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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Positionieren eines
chirurgischen Instrumentes während
eines orthopädischen
Chirurgieverfahrens.
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WO-A-98/27887
offenbart eine Vorrichtung, die verwendet wird, um ein chirurgisches
Instrument mittels eines Roboters zu positionieren, der das chirurgische
Instrument innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung entsprechend
Programmbefehlen von einem Steuercomputer bewegt. Die Vorrichtung
umfaßt
einen Sensor in Form eines manuell bewegbaren Sensorarmes oder in
Form eines entfernten Empfängers
(z. B. in Form eines optischen Signalempfängers, der Lichtsignale von
lichtemittierenden Dioden empfangen kann), der verwendet werden kann,
um ein Koordinatensystem für
die Vorrichtung zu definieren und die Lage des Knochens des Patientens,
an dem das Verfahren durchgeführt
werden soll, innerhalb dieses Koordinatensystemes zu bestimmen.
Ein derartiges Definieren des Koordinatensystems kann das Orten
von Markern oder anatomischen Merkmalen auf dem Knochen des Patienten umfassen.
Zum Beispiel kann ein Sensor, der einen manuell bewegbaren Arm umfaßt, bewegt
werden, um Marker auf dem Knochen zu berühren. Umfaßt der Sensor einen Empfänger, so
kann dieser eine Information von den Markern auf dem Knochen empfangen,
die deren Position anzeigt. Durch eine Bestimmung der Lage des Instrumentes
relativ zu dem Sensor, kann die Vorrichtung mittels der Information von
den ortsbestimmenden Markern arbeiten, um die Lage des Knochens
relativ zu der des Instrumentes zu bestimmen. Befehle, die das chirurgische
Instrument steuern, können
sodann durch den Steuercomputer bereitgestellt werden, der Eingaben
verwendet, die durch den Arzt vorgenommen wurden.
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Die
offenbarte Vorrichtung kann eine Information von einem oder mehreren
positionsbestimmenden Markern (z. B. LED-Markern) auf dem Knochen
verwenden, um eine Bewegung des Knochens während des chirurgischen Verfahrens
zu überwachen,
die dann berücksichtigt
werden kann, um das Signal zu verändern, das von dem Computer
an den Roboter geleitet wird, so daß das Instrument weiterhin
geeignet relativ zu dem Knochen positioniert ist.
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Das
Signal, das von dem Computer an den Roboter in derartigen Vorrichtungen
geleitet wird, hängt
davon ab, ob der Roboter im Stande ist, das Instrument in eine gewünschte Lage
zu überführen. Die Vorrichtung
hängt daher
von einer genauen Kalibrierung des Roboters ab, damit das chirurgische
Instrument genau positioniert wird. Diese Kalibrierungserfordernisse
können
es erfordern, daß der
Roboter regelmäßig rekalibriert
wird. Dies kann zeitraubend sein. Jedoch kann das Auslassen eines
nötigen
Rekalibrierens dazu führen,
daß Ungenauigkeiten
bei dem Positionieren des Instrumentes auftreten, die den Erfolg
des chirurgischen Verfahrens zunichte machen können.
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Eine
Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruch 1 ist offenbart
in US-A-5695500.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Positionieren
eines chirurgischen Instrumentes bereit, bei der ein Computer zum
Erzeugen des Positionssignals für
den Roboter ein Verfahren verwendet, das ein Minimieren der Differenz
zwischen der wahren Position des Instrumentes und der gewünschten
Position beinhaltet.
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Dementsprechend
wird in einer Ausführungsform
der Erfindung eine Vorrichtung zum Positionieren eines chirurgischen
Instrumentes relativ zu dem Koordinatensystem der Vorrichtung während eines
orthopädischen
Chirurgieverfahrens bereitgestellt, umfassend:
- a.
ein chirurgisches Instrument,
- b. ein Robotersteuerungssystem zum Bewegen des chirurgischen
Instrumentes entsprechend Programmbefehlen innerhalb des Koordinatensystems
der Vorrichtung,
- c. einen Instrumentensensor, der eine feste Lage relativ zu
dem Instrument einnimmt, um die wahre Position des Instrumentes
innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen,
- d. einen Referenzsensor, der an einem Knochen des Patienten
befestigbar ist, um die Lage des Knochens des Patientens in dem
Koordinatensystem der Vorrichtung anzuzeigen,
- e. einen Detektor zum Überwachen
der Positionen des Instrumentensensors und des Referenzsensors,
und
- f. einen Signalprozessor, der Positionssignale von dem Detektor
empfängt,
wobei der Signalprozessor ein gewünschtes Positionssignal für das Robotersteuerungssystem
erzeugt, um das chirurgische Instrument in eine gewünschte Position
relativ zu dem Referenzsensor durch ein Verfahren zu bewegen, das
ein Minimieren der Differenz zwischen der wahren Position des Instrumentes
und der gewünschten
Position beinhaltet.
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Die
Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil,
daß das
Erfordernis einer genauen Kalibrierung eines Robotersteuerungssystems
reduziert wird, weil die Vorrichtung die Position des chirurgischen
Instrumentes unmittelbar relativ zu der Position des Knochens des
Patientens steuert. Die Vorrichtung entsprechend der Erfindung ermöglicht somit
das Berücksichtigen
von Fehlern, und bevorzugt ebenso eine Korrektur derselben, bei der
Kalibrierung des Robotersteuerungssystems, die andernfalls dazu
führen
könnten,
daß das
chirurgische Instrument falsch relativ zu dem Knochen positioniert
wird.
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Ein
weiterer bedeutsamer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß das Signal,
das für
die Robotersteuerungssystempositionierung erzeugt wird, eine Bewegung
des Knochens des Patientens während
des Verfahrens berücksichtigen kann,
so daß das
chirurgische Instrument weiterhin genau in Bezug auf den Knochen
positioniert ist.
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Bevorzugt
ist das Verfahren, mittels dessen der Signalprozessor das gewünschte Positionssignal für das Robotersteuerungssystem
erzeugt, ein iteratives Verfahren, so daß die Differenz zwischen der wahren
Position des Instrumentes und der gewünschten Position mehr als einmal
berechnet werden kann, wobei Anpassungen an das gewünschte Positionssignal
nötigenfalls
nach jeder Berechnung vorgenommen werden können.
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Bevorzugt
erzeugt der Instrumentensensor oder der Referenzsensor oder beide
ein Signal, um die Position des Instrumentes oder des Knochens (je nachdem)
anzuzeigen, die durch den Detektor erfaßbar ist. Das Signal kann z.
B. ein optisches Signal sein, das bspw. von einer oder mehreren
lichtemittierenden Dioden erzeugt werden kann. Andere Signalarten
können
verwendet werden, wie z. B. solche, die mittels eines Induktiv-
oder Ultraschallverfahrens erzeugt werden. Das Signal kann geeignet
kodiert sein, so daß der
Detektor das Signal identifizieren kann und somit den Sensor identifizieren
kann, von dem dieses übermittelt
wurde. Bevorzugt erzeugt ein Sensor mehr als ein Signal, weiter
bevorzugt mindestens zwei Signale, insbesondere mindestens drei
Signale, wobei die Signalerzeuger (z. B. lichtemittierende Dio den)
in einer festen räumlichen
Anordnung angeordnet sind. Das Vorsehen von verschiedenen Signalerzeugern
hat den Vorteil, daß die
Vorrichtung sowohl die Lage wie auch die Orientierung des Sensors
bestimmen kann. Positionsbestimmende Systeme mit solchen Sensoren
sind bekannt. Zum Beispiel kann ein Sensor eine kleine Platte mit
vier oder sechs Leuchtdioden, die Infrarotlicht aussenden, als Signalerzeuger
umfassen, die an deren Ecken angeordnet sind. Die Lichtimpulse,
die von den Dioden ausgesendet werden, werden von dem Detektor empfangen,
der zwei, drei oder mehrere getrennte Empfangselemente aufweist,
die lichtsensitiv sind. Die Lage und Orientierung des Sensors kann
durch eine mathematische Auswertung der empfangenen Signale berechnet
werden, wobei die bekannte geometrische Anordnung der Empfangselemente
und der Dioden auf der Platte zugrundegelegt wird.
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Es
ist wichtig, daß eine
Bewegung des Referenzsensors relativ zu der Anatomie des Patienten minimiert
wird. Im allgemeinen wird der Referenzsensor an einem Knochen befestigt
sein, insbesondere an dem Knochen, an dem das chirurgische Instrument
der Vorrichtung tätig
werden soll. Der Referenzsensor kann einen mit einem Gewinde versehenen Schaft
aufweisen und kann sodann an dem Knochen mittels einer Technik befestigt
werden, die einen ersten Schritt des Bohrens eines Loches in den
Knochen beinhaltet und einen weiteren des Schraubens des Schaftes
des Sensors in das gebohrte Loch.
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Das
Robotersteuerungssystem kann einen Arm bereitstellen, der eine Montageplatte
aufweist, auf der das chirurgische Instrument angeordnet ist. Der
Arm ist gelenkig, so daß das
Instrument bewegt werden kann. Andere Steuerungssysteme können verwendet
werden, die eine Bewegung des Instrumentes auf verschiedene Arten
ermöglichen.
Zum Beispiel kann das Instrument auf einem Schlitten angeordnet
sein, der entlang einer ersten Welle verschieblich ist. Zusätzliche
Bewegungsfreiheitsgrade können
durch zweite Wellen bereitgestellt sein, auf der die erste Welle
verschoben werden kann. Bevorzugt erlaubt das Robotersteuerungssystem
mindestens drei Bewegungsfreiheitsgrade des Instrumentes. Bevorzugte
Systeme können
mindestens sechs Bewegungsfreiheitsgrade bereitstellen.
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Das
Robotersteuerungssystem kann einen ortsfesten Basisabschnitt aufweisen,
an dem ein Arm für
das chirurgische Instrument befestigt ist, so daß der Arm und ein auf diesem
angeordnetes Instrument entsprechend Programmbefehlen bewegt werden können. Das
Robotersteuerungssystem wird ebenso im allgemeinen einen Kontroller
mit geeigneten Prozessorkomponenten zum Erzeugen von Befehlen umfassen,
um eine Bewegung des Instrumentes hervorzurufen. Der Kontroller
kann mit dem Basisabschnitt des Steuerungssystems, auf dem der Arm
befestigt ist, kombiniert werden. Der Kontroller wird jedoch häufig getrennt
von dem Basisabschnitt des Steuerungssystems bereitgestellt.
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Die
Vorrichtung kann Marker umfassen, die an einem Patienten vor einem
Scanvorgang zu befestigen sind, um ein Bild des Knochens zu erzeugen, und
auf die während
des chirurgischen Verfahrens Bezug genommen werden kann, um sie
mit der Lage des Knochens des Patienten, die durch den Referenzsensor
für ein
zuvor erzeugtes Bild des Knochens angezeigt wird, innerhalb des
Koordinatensystems der Vorrichtung in Bezug zu setzen. Solche Marker
können
als Referenzpunkte in Verbindung mit Röntgen- oder Computertomographenbildern
dienen. Die Verwendung solcher Marker (die oft als Bezugsmarker
bezeichnet werden) ist üblich. Üblicherweise
werden diese an einem Knochen mittels eines Schraubgewindes oder ähnlichen
Einrichtungen befestigt. Sie können
mit einem Sensor verwendet werden, der mit einem Navigationscomputer
verbunden ist, wobei der Sensor jeden Marker nacheinander berühren kann,
um diesen für
den Computer zu identifizieren, der folgend dessen Lage in Bezug
zu dem zuvor erzeugten Bild des Knochens setzen kann. Die Position
des Sensors kann mechanisch überwacht werden,
z. B. durch Anordnen desselben auf einem gelenkigen Arm, bei dem
eine Bewegung der Gelenke gemessen werden kann. Der Sensor wird
sodann manuell von einer anfangs bestimmten Ausgangsposition an
jeden der Marker bewegt und die Position eines jeden Markers relativ
zu der Ausgangsposition wird bestimmt durch ein Messen der Bewegung
des Sensors. Solche Messsysteme sind allgemein bekannt.
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Andere
Techniken zum Bestimmen der Lage des Knochens können verwendet werden. Zum
Beispiel kann die Lage des Knochens mittels natürlicher anatomischer Merkmale
an Stelle von oder in Verbindung mit befestigbaren Markern bestimmt
werden.
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Bevorzugt
umfaßt
die Vorrichtung entsprechend der Erfindung einen Lagesensor, um
die Lage des Knochens des Patientens in dem Koordinatensystem der
Vorrichtung durch Berühren
des Knochens an vorbestimmten Punkten desselben zu bestimmen. Die
Punkte können
durch implantierte Marker oder durch anatomische Landmark-Marker
gebildet sein, die z. B. durch bestimmte, unterscheidbare Orte auf
der Knochenoberfläche
oder durch unterscheidbare Knochenkonturen gebildet sind.
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Bei
einer bevorzugten Anordnung wird die Position des Sensors mittels
eines Detektors überwacht,
z. B. durch Vorsehen mindestens eines Signalerzeugers (und bevorzugt
mehrerer, wie zuvor unter Bezug auf die Instrumenten- und Referenzsensoren
beschrieben) auf diesem.
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Bezüglich der
Lage des Knochens ist es wichtig, daß diese unverändert bleibt,
während
dessen Lage innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung zu
Anfang bestimmt wird. Ist die Position des Knochens jedoch einmal
bestimmt, so stellt die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden
Erfindung den Vorteil bereit, daß eine Bewegung des Knochens durch
eine entsprechende Bewegung des chirurgischen Instrumentes ausgeglichen
werden kann.
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Üblicherweise
ist der Detektor innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung
befestigt und das Koordinatensystem der Vorrichtung ist in Bezug auf
die Position des Detektors definiert. Bevorzugt nimmt der Detektor
eine feste Lage relativ zu dem Robotersteuerungssystem zur Bewegung
des chirurgischen Instrumentes ein. Um jedoch die Möglichkeit zu
vermeiden, daß Ungenauigkeiten
durch geringe Bewegungen des Detektors relativ zu dem Robotersteuerungssystem
eingeführt
werden, kann bevorzugt sein, daß die
Vorrichtung einen Sensor für
das Robotersteuerungssystem umfasst, um die wahre Position des Robotersteuerungssystems
innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen. Der
Sensor des Robotersteuerungssystems kann Merkmale des Instrumenten-
und Referenzsensors aufweisen, die zuvor diskutiert wurden.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden folgend beispielhaft unter Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
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1 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung entsprechend der vorliegenden
Erfindung ist.
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2 eine
Vorderansicht eines Sensors ist, der ein Instrumentensensor oder
ein Referenzsensor sein könnte.
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Unter
Bezug auf die Zeichnungen ist 1 eine schematische
Darstellung einer Vorrichtung 2, die verwendet werden kann,
um ein chirurgisches Instrument 4 zu positionieren. Die
Vorrichtung umfaßt einen
Computer 5 und ein Robotersteuerungssystem 6,
das Befehle empfangen kann, die von dem Computer erzeugt werden,
um eine Bewegung des Instrumentes her vorzurufen. Das Steuerungssystem
umfaßt
einen Roboterarm (oder ein anderes Robotersystem) 8, das
eine Montageplatte 10 an seinem Ende aufweist, an der das
Instrument 4 angeordnet ist. Der Roboterarm 8 ist
an einem ortsfesten Basisabschnitt 9 des Steuerungssystem
befestigt. Befehle, um das Instrument zu bewegen, werden von dem
Robotersteuerungssystem interpretiert und rufen eine Bewegung des
Roboterarmes, mit dem darauf angeordneten Instrument, relativ zu
dem ortsfesten Basisabschnitt 9 hervor. Bevorzugt weist
der Roboterarm mindestens drei Gelenke auf, weiter bevorzugt sechs Gelenke,
um einen ausreichenden Bewegungsfreiheitsgrad der Montageplatte
zu ermöglichen.
Robotersteuerungssysteme dieser allgemeinen An sind bekannt, z.
B. aus US-6033415 und WO-98/27887.
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Der
Roboterarm hat einen Instrumentensensor 12 auf der Montageplatte
und nimmt daher eine feste Lage relativ zu dem Instrument ein. Der
Instrumentensensor umfaßt
eine Platte, die eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden (z.
B. 4 oder 6) auf dieser aufweist. Der Sensor erzeugt
ein Instrumentensignal, um die Position des Instrumentes 4 anzuzeigen.
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Die
Vorrichtung umfaßt
einen optischen Detektor 14, der das Signal empfangen kann,
das durch den Instrumentensensor 12 erzeugt wurde, um die Position
des Sensors zu überwachen.
Der optische Detektor weist mindestens zwei (z. B. 3) getrennte Empfangselemente
auf. Die Lage und Orientierung des Instrumentensensors 12 (und
somit ebenso des Instrumentes 4, das eine feste Lage relativ
zu dem Sensor einnimmt) kann basierend auf der bekannten geometrischen
Anordnung der LED's
auf dem Instrumentensensor und der Empfangselemente des Detektors
berechnet werden.
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Die
Vorrichtung umfaßt
ebenso einen Referenzsensor 16, der an dem Knochen in dem
Patienten 17 befestigt werden kann, an dem das chirurgische
Verfahren ausgeführt
werden soll. Der Referenzsensor 16, ebenso wie der Instrumentensensor 12,
umfaßt
eine Platte, die eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden aufweist,
die auf dieser angeordnet sind. Ist diese einmal an dem Knochen
befestigt, so kann die Lage und Orientierung des Referenzsensors 16 (und
somit ebenso von dem Knochen des Patienten, der eine feste Lage
relativ zu dem Sensor einnimmt) basierend auf der bekannten geometrischen
Anordnung der LED's
auf dem Sensor und der Empfangselemente des Detektors berechnet
werden.
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Die
Vorrichtung umfaßt
einen Lagesensor 18, der verwendet werden kann, um die
Lage des Knochens des Patientens in dem Koordinatensystem der Vorrichtung
zu erfassen, das in Be zug auf den Detektor 14 definiert
ist. Eine Erfassung der Lage des Knochens wird ausgeführt durch
Berühren
des Sensors an Bezugsmarkern, die in dem Knochen implantiert wurden,
bevor ein Scanvorgang (insbesondere ein Röntgen- oder CT-Scan) ausgeführt wird,
um ein Bild des Knochens zu erzeugen. Auf die Marker kann während des
chirurgischen Verfahrens Bezug genommen werden, um die Lage des
Knochens des Patientens in dem Koordinatensystem der Vorrichtung,
die durch den Referenzsensor angezeigt wird, mit einem zuvor erzeugten
Bild des Knochens in Bezug zu setzen. Die Verwendung solcher Marker
(oft als Bezugsmarker bezeichnet) mit einem Lagesensor ist üblich, wenn
sie mit einem Sensor verwendet werden, der mit einem Navigationscomputer
verbunden ist, der verwendet werden kann, um der Reihe nach jeden
Marker zu berühren,
um diesen für
den Computer zu identifizieren, der dann seine Position mit dem
zuvor erzeugten Bild des Knochens in Bezug setzen kann. Die Position
des Sensors kann auf mechanische Weise überwacht werden, z. B. durch
Anordnen desselben auf einem gelenkigen Arm, bei dem eine Bewegung
der Gelenke gemessen werden kann. Der Sensor wird sodann manuell
von einer anfangs bestimmten Ausgangsposition zu jedem der Marker
bewegt und die Position eines jeden Markers ist relativ zu der Ausgangsposition
durch eine Messung der Bewegung des Sensors bestimmt. Solche Messsysteme
sind im allgemeinen bekannt.
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Wahlweise
kann die Vorrichtung einen Sensor 20 für das Robotersteuerungssystem
umfassen, um die wahre Position des Robotersteuerungssystems innerhalb
des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen. Der Sensor des
Robotersteuerungssystems ist auf dem ortsfesten Basisabschnitt 9 des
Robotersteuerungssystems angeordnet. Der Sensor des Robotersteuerungssystems,
wie auch der Instrumentensensor 12, weist eine Platte auf,
die eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden aufweist, die auf
dieser angeordnet sind. Die Lage und Orientierung des Sensors 16 des
Robotersteuerungssystems (und somit ebenso des Knochens des Patientens,
der eine feste Lage relativ zu dem Sensor einnimmt) kann basierend
auf der bekannten geometrischen Anordnung der LED's auf dem Sensor
und der Empfangselemente des Detektors berechnet werden. Somit können Veränderungen
der Position des Robotersteuerungssystems bei den Befehlen berücksichtigt
werden, die von dem Computer für
das Robotersteuerungssystem erzeugt werden, um sicherzustellen,
daß das
chirurgische Instrument geeignet positioniert ist.
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Die
Verwendung der Vorrichtung entsprechend der Erfindung kann in Übereinstimmung
mit der folgenden Reihenfolge von Schritten erfolgen:
- 1. Chirurgische Implantation der Bezugsmarker in den Knochen,
an dem das chirurgische Instrument 4 arbeiten soll.
- 2. Erstellen eines Bildes des Knochens, z. B. mittels einer
Röntgen-
oder Computertomographiescanausrüstung
(nicht dargestellt).
- 3. Planen des chirurgischen Verfahrens, das ausgeführt werden
soll, umfassend die Schritte, die unter Verwendung des chirurgischen
Instrumentes ausgeführt
werden sollen.
- 4. Anordnen des Patienten auf einem Operationstisch auf eine
solche Weise, daß eine
Bewegung des Knochens, an dem das Instrument 4 arbeiten soll,
minimiert wird.
- 5. Anordnen des Referenzsensors 16 in einer festen
Lage relativ zu dem Knochen.
- 6. Bestimmen der Lage des Knochens in dem Koordinatensystem
der Vorrichtung, das in Bezug auf den Detektor 14 definiert
ist, mittels des Sensors 18, durch Berühren der Marker auf dem Knochen.
- 7. Ausführen
eines Matching-Verfahrens, um (a) die Koordinaten der Marker in
dem Bild des Knochens, das in Schritt 2 erzeugt wurde,
mit (b) den Koordinaten der Marker, wie sie mittels des Sensors 18 in
Schritt 6 bestimmt wurden, in Übereinstimmung zu bringen.
- 8. Erfassen von Signalen von dem Instrumentensensor 12 und
dem Referenzsensor 16, mittels des Detektors 14,
und Berechnen der Lage und Orientierung des Instrumentensensors
(und somit ebenso des Instrumentes 4, das eine feste relative
Lage zu dem Sensor einnimmt) und des Referenzsensors (und somit
ebenso des Knochens, an dem der Referenzsensor befestigt ist).
- 9. Erzeugen eines Signals mittels eines Computers 5,
das an das Robotersteuerungssystem 6 übertragen wird, damit der Roboterarm 8 eine
Bewegung des Instrumentes 5 an eine gewünschte Position relativ zu
dem Knochen des Patientens ausführt,
in der das Instrument an dem Knochen arbeiten kann.
- 10. Vergleichen der tatsächlichen
Position des chirurgischen Instrumentes, wie sie anhand des Signals,
das der Detektor von dem Instrumentensensor empfangen hat, bestimmt
wurde, mit der gewünschten
Position relativ zu dem Knochen.
- 11. Erzeugen eines Signals mittels des Computers, damit der
Roboterarm eine Bewegung des Instrumentes hervorruft, so daß die Differenz
zwischen der gewünschten
Position relativ zu dem Knochen des Patientens und der tatsächlichen Position
des Instrumentes verringert wird.
- 12. Wiederholen der Schritte 9 und 10, soweit
notwendig.
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Der
Schritt 1 des zuvor beschriebenen Verfahrens kann ausgelassen
werden, falls anatomische Landmark-Marker (z. B. durch bestimmte,
unterscheidbare Orte auf der Knochenoberfläche oder durch unterscheidbare
Knochenkonturen bereitgestellt) an Stelle der implantierten Marker
verwendet werden. Derartige Landmark-Marker werden in einem Bild
identifiziert, das von einer präoperativen Untersuchung
des Patienten (wie der in Schritt 2) stammt. Diese müssen ebenso
während
des Verfahrens mittels eines Sensors (wie z. B. dem Sensor 18) identifiziert
werden, um die Landmark-Marker zu kontaktieren oder um eine Vielzahl
von Punkten durch ein Verfahren entlang einer anatomischen Kontur oder
Oberfläche
(in einem Schritt analog zu dem Schritt 6) zu erzeugen.
Die Verwendung von anatomischen Landmark-Markern hat den Vorteil, daß der Patient
sich nicht einem vorausgehenden chirurgischen Verfahren unterwerfen
muß, in
dem die Marker implantiert werden.
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Für den Fall,
daß sich
der Patient innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung bewegt, wird
eine solche Bewegung von dem Detektor anhand des Signals, das an
diesen von dem Referenzsensor übertragen
wird, erfaßt.
Eine solche Bewegung kann zu einer Veränderung der Differenz zwischen
der gewünschten
Position des chirurgischen Instrumentes (die in Bezug auf den Knochen
definiert ist) und der tatsächlichen
Position des Instrumentes führen.
Dies kann zu zusätzlichen
Signalen, die von dem Computer erzeugt werden, führen, damit der Roboterarm
eine Bewegung des Instrumentes hervorruft, so daß die Bewegung des Patienten
berücksichtigt
wird.
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Eine
genaue Positionierung des Instrumentes kann es erfordern, daß die Position
des festen Abschnittes des Robotersteuerungssystems 6 genau bekannt
ist, da die Position des chirurgi schen Instrumentes 4 auf
der Montageplatte 10 als Reaktion auf ein Signal geändert wird,
das von dem Robotersteuerungssystem empfangen wird und eine Bewegung des
Roboterarmes 8 relativ zu dem festen Abschnitt des Systems
hervorruft. Für
den Fall, daß sich
der feste Abschnitt des Robotersteuerungssystems innerhalb des Koordinatensystems
der Vorrichtung (relativ zu dem Detektor 14 definiert)
bewegt, so wird eine derartige Bewegung von dem Detektor anhand des
Signals, das an diesen von dem Referenzsensor übertragen wird, erfaßt. Eine
solche Bewegung kann zu einer Änderung
in der Differenz zwischen der gewünschten Position des chirurgischen
Instrumentes (die bezügl.
des Knochens definiert ist) und der tatsächlichen Position des Instrumentes
führen.
Dies kann zu zusätzlichen
Signalen, die durch den Computer erzeugt werden, führen, um
eine Bewegung des Instrumentes durch den Roboterarm hervorzurufen,
so daß die
Bewegung des Patienten berücksichtigt
wird.
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Die
Vorrichtung entsprechend der Erfindung ermöglicht es, Fehler bei der Roboterpositionierung eines
chirurgischen Instrumentes durch Kalibrierungsfehler in dem Roboter
zu reduzieren. Dadurch wird die Bedeutung einer genauen Kalibrierung
des Roboters verringert.
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Beispiele
für Instrumente,
die an der Montageplatte 10 befestigt werden können, umfassen
Dorne, Ahlen und Sägen.
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2 ist
eine schematische Ansicht eines Sensors, der bspw. ein Instrumentensensor
oder ein Referenzsensor sein könnte.
Der Sensor weist drei lichtemittierende Dioden 30 auf,
die räumlich
beabstandet auf einem Tragrahmen 32 angeordnet sind. Der
Tragrahmen weist einen Montageabschnitt 34 auf, mit dem
dieser an seinem jeweiligen Träger
(Instrument, Patient usw.) befestigt werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Vorrichtung
zum Positionieren eines chirurgischen Instruments
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Vorrichtung
zum Positionieren eines chirurgischen Instruments (4) während eines
orthopädischen Chirurgieverfahrens
relativ zu einem Koordinatensystem der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung
ein chirurgisches Instrument und ein Robotersteuerungssystem (6)
zum Bewegen des chirurgischen Instrumentes innerhalb des Koordinatensystems
der Vorrichtung entsprechend Programmbefehlen umfaßt. Ein
Instrumentensensor (12) weist eine feste relative Lage
zu dem Instrument auf, um die wahre Position des Instruments innerhalb
des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen, und ein Referenzsensor
(16) wird folgend an einem Knochen des Patienten befestigt,
um die Lage des Knochens des Patientens innerhalb des Koordinatensystems
der Vorrichtung anzuzeigen. Ein Detektor (14) dient dazu, die
Positionen des Instrumentensensor und des Referenzsensors zu überwachen,
und ein Signalprozessor ist angeordnet, um Positionssignale von
dem Detektor zu empfangen und ein gewünschtes Positionssignal für das Robotersteuerungssystem
zu erzeugen, um das chirurgische Instrument an eine gewünschte Stelle
relativ zu dem Referenzsensor zu bewegen, durch ein Verfahren, das
ein Minimieren der Differenz zwischen der wahren Position des Instrumentes
und der gewünschten
Position beinhaltet.