WO2007000267A1 - Method for determining the relative position of a marking element on a surgical instrument and surgical instrument and navigation system for carrying out said method - Google Patents

Method for determining the relative position of a marking element on a surgical instrument and surgical instrument and navigation system for carrying out said method Download PDF

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WO2007000267A1
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marking element
relative
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Sergej Kammerzell
Benoît MOLLARD
Gerhard Reu
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Aesculap Ag & Co. Kg
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    • A61B2090/3983—Reference marker arrangements for use with image guided surgery

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the relative position of a marking element of a navigation system on a surgical instrument and to a surgical instrument and a navigation system for carrying out this method.
  • This object is achieved in a method of the type described above according to the invention in that it determines the instrument, the marking element at different points of the instrument and in a defined position to the instrument that for all positions, the position data of the marking relative to a selected reference point of the Instrument determined and stores each place corresponding records that one determines by means of a navigation system, the position of the reference point and the position of the marking and that calculated from the position data of the reference point and the marking element, the position data of the marking element relative to the selected reference point and that one calculated these Position data of the marking element relative to the selected reference point with the stored data records and, for the final determination of the position data of the marking element relative to the selected reference point, compares the data of the stored data record selects which are closest to the calculated position data.
  • an instrument is used on which marking elements can be mounted at different locations and in a different orientation relative to the instrument, for example by means of a suitable slip-on coupling.
  • the surgeon can so if necessary, the marking element to another coupling and thus achieve that the marking element is positioned relative to the instrument so that in the particular use of the instrument full visibility of the individual parts of the marking in relation to the navigation system is preserved.
  • the navigation system in such a change of place receives information about where now the marker is on the instrument, so that the navigation system for calculating the position of the instrument, this changed position and thus the changed relative position of the marker for Instrument can take into account.
  • “different location” means not only a different location on the instrument on which the marking element can be arranged, but optionally also a different orientation of the marking element at the same location. It is merely essential that the position of the radiation-receiving and / or radiation-emitting parts of the marking element is different at "different points" relative to the instrument, so that these radiation-receiving or radiation-emitting parts of the marking elements are arranged at different locations.
  • the fixing point of the marking element on the instrument can be different, but it is also possible in principle that this fixing point is the same, but the orientation of the marking element is changed at the same fixing point. A change in orientation can also be made at different setting points.
  • the position data of the marking element are initially determined for all points relative to a reference point fixed to the instrument. For example, this determination can be made very accurately by the manufacturer of the instrument by measuring the distances of the individual parts of the marking element from this selected reference point. be taken.
  • the corresponding position data are stored in data records.
  • the position of the reference point and, secondly, the position of the marking element are now determined by means of the navigation system.
  • the position of the reference point can often not be determined very precisely; for example, the reference point can be determined by applying the instrument to a contact surface whose position is known or determined by the navigation system, the reference point being defined relative to the contact surface Position is.
  • errors may arise here, so that the position of the reference point can not be done with the required accuracy, while the navigation system can of course determine the position of the marking element with the accuracy inherent in the navigation system.
  • the position data of the reference point and of the marking element thus determined are therefore to be used only as raw data since they indicate only approximately the position data of the marking element at the respective point of the instrument relative to the reference point.
  • comparing these obtained as raw data position data with the stored records it will be found that these raw data one of the stored records particularly close, and now you select the stored data from this record, we obtain an accurate assignment of the marking element to a specific Position of the instrument and the reference point, that is, in this way can be communicated with the required security to the navigation system, at which point of the instrument, the marker is located.
  • the instrument in order to determine the position of the selected reference point, the instrument is brought into a defined abutment on a body which is connected to a marking element of the navigation system, and that one can use the measured position data of the body and the stored relative position data of the Body and the instrument at the defined investment of the instrument on the body, the position data of the selected reference point calculated. If, for example, the body has a specific receiving recess into which a specific part of the instrument can be inserted in a defined system, one can take from the stored relative positional data of the body and the instrument in the defined system the position of the reference point to the body and from the knowledge of the Position data of the body also calculate the position data of the selected reference point.
  • the selected reference point of the instrument in the defined system on the body at least approximately coincides with a reference point of the body.
  • Such a reference point can be, for example, the center of an acetabulum of a pelvic bone.
  • the instrument carries a spherical-shaped milling head and if the selected reference point lies in the center of the spherical milling head. Inserting this spherical milling head in the acetabulum of a pelvic bone, the center of the milling head with the center of the acetabulum will at least approximately coincide and obtained in this way a clear relationship between the position data of the center of the milling head and thus the selected reference point on the instrument on the one hand and the center of the acetabulum and thus the body on the other hand, which is navigated over the marking element.
  • a surgical instrument for carrying out this method is characterized in that it has a plurality of couplings for placing a marking element on the instrument, which allow the placement of the marking element on the instrument in different relative positions.
  • the relative positions are chosen such that the position data of the marking element relative to a selected reference point of the instrument are distinguishable for all relative positions of the marking element and the instrument, so that it is clear when determining the position data of the marking element relative to the selected reference point, in which relative position of the instrument, the marking element is in each case.
  • the couplings may protrude radially from a part of the instrument and point in different directions.
  • the instrument carries a spherically shaped milling head and that the selected reference point lies in the center of the spherical milling head.
  • the invention also relates to a navigation system for determining the relative position of a marking element of a navigation system on a surgical instrument, on which the marking element can be fixed at different points of the instrument and in a defined position relative to the instrument, with transmitters and receivers of radiation for determining the position of a marking element and with a data processing device.
  • the data processing device be programmed such that for each point a data record of the position data of the marking element relative to a selected reference point of the marking element Instrument stores and that it calculates the location data of the marking element relative to the selected reference point from the position data determined by the navigation system of the marker and that it compares these calculated position data of the marker relative to the selected reference point with the stored data sets and the final determination of the location data of the marking element relative to the selected reference point, selects the data of the stored data set closest to the calculated position data.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a patient with a pelvic bone provided with a marking element, an instrument provided with a marking element and a navigation device. system with data processing device for determining the position of the marking elements;
  • FIG. 2 shows a schematic view of an instrument provided with marking elements during installation in the acetabulum of a pelvic bone
  • FIG. 3 shows a perspective view of the instrument of FIG. 2 with marking elements fixed to the instrument in different places and in different directions.
  • the invention will be discussed below using the example of an instrument used to machine the acetabulum in a pelvic bone. Such machining is necessary in the replacement of the natural hip joint by an artificial hip joint, the acetabulum must be prepared by means of a generally spherical milling head for receiving an artificial acetabular cup.
  • an instrument 1 which carries at its end a spherical, rotating milling head 2.
  • the instrument shown in the drawing has for this purpose an elongated shaft 3 with a radially projecting handle 4 and with a subsequent to the shaft 3 front, obliquely to the longitudinal axis of the shaft 3 extending portion 5, which carries the hemispherical milling head 2 at its free end , The axis of rotation of the milling head 2 is thereby offset laterally with respect to the longitudinal axis of the shaft 3, resulting in a cranked arrangement of the instrument.
  • a plurality of radially projecting coupling pin 7 are arranged on a concentrically surrounding and fixed to him ring collar 6, in the embodiment of Figure 2, two diametrically opposed coupling pin 7 are shown in the embodiment of Figure 3, however, eight star-shaped projecting on all sides of the coupling pin 7.
  • a marking element 8 of a navigation system 9 on each coupling pin 7, a marking element 8 of a navigation system 9 in a defined position and be removed again detachable.
  • Each of these marking elements 8 carry in the illustrated embodiment, four spherical reflectors 10, which are arranged at a distance to each other.
  • only one marking element 8 is placed on an instrument 1, it can be arranged in a different position relative to the instrument 1, depending on which soft the plurality of coupling pin 7, the marking element 8 is plugged.
  • eight different positions of the marking element 8 are possible relative to the instrument, in the embodiment of Figure 2 only two.
  • the instrument is shown with two marking elements.
  • only one marking element is plugged on, in the representation of FIG. 2 only two marking elements are shown in different positions and orientations in order to illustrate the different distances of the reflectors 10 of the marking element 8 from a reference point 11 fixed to the instrument.
  • the selected reference point 11 of the instrument of Figure 2 may for example be the center of the milling head 2, which is offset laterally due to the laterally offset arrangement of the milling head 2 with respect to the longitudinal axis of the shaft 3. If the marking elements 8 are placed on two coupling pins 7 projecting radially from the shaft, this results in different distances of the reflectors 10 of the marking elements. element 8 of this selected reference point 11 in the center of the milling head. 2
  • the position of the marking element 8 can be determined by means of the navigation system 9, which has a plurality of spaced-apart transmitter 12 in a conventional manner, which can also act as a receiver at the same time.
  • These emit radiation for example infrared radiation, which is reflected at the reflectors 10 of the marking elements 8 and is picked up again by the receivers of the navigation system.
  • the position of each reflector can be determined in space and thus the position and orientation of each marking element, since the relative assignment of the reflectors 10 on the marking element 8 always remains the same and the navigation system is known.
  • Another such marker 13 is fixed to the pelvic bone 14 of a patient during hip replacement surgery; similarly, an additional marker 15 may be secured to the femur 16.
  • the position data of all marking elements are determined by the navigation system 9 and can be processed in a data processing device 17, this data processing device 17 can be assigned a display unit 18, are displayed on the basis of the determined data orientation aids for the surgeon.
  • records are stored, which reproduce the position data of the marking element 8 on the instrument 1 relative to the selected reference point 11, for the different positions of the marking element 8 when plugging on different coupling pin 7. For each of these coupling pin 7, such results Data record that is stored in the data processing device. This data can be determined very accurately, for example, directly from the manufacturer by measuring the distances between the reflectors 10 and the reference point 11th
  • the location of the center of the acetabulum in the pelvic bone and thus relative to the marker 13 is determined. This can take place in different ways, for example by pivoting the femur 16 in the hip joint and thereby receiving the web which passes over the marking element 15 fixed to the femur 16 relative to the pelvic bone 14 and thus to the marking element 13.
  • This trajectory is a trajectory on a spherical surface whose center is the center of the acetabulum because the hip joint is approximately a ball joint.
  • the data processing device can thus calculate the center of the acetabulum from the position data of the marking element 15 of the femur 16.
  • Another method is to scan individual points on the surface of the acetabulum with a navigated palpation instrument. assume that the acetabulum is a spherical surface to calculate the center.
  • the center of the milling head 2 will coincide approximately with the center of the acetabulum, that is, one will achieve a defined positioning of the milling head 2 in the acetabulum at this plant.
  • the position of the center of the acetabulum will be determined by the navigation system on the orientation of the marker 13, so that one can indirectly determine the position of the selected reference point 11 via the navigation system in this way. This will also determine the position of the marking element 8 on the instrument 1, and so one obtains two records for the position data of the selected reference point 11 on the one hand and for the position data of the marking element 8 on the other.
  • the position data of the selected reference point 11 will not be all that accurate, since the abutment of the milling head 2 on the inner surface of the acetabulum is associated with uncertainties.
  • the data processing device 17 can, for example, determine from the position data of the selected reference point 11 and the marking element 8 the relative position of the selected reference point 11 in a coordinate system fixedly connected to the marking element 8 and compare these position data with the stored data sets which determine the exact relationships between the position data of the Marking element 8 in different positions on the instrument and the selected reference point 11 present and which has been determined as described with high accuracy. By comparison, the data processing device can determine to which of the prestored data sets the empirically determined data set best matches, and instead of the empirically determined relative position data of the marking element and the selected reference point, the data processing device will use the stored data set which indicates exactly in what position the marking element 8 is located on the instrument 1.
  • this determination process can be repeated in a very simple manner by repeating the process, ie by applying the milling head 2 to the acetabulum, and thus the navigation system 9 provide exact position data of the marker 8 on the instrument 1 in the new position.

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Abstract

The invention relates to a method for determining the relative positive of a marking element of a navigation system on a surgical instrument which enables the instruments to be used in various working directions. According to the invention, the marking element determines various positions of the instrument and a defined position in relation to the instrument, such that the positional data of the marking element is determined in relation to a selected reference point of the instrument for all positions and stores data sets which correspond to each position, such that the position of the reference point and the position of the navigation system is determined by means of the navigation system. The positional data of the marking element in relation to the selected reference point is calculated by means of the positional data of the reference point and the marking elements and said calculated positional data of the marking elements in relation to the selected reference point is compared, in relation to the selected reference point, to the stored data sets and the data of the stored data sets is selected for the definitive determination of the positional data of the marking element, which succeeds the calculated positional data. The invention also relates to an instrument and a navigation system for carrying out said method.

Description

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER RELATIVPOSITION EINES METHOD FOR DETERMINING THE RELATIVE POSITION OF AN
MARKIERELEMENTES AN EINEM CHIRURGISCHEN INSTRUMENTMARKING ELEMENTS ON A SURGICAL INSTRUMENT
SOWIE CHIRURGISCHES INSTRUMENT UND NAVIGATIONSSYSTEMAS WELL AS SURGICAL INSTRUMENT AND NAVIGATION SYSTEM
ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENSFOR IMPLEMENTING THIS PROCEDURE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Relativposition eines Markierelementes eines Navigationssystems an einem chirurgischen Instrument sowie ein chirurgisches Instrument und ein Navigationssystem zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for determining the relative position of a marking element of a navigation system on a surgical instrument and to a surgical instrument and a navigation system for carrying out this method.
Bei der Verwendung von navigierten chirurgischen Instrumenten, bei denen deren Position und Orientierung, im folgenden als Lage bezeichnet, im Raum mittels eines Navigationssystems bestimmt werden, muß darauf geachtet werden, daß das an dem Instrument festgelegte Markierelement ununterbrochen für den Sender und Empfänger des Navigationssystems sichtbar ist, da die von dem Sender auf das Markierelement gesandte und von diesem an den Empfänger des Navigationssystems gesandte Strahlung für den Navigationsprozeß ununterbrochen zur Verfügung stehen muß.When using navigated surgical instruments in which their position and orientation, hereinafter referred to as location, are determined in space by means of a navigation system, care must be taken that the marking element fixed to the instrument is continuously visible to the sender and receiver of the navigation system is because the sent from the transmitter to the marker and sent by this to the receiver of the navigation system radiation for the navigation process must be continuously available.
Bei unterschiedlichen Zugängen zum Körper und bei unterschiedlicher Lage des Körpers auf dem Operationstisch kann dies schwierig sein, da eine Abschattung oder Abdeckung eintreten kann. Es kann dann notwendig sein, das verwendete Instrument auszutauschen gegen ein Instrument, an dem das Markierelement in anderer Lage festgelegt ist, so daß bei einem speziellen Einsatz keine derartige Abdeckung des Markierelementes eintritt.With different access to the body and with different position of the body on the operating table, this can be difficult, since shading or covering may occur. It may then be necessary to replace the instrument used against an instrument to which the marking element is fixed in a different position, so that in a specific use no such cover of the marking occurs.
Dies ist natürlich umständlich und setzt voraus, daß mehrere derartige Instrumente mit unterschiedlich orientierten Markierelementen zur Verfügung stehen, die wahlweise bei verschiedenen Zugängen und verschiedenen Lagen des Patienten eingesetzt werden können.This is of course cumbersome and requires that several such instruments with differently oriented marking elements available which can be used optionally at different approaches and different positions of the patient.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Vereinfachung erzielt werden kann.It is an object of the invention to provide a method with which a simplification can be achieved.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man an dem Instrument, das Markierelement an verschiedenen Stellen des Instrumentes und in definierter Lage zum Instrument festlegt, daß man für alle Stellen die Lagedaten des Markierelementes relativ zu einem ausgewählten Bezugspunkt des Instrumentes bestimmt und jeder Stelle entsprechende Datensätze speichert, daß man mittels eines Navigationssystems die Lage des Bezugspunktes und die Lage des Markierelementes bestimmt und daß man aus den Lagedaten des Bezugspunktes und des Markierelementes die Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt berechnet und daß man diese berechneten Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt mit den gespeicherten Datensätzen vergleicht und zur endgültigen Festlegung der Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt die Daten des gespeicherten Datensatzes auswählt, die den berechneten Lagedaten am nächsten kommen.This object is achieved in a method of the type described above according to the invention in that it determines the instrument, the marking element at different points of the instrument and in a defined position to the instrument that for all positions, the position data of the marking relative to a selected reference point of the Instrument determined and stores each place corresponding records that one determines by means of a navigation system, the position of the reference point and the position of the marking and that calculated from the position data of the reference point and the marking element, the position data of the marking element relative to the selected reference point and that one calculated these Position data of the marking element relative to the selected reference point with the stored data records and, for the final determination of the position data of the marking element relative to the selected reference point, compares the data of the stored data record selects which are closest to the calculated position data.
Man verwendet also ein Instrument, an dem Markierelemente an unterschiedlichen Stellen und in unterschiedlicher Orientierung relativ zum Instrument angebracht werden können, beispielsweise durch eine geeignete Aufsteckkupplung. Der Operateur kann also bei Bedarf das Markierelement auf eine andere Kupplung umstecken und damit erreichen, daß das Markierelement relativ zum Instrument so positioniert ist, daß bei dem jeweiligen Einsatz des Instrumentes eine volle Sichtbarkeit der Einzelteile des Markierelementes in Bezug auf das Navigationssystem erhalten bleibt. Es ist aber notwendig, daß dem Navigationssystem bei einem solchen Wechsel der Stelle eine Information zukommt darüber, an welcher Stelle sich nunmehr das Markierelement am Instrument befindet, damit das Navigationssystem zur Berechnung der Lage des Instrumentes diese geänderte Stelle und damit die geänderte Relativposition des Markierelementes zum Instrument berücksichtigen kann.Thus, an instrument is used on which marking elements can be mounted at different locations and in a different orientation relative to the instrument, for example by means of a suitable slip-on coupling. The surgeon can so if necessary, the marking element to another coupling and thus achieve that the marking element is positioned relative to the instrument so that in the particular use of the instrument full visibility of the individual parts of the marking in relation to the navigation system is preserved. However, it is necessary that the navigation system in such a change of place receives information about where now the marker is on the instrument, so that the navigation system for calculating the position of the instrument, this changed position and thus the changed relative position of the marker for Instrument can take into account.
Unter "unterschiedlicher Stelle" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur ein unterschiedlicher Ort an dem Instrument verstanden, an dem das Markierelement angeordnet werden kann, sondern gegebenenfalls auch eine unterschiedliche Orientierung des Markierelementes am selben Ort. Wesentlich ist lediglich, daß die Lage der die Strahlung empfangenden und/oder die Strahlung emittierenden Teile des Markierelementes an "unterschiedlichen Stellen" relativ zu dem Instrument unterschiedlich ist, so daß dadurch diese strah- lungsempfangenden beziehungsweise Strahlungsemittierenden Teile der Markierelemente an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind. Der Festlegungspunkt des Markierelementes am Instrument kann dabei unterschiedlich sein, es ist aber grundsätzlich auch möglich, daß dieser Festlegungspunkt gleich ist, jedoch die Orientierung des Markierelementes bei gleichem Festlegungspunkt geändert wird. Eine Änderung der Orientierung kann auch bei unterschiedlichen Festlegungspunkte erfolgen.For the purposes of the present invention, "different location" means not only a different location on the instrument on which the marking element can be arranged, but optionally also a different orientation of the marking element at the same location. It is merely essential that the position of the radiation-receiving and / or radiation-emitting parts of the marking element is different at "different points" relative to the instrument, so that these radiation-receiving or radiation-emitting parts of the marking elements are arranged at different locations. The fixing point of the marking element on the instrument can be different, but it is also possible in principle that this fixing point is the same, but the orientation of the marking element is changed at the same fixing point. A change in orientation can also be made at different setting points.
Um die Auswahl der Stellungen möglichst rasch und einfach durchführen zu können und dabei mit hoher Genauigkeit, werden zunächst für alle Stellen die Lagedaten des Markierelementes relativ zu einem instrumentenfest ausgewählten Bezugspunkt bestimmt. Diese Bestimmung kann beispielsweise vom Hersteller des Instrumentes durch Ausmessen von Abständen der Einzelteile des Markierelementes von diesem ausgewählten Bezugspunkt sehr genau vor- genommen werden. Die entsprechenden Lagedaten werden in Datensätzen gespeichert.In order to be able to carry out the selection of the positions as quickly and easily as possible and with high accuracy, the position data of the marking element are initially determined for all points relative to a reference point fixed to the instrument. For example, this determination can be made very accurately by the manufacturer of the instrument by measuring the distances of the individual parts of the marking element from this selected reference point. be taken. The corresponding position data are stored in data records.
Um festzustellen, an welcher Stelle des Instrumentes sich das Markierelement tatsächlich befindet, wird nun mittels des Navigationssystems einmal die Lage des Bezugspunktes und zum andere die Lage des Markierelementes bestimmt. Die Lage des Bezugspunktes läßt sich oft nicht sehr genau bestimmten, beispielsweise kann der Bezugspunkt dadurch bestimmt werden, daß das Instrument an einer Anlagefläche angelegt wird, deren Position bekannt ist oder durch das Navigationssystem bestimmt wird, wobei der Bezugspunkt relativ zu der Anlagefläche in einer definierten Position liegt. Während der Operation können sich hier Fehler ergeben, so daß die Lage des Bezugspunktes nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erfolgen kann, während das Navigationssystem die Lage des Markierelementes natürlich mit der Genauigkeit bestimmen kann, die dem Navigationssystem eigen ist.In order to determine at which point of the instrument the marking element is actually located, the position of the reference point and, secondly, the position of the marking element are now determined by means of the navigation system. The position of the reference point can often not be determined very precisely; for example, the reference point can be determined by applying the instrument to a contact surface whose position is known or determined by the navigation system, the reference point being defined relative to the contact surface Position is. During the operation, errors may arise here, so that the position of the reference point can not be done with the required accuracy, while the navigation system can of course determine the position of the marking element with the accuracy inherent in the navigation system.
Die Lagedaten des Bezugspunktes und des Markierelementes, die auf diese Weise bestimmt werden, sind daher nur als Rohdaten zu verwenden, da sie nur ungefähr die Lagedaten des Markierelementes an der jeweiligen Stelle des Instrumentes relativ zum Bezugspunkt angeben. Vergleicht man jedoch diese als Rohdaten gewonnenen Lagedaten mit den gespeicherten Datensätzen, so wird sich ergeben, daß diese Rohdaten einem der gespeicherten Datensätze besonders nahekommen, und wählt man nunmehr die gespeicherten Daten dieses Datensatzes aus, so erhält man eine genaue Zuordnung des Markierelementes an einer bestimmten Stelle des Instrumentes und des Bezugspunktes, das heißt auf diese Weise kann mit der erforderlichen Sicherheit dem Navigationssystem mitgeteilt werden, an welcher Stelle des Instrumentes das Markierelement sich befindet. Dies ist möglich, obwohl der Bezugspunkt nur mit einer relativ geringen Genauigkeit bestimmt werden muß, trotzdem ergibt sich eine eindeutige und klare Zuordnung zu einer bestimmten Stelle des Instrumentes, an der das Markierelement festgelegt ist.The position data of the reference point and of the marking element thus determined are therefore to be used only as raw data since they indicate only approximately the position data of the marking element at the respective point of the instrument relative to the reference point. However, comparing these obtained as raw data position data with the stored records, it will be found that these raw data one of the stored records particularly close, and now you select the stored data from this record, we obtain an accurate assignment of the marking element to a specific Position of the instrument and the reference point, that is, in this way can be communicated with the required security to the navigation system, at which point of the instrument, the marker is located. This is possible, although the reference point must be determined only with a relatively low accuracy, nevertheless results A clear and clear assignment to a specific point of the instrument on which the marker is set.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, daß man zur Bestimmung der Lage des ausgewählten Bezugspunktes das Instrument in eine definierte Anlage an einen Körper bringt, der mit einem Markierelement des Navigationssystems verbunden ist, und daß man aus den gemessenen Lagedaten des Körpers und den gespeicherten relativen Lagedaten des Körpers und des Instrumentes bei der definierten Anlage des Instrumentes am Körper die Lagedaten des ausgewählten Bezugspunktes berechnet. Wenn beispielsweise der Körper eine bestimmte Aufnahmevertiefung aufweist, in die ein bestimmtes Teil des Instrumentes in definierter Anlage einführbar ist, kann man aus den gespeicherten relativen Lagedaten des Körpers und des Instrumentes bei der definierten Anlage die Lage des Bezugspunktes zum Körper übernehmen und daraus bei Kenntnis der Lagedaten des Körpers auch die Lagedaten des ausgewählten Bezugspunktes berechnen.It can be provided, for example, that in order to determine the position of the selected reference point, the instrument is brought into a defined abutment on a body which is connected to a marking element of the navigation system, and that one can use the measured position data of the body and the stored relative position data of the Body and the instrument at the defined investment of the instrument on the body, the position data of the selected reference point calculated. If, for example, the body has a specific receiving recess into which a specific part of the instrument can be inserted in a defined system, one can take from the stored relative positional data of the body and the instrument in the defined system the position of the reference point to the body and from the knowledge of the Position data of the body also calculate the position data of the selected reference point.
Es ist dabei günstig, wenn der ausgewählte Bezugspunkt des Instrumentes in der definierten Anlage am Körper mit einem Referenzpunkt des Körpers zumindest annähernd zusammenfällt.It is advantageous if the selected reference point of the instrument in the defined system on the body at least approximately coincides with a reference point of the body.
Ein solcher Referenzpunkt kann beispielsweise der Mittelpunkt eines Acetabu- lums eines Beckenknochens sein. Insbesondere ist es in diesem Falle günstig, wenn das Instrument einen kugelig geformten Fräskopf trägt und wenn der ausgewählte Bezugspunkt im Mittelpunkt des kugeligen Fräskopfes liegt. Legt man diesen kugeligen Fräskopf in das Acetabulum eines Beckenknochens ein, so wird der Mittelpunkt des Fräskopfes mit dem Mittelpunkt des Acetabulums zumindest annähernd zusammenfallen und man erhält auf diese Weise eine klare Beziehung zwischen den Lagedaten des Mittelpunktes des Fräskopfes und damit des ausgewählten Bezugspunktes am Instrument einerseits und des Mittelpunkts des Acetabulums und damit des Körpers andererseits, der über das Markierelement navigiert ist.Such a reference point can be, for example, the center of an acetabulum of a pelvic bone. In particular, it is advantageous in this case if the instrument carries a spherical-shaped milling head and if the selected reference point lies in the center of the spherical milling head. Inserting this spherical milling head in the acetabulum of a pelvic bone, the center of the milling head with the center of the acetabulum will at least approximately coincide and obtained in this way a clear relationship between the position data of the center of the milling head and thus the selected reference point on the instrument on the one hand and the center of the acetabulum and thus the body on the other hand, which is navigated over the marking element.
Ein chirurgisches Instrumente zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß es mehrere Kupplungen zum Aufsetzen eines Markierelementes auf das Instrument aufweist, die das Aufsetzen des Markierelementes auf das Instrument in verschiedenen Relativpositionen ermöglichen.A surgical instrument for carrying out this method is characterized in that it has a plurality of couplings for placing a marking element on the instrument, which allow the placement of the marking element on the instrument in different relative positions.
Es ist vorteilhaft, wenn die Relativpositionen so gewählt sind, daß die Lagedaten des Markierelementes relativ zu einem ausgewählten Bezugspunkt des Instrumentes für alle Relativpositionen des Markierelementes und des Instrumentes unterscheidbar sind, so daß bei Bestimmung der Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt klar ist, in welcher Relativposition des Instrumentes sich das Markierelement jeweils befindet.It is advantageous if the relative positions are chosen such that the position data of the marking element relative to a selected reference point of the instrument are distinguishable for all relative positions of the marking element and the instrument, so that it is clear when determining the position data of the marking element relative to the selected reference point, in which relative position of the instrument, the marking element is in each case.
Die Kupplungen können beispielsweise radial von einem Teil des Instrumentes abstehen und in unterschiedliche Richtung weisen.For example, the couplings may protrude radially from a part of the instrument and point in different directions.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Instrument einen kugelig geformten Fräskopf trägt und daß der ausgewählte Bezugspunkt im Mittelpunkt des kugeligen Fräskopfes liegt.In a preferred embodiment it is provided that the instrument carries a spherically shaped milling head and that the selected reference point lies in the center of the spherical milling head.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß die radial abstehenden Kupplungen in einer Ebene liegen und radial zu einer senkrecht auf dieser Ebene stehenden Längsachse verlaufen und daß der Fräskopf mit seinem Mittelpunkt seitlich gegenüber der Längsachse versetzt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Navigationssystem zur Bestimmung der Relativposition eines Markierelementes eines Navigationssystems an einem chirurgischen Instrument, an welchem das Markierelement an verschiedenen Stellen des Instrumentes und in definierter Lage zum Instrument festlegbar ist, mit Sendern und Empfängern von Strahlung zur Lagebestimmung eines Markierelementes und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung.It can be provided in particular that the radially projecting couplings lie in a plane and extend radially to a longitudinal axis perpendicular to this plane and that the milling head is laterally offset with its center with respect to the longitudinal axis. The invention also relates to a navigation system for determining the relative position of a marking element of a navigation system on a surgical instrument, on which the marking element can be fixed at different points of the instrument and in a defined position relative to the instrument, with transmitters and receivers of radiation for determining the position of a marking element and with a data processing device.
Um mit Hilfe eines solchen Navigationssystems in einfacher Weise die Anordnung des Markierelementes an einer bestimmten Stelle des Instrumentes feststellen zu können, wird vorgeschlagen, daß die Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert ist, daß sie für jede Stelle einen Datensatz der Lagedaten des Markierelementes relativ zu einem ausgewählten Bezugspunkt des Instrumentes speichert und daß sie aus dem vom Navigationssystem bestimmten Lagedaten des Bezugspunktes und des Markierelementes die Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt berechnet und daß sie diese berechneten Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt mit den gespeicherten Datensätzen vergleicht und zur endgültigen Festlegung der Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt die Daten des gespeicherten Datensatzes auswählt, die den berechneten Lagedaten am nächsten kommen.In order to be able to easily determine the arrangement of the marking element at a specific position of the instrument with the aid of such a navigation system, it is proposed that the data processing device be programmed such that for each point a data record of the position data of the marking element relative to a selected reference point of the marking element Instrument stores and that it calculates the location data of the marking element relative to the selected reference point from the position data determined by the navigation system of the marker and that it compares these calculated position data of the marker relative to the selected reference point with the stored data sets and the final determination of the location data of the marking element relative to the selected reference point, selects the data of the stored data set closest to the calculated position data.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen :The following description of preferred embodiments of the invention is used in conjunction with the drawings for further explanation. Show it :
Figur 1 : eine schematische Ansicht eines Patienten mit einem mit einem Markierelement versehenen Beckenknochen, eines mit einem Markierelement versehenen Instrumentes und eines Navigations- systems mit Datenverarbeitungseinrichtung zur Lagebestimmung der Markierelemente;FIG. 1 shows a schematic view of a patient with a pelvic bone provided with a marking element, an instrument provided with a marking element and a navigation device. system with data processing device for determining the position of the marking elements;
Figur 2: eine schematische Ansicht eines mit Markierelementen versehenen Instrumentes bei der Anlage im Acetabulum eines Beckenknochens undFIG. 2 shows a schematic view of an instrument provided with marking elements during installation in the acetabulum of a pelvic bone and FIG
Figur 3: eine perspektivische Ansicht des Instrumentes der Figur 2 mit in unterschiedlichen Stellen und in unterschiedlicher Richtung am Instrument festgelegten Markierelementen.FIG. 3 shows a perspective view of the instrument of FIG. 2 with marking elements fixed to the instrument in different places and in different directions.
Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel eines Instrumentes erörtert, daß zur Bearbeitung des Acetabulums in einem Beckenknochen verwendet wird. Eine solche Bearbeitung wird bei dem Ersatz des natürlichen Hüftgelenks durch ein künstliches Hüftgelenk notwendig, das Acetabulum muß mittels eines in der Regel kugelig ausgebildeten Fräskopfes für die Aufnahme einer künstlichen Hüftgelenkspfanne vorbereitet werden.The invention will be discussed below using the example of an instrument used to machine the acetabulum in a pelvic bone. Such machining is necessary in the replacement of the natural hip joint by an artificial hip joint, the acetabulum must be prepared by means of a generally spherical milling head for receiving an artificial acetabular cup.
Zu diesem Zweck wird ein Instrument 1 verwendet, das an seinem Ende einen kugelig ausgebildeten, rotierenden Fräskopf 2 trägt. Das in der Zeichnung dargestellte Instrument weist dazu einen länglichen Schaft 3 auf mit einem radial abstehenden Handgriff 4 und mit einem sich an den Schaft 3 anschließenden vorderen, schräg zur Längsachse des Schaftes 3 verlaufenden Abschnitt 5, der an seinem freien Ende den halbkugelförmigen Fräskopf 2 trägt. Die Drehachse des Fräskopfes 2 ist dadurch seitlich gegenüber der Längsachse des Schaftes 3 versetzt, es ergibt sich eine gekröpfte Anordnung des Instrumentes 1. An dem Schaft 3 sind an einer diesen konzentrisch umgebenden und an ihm festgelegten Ringmanschette 6 mehrere radial abstehende Kupplungszapfen 7 angeordnet, im Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind zwei diametral einander gegenüberliegende Kupplungszapfen 7 dargestellt, beim Ausführungsbeispiel der Figur 3 dagegen acht sternförmig nach allen Seiten abstehende Kupplungszapfen 7. Auf jeden Kupplungszapfen 7 kann ein Markierelement 8 eines Navigationssystems 9 in definierter Lage und wieder ablösbar aufgesteckt werden. Jedes dieser Markierelemente 8 trag in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier kugelförmige Reflektoren 10, die im Abstand zueinander angeordnet sind.For this purpose, an instrument 1 is used, which carries at its end a spherical, rotating milling head 2. The instrument shown in the drawing has for this purpose an elongated shaft 3 with a radially projecting handle 4 and with a subsequent to the shaft 3 front, obliquely to the longitudinal axis of the shaft 3 extending portion 5, which carries the hemispherical milling head 2 at its free end , The axis of rotation of the milling head 2 is thereby offset laterally with respect to the longitudinal axis of the shaft 3, resulting in a cranked arrangement of the instrument. 1 On the shaft 3, a plurality of radially projecting coupling pin 7 are arranged on a concentrically surrounding and fixed to him ring collar 6, in the embodiment of Figure 2, two diametrically opposed coupling pin 7 are shown in the embodiment of Figure 3, however, eight star-shaped projecting on all sides of the coupling pin 7. On each coupling pin 7, a marking element 8 of a navigation system 9 in a defined position and be removed again detachable. Each of these marking elements 8 carry in the illustrated embodiment, four spherical reflectors 10, which are arranged at a distance to each other.
Normalerweise wird auf ein Instrument 1 nur ein Markierelement 8 aufgesetzt, es kann dabei in unterschiedlicher Lage relativ zu dem Instrument 1 angeordnet sein, abhängig davon, auf weichen der mehreren Kupplungszapfen 7 das Markierelement 8 aufgesteckt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 sind acht verschiedene Lagen des Markierelementes 8 relativ zum Instrument möglich, beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 nur zwei. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist das Instrument mit zwei Markierelementen dargestellt. Normalerweise wird nur ein Markierelement aufgesteckt, in der Darstellung der Figur 2 sind nur zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Abstände der Reflektoren 10 des Markierelementes 8 von einem instrumentenfesten ausgewählten Bezugspunkt 11 zwei Markierelemente in unterschiedlichen Stellen und Orientierungen dargestellt. Der ausgewählte Bezugspunkt 11 des Instrumentes der Figur 2 kann beispielsweise der Mittelpunkt des Fräskopfes 2 sein, der aufgrund der seitlich versetzten Anordnung des Fräskopfes 2 gegenüber der Längsachse des Schaftes 3 seitlich versetzt ist. Wenn die Markierelemente 8 auf zwei vom Schaft radial abstehende Kupplungszapfen 7 aufgesetzt werden, ergeben sich damit unterschiedliche Abstände der Reflektoren 10 des Markier- elementes 8 von diesem ausgewählten Bezugspunkt 11 im Mittelpunkt des Fräskopfes 2.Normally, only one marking element 8 is placed on an instrument 1, it can be arranged in a different position relative to the instrument 1, depending on which soft the plurality of coupling pin 7, the marking element 8 is plugged. In the embodiment of Figure 3 eight different positions of the marking element 8 are possible relative to the instrument, in the embodiment of Figure 2 only two. In the embodiment of Figure 2, the instrument is shown with two marking elements. Normally, only one marking element is plugged on, in the representation of FIG. 2 only two marking elements are shown in different positions and orientations in order to illustrate the different distances of the reflectors 10 of the marking element 8 from a reference point 11 fixed to the instrument. The selected reference point 11 of the instrument of Figure 2 may for example be the center of the milling head 2, which is offset laterally due to the laterally offset arrangement of the milling head 2 with respect to the longitudinal axis of the shaft 3. If the marking elements 8 are placed on two coupling pins 7 projecting radially from the shaft, this results in different distances of the reflectors 10 of the marking elements. element 8 of this selected reference point 11 in the center of the milling head. 2
Dasselbe gilt hinsichtlich der Markierelemente beim Ausführungsbeispiel 3, bei dem zusätzliche Stellungen des Markierelementes relativ zum Instrument angenommen werden können.The same applies with regard to the marking elements in the embodiment 3, in which additional positions of the marking element relative to the instrument can be assumed.
Die Lage des Markierelementes 8 kann mittels des Navigationssystems 9 bestimmt werden, das in an sich bekannter Weise mehrere im Abstand voneinander angeordnete Sender 12 aufweist, die gleichzeitig auch als Empfänger wirken können. Diese senden eine Strahlung aus, beispielsweise eine Infrarotstrahlung, die an den Reflektoren 10 der Markierelemente 8 reflektiert wird und von den Empfängern des Navigationssystems wieder aufgefangen wird. Mit Hilfe dieser Strahlung kann die Lage jedes Reflektors im Raum bestimmt werden und damit die Position und die Orientierung jedes Markierelementes, da die relative Zuordnung der Reflektoren 10 am Markierelement 8 immer gleich bleibt und dem Navigationssystem bekannt ist.The position of the marking element 8 can be determined by means of the navigation system 9, which has a plurality of spaced-apart transmitter 12 in a conventional manner, which can also act as a receiver at the same time. These emit radiation, for example infrared radiation, which is reflected at the reflectors 10 of the marking elements 8 and is picked up again by the receivers of the navigation system. With the aid of this radiation, the position of each reflector can be determined in space and thus the position and orientation of each marking element, since the relative assignment of the reflectors 10 on the marking element 8 always remains the same and the navigation system is known.
Ein weiteres derartiges Markierelement 13 wird während einer Hüftgelenksoperation am Beckenknochen 14 eines Patienten festgelegt, in ähnlicher Weise kann ein zusätzliches Markierelement 15 am Femur 16 festgelegt werden.Another such marker 13 is fixed to the pelvic bone 14 of a patient during hip replacement surgery; similarly, an additional marker 15 may be secured to the femur 16.
Die Lagedaten aller Markierelemente werden von dem Navigationssystem 9 ermittelt und können in einer Datenverarbeitungseinrichtung 17 verarbeitet werden, dieser Datenverarbeitungseinrichtung 17 kann eine Anzeigeeinheit 18 zugeordnet sein, auf der entsprechend den ermittelten Daten Orientierungshilfen für den Operateur angezeigt werden. In der Datenverarbeitungseinrichtung 17 werden Datensätze gespeichert, die die Lagedaten des Markierelementes 8 am Instrument 1 relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt 11 wiedergeben, und zwar für die unterschiedlichen Stellungen des Markierelementes 8 beim Aufstecken auf verschiedenen Kupplungszapfen 7. Für jeden dieser Kupplungszapfen 7 ergibt sich ein solcher Datensatz, der in der Datenverarbeitungseinrichtung abgelegt ist. Diese Daten können sehr genau ermittelt werden, beispielsweise unmittelbar vom Hersteller durch Ausmessen der Abstände zwischen den Reflektoren 10 und dem Bezugspunkt 11.The position data of all marking elements are determined by the navigation system 9 and can be processed in a data processing device 17, this data processing device 17 can be assigned a display unit 18, are displayed on the basis of the determined data orientation aids for the surgeon. In the data processing device 17 records are stored, which reproduce the position data of the marking element 8 on the instrument 1 relative to the selected reference point 11, for the different positions of the marking element 8 when plugging on different coupling pin 7. For each of these coupling pin 7, such results Data record that is stored in the data processing device. This data can be determined very accurately, for example, directly from the manufacturer by measuring the distances between the reflectors 10 and the reference point 11th
Während der Operation wird die Lage des Mittelpunktes des Acetabulums im Beckenknochen und damit relativ zu dem Markierelement 13 bestimmt. Dies kann in unterschiedlicher Weise erfolgen, beispielsweise dadurch, daß der Fe- mur 16 im Hüftgelenk verschwenkt wird und daß dabei die Bahn aufgenommen wird, die das am Femur 16 festgelegte Markierelement 15 dabei relativ zum Beckenknochen 14 und damit zum Markierelement 13 überstreicht. Diese Bahn ist eine Bahn auf einer Kugeloberfläche, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt des Acetabulums ist, da das Hüftgelenk annähernd ein Kugelgelenk ist. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann somit aus den Lagedaten des Markierelementes 15 des Femurs 16 den Mittelpunkt des Acetabulums berechnen.During surgery, the location of the center of the acetabulum in the pelvic bone and thus relative to the marker 13 is determined. This can take place in different ways, for example by pivoting the femur 16 in the hip joint and thereby receiving the web which passes over the marking element 15 fixed to the femur 16 relative to the pelvic bone 14 and thus to the marking element 13. This trajectory is a trajectory on a spherical surface whose center is the center of the acetabulum because the hip joint is approximately a ball joint. The data processing device can thus calculate the center of the acetabulum from the position data of the marking element 15 of the femur 16.
Es wäre auch möglich, den Mittelpunkt des Acetabulums mittels eines Tastinstruments zu bestimmen, welches einen kugeligen Tastkopf aufweist und welches selbst ein Markierelement trägt. Diesen kugeligen Tastkopf kann man in das Acetabulum einlegen und durch Lagebestimmung des Instrumentes den Mittelpunkt dieser Kugel bestimmen.It would also be possible to determine the center of the acetabulum by means of a palpation instrument which has a spherical probe and which itself carries a marking element. This spherical probe can be inserted into the acetabulum and determined by determining the position of the instrument the center of this sphere.
Eine andere Methode liegt darin, mit einem navigierten Tastinstrument einzelne Punkte auf der Oberfläche des Acetabulums abzutasten und unter der An- nähme, daß das Acetabulum eine Kugelfläche ist, daraus den Mittelpunkt zu berechnen.Another method is to scan individual points on the surface of the acetabulum with a navigated palpation instrument. assume that the acetabulum is a spherical surface to calculate the center.
Als Ergebnis dieser unterschiedlichen Methoden ergibt sich in jedem Falle ein Datensatz, der die Lage des Mittelpunkts des Acetabulums relativ zu dem Markierelement 13 des Beckenknochens 14 beschreibt.As a result of these different methods, in each case a data set is obtained which describes the position of the center of the acetabulum relative to the marking element 13 of the pelvic bone 14.
Wenn man das Instrument 1 mit seinem kugeligen Fräskopf 2 in das Acetabulum einlegt, wird der Mittelpunkt des Fräskopfes 2 annähernd mit dem Mittelpunkt des Acetabulums zusammenfallen, das heißt man wird bei dieser Anlage eine definierte Positionierung des Fräskopfes 2 im Acetabulum erreichen. Die Lage des Acetabulum-Mittelpunktes wird durch das Navigationssystem über die Lagebestimmung des Markierelementes 13 zu ermitteln sein, so daß man auf diese Weise indirekt auch die Lage des ausgewählten Bezugspunktes 11 über das Navigationssystem bestimmen kann. Dieses wird außerdem die Lage des Markierelementes 8 am Instrument 1 bestimmen, und so erhält man zwei Datensätze für die Lagedaten des ausgewählten Bezugspunktes 11 einerseits und für die Lagedaten des Markierelementes 8 andererseits. Die Lagedaten des ausgewählten Bezugspunktes 11 werden dabei nicht allzu genau sein, da die Anlage des Fräskopfes 2 an der Innenfläche des Acetabulums mit Unsicherheiten verbunden ist.If you insert the instrument 1 with its spherical milling head 2 in the acetabulum, the center of the milling head 2 will coincide approximately with the center of the acetabulum, that is, one will achieve a defined positioning of the milling head 2 in the acetabulum at this plant. The position of the center of the acetabulum will be determined by the navigation system on the orientation of the marker 13, so that one can indirectly determine the position of the selected reference point 11 via the navigation system in this way. This will also determine the position of the marking element 8 on the instrument 1, and so one obtains two records for the position data of the selected reference point 11 on the one hand and for the position data of the marking element 8 on the other. The position data of the selected reference point 11 will not be all that accurate, since the abutment of the milling head 2 on the inner surface of the acetabulum is associated with uncertainties.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 17 kann aus den Lagedaten des ausgewählten Bezugspunktes 11 und des Markierelementes 8 beispielsweise die relative Lage des ausgewählten Bezugspunktes 11 in einem mit dem Markierelement 8 fest verbundenen Koordinatensystem bestimmen und diese Lageangaben vergleichen mit den gespeicherten Datensätzen, die die exakten Beziehungen zwischen den Lagedaten des Markierelementes 8 in unterschiedlichen Stellungen am Instrument und des ausgewählten Bezugspunktes 11 re- präsentieren und die wie beschrieben mit hoher Genauigkeit bestimmt worden ist. Durch Vergleich kann die Datenverarbeitungseinrichtung feststellen, mit welchem der vorgespeicherten Datensätze der empirisch bestimmte Datensatz am besten übereinstimmt, und anstelle der empirisch bestimmten Relativlagedaten des Markierelementes und des ausgewählten Bezugspunktes wird die Datenverarbeitungseinrichtung den gespeicherten Datensatz verwenden, der exakt angibt, in welcher Lage sich das Markierelement 8 an dem Instrument 1 befindet.The data processing device 17 can, for example, determine from the position data of the selected reference point 11 and the marking element 8 the relative position of the selected reference point 11 in a coordinate system fixedly connected to the marking element 8 and compare these position data with the stored data sets which determine the exact relationships between the position data of the Marking element 8 in different positions on the instrument and the selected reference point 11 present and which has been determined as described with high accuracy. By comparison, the data processing device can determine to which of the prestored data sets the empirically determined data set best matches, and instead of the empirically determined relative position data of the marking element and the selected reference point, the data processing device will use the stored data set which indicates exactly in what position the marking element 8 is located on the instrument 1.
Ändert man die Stellung des Markierelementes 8 am Instrument 1 durch Aufstecken des Markierelementes auf einen anderen Kupplungszapfen 7, so kann man in einfachster Weise durch Wiederholung des Vorganges, also durch Anlegen des Fräskopfes 2 an das Acetabulum, diesen Bestimmungsvorgang wiederholen und damit dem Navigationssystem 9 die exakten Lagedaten des Markierelementes 8 am Instrument 1 in der neuen Stellung zur Verfügung stellen.If the position of the marking element 8 on the instrument 1 is changed by attaching the marking element to another coupling pin 7, this determination process can be repeated in a very simple manner by repeating the process, ie by applying the milling head 2 to the acetabulum, and thus the navigation system 9 provide exact position data of the marker 8 on the instrument 1 in the new position.
Trotz einer relativ ungenauen Messung der Lage des ausgewählten Bezugspunktes 11 durch Anlage des Fräskopfes 2 am Acetabulum ist somit eine hoch präzise Zuordnung der Lagedaten des Markierelementes 8 zum Instrument 1 möglich, und zwar schnell und unkompliziert für den Operateur, da es genügt, das Instrument einmal mit seinem Fräskopf 2 in das Acetabulum eintauchen zu lassen und in diesem Zustand einen Meßvorgang des Navigationssystems auszulösen, beispielsweise durch Betätigung eines Fußschalters. Despite a relatively inaccurate measurement of the position of the selected reference point 11 by conditioning the milling head 2 on the acetabulum thus highly accurate assignment of the position data of the marking element 8 to the instrument 1 is possible, and fast and straightforward for the surgeon, since it is enough, the instrument once to immerse with its milling head 2 in the acetabulum and to trigger in this state a measuring operation of the navigation system, for example by pressing a footswitch.

Claims

PATENTANSPRUCHE PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Bestimmung der Relativposition eines Markierelementes eines Navigationssystems an einem chirurgischen Instrument, dadurch gekennzeichnet, daß man an dem Instrument das Markierelement an verschiedenen Stellen des Instrumentes und in definierter Lage zum Instrument festlegt, daß man für alle Stellen die Lagedaten des Markierelementes relativ zu einem ausgewählten Bezugspunkt des Instrumentes bestimmt und jeder Stelle entsprechende Datensätze speichert, daß man mittels eines Navigationssystems die Lage des Bezugspunktes und die Lage des Markierelementes bestimmt, daß man aus den Lagedaten des Bezugspunktes und des Markierelementes die Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt berechnet und daß man diese berechneten Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt mit den gespeicherten Datensätzen vergleicht und zur endgültigen Festlegung der Lagedaten des Markierelementes relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt die Daten des gespeicherten Datensatzes auswählt, die den berechneten Lagedaten am nächsten kommen.1. A method for determining the relative position of a marking element of a navigation system on a surgical instrument, characterized in that one determines the marking element at different locations of the instrument and in a defined position to the instrument that the position data of the marking element relative to determines a selected reference point of the instrument and records each place corresponding records that one determines by means of a navigation system, the position of the reference point and the position of the marker, that one calculates the position data of the reference point and the marker the position data of the marker relative to the selected reference point and comparing said calculated position data of the marker relative to the selected reference point with the stored data sets, and finally determining the position data of the marker relative to the selected reference point kt selects the data of the stored data set closest to the calculated position data.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bestimmung der Lage des ausgewählten Bezugspunktes das Instrument in eine definierte Anlage an einem Körper bringt, der mit einem Markierelement des Navigationssystems verbunden ist, und daß man aus den Lagedaten des Körpers und den gespeicherten relativen Lagedaten des Körpers und des Instrumentes bei der definierten Anlage des In- strumentes am Körper die Lagedaten des ausgewählten Bezugspunktes berechnet.2. The method according to claim 1, characterized in that one brings to determine the position of the selected reference point, the instrument in a defined system on a body which is connected to a marker of the navigation system, and that one of the positional data of the body and the stored relative positional data of the body and the instrument in the defined plant of the instrument on the body calculates the position data of the selected reference point.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Bezugspunkt des Instrumentes in der definierten Anlage am Körper mit einem Referenzpunkt des Körpers zumindest annähernd zusammenfällt.3. The method according to claim 2, characterized in that the selected reference point of the instrument in the defined system on the body at least approximately coincides with a reference point of the body.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzpunkt der Mittelpunkt eines Acetabulums eines Beckenknochens ist.4. The method according to claim 3, characterized in that the reference point is the center of an acetabulum of a pelvic bone.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument einen kugelig geformten Fräskopf trägt und daß der ausgewählte Bezugspunkt im Mittelpunkt des kugeligen Fräskopfes liegt.5. The method according to claim 4, characterized in that the instrument carries a spherically shaped milling head and that the selected reference point lies in the center of the spherical milling head.
6. Chirurgisches Instrument zur Durchführung des Verfahrens mindestens eines der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere Kupplungen (7) zum Aufsetzen eines Markierelementes (8) auf das Instrument (1) aufweist, die das Aufsetzen des Markierelementes (8) auf das Instrument (1) in verschiedenen Relativpositionen ermöglichen.6. Surgical instrument for carrying out the method of at least one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a plurality of couplings (7) for placing a marking element (8) on the instrument (1), the placing of the marking element (8) allow the instrument (1) in different relative positions.
7. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativpositionen so gewählt sind, daß die Lagedaten des Mar- kierelementes (8) relativ zu einem ausgewählten Bezugspunkt (11) des Instrumentes (1) für alle Relativpositionen des Markierelementes (8) und des Instrumentes (1) unterscheidbar sind.7. A surgical instrument according to claim 6, characterized in that the relative positions are selected so that the position data of the Mar- kierelementes (8) relative to a selected reference point (11) of the instrument (1) for all relative positions of the marking element (8) and the instrument (1) are distinguishable.
8. Chirurgisches Instrument nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungen (7) radial von einem Teil (3) des Instrumentes (1) abstehen und in unterschiedliche Richtung weisen.8. Surgical instrument according to one of claims 6 or 7, characterized in that the couplings (7) protrude radially from a part (3) of the instrument (1) and point in different directions.
9. Chirurgisches Instrument nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument (1) einen kugelig geformten Fräskopf (2) trägt und daß der ausgewählte Bezugspunkt (11) im Mittelpunkt des kugeligen Fräskopfes (2) liegt.9. Surgical instrument according to one of claims 6 to 8, characterized in that the instrument (1) carries a spherical shaped milling head (2) and that the selected reference point (11) in the center of the spherical milling head (2).
10. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 8 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die radial abstehenden Kupplungen (7) in einer Ebene liegen und radial zu einer senkrecht auf dieser Ebene stehenden Längsachse verlaufen und daß der Fräskopf (2) mit seinem Mittelpunkt seitlich gegenüber der Längsachse versetzt ist.10. A surgical instrument according to claim 8 and claim 9, characterized in that the radially projecting couplings (7) lie in a plane and extend radially to a longitudinal axis perpendicular to this plane and that the milling head (2) with its center laterally opposite the Longitudinal axis is offset.
11. Navigationssystem zur Bestimmung der Relativposition eines Markierelementes eines Navigationssystems an einem chirurgischen Instrument, an welchem das Markierelement in verschiedenen Stellen des Instrumentes und in definierter Lage zum Instrument festlegbar ist, mit Sendern und Empfängern von Strahlung zur Lagebestimmung eines Markierelementes und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung (17) so programmiert ist, daß sie für jede Stelle einen Datensatz der Lagedaten des Markierelementes (8) relativ zu einem ausgewählten Bezugspunkt (11) des Instrumentes (1) speichert und daß sie aus den vom Navigationssystem (17) bestimmten Lagedaten des Bezugspunkten (11) und des Markierelementes (8) die Lagedaten des Markierelementes (8) relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt (11) berechnet und daß sie diese berechneten Lagedaten des Markierelementes (8) relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt (11) mit den gespeicherten Datensätzen vergleicht und zur endgültigen Festlegung der Lagedaten des Markierelementes (8) relativ zu dem ausgewählten Bezugspunkt (11) die Daten des gespeicherten Datensatzes auswählt, die den berechneten Lagedaten am nächsten kommen. 11. Navigation system for determining the relative position of a marking element of a navigation system on a surgical instrument, on which the marking element can be fixed in different locations of the instrument and in a defined position relative to the instrument, with transmitters and receivers of radiation for determining the position of a marking element and with a data processing device, characterized in that the data processing means (17) is programmed to store, for each location, a record of the location data of the marking element (8) relative to a selected reference point (11) of the instrument (1) and to read from the navigation system (17 ) determined position data of the reference points (11) and the Markierelementes (8), the position data of the marker (8) relative to the selected reference point (11) calculated and that these calculated position data of the marker (8) relative to the selected reference point (11) compares the stored data sets and, for the final determination of the position data of the marking element (8) relative to the selected reference point (11), selects the data of the stored data set closest to the calculated position data.
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