DE4202505A1 - Fuehrungssystem zum raeumlichen positionieren eines instrumentes - Google Patents

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.