DE60032312T2 - System zur Bestimmung der räumlichen Position und/oder Lage von einem oder mehreren Objekten - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Systeme, die die räumliche Position und Winkelorientierung (d.h. Lage) von dreidimensionalen (3D) Körpern oder Objekten ermitteln können, und spezieller Systeme, die Objekte in Echtzeit innerhalb eines vorgegebenen Volumens ohne Rücksicht auf die Starrheit oder Sichtbarkeit der Objekte verfolgen können.
  • HINTERGRUND
  • Wie in der Technik bekannt ist, wurde eine Vielfalt von Systemen entwickelt, die die räumliche Position und Winkelorientierung (Lage) von Objekten über kleine Zeiträume ermitteln und somit deren Bewegung in Echtzeit verfolgen können, Diese Systeme nutzen im Allgemeinen spezielle physikalische Phänomene und haben somit unterschiedliche Fähigkeiten und Begrenzungen. Ein System ist ein optisches System. Ein solches optisches System arbeitet durch Erfassen von Quellen von elektromagnetischer Strahlungsenergie (z.B. von aktiven Markern emittierte(s) oder von passiven Markern reflektierte(s) Licht oder Infrarotenergie) durch empfindliche Arrays wie z.B. ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD). Solche optischen Systeme können äußerst genaue räumliche und winkelmäßige Messungen mit hohen Abtastfrequenzen über große Betriebsvolumen (typischerweise Raumgröße) erzeugen, verlangen aber, dass eine Mindestanzahl der Marker stets im Sichtfeld der CCD-Sensoren liegt. Dieser Sichtlinieneinschränkung kann teilweise dadurch abgeholfen werden, dass die Position eines verdeckten Punktes von den gemessenen Positionen der sichtbaren Marker mit Triangulationstechniken ermittelt wird. So können Marker beispielsweise an Instrumenten oder Sonden befestigt sein (z.B. chirurgische Sonden), so dass ihre Spitzen verfolgt werden können. Solche Sonden müssen jedoch starr sein. Diese Methode kann nicht auf flexible Sonden wie z.B. Katheter angewendet werden.
  • Ein anderer Systemtyp ist ein nichtoptisches System. Solche Systeme beinhalten magnetische Systeme, mechanische Systeme und Ultraschallsysteme. So offenbaren z.B. die US-Patente Nr. 5,197,476 und 5,295,483 von Nowacki und Horbal den Einsatz von optischen Kameras zum Verfolgen der Position eines/r Ultraschallscanners oder -sonde, der/die wiederum Konkretionen wie Nierensteine im menschlichen Körper erfasst. Der Ultraschallscanner kann jedoch die Lage des verfolgten Objekts nicht ermitteln. Magnetische Systeme sind nicht mit dem Sichtlinienproblem behaftet, das optischen Systemen eigen ist; solche Systeme können aber ernsthaft durch externe Objekte beeinflusst werden, die ihre Magnetfelder stören, und sie sind im Allgemeinen auch weniger genau. Mechanische Systeme arbeiten mit mechanischen Vorrichtungen wie z.B. Gelenkarmen und sind frei von Problemen in Verbindung mit Sichtlinie und magnetischen Störungen; solche Systeme sind jedoch bei einem bestimmten Genauigkeitsgrad erheblich teurer. Ihre Genauigkeit unterliegt Störungen durch schwerkraftbedingt induzierte Kräfte und Drehmomente, so dass ihr Einsatz auf die allgemein kleineren Betriebsvolumen begrenzt ist, die ihr Bewegungsbereich abdeckt. Auch sind sie sperriger als andere Vorrichtungen, da ihre Bewegung durch mögliche Kollisionen mit anderen in ihrem Betriebsvolumen liegenden Objekten beschränkt wird.
  • Wie in der Technik ebenfalls bekannt ist, können optische Geräte in Verbindung mit nichtoptischen Geräten eingesetzt werden, um die Sichtlinieneinschränkungen von optischen Geräten zu überwinden, aber eine solche Kopplung hat leider zur Folge, dass die gemessenen Positionsdaten in separaten Referenzrahmen gemeldet werden, so dass die Daten von dem die Geräte kalibrierenden Benutzer ausgewertet werden müssen, um die notwendige Transformation zwischen den beiden Referenzrahmen zu ermitteln. Birkfellner et al. beschreiben in „Concepts and Results in the Development of a Hybrid Tracking System for CAS", Lecture Notes in Computer Science: Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention MICCAI '98, Bd. 1496 (1998) auf den Seiten 342–351 ein solches System, das ein optisches Verfolgungssystem und ein gleichstrompulsiertes elektromagnetisches Verfolgungssystem umfasst. Sie beschreiben auch Prozeduren zum Kalibrieren und Registrieren des lokalen Referenzrahmens des magnetischen Systems auf den Referenzrahmen des optischen Systems. Ihr System verlangt, dass die Magnetfeldquelle im Anschluss an die langwierigen Kalibrations- und Registrierungsprozeduren fest bleibt, was einer Bewegung der Feldquelle zu anderen praktischen oder geeigneten Positionen je nach Wunsch entgegensteht. Ebenso bleibt ihr System, da es Positionsdaten vom magnetischen Subsystem nur dann meldet, wenn die optischen Positionsdaten aufgrund von Hindernissen in der Sichtlinie des optischen Systems nicht verfügbar sind, im Wesentlichen ein optisches System, das durch ein nichtoptisches System erweitert wird.
  • Das US-Patent 5,831,260 von Hansen lehrt einen Hybrid-Motion-Tracker mit einem magnetischen und einem optischen Subsystem. Dieses System wird zur Bewegungserfassung unter Verwendung von Sensorbaugruppen eingesetzt (die sowohl EP-Magnetfeldsensoren als auch optische Leuchtdioden-(LED)-Quellen aufweisen), die strategisch auf der/den verfolgten Person(en) platziert wurden, um die Bewegung zu erfassen. Beim normalen Betrieb erzeugt das optische Subsystem die 3D-Positionsdaten aufgrund seiner ihm eigenen höheren Genauigkeit und das magnetische Subsystem erzeugt die Lagedaten; wenn die optischen Quellen verdeckt sind, dann erzeugt das magnetische Subsystem auch die Positionsdaten. Das System von Hansen ist dem von Birkfellner et al. beschriebenen System ähnlich und ist vornehmlich eine Kopplung eines handelsüblichen magnetischen Subsystems mit einem handelsüblichen optischen System und arbeitet mit handelsüblicher Software zum Umwandeln von Messwerten zwischen den Subsystemen (obwohl auch ein gewisses Maß an Integration existiert, wie z.B. die Benutzung des optischen Subsystems zum Kompensieren des sich verschlechternden Signal-Rausch-Verhältnisses des magnetischen Subsystems). Somit leidet das System von Hansen an denselben Mängeln, die solchen Systemen eigen sind, und erfordert feste magnetische Sender und feste optische Sensoren, deren feste Referenzrahmen vom Benutzer zunächst mittels langwieriger Kalibrations- und Registrierungsprozeduren registriert werden müssen, was jegliches einfache Umpositionieren der Subsysteme relativ zueinander, wie dies aus praktischeen Gründen gewünscht wird, ausschließt.
  • Die vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 unten definiert, auf den nunmehr Bezug genommen werden sollte. Die WO 00/39576 ( EP1153292 ) beschreibt ein System gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Ermitteln der räumlichen Position und/oder Lage eines oder mehrerer Objekte bereitgestellt. Das System beinhaltet ein optisches Subsystem und ein nichtoptisches Subsystem. Das optische Subsystem beinhaltet Lichtquellen des optischen Subsystems, die an einem oder mehreren der Objekte montiert sind, und einen Sensor des optischen Subsystems zum Erfassen von Energie von den Lichtquellen des optischen Subsystems. Das optische Subsystem hat ein Koordinatensystem des optischen Subsystems in einer festen Beziehung zum Sensor des optischen Subsystems. Der Sensor des optischen Subsystems erzeugt Positions- und/oder Lagesignale relativ zum Koordinatensystem des optischen Subsystems als Reaktion auf erfasste Energie der Lichtquelle des optischen Subsystems. Das nichtoptische Subsystem hat ein nichtoptisches Koordinatensystem und ist so gestaltet, dass es Positions- und/oder Lagesignale von einem oder mehreren der Objekte relativ zu dem Koordinatensystem des nichtoptischen Subsystems erzeugt. Es ist eine Kopplungsanordnung zum Erzeugen von Positions- und/oder Lagesignalen vorgesehen, die die Position und/oder Lage eines ausgewählten aus optischem und nichtoptischem Subsystem relativ zum Koordinatensystem des anderen aus optischem und nichtoptischem Subsystem anzeigt. Ein Prozessor spricht auf Signale an, die von der Kopplungsanordnung und dem optischen und/oder nichtoptischen Subsystem erzeugt werden, um die Position und/oder Lage von einem oder mehreren der Objekte relativ zu dem Koordinatensystem des ausgewählten einen aus optischem und nichtoptischem Subsystem zu ermitteln.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Kopplungsanordnung einen Sensor des nichtoptischen Subsystems mit einer festen Beziehung zum Koordinatensystem des optischen Subsystems. Der Sensor des nichtoptischen Subsystems ist so gestaltet, dass er Positions- und/oder Lagesignale des Sensors des optischen Subsystems relativ zum Koordinatensystem des nichtoptischen Subsystems erzeugt. Der Prozessor spricht auf Signale an, die vom Sensor des optischen Subsystems und/oder vom Sensor des nichtoptischen Subsystems erzeugt werden, um die Position und/oder Lage von einem oder mehreren der Objekte relativ zum Koordinatensystem des nichtoptischen Subsystems zu ermitteln.
  • Mit einer solchen Anordnung wird ein optisches/nichtoptisches Hybrid-Verfolgungssystem bereitgestellt, das in Verbindung mit einem Prozessor arbeitet, der die Position und Lage eines gegebenen 3D-Objekts im gesamten Betriebsvolumen des Systems messen und verfolgen kann, sowohl wenn das Objekt sichtbar ist als auch wenn es verdeckt ist. Ferner braucht das verfolgte Objekt kein starrer Körper zu sein; es können auch nichtstarre Körper wie Katheter verwendet werden. Die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, verdeckte nichtstarre Körper zu verfolgen, ist ein wichtiger Vorteil gegenüber derzeitigen optischen Systemen. Weitere Vorteile, die nichtoptische Geräten dadurch erhalten, dass sie mit optischen Geräten gekoppelt sind, hängen von den spezifischen Einzelheiten des nichtoptischen Gerätes ab.
  • Das Hybridsystem hat auch den Vorteil, dass es keine Kalibrierung und Koordinatensystemausrichtung bei der Anwendung benötigt. Ferner würde das Hybridsystem seine Anordnungsflexibilität behalten – es wäre nicht nötig, die Subsystemkomponenten starr zu verriegeln, um einen festen relativen Abstand zu bewahren. So könnte beispielsweise ein nichtoptisches Subsystem innerhalb des Betriebsvolumens des optischen Subsystems nach Bedarf umpositioniert werden, um optimale Orte zu nutzen oder um seine Leistung beeinträchtigende Störungen zu vermeiden.
  • Die Hybridsystemen eigene Messredundanz bietet diesen einen weiteren Vorteil gegenüber den Bestandteilen ihres Subsystems. Die Genauigkeit eines Positionsverfolgungssystems variiert im Allgemeinen erheblich über sein Betriebsvolumen und ist von einer Reihe verschiedener Faktoren abhängig. Die räumliche Abhängigkeit der Genauigkeit unterscheidet sich zwischen optischen und nichtoptischen Geräten erheblich und eines wird für eine gegebene Raumregion gewöhnlich erheblich genauer sein als das andere. Anhand von gemessenen Genauigkeitskartierungen als Richtlinie können Hybridsysteme so ausgelegt werden, dass sie die genauere der beiden gültigen Messungen für einen bestimmten Betriebsraumabschnitt auswählen oder einen geeigneten gewichteten Mittelwert anwenden, so dass die Gesamtregion mit einem gewünschten Genauigkeitsniveau im Vergleich zu den äquivalenten Regionen erweitert wird, die von den optischen und nichtoptischen Subsystemen allein erhalten wird.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das nichtoptische Subsystem ein magnetisches Verfolgungssystem, in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das nichtoptische Subsystem ein mechanisches Verfolgungssystem.
  • Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt/zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines optischen/nichtoptischen magnetischen Hybridsystems zum Ermitteln der räumlichen Position und Winkelorientierung (d.h. Lage) von dreidimensionalen (3D) Körpern oder Objekten;
  • 1A ein schematisches Diagramm eines anderen optischen/nichtoptischen magnetischen Hybridsystems zum Ermitteln der räumlichen Position und Winkelorientierung (d.h. Lage) von dreidimensionalen (3D) Körpern oder Objekten;
  • 1B ein schematisches Diagramm eines optischen/nichtoptischen magnetischen Hybridsystems zum Ermitteln der räumlichen Position und Winkelorientierung (d.h. Lage) von dreidimensionalen (3D) Körpern oder Objekten gemäß der Erfindung;
  • 2 ein schematisches Diagramm eines optischen/nichtoptischen Hybridsystems zum Ermitteln der räumlichen Position und Winkelorientierung (d.h. Lage) von dreidimensionalen (3D) Körpern oder Objekten;
  • 3 ein Prozessablaufdiagramm, das die Kalibrierung des optischen/nichtoptischen Hybridsystems von 1A beschreibt;
  • 4A, 4B und 4C zusammen ein Prozessablaufdiagramm, das den Grundbetrieb des optischen/magnetischen Hybridsystems von 1A beschreibt.
  • Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen gleichartige Elemente.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die 1 und 2 zeigen Beispiele für ein System zum Ermitteln der räumlichen Position und/oder Lage eines oder mehrerer Objekte. In jedem Beispiel beinhaltet das System 10, 10' jeweils ein nichtoptisches Subsystem 12 bzw. 12' und ein optisches System 14 bzw. 14'. Im System 10 (1) ist das nichtoptische Subsystem 12 ein magnetisches Verfolgungssystem und im System 10' (2) ist das nichtoptische Subsystem 12' ein mechanisches Verfolgungssystem. In beiden Systemen 10 und 10' beinhaltet das optische Subsystem 14 bzw. 14' jeweils Folgendes: eine Lichtquelle des optischen Subsystems, hier drei Lichtquellen 16a, 16b, 16c, die an einem der Objekte, hier Objekt 18, montiert sind; und einen Sensor 20 mit der Aufgabe, Energie von den Lichtquellen 16a, 16b, 16c des optischen Subsystems zu erfassen. Das optische Subsystem 14 hat ein Koordinatensystem XO, YO, ZO, des optischen Subsystems in einer festen Beziehung mit dem Sensor 20. Der Sensor 20 erzeugt Positions- und/oder Lagesignale als Reaktion auf erfasste Energie von den Lichtquellen 16a, 16b, 16c des optischen Subsystems relativ zum Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems.
  • Die nichtoptischen Subsysteme 12, 12' haben jeweils wie gezeigt ein Koordinatensystem XM, YM, ZM bzw. XA, YA, ZA des nichtoptischen Subsystems und sind jeweils so gestaltet, dass sie Positions- und/oder Lagesignale jeweils von einem anderen der Objekte 22 bzw. 22' relativ zum Koordinatensystem XM, YM, ZM bzw. XA, YA, ZA des nichtoptischen Subsystems erzeugen. Die nichtoptischen Subsysteme 12, 12' beinhalten auch eine Lichtquelle des nichtoptischen Subsystems, hier eine Mehrzahl von Kopplungsmarkern 24, 24' wie gezeigt, jeweils mit einer festen Beziehung zum Koordinatensystem XM, YM, ZM bzw. XA, YA, ZA des nichtoptischen Subsystems. Der Sensor 20, 20' des optischen Subsystems 14, 14' hat die Aufgabe, Energie von der Lichtquelle 24 bzw. 24' des nichtoptischen Subsystems zu erfassen und Positions- und/oder Lagesignale als Reaktion auf die erfasste Energie des nichtoptischen Subsystems relativ zum Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems zu erzeugen. So kann die räumliche Position des nichtoptischen Koordinatensystems XM, YM, ZM und XA, YA, ZA relativ zu den Koordinaten XO, YO, ZO des optischen Subsystems durch Erfassen und Verarbeiten der von den Lichtquellen 24 des nichtoptischen Subsystems erzeugten Lichtqualität durch den Sensor 20 ermittelt werden, und dieser Sensor ist in einer festen Beziehung zum Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems. Ein Prozessor 26, 26', hier ein Host-Computer, spricht auf vom Sensor 20, 20' erzeugte Signale an und ermittelt die Position und/oder Lage der Objekte 18, 22 und 18', 22' relativ zum Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems.
  • Aus dem Obigen (1 und 2) geht somit hervor, dass die Lichtquellen 24 bzw. 24' und die Sensoren 34, 34' jeweils eine Kopplungsanordnung zum Erzeugen von Positions- und/oder Lagesignalen bereitstellen, die die Position und/oder Lage des ausgewählten einen aus optischem oder nichtoptischem Subsystem anzeigen, hier jeweils die nichtoptischen Koordinatensysteme XM, YM, ZM bzw. XA, YA, ZA, relativ zum Koordinatensystem des ausgwählten anderen aus optischem oder nichtoptischem Subsystem, hier den optischen Koordinatensystemen XO, YO, ZO. In beiden Ausgestaltungen beinhaltet das Hybridsystem 10, 10' ein einzelnes nichtoptisches Subsystem 12, 12', das mit einem optischen Subsystem 14 gekoppelt ist. Dies dient lediglich zu Illustrationszwecken und es ist zu verstehen, dass solche Hybridsysteme allgemeiner sind, so dass Hybridsysteme mit mehr als einem Typ von nichtoptischem Subsystem genauso gut auf eine geeignete Weise mit dem optischen Subsystem gekoppelt werden könnten.
  • Nun mit ausführlicherem Bezug auf 1, diese zeigt ein optisches/nichtoptisches Hybrid-Verfolgungssystem 10. Hier ist, wie oben erwähnt, das nichtoptische Subsystem 12 ein magnetisches Positionsverfolgungssystem. Das nichtoptische Subsystem 12 ist mit einem optischen Subsystem 14 des Verfolgungssystems durch den Prozessor 26 und, wie oben bemerkt, durch die optische Verbindung zwischen den Lichtquellen 24 des nichtoptischen Subsystems und dem Sensor 20 gekoppelt. Magnetische Verfolgungssysteme sind gut bekannt und es wurden mehrere Varianten entwickelt. Für Illustrationszwecke beinhaltet das nichtoptische, hier magnetische Subsystem 12 des Verfolgungssystems 10 hier einen Magnetfeldgenerator 28 bestehend aus geeignet angeordneten elektromagnetischen Induktionsspulen (nicht dargestellt), der als räumlicher magnetischer Referenzrahmen dient (d.h. ist relativ zum Koordinatensystem XM, YM, ZM des nichtoptischen Subsystems fest). Das nichtoptische Subsystem 12 beinhaltet kleine mobile induktive Sensorspulen 30, die an dem verfolgten Objekt 22 angebracht sind. Es ist zu verstehen, dass durchaus auch andere Varianten zum Einsatz kommen können. Das nichtoptische Subsystem 12 beinhaltet auch eine magnetische Systemsteuereinheit 32, die wie gezeigt mit dem Prozessor 26, dem Magnetfeldgenerator 28 und den Spulen 30 gekoppelt ist.
  • Spezieller, der Magnetfeldgenerator 28 definiert den magnetischen Koordinatenreferenzrahmen (XM, YM, ZM). Der Generator 28 beinhaltet eine ausreichende Anzahl von Spulen, die zum Erzeugen des magnetischen Quellfeldes geeignet angeordnet sind. Eine kleine Sensorspule 30 ist an dem Objekt 22 angebracht, hier einem flexiblen Element (eine solche Vorrichtung kann in einen Katheter eingeführt werden). Position und Winkelorientierung der Spule 30 (d.h. Lage) werden anhand ihrer magnetischen Kopplung mit dem vom Magnetfeldgenerator 28 erzeugten Quellfeld ermittelt. Die Steuereinheit 32 des magnetischen Systems steuert den Magnetfeldgenerator 28 und empfängt Signale von den Magnetsensoren, hier der Spule 30.
  • Man stellt fest, dass der Magnetfeldgenerator 28 eine Folge oder einen Satz von hier 6 unterschiedlichen räumlichen Magnetfeldformen oder -verteilungen erzeugt, die jeweils von der Sensorspule 30 erfasst werden. Jede Folge ermöglicht die Erzeugung einer Folge von Signalen durch die Spule 30. Die Verarbeitung der Signalfolge ermöglicht die Ermittlung der Lage der Spule 30 und somit der Lage des Objekts 22, an dem die Spule 30 relativ zum magnetischen (nichtoptischen) Koordinatenreferenzrahmen XM, YM, ZM montiert ist, der sich in fester Beziehung zum Magnetfeldgenerator 28 befindet. Wie oben erwähnt, sind mehrere Lichtquellen 24 (d.h. Emitter) des nichtoptischen Subsystems am Magnetfeldgenerator 28 montiert, d.h. befestigt, und befinden sich somit in einer festen Beziehung zum magnetischen (nichtoptischen) Koordinatenreferenzrahmen XM, YM, ZM.
  • Ebenso sind optische Verfolgungssysteme wie optische Subsysteme 14 gut bekannt und es wurden mehrere Varianten entwickelt. Auch hier ist wieder zu Illustrationszwecken das optische Subsystem 14 ein Infrarotsystem, das den optischen Sensor 20 beinhaltet, hier zwei zweidimensionale ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs). Die Lichtquellen 16a, 16b, 16c des optischen Subsystems (z.B. optische Marker, die passive Reflektoren einer Quelle oder aktive Leuchtdioden (LEDs) sein können) sind am Objekt 18 montiert. Es ist zu verstehen, dass andere Varianten ebenso gut geeignet sein können.
  • Spezieller, das optische Subsystem 14 beinhaltet den optischen Positionssensor 20, der hier aus zwei zweidimensionalen CCDs 34 besteht. Die Lichtquellen 16a, 16b und 16c des optischen Subsystems sowie die Lichtquellen 24 des nichtoptischen Subsystems sind reflektive Lichtquellen (d.h. passive Marker), und hier werden direktionale Infrarotenergiequellen-LEDs 36 zum Beleuchten der passiven Marker 16a, 16b, 16 und 24 verwendet. Die Infrarotenergiequellen 36 sind wie gezeigt ringförmig um die CCDs 34 herum angeordnet. Der optische Positionssensor 20 definiert den optischen Koordinatenreferenzrahmen XO, YO, ZO (d.h. ist relativ zu diesem fest). Der optische Positionssensor 20 ist mit einer Steuereinheit 40 des optischen Subsystems gekoppelt, die die Erfassung und Zeitsteuerung der optischen Daten, die Aktivierung der direktionalen Energiequellen 36 steuert. Man stellt fest, dass bei Verwendung von aktiven Markern für die Lichtquellen 16a, 16b, 16c und 24 des optischen Subsystems die Steuereinheit 40 des optischen Subsystems die Erfassung und Zeitsteuerung der optischen Daten, die Auslösung der aktiven Marker 16a, 16b, 16c und 24 steuern würde. Die Einheit 40 führt auch andere Aufgaben aus, die für optisches Verfolgen notwendig sind.
  • Das nichtoptische und optische (magnetische) Subsystem 12, 14 sind durch ihre Verbindung mit dem Prozessor 26 miteinander verknüpft, der die Operationen der beiden Subsysteme synchronisiert und die Gesamtdatenerfassung steuert. Zum Erzeugen eines gemeinsamen Referenzrahmens für das gesamte System 10 hat der Magnetfeldgenerator 28 mindestens drei aktive optische LED-Marker 24, die in einer Anordnung angebracht dargestellt sind, die gut geeignet ist, um sie dem optischen Subsystem 12 als starren Körper zu definieren (wobei zu verstehen ist, dass eine höhere Genauigkeit und Flexibilität durch Erhöhen der Anzahl der Referenzmarker, d.h. Lichtquellen erzielt würde). Die Koordinaten der Lichtquellen 24 des nichtoptischen Subsystems im Koordinatensystem des nichtoptischen (magnetischen) Subsystems (d.h. Referenzrahmen) XM, YM, ZM würden bei der Herstellung genau ermittelt, wenn das System 10 kalibriert wird. Es können verschiedene Methoden für die Ermittlung angewendet werden, wie z.B. die numerische Anpassung eines angemessen großen Satzes dreidimensionaler (3D) Messungen, die individuell durch die nichtoptischen (magnetischen) und optischen Subsysteme 12, 14 innerhalb ihrer eigenen Referenzrahmen erhalten wurden, relativ zu einem dritten Kalibrationsstandard oder mittels Hybrid-Werkzeugen bestehend aus zu einer geeigneten Anordnung kombinierten optischen Markern und magnetischen Sensoren.
  • Wenn die Positionen der Lichtquellen 24 des nichtoptischen Systems (d.h. die Magnetfeldreferenzmarker) relativ zum Koordinatensystem XM, YM, ZM des nichtoptischen Systems bekannt sind, dann können die Positionen und Lagen des verfolgten Objekts 22 vom Hybridgesamtsystem 10 in einem gemeinsamen Referenzrahmen gemeldet werden, wobei hier die gemeinsame Referenz das Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems ist, das relativ zum optischen Positionssensor 20 fest ist. Es ist zu verstehen, dass die Koordinatenreferenz YM, YM, ZM des nichtoptischen Systems auch mit dem optischen Referenzrahmen XO, YO, ZO gekoppelt werden kann, indem ein Magnetsensor 30a (1B) relativ zur nichtoptischen Koordinatenreferenz XM, YM, ZM am optischen Positionssensor 20 fixiert ist. Wenn der Referenzrahmen XM, YM, ZM des magnetischen Subsystems als gemeinsamer Referenzrahmen gewählt wird, dann konvertiert der Transformations-TOM Messwerte im Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems in das äquivalente Koordinatensystem XM, YM, ZM des nichtoptischen Subsystems. Solche Transformationsmethoden sind gut bekannt und sind vollkommen allgemein; der gemeinsame Referenzrahmen braucht auf keines der Subsysteme (Referenzrahmen) XO, YO, ZO oder XM, YM, ZM begrenzt zu sein, sondern kann jeder beliebige geeignete willkürliche Rahmen sein. Die Transformationen erfolgen in dieser Ausführung am Prozessor 26, aber dies ist nicht erforderlich. Die Steuereinheiten 32, 40 des magnetischen und des optischen Systems könnten auch zum Austauschen von Daten unmittelbar vor Positionsermittlungen und Transformationen miteinander verknüpft werden. In jedem Fall ergeben die kombinierten Daten von den beiden Subsystemen 12, 14 Vorteile, die sonst nicht erzielbar wären. So kann beispielsweise die optisch gemessene Position zum Aktivieren des Magnetposition-Ermittlungsalgorithmus verwendet werden, so dass die Rechenzeit erheblich verringert wird.
  • Die optische Verfolgung des Magnetfeldgenerators 28 mit nichtoptischen Lichtquellen 24 hat in dieser Ausgestaltung den Vorteil, dass der Magnetfeldgenerator 28 optimal mit Bezug auf das Verfolgungsvolumen umpositioniert werden kann, um Interferenzen von magnetischen und leitenden Objekten zu vermeiden oder um die beste Leistung des magnetischen Subsystems zu erzielen. Man beachte, dass die Verfolgungsprozedur beim Ändern der Position des Magnetfeldgenerators 28 nicht unterbrochen zu werden braucht.
  • 1A zeigt eine optisch-magnetische Hybridsonde 41 im System 10 von 1 (wo gleiche Elemente dieselben numerischen Bezeichnungen erhielten wie in 1). Eine solche Sonde 41 hat einen Magnetsensor, hier eine Spule 30b, der sich an ihrer Endposition befindet, sowie drei vom Sensor 20 (1) erfassbare sichtbare aktive Lichtquellen 43 des optischen Subsystems. Dieser Sensor kann zum Definieren der Sonde als starrer Körper und somit zum gleichzeitigen Verfolgen der Endposition mit dem Magnetsensor 30b verwendet werden kann. Eine solche Sonde 41 kann als Referenz dienen, z.B. zum Erfassen möglicher magnetischer Störungen, die die magnetischen Messungen beeinflussen könnten.
  • Diese Ausgestaltung zeigt zwar nur einen einzigen Magnetfeldsensor 28, aber größere Flexibilität und eine Erweiterung könnten durch die Verwendung mehrerer Feldgeneratoren erzielt werden, die jeweils separat mit ihrem eigenen Satz von Lichtquellen 24 des nichtoptischen Subsystems (1), d.h. optischen Markern verfolgt werden. Die leichteste Methode bestünde darin, optisch einzelne Feldgeneratoren 28 zu verfolgen, die sich praktischerweise an einer geeigneten Stelle im Betriebsvolumen des optischen Subsystems 12 befinden würden, wodurch das Betriebsvolumen des magnetischen Subsystems erheblich vergrößert würde. Dies wäre äquivalent mit einem kundenspezifisch anpassbaren Magnetfeldgenerator, der optimal so angeordnet werden könnte, dass er die einer speziellen Messsituation eigenen Beschränkungen am besten aufnehmen könnte. So könnten die Spulen in einer chirurgischen Anwendung beispielsweise geeigneterweise über dem Körper des Patienten angeordnet werden, um den Betriebsbereich eines Katheters stark zu erweitern, der den Magnetsensor enthält.
  • Wie oben erwähnt, könnte die Kopplung zwischen dem optischen und dem magnetischen Subsystem 14, 12 (1) in dieser Ausgestaltung durch die Verwendung von Lichtquellen 24 des nichtoptischen Subsystems, das am Magnetfeldgenerator 28 befestigt ist, dadurch erweitert werden, dass auch Magnetsensoren wie die Spule 30a am optischen Sensor 20 selbst befestigt wird, wie in 1B dargestellt ist (wo gleiche Elemente mit denselben numerischen Bezeichnungen wie in 1 bezeichnet wurden), so dass die einzelnen Koordinatensysteme (XM, YM, ZM bzw. XO, YO, ZO) des nichtoptischen (magnetischen) und optischen Subsystems selbst dann ausgerichtet werden können, wenn es keine direkte Sichtlinie zwischen den beiden gibt. Dies würde erfordern, dass der optische Sensor 20 in einem geeignet abgeschirmten Gehäuse aus Materialien untergebracht ist, die die Magnetfelder nicht stören, oder dass Einflüsse von elektrisch leitenden oder magnetischen Materialien mit anderen Mitteln kompensiert würden.
  • Aus dem Obigen (1B) geht somit hervor, dass die Spule 30a eine feste Beziehung zum Koordinatensystem des optischen Subsystems hat und so gestaltet ist, dass sie Positions- und/oder Lagesignale des Sensors 20 des optischen Subsystems relativ zum Koordinatensystem des nichtoptischen Subsystems erzeugt. Somit bietet die Spule 30a hier eine Kopplungsanordnung zum Erzeugen von Positions- und/oder Lagesignalen, die die Position und/oder Lage des gewählten einen aus optischem oder nichtoptischem Subsystem anzeigt, hier das optische Koordinatensystem XO, YO, ZO relativ zum Koordinatensystem des jeweils anderen aus optischem oder nichtoptischem Subsystem, hier den nichtoptischen Koordinatensystemen XM, YM, ZM.
  • 2 zeigt das optische/nichtoptische Hybrid-Verfolgungssystem 10'. Es ist zu beachten, dass hierin und im System 10 von 1 verwendete gleiche Elemente dieselbe numerische Bezeichnung erhielten. Wie oben erwähnt, ist das nichtoptische Subsystem 12' ein mechanisches Verfolgungssystem, hier ein Gelenkarm 50'. Der Arm 50' ist mit dem optischen Subsystem 14' des Verfolgungssystems 10' durch die am Arm 50' befestigten Lichtquellen 24' des nichtoptischen Subsystems gekoppelt und die Erfassung von Licht von den Quellen 24' erfolgt durch den optischen Positionssensor 20'. Systeme mit mechanischen Gelenkarmen sind gut bekannt und es wurden mehrere Varianten entwickelt. Kleinere Arme haben eine höhere Genauigkeit als optische Systeme, sind aber auf Betriebsvolumen begrenzt, die weitaus kleiner sind als das Betriebsvolumen eines typischen optischen Systems. Auch hier arbeitet das optische Subsystem 14' wieder im Infrarotbereich und besteht dieses Mal aus einem optischen Sensor 20', der aus drei eindimensionalen CCDs 34 besteht; andere Varianten wären ebenso gut geeignet. Im Gegensatz zu der bereits in Verbindung mit 1 betrachteten magnetischen/optischen Ausgestaltung handhabt diese Ausgestaltung keine nichtstarren Körper aufgrund der Gelenkarmen eigenen fundamentalen Begrenzungen, aber sie ist dennoch ein Beispiel für die Verbesserung, die man für ein nichtoptisches Gerät erzielt, das mit einem geeigneten optischen Gerät gekoppelt ist.
  • Somit definiert, wie in 2 gezeigt, der Gelenkarm 50' das Koordinatensystem (Referenzrahmen) XA, YA, ZA des nichtoptischen (Arm-)Subsystems. Der Arm 50' beinhaltet, wie oben erwähnt, mehrere mechanisch verknüpfte starre Segmente, steif verbunden, die so gedreht und bewegt werden können, dass der Endeffektor 22' nach Bedarf innerhalb des Bewegungsbetriebsvolumens des Arms positioniert werden kann. Die Positionen und Lagen jedes Segments werden genau so ermittelt und kombiniert, dass die Position des Endeffektors 22' relativ zum lokalen Referenzrahmen des Arms (d.h. das Koordinatensystem XA, YA, ZA des nichtoptischen Systems) entsteht. Die Steuereinheit 32' des Arms steuert die Datenerfassung vom Arm und verbindet die Einheit mit dem Prozessor 26'.
  • Das optische Subsystem 14' beinhaltet einen Positionssensor 20' bestehend aus drei eindimensionalen CCDs 34'. Der Positionssensor 20' definiert den optischen Koordinatenreferenzrahmen (XO, YO, ZO). Eine beispielhafte starre Sonde 18' mit drei sichtbaren aktiven LED-Markern 16a', 16b', 16c' ist mit der Steuereinheit 40' gekoppelt. Der optische Positionssensor 20' ist an der Steuereinheit 40' angebracht, die die optische Datenerfassung und Zeitsteuerung, die Auslösung der aktiven Marker-LEDs sowie andere für optisches Verfolgen nötige Aufgaben ausführt.
  • Das nichtoptische (mechanische) und optische Subsystem 12', 14' sind durch ihre Verbindung mit dem Prozessor 26' miteinander verknüpft, der die Operationen der beiden Subsysteme synchronisiert und die Gesamtdatenerfassung steuert, und durch die Erfassung von Licht von den Lichtquellen 24' des nichtoptischen Subsystems durch den optischen Positionssensor 20', um einen gemeinsamen Referenzrahmen für das Gesamtsystem 10' bereitzustellen, hier das Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems, das relativ zum Sensor 20' fest ist. Spezieller, der Gelenkarm 50' hat eine Mehrzahl von aktiven optischen LED-Markern (d.h. die Lichtquellen 24' des nichtoptischen Subsystems), die daran in einer Anordnung angebracht ist, die gut geeignet ist, um sie dem optischen Subsystem 14' als starren Körper zu definieren. Der Prozessor 26' handhabt die Transformationen vom Referenzrahmen des Arms (d.h. das Koordinatensystem XA, YA, ZA des nichtoptischen Systems) zum Referenzrahmen des optischen Subsystems 14' (d.h. das Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems). Somit kann der Arm 50' zu jeder beliebigen Stelle im Betriebsvolumen des optischen Systems 14' umpositioniert werden, so dass das effektive Betriebsvolumen des Arms stark erweitert wird. Die Position der Lichtquellen 24' des nichtoptischen Subsystems relativ zum Koordinatensystem XA, YA, ZA des nichtoptischen Subsystems würde bei der Herstellung genau ermittelt, wenn das System 10' kalibriert wird.
  • Wenn die Positionen der Gelenkarm-Referenzmarker (d.h. der Lichtquellen 24' des nichtoptischen Subsystems) bekannt sind, dann kann die Position des Arm-Endeffektors 22' in einem gemeinsamen Referenzrahmen gemeldet werden, hier dem Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems. Tranformationsmethoden zum Konvertieren der lokalen Armkoordinaten in den Referenzrahmen des optischen Subsystems (d.h. das Koordinatensystem XO, YO, ZO des optischen Subsystems) sind gut bekannt und völlig allgemein; auch hier braucht der gemeinsame Referenzrahmen nicht auf einen der Subsystem-Referenzrahmen begrenzt zu sein, sondern kann jeder beliebige praktische willkürliche Rahmen sein. Die Transformationen erfolgen in dieser Ausführung am Prozessor 26', aber dies ist nicht erforderlich, wenn die beiden Subsystem-Steuereinheiten 32', 40' miteinander verbunden sind, so dass sie Daten direkt austauschen können.
  • Eine beispielhafte Werkskalibrierung eines magnetischen/optischen Hybridsystems ist im Ablaufdiagramm von 3 dargestellt. Dieser Prozess ist sehr flexibel, teilweise aufgrund der Reihe verschiedener anderer Positionsmessgeräte, die standardmäßig für den Einsatz zur Verfügung stehen, so dass viele andere Variationen des in 3 beschriebenen Prozesses für die Aufgabe gut geeignet wären. Das Standardgerät muss erheblich genauer sein als eines der beiden Subsystemgeräte gegenüber ihren jeweiligen Betriebsvolumen; in diesem Beispiel wird eine Koordinatenmessmaschine (CMM) als Standard angenommen. Wie in 3 angegeben, wird das optische Subsystem in Schritt 101 zuerst kalibriert. Dies ist in der Technik gut bekannt und beinhaltet typischerweise das genaue Positionieren von optischen Markern in einer geeigneten rasterähnlichen Weise über das Betriebsvolumen des optischen Sensors 20 und das Messen der Sensor-CCD-Daten. Die Sensordaten und die CMM-Positionsdaten werden dann zum Ermitteln der Betriebsparameter des Sensors und des lokalen Referenzrahmens (XO, YO, ZO) verwendet, die anschließend zum Umwandeln der Sensordaten in ihre entsprechenden 3D-Positionsdaten während des normalen Betriebs des Sensors dienen. Nach dem Ermitteln der Sensorparameter können die bei der Kalibrierung gesammelten Sensordaten in 3D-Positionen umgewandelt und mit den standardmäßigen 3D-Positionen verglichen werden. Die Differenzen können zum Abbilden der räumlichen Fehlerverteilung des Sensors verwendet werden, die für eine nachfolgende Verwendung in den 3D-Positionsermittlungsalgorithmen des Hybridsystems aufgezeichnet werden können.
  • Wie in 3 angegeben, wird dann in Schritt 102 der Magnetfeldgenerator 28 im Referenzrahmen des optischen Subsystems (XO, YO, ZO) als starrer Körper definiert. Auch dies ist eine in der Technik hinlänglich bekannte Praxis und beinhaltet typischerweise das Messen der 3D-Positionen der Referenz-LED-Marker 24, die relativ zueinander am Generator 28 befestigt sind. Die Markerpositionen können nachfolgend zum Definieren eines lokalen Koordinatensystems verwendet werden, dessen Ursprung und Lage praktischerweise im starren Körper liegen können. In diesem Fall wird eine Ausrichtung des Koordinatensystems des lokalen starren Körpers auf den Referenzrahmen (XM, YM, ZM) des lokalen magnetischen Subsystems nach der Ermittlung bevorzugt.
  • Als Nächstes wird in Schritt 103 das magnetische Subsystem kalibriert. Der Magnetfeldgenerator 28 und der optische Sensor 20 werden so positioniert, dass jedes ihrer Betriebsvolumen im CMM-Betriebsvolumen liegt, und so, dass es eine klare Sichtlinie zwischen den Feldgenerator-Referenzmarkern 24 und dem optischen Sensor 20 gibt. Position und Lage des Feldgenerators 28 werden vom optischen Sensor 20 gemessen und aufgezeichnet. Ein optisches/magnetisches Hybrid-Erfassungswerkzeug 41 mit dem als virtuellen Marker definierten magnetischen Sensor, so dass die optischen und magnetischen Messungen zusammenfallen, wird am CMM-Endeffektor befestigt und genau in einer geeigneten rasterähnlichen Weise über das gesamte Betriebsvolumen des magnetischen Subsystems positioniert, während die jeder magnetischen Sensorposition entsprechenden magnetischen und optischen Sensordaten aufgezeichnet werden. Die magnetischen Sensordaten und die CMM-3D-Positionsdaten werden dann zum Ermitteln der Betriebsparameter des magnetischen Subsystems und des lokalen Referenzrahmens (XM, YM, ZM) verwendet, die nachfolgend zum Umwandeln der magnetischen Sensordaten in ihre entsprechenden 3D-Positionsdaten während des normalen Betriebs verwendet werden. Ähnlich wie die Kalibrierung des optischen Subsystems können, nach der Ermittlung der Parameter des magnetischen Subsystems, die bei der Kalibrierung erfassten magnetischen Sensordaten in 3D-Positionen umgewandelt und mit den standardmäßigen 3D-Positionen verglichen werden, so dass ihre Differenzen zum Abbilden der räumlichen Fehlerverteilung des magnetischen Subsystems verwendet werden können. Man beachte, dass wir zwar eine CMM zum Kalibrieren beider Subsysteme verwendet haben, aber das optische Subsystem selbst könnte stattdessen selbst zum Kalibrieren des magnetischen Subsystems verwendet werden, vorausgesetzt, es ist im ausreichenden Maße genauer als das magnetische Subsystem.
  • Die optischen und magnetischen 3D-Daten, die den Hybrid-Werkzeugpositionen entsprechen, zusammen mit dem Ort des Feldgenerators und den von den Referenzmarkern 24 definierten Daten des starren Körpers, können zum Berechnen der benötigten Transformationen zwischen dem optischen Subsystem und den lokalen Referenzrahmen (XO, YO, ZO) bzw. (XM, YM, ZM) des magnetischen Subsystems verwendet werden. Der globale Referenzrahmen des Hybridsystems kann dann in Schritt 104 ermittelt werden. Die zum Ermitteln dieser Transformationen durchgeführten Berechnungen sind in der Technik gut bekannt. Diese Transformationen können je nach Aufbau des Systems entweder in den Systemsteuereinheiten 32 und 40 oder im Host-Computer 26 gespeichert und nach Bedarf immer dann aktualisiert werden, wenn der Feldgenerator 28 oder das Sensorgerät 20 umpositioniert wird.
  • Das Ablaufdiagramm in den 4A, 4B und 4C zeigt ein Beispiel für einen Messvorgang, der dem in 1A beschriebenen optischen/magnetischen Hybridsystem entspricht. In diesem Beispiel wird eine Reihe verschiedener Objekte vom Hybridsystem verfolgt. Einige dieser Objekte enthalten sowohl optische Marker als auch magnetische Sensoren (wie z.B. das Hybrid-Werkzeug 41), während andere Objekte nur optische Marker (wie z.B. die optische Sonde 18) oder magnetische Sensoren (wie z.B. den Magnetsensor 30) enthalten. Wie in 4A beschrieben, wird in Schritt 201 der Magnetfeldgenerator 28 praktischerweise im Betriebsvolumen des optischen Sensors 20 so positioniert, dass die Referenzmarker-LEDs 24 für den optischen Sensor sichtbar sind.
  • Der Messvorgang für jedes verfolgte Objekt beginnt in 4A mit den Schritten 202, 203, wobei der optische Sensor 20 die Position des Magnetfeldgenerators 28 und somit die Position des lokalen Referenzrahmens (XM, YM, ZM) des magnetischen Subsystems relativ zum lokalen Referenzrahmen (XO, YO, ZO) des optischen Subsystems ermittelt. Wenn der Feldgenerator 28 relativ zum optischen Sensor bewegt wurde, werden alle Transformationen zwischen den lokalen Referenzrahmen des Subsystems und dem globalen Referenzrahmen so aktualisiert, dass sie die neuen Positionen und Lagen reflektieren (4A, Schritte 204 und 205), ansonsten beginnt die Ermittlung von Position und Lage des Objekts (Schritt 206).
  • Das System ermittelt zunächst, ob optische oder magnetische Daten oder beide Typen zur Verfügung stehen. Wenn nur ein Datentyp vorhanden ist, entweder weil das verfolgte Objekt nur eine Wandlerklasse hat (wie z.B. die optische Sonde 18 oder der magnetische Sensor 30) oder weil ein Datentyp ungültig ist (wie z.B. wenn die optischen Marker 43 am Hybrid-Werkzeug 41 verdeckt sind oder wenn sein magnetischer Sensor 30b außer Reichweite ist) oder einfach weil ein Datentyp nicht verfügbar ist (die optischen und magnetischen Datenerfassungsfrequenzen könnten sich unterscheiden), dann zweigt der Messvorgang zum geeigneten Subsystem ab (4B, Schritt 207). Für optische Daten ermittelt das optische Subsystem Position und Lage des Objekts anhand der optischen Sensoren im lokalen Referenzrahmen und transformiert die Daten dann in den globalen Referenzrahmen (4B, Schritte 208 und 209), während das magnetische Subsystem für magnetische Daten Position und Lage des Objekts anhand der magnetischen Sensoren im lokalen Referenzrahmen des Subsystems ermittelt und die Daten dann in den globalen Referenzrahmen umwandelt (4B, Schritte 210 und 211).
  • Wenn beide Datentypen verfügbar sind, dann werden Position und Lage des Objekts jeweils von jedem Subsystem in seinem lokalen Referenzrahmen ermittelt und in der üblichen Weise in den globalen Referenzrahmen umgewandelt, mit der Ausnahme, dass die Subsysteme auch Daten untereinander austauschen können, um bei Positions- und Lageberechnungen durch Initialisieren ihrer Ermittlungsalgorithmen zu assistieren oder um berechnete Positionen und Lagen zu verfeinern (4C, Schritte 212 bis 216). Ebenso werden die Unsicherheiten jeder Messung mittels der Subsystem-Fehlerabbildungen geschätzt, die bei der Werkskalibrierung ermittelt wurden. Die redundanten Messwerte werden dann im Einklang mit ihren geschätzten Unsicherheiten kombiniert, so dass eine endgültige Position und Lage erhalten wird, die dem Benutzer gemeldet wird (4C, Schritt 217). Es sind verschiedene Methoden zum Kombinieren der redundanten Messwerte möglich, wie z.B. das einfache Auswählen der genaueren oder eine gewichtete Mittelwertbildung je nach den Unsicherheitsumkehrungen. Es können auch höher entwickelte Algorithmen verwendet werden, um anormale Messwerte zu erkennen und zu unterscheiden, indem Schwellenwerte für Differenzen zwischen den Systemmesswerten je nach ihren jeweiligen Unsicherheiten festgelegt werden, so dass z.B. eine magnetische Messung, die durch die Anwesenheit eines Metallobjekts in der Nähe der Sensoren gestört wird, anhand ihrer signifikanten Differenz von der optischen Messung erkannt und somit ignoriert würde.
  • Im Hinblick auf die obige Beschreibung der beiden oben beschriebenen Ausgestaltungen wird man nun erkennen, dass ein optisches/nichtoptisches Hybridsystem 10, 10' zum Verfolgen der Positionen und Lagen von dreidimensionalen (3D) Objekten, sowohl starr als auch nicht starr, im Raum bereitgestellt wird. Das optische Subsystem 14, 14' der Systeme 10, 10' hat eine geeignete Form von Lichtsensoren (typischerweise drei oder mehr eindimensionale ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs) oder zwei oder mehr zweidimensionale CCDs), mehrere Lichtquellen des optischen Subsystems (typischerweise aktive Leuchtdioden-(LED)-Marker oder passive reflektierende Marker) und eine elektronische Systemsteuereinheit zum Steuern der verschiedenen Betriebsaspekte des Subsystems. Das Hybridsystem beinhaltet ein geeignetes nichtoptisches Subsystem oder Subsysteme, die zu dem optischen Subsystem in dem Sinne komplementär sind, dass sie keinen Sichtlinienbeschränkungen unterliegen. Das nichtoptische Subsystem beinhaltet, ohne Begrenzung, magnetische Verfolgungsbauelemente, mechanische Gelenkarme und faseroptische Bauelemente. Das nichtoptische Subsystem kann eine Mehrzahl von wenigstens drei Lichtquellen des nichtoptischen Subsystems beinhalten, die ordnungsgemäß an bekannten Stellen an irgendeinem geeigneten Teil des Gerätes befestigt werden, um einen starren Körper zu bilden, der Koordinatentransformationen zwischen den Koordinatenreferenzrahmen des optischen und nichtoptischen Subsystems zulässt. Das Hybridsystem beinhaltet eine Prozessorschnittstelle und ein Datenmanagementprogramm, das den Betrieb der optischen und nichtoptischen Subsysteme synchronisiert, die erforderlichen Subsystem-Messkoordinatentransformationen am Referenzrahmen des Hybridsystems durchführt und den besten Messwert im Falle von redundanten Messwerten aus den zwei oder mehr Subsystemen auswählt oder bestimmt.
  • Ferner stellt man fest, dass die Kopplung zwischen dem optischen und dem nichtoptischen Subsystem im Allgemeinen so ist, dass die Subsysteme relativ zueinander umpositioniert werden können, um subsystemspezifische optimale Orte besser nutzen zu können: und um die negativen Auswirkungen von subsystemspezifischen Störungen zu verringern. Ferner werden die an dem/den nichtoptischen Subsystem(en) befestigten optischen Referenzmarker bei der Herstellung genau bestimmt, so dass die Notwendigkeit für eine Kalibrierung und eine Subsystemkoordinatenausrichtung bei der Anwendung entfällt. Die für die genannte Kalibrierung angewendeten Methoden hängen von den spezifischen Einzelheiten der optischen und nichtoptischen Subsysteme ab. Dazu gehören, ohne Begrenzung, die numerische Anpassung großer Sätze von 3D-Positionsmesswerten, die individuell mit den Subsystemen innerhalb ihrer eigenen Referenzrahmen erhalten wurden, relativ zu einem Kalibrationsstandard, und der Einsatz von optischen/nichtoptischen Hybridkalibrierungswerkzeugen.
  • Ferner sind die einzelnen Subsystemsteuereinheiten, die für die Ermittlung der Objektpositionen und -lagen verantwortlich sind (innerhalb des lokalen Referenzrahmens des Subsystems) durch die Verwendung von geeigneten Rechenprozeduren direkt miteinander verbunden, um die genannten Positions- und Lagewerte in Echtzeit auszutauschen, so dass Transformationen in einen globalen Referenzrahmen des gemeinsamen Hybridsystems ausgeführt werden können. Anstatt einer solchen direkten Verbindung zwischen den Subsystemen sollen die genannten Transformationen am Prozessor berechnet und angewendet werden. Die 3D-Positions- und Lagegenauigkeiten des optischen und des nichtoptischen Subsystems werden in Abhängigkeit von ihren räumlichen Orten bei der Herstellung abgebildet, um die Basis für eine geeignete Auswahl oder Ermittlung der optimalen Messwerte im Falle von redundanten Messwerten von den Subsystemen zu bilden.
  • Was das magnetische nichtoptische Subsystem betrifft, so stellt man fest, dass das magnetische Subsystem ein oder mehrere Feldgeneratoren und eine Reihe von magnetischen Sensoren beinhaltet, von denen ein oder mehrere an dem optischen Subsystem auf eine solche Weise befestigt sind, dass der Referenzrahmen des optischen Subsystems innerhalb des Referenzrahmens des magnetischen Subsystems ermittelt werden kann, so dass die beiden genannten Referenzrahmen selbst dann ausgerichtet werden können, wenn keine Sichtlinie zwischen ihnen vorliegt.
  • Was das magnetische nichtoptische Subsystem betrifft, so stellt man auch fest, dass das magnetische Subsystem eine Reihe von separaten, individuellen elektromagnetischen induktiven Feldgeneratorspulen umfasst, die jeweils wenigstens drei optische Marker haben, die so daran befestigt sind, dass sie ihn innerhalb des genannten Referenzrahmens des optischen Subsystems als starren Körper definieren, so dass die einzelnen Spulen an einer beliebigen Stelle innerhalb des Betriebsvolumens des genannten optischen Subsystems platziert und von den optischen Sensoren verfolgt werden können, so dass das magnetische Subsystem optimal zum Verfolgen von magnetischen Sensoren über größere, unregelmäßigere Subvolumengestalten und -formen angepasst werden kann, als dies mit einer festen Array von Generatorspulen möglich wäre, die innerhalb einer einzelnen Feldgeneratoreinheit positioniert sind.
  • Weiter mit Bezug auf das magnetische, nichtoptische Subsystem, die Fachperson würde auch verstehen, dass das magnetische Subsystem nicht auf einen aktiven Feldgenerator mit passiven magnetischen Sensoren beschränkt zu sein bräuchte, sondern dass sein Komplement, ein magnetisches Subsystem bestehend aus aktiven magnetischen „Sensoren", die Felder erzeugen, die dann von dem passiven „Feldgenerator" innerhalb seines Referenzrahmens erfasst wurden, ebenfalls geeignet wäre.

Claims (3)

  1. System zum Ermitteln der räumlichen Position und/oder Lage eines oder mehrerer Objekte (18, 22), das Folgendes umfasst: ein optisches Subsystem (14); das Folgendes umfasst: Lichtquellen (16a, 16b, 16c) des optischen Subsystems, die an einem oder mehreren der Objekte (18) montiert sind; und einen Sensor (20) des optischen Subsystems zum Erfassen von Energie von den Lichtquellen (16a, 16b, 16c) des optischen Subsystems, wobei ein solches optisches Subsystem ein Koordinatensystem (XO, YO, ZO) des optischen Subsystems in einer festen Beziehung mit dem Sensor (20) des optischen Subsystems hat, wobei ein solcher Sensor (20) des optischen Subsystems Positions- und/oder Lagesignale relativ zum Koordinatensystem des optischen Subsystems als Reaktion auf erfasste Energie der Lichtquelle des optischen Subsystems erzeugt; ein nichtoptisches Subsystem (12) mit einem nichtoptischen Koordinatensystem (XM, YM, ZM), wobei ein solches nichtoptisches Subsystem so gestaltet ist, dass es Positions- und/oder Lagesignale von einem oder mehreren der Objekte (22) relativ zum Koordinatensystem des nichtoptischen Subsystems erzeugt; eine Kopplungsanordnung (24, 34) zum Erzeugen von Positions- und/oder Lagesignalen zum Anzeigen der Position und/oder Lage eines ausgewählten aus optischem und nichtoptischem Subsystem relativ zum Koordinatensystem des anderen aus optischem und nichtoptischem Subsystem; und Mittel (32, 40), die auf Signale ansprechen, die von der Kopplungsanordnung (24, 34) und dem optischen und/oder nichtoptischen Subsystem (12, 14) erzeugt werden, um die Position und/oder Lage von einem oder mehreren der Objekte (18, 22) relativ zum Koordinatensystem des ausgewählten einen aus optischem und nichtoptischem Subsystem (12, 14) zu ermitteln, wobei das optische Subsystem (14) und das nichtoptische Subsystem (12) so gestaltet sind, dass sie Daten untereinander austauschen, um die Ermittlung der genannten Position und/oder Lage durch die genannten Ermittlungsmittel (32, 40) zu verbessern, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsanordnung Folgendes umfasst: einen Sensor (30A) des nichtoptischen Subsystems mit einer festen Beziehung zum Koordinatensystem (XO, YO, ZO) des optischen Subsystems, wobei ein solcher Sensor (30A) des nichtoptischen Subsystems so gestaltet ist, dass er Positions- und/oder Lagesignale des Sensors (20) des optischen Subsystems relativ zum Koordinatensystem (XM, YM, ZM) des nichtoptischen Subsystems erzeugt; und dadurch, dass ein Prozessor (26) auf Signale anspricht, die vom Sensor (20) des optischen Subsystems und/oder vom Sensor (30A) des nichtoptischen Subsystems erzeugt wurden, um die Position und/oder Lage eines oder mehrerer der Objekte (18) relativ zum Koordinatensystem des ausgewählten einen aus optischem und nichtoptischem Subsystem (12, 14) zu ermitteln.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Lichtquellen (43) an einem der Objekte (41) montiert sind und das nichtoptische Subsystem (12) so gestaltet ist, dass es die Positions- und/oder Lagesignale von einem (41) solchen Objekt erzeugt.
  3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Lichtquellen (16a, 16b, 16c) an einem der Objekte (18) montiert sind und das nichtoptische Subsystem (12) so gestaltet ist, dass es die Positions- und/oder Lagesignale von einem anderen (22) solchen Objekt erzeugt.
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