition ist im dargestellten Ausfüh
rungsbeispiel vorzugsweise so definiert, daß die Austrittspu
pillen des Operationsmikroskopes (2) mit den Eintrittspupil
len des Chirurgen (2) übereinstimmen. In diese definierte
Normalposition wird anschließend bei Bewegungen des Kopfes
(8) das Operationsmikroskop (2) verfahren bzw. nachgeführt.
Anhand der Fig. 2a bis 2c folgt eine Beschreibung möglicher
Relativ-Anordnungen der Einzelkomponenten der optischen Sende- und
Empfangseinheit. Dabei sei noch einmal darauf hin
gewiesen, daß es neben den im folgenden beschriebenen
Relativ-Anordnungen eine Vielzahl weiterer möglicher Relativ-
Anordnungen gibt, mit denen das erfindungsgemäße Führungs
system realisierbar ist. Insbesondere ist es dabei immer
möglich, Sende- bzw. Empfangseinheit wahlweise entweder am
Kopf der Bedienperson oder am jeweiligen Instrument anzuord
nen.
In der in Fig. 2a dargestellten Anordnung besteht die opti
sche Sendeeinheit (6) aus einer Grundplatte (11), auf der
drei separate Lichtquellen (12a, 12b, 12c) mit jeweils vor
geordneter Kollimationsoptik (13a, 13b, 13c) angeordnet sind,
die drei separate Sende-Strahlengänge liefern. Als Lichtquel
len (12a, 12b, 12c) werden hierbei Laserdioden verwendet; zur
Abbildung bzw. Kollimation dienen ein- oder mehrlinsige opti
sche Systeme die brennweitenmäßig etwa auf die Entfernung
zur gegenüberliegenden optischen Empfangseinheit (7) abge
stimmt sind. Möglich ist auch die Anordnung von Lochblenden
vor den Laserdioden oder aber die Verwendung von vorgeschal
teten Lichtwellenleitern zur Kollimation. Ebenso kann natür
lich eine einzelne Lichtquelle in Verbindung mit optischen
Strahlteilerelementen oder Lichtwellenleitern verwendet wer
den um damit verschiedene separate Sende-Strahlengänge zu
erzeugen. Die optische Empfangseinheit (7) wird im darge
stellten Ausführungsbeispiel aus drei separaten positions
empfindlichen Detektoren (14a, 14b, 14c) gebildet, die auf
die emittierte Wellenlänge der optischen Sendeeinheit (6) ab
gestimmt sind. Als geeignete positionsempfindliche Detektoren
(14a, 14b, 14c) dienen hierbei flächige Lateraleffektdioden,
die eine ortsauflösende Registrierung des jeweiligen Strah
lenbündels (15a, 15b, 15c) bzw. Sende-Strahlenganges ermög
lichen. Derartige Detektoren werden z. B. von der Firma HEI-
MANN unter der Typenbezeichnung AP 10-01 vertrieben. Die drei
separaten positionsempfindlichen Detektoren (14a, 14b, 14c)
sind in diesem Ausführungsbeispiel in einer Ebene angeordnet.
Alternativ wäre der Einsatz eines einzelnen CCD-Arrays mög
lich, das ebenfalls die ortsaufgelöste Registrierung dreier
getrennter Sende-Strahlengänge ermöglicht. Mit Hilfe der von
den positionsempfindlichen Detektoren registrierten Auslen
kungen der auftreffenden Strahlenbündel (15a, 15b, 15c) von
definierten Soll-Auftreffpunkten, die durch eine bestimm
te Relativ-Position des Kopfes zum jeweiligen Instrument
festgelegt sind, ist es über einen entsprechenden numerischen
Auswertealgorithmus möglich, die Bewegung des Kopfes der
Bedienperson zu erfassen. Diese Erfassung der ausgelenkten
Strahlenbündel übernimmt eine in dieser Figur nicht darge
stellte Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit gibt nach Durch
führung des Auswertealgorithmus Steuersignale an die motori
sche Positionier-Mechanik ab, die dann wieder in die Position
verfährt, in der die Soll-Auftreffpunkte in der optischen
Empfangseinheit (6) beaufschlagt werden. Die Ermittlung die
ser Soll-Auftreffpunkte, d. h. einer definierten Relativ-Posi
tion von Kopf und optischer Beobachtungseinheit erfolgt, wie
bereits erwähnt, in einer sogenannten Andockphase vor Beginn
der eigentlichen Operation bzw. des Einsatzes. Die dabei
definierten Soll-Auftreffpunkte werden von der Auswerteein
heit registriert und als Soll-Werte für den folgenden Verfah
rensablauf gespeichert. Mit Hilfe der dargestellten Relativ-
Anordnung ist es möglich, alle sechs möglichen Freiheitsgrade
der Kopfbewegung zu erfassen. Anordnungen mit weniger einzel
nen Sende-Strahlengängen bzw. weniger positionsempfindlichen
Detektoren gestatten zum Teil nur die Erfassung einer redu
zierten Zahl von Freiheitsgraden bei der Kopfbewegung. Bei
Verwendung je dreier Sende-Strahlengänge und je dreier sepa
rater, positionsempfindlicher Detektoren ist es alternativ
möglich, die drei Detektoren in unterschiedlichen Ebenen
zueinander anzuordnen. So können z. B. zwei positionsempfind
liche Detektoren in einer Ebene angeordnet werden, der dritte
positionsempfindliche Detektor der Registrierung des dritten
Sende-Strahlengangs kann senkrecht hierzu orientiert werden.
Zudem besteht die Möglichkeit, daß die von den Lichtquellen
ausgesandten Strahlenbündel allesamt parallel oder aber di
vergierend bzw. konvergierend relativ zueinander verlaufen.
Eine zweite Anordnungsmöglichkeit für optische Sende- und
Empfangseinheit wird anhand von Fig. 2b beschrieben. Dabei
besteht die optische Sendeeinheit (6) aus zwei separaten
Lichtquellen (30a, 30b) mit einer geeigneten Kollimations
optik (31a, 31b). Die Lichtquellen (30a, 30b) sind erneut auf
einer Grundplatte (32) angeordnet, wobei ebenfalls wieder
Laserdioden als Lichtquellen (30a, 30b) dienen. Wie bereits
vorab erwähnt, wäre die Erzeugung zweier separater Sende-
Strahlengänge auch mit einer einzigen Lichtquelle möglich,
die über geeignete Strahlteilerelemente oder Lichtwellenlei
ter in mehrere Sende-Strahlengänge zerlegt wird. In der
optischen Empfangseinheit (7) sind drei separate, positions
empfindliche Detektoren (33a, 33b, 33c) vorgesehen, von denen
mindestens eine als transparente Lateraleffektdiode (33b)
ausgeführt ist und für die verwendete Lichtwellenlänge durch
lässig ist. Derartige transparente Lateraleffektdioden werden
von der Firma HEIMANN unter der Typenbezeichnung AP 10-02
vertrieben. Dabei sind zwei der positionsempfindliche Detek
toren (33b, 33c) in parallelen Ebenen versetzt hintereinan
der angeordnet, d. h. ein Sende-Strahlengang (34b, 34c) beauf
schlagt die beiden positionsempfindlichen Detektoren, da der
vordere positionsempfindliche Detektor (33b) transparent ist.
Der dritte positionsempfindliche Detektor (33a) ist in einer
weiteren Ebene angeordnet. Zwei der verwendeten positions
empfindlichen Detektoren (33a, 33c) müssen in dieser Anord
nung nicht transparent sein, d. h. es kommen wieder alle be
reits vorab erwähnten positionsempfindlichen Detektoren in
Frage. Ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 2a
übernimmt eine - nicht dargestellte - Auswerteeinheit die
Verarbeitung der registrierten Signale und die Steuerung der
Positionsmechanik.
Eine weitere Anordnungsmöglichkeit zur Detektion von sechs
möglichen Freiheitsgraden bei der Kopfbewegung ist in Fig. 2c
dargestellt. Die optische Sendeeinheit (6) besteht wiederum
aus drei separaten Lichtquellen (17a, 17b, 17c) , angeordnet
auf einer Grundplatte (18). Die von den drei Lichtquellen
(17a, 17b, 17c) ausgesandten Lichtbündel (19a, 19b, 19c) bzw.
Sende-Strahlengänge treffen auf drei Reflektor-Elemente (20a,
20b, 20c), die entweder am jeweiligen Instrument angeordnet
sind oder am Kopf der Bedienperson. Es erfolgt eine Reflexion
der ausgesandten Lichtbündel zurück in Richtung der optischen
Sendeeinheit (6). In der gleichen Ebene wie die optische
Sendeeinheit (6) sind dort drei separate positionsempfindli
che Detektoren (21a, 21b, 21c) angeordnet, die eine Bewegung
der Reflektor-Elemente (20a, 20b, 20c) relativ zur optischen
Empfangs- bzw. Sendeeinheit registrieren, d. h. eine Auslen
kung der reflektierten Sende-Strahlengänge von den - wie
vorher - definierten Soll-Auftreffpunkten. Auch hierbei kön
nen die Reflektor-Elemente einerseits und Sende- und
Empfangseinheit andererseits wahlweise entweder am Kopf der
Bedienperson und am jeweiligen Instrument oder umgekehrt
angeordnet werden.
Wie bereits angedeutet, existieren außer den dargestellten
Ausführungsbeispielen in Fig. 2a bis 2c eine Reihe weiterer
Relativ-Anordnungen zwischen optischer Sende- und Empfangs
einheit, die den Betrieb des erfindungsgemäßen Führungs
systems erlauben.
Anhand von Fig. 3 soll noch einmal die Signalverarbeitung
innerhalb des erfindungsgemäßen Führungssystems prinzipiell
erläutert werden. Die von der Sendeeinheit (6) emittierten
Signale werden von der in definierter Relativ-Geometrie zu
Instrument und Bedienperson angeordneten Empfangseinheit (7)
registriert. Diese ist an eine Auswerteeinheit (10) ange
schlossen, welche anhand der registrierten Signale über nume
rische Auswertealgorithmen die Relativ-Bewegung zwischen
Sende- und Empfangseinheit bzw. Instrument und Bedienperson
ermittelt. Abweichungen in der Relativ-Lage zu einer vorher
definierten Soll-Relativ-Lage werden durch entsprechende
Steuersignale an die motorische Positionier-Mechanik (1)
nachgeregelt, bis wieder die ursprüngliche Soll-Relativ-Lage
herstellt ist.
Claims (17)
1. Führungssystem zum räumlichen Positionieren eines Instru
mentes, das an einer motorischen Positionier-Mechanik
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungs
system eine Sende- (2) und Empfangseinheit (7) umfaßt,
die jeweils in definierter Relativ-Position zu dem In
strument (2) und der Bedienperson (3) angeordnet sind und
weiterhin eine Auswerteeinheit (10) vorgesehen ist, die
die registrierten Signale der Empfangseinheit (7) in
Steuersignale für die motorische Positionier-Mechanik (1)
umsetzt.
2. Führungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Führungssystem auf optischer Basis arbeitet und
eine optische Sendeeinheit (6) vorgesehen ist, die minde
stens eine Lichtquelle zur Erzeugung mindestens eines
Sende-Strahlenganges umfaßt und eine optische Empfangs
einheit (7) vorgesehen ist, die mindestens einen posi
tionsempfindlichen Detektor umfaßt, der die ortsauflösen
de Registrierung ein oder mehrerer Sende-Strahlengänge
ermöglicht.
3. Führungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Sendeeinheit (6) optische Elemente
aufweist, die eine Zerlegung der von einer Lichtquelle
ausgesandten Sende-Strahlenganges in zwei oder mehrere
einzelne weitere Sende-Strahlengänge ermöglichen.
4. Führungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als optische Elemente Strahlteilerelemente oder
Lichtwellenleiter vorgesehen sind.
5. Führungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Sendeeinheit (6) Vorrichtungen zum
Fokussieren der von der oder den Lichtquellen ausge
sandten Sende-Strahlengänge umfaßt.
6. Führungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Empfangseinheit (7) ein oder mehrere
positionsempfindlichen Detektoren umfaßt, die eine orts
auflösende Registrierung dreier Sende-Strahlengänge er
möglichen.
7. Führungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Empfangseinheit (7) ein oder mehrere
CCD-Arrays als positionsempfindliche Detektoren aufweist.
8. Führungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Empfangseinheit (7) ein oder mehrere
segmentierte Photodioden als positionsempfindliche Detek
toren aufweist.
9. Führungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Empfangseinheit (7) ein oder mehrere
Lateraleffektdioden als positionsempfindliche Detektoren
aufweist.
10. Führungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Empfangseinheit (7) ein oder mehrere
transparente Lateraleffektdioden als positionsempfind
liche Detektoren aufweist.
11. Führungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Empfangseinheit zwei hintereinander
angeordnete positionsauflösende Detektoren in zwei ersten
Ebenen aufweist und mindestens der vom Sende-Strahlengang
zuerst beaufschlagte positionsempfindliche Detektor als
transparente Lateraleffektdiode ausgeführt ist, sowie
ein weiterer einzelner positionsempfindlicher Detektor in
einer dritten beliebigen Ebene vorgesehen ist.
12. Führungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sendeeinheit
mindestens zwei Sende-Strahlengänge liefert und die
optische Empfangseinheit die ortsauflösende Registrierung
dreier Sende-Strahlengänge ermöglicht.
13. Führungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit (7)
am jeweiligen Instrument (2) oder am Kopf der Bedienper
son (1) angeordnet ist.
14. Führungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (6) am
Kopf der Bedienperson (3) oder am jeweiligen Instrument
angeordnet ist.
15. Führungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die optische
Sendeeinheit (6) als auch die optische Empfangseinheit
(7) in Verbindung mit dem Instrument (2) angeordnet
sind, und an der Bedienperson (3) Reflektor-Elemente
(20a, 20b, 20c) angeordnet sind oder umgekehrt.
16. Führungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß Vorrichtungen zur Signalübertragung zwischen Auswer
teeinheit (10) und optischer Empfangs- und Sendeeinheit
vorgesehen sind, die eine sequentielle Auflösung der
Sende-Strahlengange ermöglichen.
17. Führungssystem nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Instrument ein
Operationsmikroskop (2) vorgesehen ist, das an einer
motorisch in sechs Freiheitsgraden beweglichen
Positionier-Mechanik angeordnet ist.
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