WO2016119976A1 - Positionsbestimmung eines medizinischen instruments - Google Patents

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WO2016119976A1
WO2016119976A1 PCT/EP2015/080399 EP2015080399W WO2016119976A1 WO 2016119976 A1 WO2016119976 A1 WO 2016119976A1 EP 2015080399 W EP2015080399 W EP 2015080399W WO 2016119976 A1 WO2016119976 A1 WO 2016119976A1
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light
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angle
incidence
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Rainer Graumann
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; Determining position of diagnostic devices within or on the body of the patient
    • A61B5/061—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body
    • A61B5/064—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body using markers
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the position of a medical instrument.
  • Different methods and devices for determining the position of medical instruments are known from the prior art. For example, to determine the position and / or the orientation of the medical instrument, imaging methods are used which enable a localization in real time and thus an active guidance of the medical instrument.
  • the medical instrument is me ⁇ mechanically to a movable support arm coupled. The position of the medical instrument can be done in these cases based on the detection of the deflection or the position of the support arm.
  • At least one light-sensitive sensor is arranged on the medical instrument on which light is incident at an angle of incidence which emits from at least one light source arranged at a known position becomes.
  • ⁇ measured variable is detected.
  • the invention makes use of the technological advancement in the field of sensor technology to provide a reliable system for determining the position, which enables a precise determination of the position or orientation of the medical instrument, for example in the context of surgical navigation.
  • Sensors with a sufficiently good resolution for precise detection of the angle of incidence have compact designs whose sizes are, for example, in the range of approximately 1 mm 2 .
  • He ⁇ invention according to the position and / or orientation of me ⁇ dizinischen instrument is at least partially with respect to the determined at least one light source based on the ermit ⁇ ⁇ telten angle of incidence.
  • the implementation of the method according to the invention can therefore particularly simple means SUC ⁇ gen.
  • Pointers that point to medical structures are particularly suitable as medical instruments.
  • Other embodiments include tools for laparosko ⁇ european surgery, particularly laparoscopes, high-frequency and Kryoablations mar.
  • a plurality of light sources which are placed at different predetermined and known positions in the room, and several sensors on the medical instrument may be provided.
  • the movement of the medical African instrument to a few degrees of freedom, beispielswei ⁇ se by means of mechanical holding elements or support arms, is limited ⁇ so that only a reduced number of light sources ⁇ and / or sensors is needed to complete To enable orientation.
  • At a substantially free movement of the medical instrument in the three-dimensional space is a partial position determination by the solution of the Erfas- is at least possible in the angle of incidence on said at least one sensor and impinging on the at least one light source emit light ⁇ oriented.
  • the measured variable comprises a current intensity of an electrical current caused at least in part by the photoelectric effect or an electrical resistance modified by the photoelectric effect.
  • the sensor may have photodiodes or photoresistors connected in the direction of flow or in the reverse direction for detecting such measured variables.
  • Embodiment CCD-sensors and / or photon counting detectors are used, which are adapted to provide a dependent of the incident light intensity measurement.
  • the at least one light source emits light with at least ei ⁇ ner frequency from the infrared frequency range. Accordingly, the sensor formed for detecting the emitted light is designed as an infrared sensor with which the angle of incidence ⁇ can be determined correctly.
  • the at least one light source emits light having at least one frequency from the optically visible frequency range.
  • a conventional light source is used here for determining the position or orientation of the medical instrument.
  • the at least one sensor is then designed accordingly as an optical sensor.
  • a plurality of light sources are provided, which are arranged in the room at various known positions.
  • the light sources emit light with slightly different characteristic frequency distributions, in particular, the individual
  • Light sources in a specific embodiment emit light with frequencies from mutually non-overlapping frequency ranges. The the origin of the incident
  • Light corresponding light source can then be selected, for example by means of a suitable filter on the sensor side ⁇ the.
  • the light sources emit light in each case in pairs mutually different frequency distributions, so that an allocation of the origin can be performed on the at least one sensor ⁇ incident light by means of a sensor-side of the frequency selection.
  • Such embodiments have the advantage that the number of sensors required for determining the position on the medical instrument can be reduced, since the sensor-side frequency selection makes it possible to determine the relative position of the sensor with respect to different light sources. A negative impact on the handling of the medical instrument by the sensors mounted there can therefore be further reduced.
  • the object is achieved by a device for determining the position of the medical instrument of the aforementioned type with the further features of patent claim 6.
  • the device is designed for carrying out the method described above, so that reference is initially made to the previous explanations.
  • the device for determining the position of the medical instrument comprises the at least one light source, which is arranged at a known position in the space and which is connected to the at least one photosensitive sensor attached to the medical instrument.
  • the light source may in particular be ⁇ sondere spatially separately or on a medical device, in particular a C-arm having a Röntgenein- direction attached.
  • the at least one light source emits light incident on the sensor at the angle of incidence.
  • the at least one sensor is to be ⁇ forms, one dependent on the incident angle measured variable to erfas ⁇ sen. For determining the position and / or orientation of the medium zinischen Instruments the angle of incidence from the measured variables ⁇ SSE is determined.
  • the at least one sensor ⁇ comprises at least two light sensitive-in sensor elements, for example photodiodes or photoresistors, which are arranged each other at a predetermined angle, in particular orthogonal to one another. From measured variables, which can depend on the intensity of ⁇ occur on the respective sensor element the light of the incident angle, taking into the geometry schreibung be determined. Such measured variables ⁇ SEN, for example, the strength of a photocurrent or the amount of a light dependent resistor. In other embodiments, photon counting detectors or CCD sensors are provided.
  • the sensor surfaces are arranged in pairs to each other at a predetermined angle, in particular in pairs orthogo ⁇ nal to each other.
  • the at least one sensor for determining the angle of incidence is provided with three spaced photosensitive sensor elements whose sensor surfaces are arranged at an angle or in a plane to one another. Plane embodiments are particularly preferred in cases in which the largest possible measuring range is to be detected, since they allow in principle the detection of the entire half-space located above the plane.
  • the sensor surfaces of the three lichtempfind ⁇ union sensor elements extend flat in the plane, said three light-sensitive sensor elements are preferably each at an angle of 120 ° are arranged.
  • Sensors with planar arrays of sensor elements are optimized to ensure a large coverage as possible of the measuring ⁇ range.
  • the intensity of the light incident on the individual sensor elements is only slightly different, and as a result the angle of incidence derived therefrom is associated with a relatively large inaccuracy.
  • Another, in terms of Messgenauig ⁇ ness optimized embodiment comprises a sensor, comprising at least three spaced apart lichtempfindli ⁇ chen sensor elements which are arranged on a common conical surface. Since the sensor surfaces of the sensor elements are now ⁇ more at an angle to each other, which inter alia depends on the opening angle of the conical surface or the cone, the dependence of the incident on the respective sensor elements intensities is increased by the angle of incidence. According to the angle of incidence can be determined with such Anordnun ⁇ gen precise.
  • the size of the measuring range and the measuring accuracy are in an opposite dependence relationship (trade-off).
  • the measuring range is maximum.
  • the more acute the angle of the cone ⁇ surface the greater the accuracy and the smaller the range.
  • the opening angle of the conical surface is between 60 ° and 80 °.
  • the inwardly directed sensor surfaces curved or planar form. In the case of sensors which have sensor elements with planar sensor surfaces, these are preferably arranged such that their central longitudinal axes extend on the conical surface.
  • At least two photosensitive sensors are arranged at a predetermined distance on the medical instrument.
  • the position and the orientation of the medical instrument in the plane defined by the at least one light source and the at least two sensors can then be determined from the given distance and the at least two angles of incidence detected by the respective sensors.
  • three light-sensitive sensors spaced apart from one another are provided on the medical instrument in an arrangement which deviates from a collinear configuration. Such designs enable the unambiguous determination of the position of freely movable medical instruments in the room.
  • Each pair of sensors is provided in a linear arrangement, with a first pair of sensors being arranged in an orthogonal configuration with respect to a second pair of sensors.
  • the at least one sensor has means for frequency selection, such as corresponding filters, so that the light source corresponding to the origin of the light incident on the at least one sensor can be assigned on the sensor side.
  • the sensor-side frequency selection enables a positional Mood of the at least one sensor with respect to angles of incidence corresponding to the positions of the different light sources.
  • the light-sensitive sensors are to Erfas- the angle of incidence on the medical instrument vorgese ⁇ hen and the light sources at known locations in space solution arranged.
  • a correspondingly inverted arrangement in which the light sources and the sensors are interchanged with respect to their spatial arrangement, is likewise suitable for determining the position of the medical instrument.
  • Convenience only embodiments with a ⁇ be agreed number of light sources and sensors will be concretely described, wherein the sensors on medical instrument always home and the light sources are provided in the space.
  • the respectively corresponding inverted embodiment comprises corresponding devices in which the light sources on the instrument side and the sensors are arranged at the known positions in space.
  • FIG. 2 shows a device for position determination, comprising a light source and a medical instrument with two sensors in a schematic representation
  • Fig. 3 is a medical instrument having two pairs of sensors in an orthogonal configuration in a schematic plan view
  • Fig. 4 a further device for determining the position at which the sensor comprises means for frequency selection and a plurality of light sources are provided, the light difference ⁇ Licher frequencies emit
  • Figure 5 is a plan executed sensor for detecting the angle of incidence in three-dimensional space in a plan view
  • FIG. 6 is a perspective view of another sensor for detecting the angle of incidence in three-dimensional space, whose sensor elements are arranged on a conical surface.
  • Figure 1 illustrates schematically a sensor ⁇ formed for detecting the incident angle 1, which ⁇ 2 comprises two Photodio whose sensor surfaces are directed in the direction of the surface normal N. 3
  • the photodiodes 2 are arranged at an angle ⁇ , which is 45 ° in the example shown. Accordingly, the two sensor surfaces 3 are arranged mutually orthogonal here.
  • the photodiodes If light L falls on the sensor 1 in the direction of the angle of incidence ⁇ , the photodiodes generate electrical currents whose current strengths depend on the radiation intensity acting on the respective photodiode 2. Accordingly, for the behaves ⁇ nis of the two current strengths of the angle of incidence ⁇ of the incident light L can be determined.
  • an illumination-dependent resistor can be detected as a measured variable to determine the angle of incidence ⁇ .
  • the angle of incidence ⁇ in the plane shown can be completely determined.
  • sensors 1 are provided which comprise four photodiodes 2. In each case two of the photodiodes 2 are arranged to each other, as shown in Figure 1. A first pair of photodiodes 2 extends in the embodiment shown in Figure 1
  • Leebe ⁇ ne another, second pair of photodiodes 2 is arranged perpendicular to the plane of the drawing shown.
  • FIG. 2 shows a medical instrument 4, on which two sensors 1 are fastened, which are designed to detect angles of incidence .alpha., .Alpha., A, 2- dependent measured quantities.
  • a light source 5 is arranged at a known position in space. Without loss of generality, the center of the light source 5 can tensystem serve as the origin of a stationary coordinate, the first axis X and second axis Y are ge ⁇ shows.
  • FIG. 3 schematically shows a medical instrument 4 which is equipped with four sensors 1 for determining the corresponding coordinate transformation in three-dimensional space is.
  • the sensors 1 of a first sensor pair 6 are arranged voneinan ⁇ the spaced ⁇ .
  • the sensors 1 of a further, second sensor pair 7 are arranged at a distance ⁇ 'from one another.
  • the first and the second sensor pair 6, 7 occupy an orthogonal configuration relative to one another, so that the position and the orientation of the medical instrument 4 can be detected by the angles of incidence ⁇ , ⁇ , ⁇ , 2, ⁇ , 3 , a detected by the sensors 1 , 4 and the distances ⁇ , ⁇ 'are fully ⁇ constantly determined.
  • FIG. 4 shows, in a schematic illustration, a further exemplary embodiment of the invention in which the sensor 1 additionally has a filter 8, which enables a frequency selection of the detected light L.
  • the device for determining position comprises two light sources 5, which are arranged at different, but known locations in space.
  • the two light sources 5 emit light in the visible range with slightly different frequencies.
  • the filter 8 a frequency selection can be made such that only light emitted by one of the two light sources 5 is detected. Accordingly, with the sensor 1 shown, the angle of incidence ⁇ , ⁇ with respect to a first light source 9 and the angle of incidence 0.2 with respect to a second light source 10 can be determined.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the sensor 1 in a plan view.
  • the sensor 1 has a planar design and comprises three sensor elements 3, whose sensor surfaces 3 extend in the plane of the drawing.
  • the individual sensor elements 3 are arranged at an angle ⁇ to one another, which is 120 ° in the exemplary example shown.
  • Such a sensor 1 is designed to detect the entire half-space above the plane of the drawing.
  • the 6 shows a further sensor 1 for detecting the angle of incidence ⁇ in three-dimensional space in a perspective view. presentation.
  • the sensor 1 has three sensor elements 2, which are arranged on a conical surface 11 at regular intervals from each other.
  • the sensor surfaces 3 of the sensor elements 2 are directed inwards.
  • Light L has a strong dependence on the angle of incidence ⁇ .
  • the angle of incidence ⁇ can therefore be detected particularly precisely with such a sensor 1.
  • An opening angle ⁇ of the conical surface 11 determines the relative orientation of the sensor surfaces 3 to each other, which is about 65 ° in the example shown.
  • the sensor elements 2 are arranged at an angle ⁇ to one another, which in the example shown is approximately 120 °.
  • the ⁇ is dependent on the angle of incidence measurement ⁇ size is detected by means of at least one provided on the medical instrument 4 light-sensitive sensor. 1
  • the angle of incidence ⁇ is derived from the measured value.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments (4) ist am medizinischen Instrument (4) zumindest ein lichtempfindlicher Sensor (1) angeordnet, auf dem Licht (L) in einem Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) einfällt, welches von zumindest einer an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle (5) emittiert wird. Zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments (4) wird eine vom Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) abhängige Messgröße erfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Vorrichtung.

Description

Beschreibung
Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen zur Positionsbestimmung von medizinischen In- strumenten, insbesondere im Zusammenhang mit der aktiven oder passiven chirurgischen Navigation, bekannt. Beispielsweise werden zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments bildgebende Verfahren eingesetzt, die eine Lokalisierung in Echtzeit und damit eine aktive Füh- rung des medizinischen Instruments ermöglichen. Bei anderen medizinischen Anwendungen ist das medizinische Instrument me¬ chanisch an einen beweglichen Trägerarm gekoppelt. Die Position des medizinischen Instruments kann in diesen Fällen anhand der Erfassung der Auslenkung bzw. der Lage des Träger- arms erfolgen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instrumentes anzugeben, welches sich besonders einfach implementieren lässt.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizini- sehen Instruments ist am medizinischen Instrument zumindest ein lichtempfindlicher Sensor angeordnet, auf dem Licht in einem Einfallswinkel einfällt, welches von zumindest einer an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle emittiert wird. Zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments wird eine vom Einfallswinkel abhän¬ gige Messgröße erfasst. Die Erfindung macht sich die technologische Weiterentwicklung im Bereich der Sensorik zunutze, um ein zuverlässiges System zur Positionsbestimmung anzugeben, das eine präzise Bestimmung der Lage bzw. der Orientierung des medizinischen Instruments beispielsweise im Rahmen einer chirurgischen Navigation ermöglicht. Sensoren mit einer hinreichend guten Auflösung zur präzisen Erfassung des Einfallswinkels weisen kompakte Bauformen auf, deren Größen beispielsweise im Bereich von etwa 1 mm2 liegen. Die Handhabung bzw. Führung des medizinischen Instruments wird daher von dem dort angeordneten zumin- dest einen Sensor allenfalls unwesentlich beeinträchtigt. Er¬ findungsgemäß wird die Lage und/oder die Orientierung des me¬ dizinischen Instruments zumindest teilweise anhand des ermit¬ telten Einfallswinkels bezüglich der zumindest einen Licht¬ quelle bestimmt. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher mit besonders einfachen Mitteln erfol¬ gen .
Als medizinische Instrumente kommen hier insbesondere Pointer in Betracht, die auf medizinische Strukturen zeigen. Andere Ausführungsbeispiele umfassen Instrumente für die laparosko¬ pische Chirurgie, insbesondere Laparoskope, Hochfrequenz- und Kryoablationsgeräte .
Zur hinreichenden Bestimmung der Orientierung und/oder der Position können abhängig von der konkreten Anwendung mehrere Lichtquellen, die an verschiedenen vorgegebenen und bekannten Positionen im Raum platziert sind, und mehrere Sensoren am medizinischen Instrument vorgesehen sein. In möglichen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Bewegung des medizi- nischen Instrumentes auf wenige Freiheitsgrade, beispielswei¬ se mittels mechanischer Halteelemente oder Trägerarme, einge¬ schränkt, so dass lediglich eine reduzierte Anzahl von Licht¬ quellen und/oder Sensoren notwendig ist, um eine vollständige Lagebestimmung zu ermöglichen. Bei einem beispielsweise auf eine lineare Translation eingeschränkten medizinischen Instrument ist es ausreichend, eine Lichtquelle und ein Sensor vorzusehen, da die Position des medizinischen Instruments in diesem Fall schon durch die Erfassung des Einfallswinkels re¬ lativ zu der bekannten Position der Lichtquelle vollständig bestimmt ist. Bei einer im Wesentlichen freien Bewegung des medizinischen Instruments im dreidimensionalen Raum ist zumindest eine teilweise Positionsbestimmung durch die Erfas- sung des im Einfallswinkel auf den zumindest einen Sensor auftreffenden und von der zumindest einen Lichtquelle emit¬ tierten Lichts möglich.
Vorzugsweise umfasst die Messgröße eine Stromstärke eines zu- mindest teilweise durch den photoelektrischen Effekt hervorgerufen elektrischen Stroms oder einen durch den photoelektrischen Effekt modifizierten elektrischen Widerstand. Insbesondere kann der Sensor zur Erfassung derartiger Messgrößen in Durchflussrichtung oder in Sperrrichtung geschaltete Pho- todioden oder Photowiderstände aufweisen. In einem anderen
Ausführungsbeispiel kommen CCD-Sensoren und/oder photonenzählende Detektoren zum Einsatz, die dazu ausgebildet sind, eine von der einstrahlenden Lichtintensität abhängige Messgröße zu liefern .
In einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung emittiert die zumindest eine Lichtquelle Licht mit zumindest ei¬ ner Frequenz aus dem infraroten Frequenzbereich. Entsprechend ist der zur Erfassung des emittierten Lichts ausgebildete Sensor als Infrarotsensor ausgebildet, mit dem der Einfalls¬ winkel korrekt bestimmt werden kann.
In einem anderen Ausführungsbeispiel emittiert die zumindest eine Lichtquelle Licht mit zumindest einer Frequenz aus dem optisch sichtbaren Frequenzbereich. Mit anderen Worten wird hier zur Positions- bzw. Orientierungsbestimmung des medizinischen Instruments eine herkömmliche Lichtquelle verwendet. Der zumindest eine Sensor ist dann entsprechend als optischer Sensor ausgeführt.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind meh- rere Lichtquellen vorgesehen, die im Raum an verschiedenen bekannten Positionen angeordnet sind. Die Lichtquellen emittieren Licht mit geringfügig verschiedenen charakteristischen Frequenzverteilungen, insbesondere können die einzelnen
Lichtquellen in einem konkreten Ausführungsbeispiel Licht mit Frequenzen aus sich gegenseitig nicht überlappenden Frequenzbereichen emittieren. Die dem Ursprung des einfallenden
Lichts entsprechende Lichtquelle kann dann beispielsweise mittels eines geeigneten Filters sensorseitig ausgewählt wer¬ den. In jedem Fall emittieren die Lichtquellen Licht mit je- weils paarweise voneinander verschiedenen Frequenzverteilungen, so dass eine Zuordnung des Ursprungs des auf den zumin¬ dest einen Sensor einfallenden Lichts mittels einer sensor- seitigen Frequenzselektion erfolgen kann. Derartige Ausführungen haben zum Vorteil, dass die zur Positionsermittlung notwendige Anzahl von Sensoren am medizinischen Instrument reduziert werden kann, da die sensorseitige Frequenzselektion eine Ermittlung der Relativposition des Sensors bezüglich verschiedener Lichtquellen ermöglicht. Eine negative Beeinträchtigung der Handhabung des medizinischen Instruments durch die dort angebrachten Sensoren kann daher weiter reduziert werden.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments der eingangs genannten Art mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet, so dass zu- nächst auf die bisherigen Ausführungen verwiesen wird.
Die Vorrichtung zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments umfasst die zumindest eine Lichtquelle, welche an einer bekannten Position im Raum angeordnet ist und den zu- mindest einen lichtempfindlichen Sensor, welcher am medizinischen Instrument befestigt ist. Die Lichtquelle kann insbe¬ sondere räumlich separat oder an einem medizinischen Gerät, insbesondere an einer einen C-Bogen aufweisenden Röntgenein- richtung angebracht sein. Die zumindest eine Lichtquelle emittiert Licht, welches unter dem Einfallswinkel auf den Sensor einfällt. Der zumindest eine Sensors ist dazu ausge¬ bildet, eine vom Einfallswinkel abhängige Messgröße zu erfas¬ sen. Zur Bestimmung der Lage und/oder Orientierung des medi- zinischen Instruments ist der Einfallswinkel aus der Messgrö¬ ße ermittelbar.
Gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel umfasst der zumin¬ dest eine Sensor zumindest zwei lichtempfindliche Sensorele- mente, beispielsweise Photodioden oder Photowiderstände, die zueinander in einem vorgegebenen Winkel, insbesondere orthogonal zueinander, angeordnet sind. Aus Messgrößen, die von der Intensität des auf das jeweilige Sensorelement auftreten¬ den Lichts abhängen, kann der Einfallswinkel unter Berück- sichtigung der Geometrie bestimmt werden. Derartige Messgrö¬ ßen sind beispielsweise die Stärke eines Photostroms oder der Betrag eines beleuchtungsabhängigen Widerstands. In anderen Ausführungsbeispielen sind photonenzählende Detektoren oder CCD-Sensoren vorgesehen.
Zur Bestimmung der Position und der Orientierung des medizinischen Instruments im dreidimensionalen Raum umfasst der zumindest eine Sensor in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vier Sensorelemente, deren Sensorflächen paarweise zueinander in einem vorgegebenen Winkel, insbesondere paarweise orthogo¬ nal zueinander, angeordnet sind.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine Sensor zur Bestimmung des Einfallswinkels mit drei voneinander beabstandeten lichtempfindlichen Sensorelementen versehen, deren Sensorflächen zueinander in einem Winkel oder in einer Ebene angeordnet sind. Plane Ausführungen sind insbesondere in Fällen bevorzugt, in denen ein möglichst großer Messbereich erfasst werden soll, da diese prinzipiell die Erfassung des gesamten oberhalb der Ebene gelegenen Halbraums ermöglichen. Zur Erfassung des Halbraums verlaufen die Sensorflächen der drei lichtempfind¬ lichen Sensorelemente plan in der Ebene, wobei vorzugsweise die drei lichtempfindlichen Sensorelemente zueinander in einem Winkel von 120° angeordnet sind.
Sensoren mit ebenen Anordnungen von Sensorelementen sind dahingehend optimiert, eine möglichst große Abdeckung des Mess¬ bereichs sicherzustellen. Abhängig von der medizinischen Anwendung kann es jedoch vorkommen, dass die Intensität des auf die einzelnen Sensorelemente einfallenden Lichts nur geringfügig unterschiedlich ist und in Folge dessen der daraus abgeleitete Einfallswinkel mit einer relativ großen Ungenauig- keit behaftet ist. Ein anderes, hinsichtlich der Messgenauig¬ keit optimiertes Ausführungsbeispiel umfasst einen Sensor, mit zumindest drei voneinander beabstandeten lichtempfindli¬ chen Sensorelementen, die auf einer gemeinsamen Kegelfläche angeordnet sind. Da die Sensorflächen der Sensorelemente nun¬ mehr in einem Winkel zueinander angeordnet sind, der u. a. vom Öffnungswinkel der Kegelfläche bzw. des Kegels abhängt, ist die Abhängigkeit der auf die jeweiligen Sensorelemente auftreffenden Intensitäten vom Einfallswinkel vergrößert. Entsprechend kann der Einfallswinkel mit derartigen Anordnun¬ gen präziser ermittelt werden.
Es versteht sich, dass sich die Größe des Messbereichs und die Messgenauigkeit in einem gegenläufigen Abhängigkeitsverhältnis befinden (trade-off) . Bei einer ebenen Anordnung, die zu einem Öffnungswinkel von 180° korrespondiert, ist der Messbereich maximal. Je spitzer der Öffnungswinkel der Kegel¬ fläche, desto größer die Messgenauigkeit und desto kleiner der Messbereich. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispie¬ len beträgt der Öffnungswinkel der Kegelfläche zwischen 60° und 80°. Insbesondere bei Sensoren, deren Sensorelemente auf Kegelflä¬ chen angeordnet sind, ist gemäß alternativer Ausführungsbei¬ spiel vorgesehen, die nach innen gerichteten Sensorflächen gekrümmt oder eben auszubilden. Bei Sensoren, die Sensorele- mente mit ebenen Sensorflächen aufweisen, sind diese vorzugsweise derart angeordnet, dass deren Mittellängsachsen auf der Kegelfläche verlaufen.
Vorzugsweise sind am medizinischen Instrument zumindest zwei lichtempfindliche Sensoren in einem vorgegebenen Abstand angeordnet. Aus dem gegebenen Abstand und den zumindest zwei von den jeweiligen Sensoren erfassten Einfallswinkeln lassen sich dann die Lage und die Orientierung des medizinischen Instruments in der Ebene bestimmen, die von der zumindest einen Lichtquelle und den zumindest zwei Sensoren definiert wird.
In Weiterbildung der Erfindung sind am medizinischen Instrument drei voneinander beabstandete lichtempfindliche Sensoren in einer von einer kollinearen Konfiguration abweichenden An- Ordnung vorgesehen. Derartige Ausführungen ermöglichen die eindeutige Lagebestimmung von im Raum frei beweglichen medizinischen Instrumenten.
Besonders bevorzugt sind zur Positionsbestimmung des medizi- nischen Instruments vier Sensoren vorgesehen, die in Sensorpaaren angeordnet sind. Jedes Sensorpaar ist in einer linea¬ ren Anordnung vorgesehen, wobei ein erstes Sensorpaar bezüglich eines zweiten Sensorpaars in einer orthogonalen Konfiguration angeordnet ist.
Vorzugsweise sind mehrere Lichtquellen an verschiedenen bekannten Positionen angeordnet, die Licht mit jeweils paarwei¬ se voneinander verschiedenen Frequenzverteilungen emittieren. Der zumindest eine Sensor weist Mittel zur Frequenzselektion, wie beispielsweise entsprechende Filter, auf, so dass die dem Ursprung des auf den zumindest einen Sensor einfallenden Lichts entsprechende Lichtquelle sensorseitig zuordbar ist. Die sensorseitige Frequenzselektion ermöglicht eine Lagebe- Stimmung des zumindest einen Sensors bezüglich Einfallswinkeln, die zu den Positionen der verschiedenen Lichtquellen korrespondieren. Die Anzahl der am medizinischen Instrument vorgesehenen Sensoren kann somit verringert werden, da ein derartig ausgebildeter Sensor die Erfassung von mehreren unabhängigen und zur Positionsbestimmung geeigneten Parametern ermöglicht .
Vorzugsweise sind die lichtempfindlichen Sensoren zur Erfas- sung der Einfallswinkel am medizinischen Instrument vorgese¬ hen und die Lichtquellen an bekannten Positionen im Raum angeordnet. Es ist jedoch selbstverständlich, dass eine ent¬ sprechend invertierte Anordnung, bei der die Lichtquellen und die Sensoren hinsichtlich ihrer räumlichen Anordnung ver- tauscht sind, gleichfalls dazu geeignet ist, die Position des medizinischen Instrumentes zu bestimmen. Lediglich der Einfachheit halber werden Ausführungsbeispiele mit einer be¬ stimmten Anzahl von Lichtquellen und Sensoren konkret beschrieben, bei denen die Sensoren stets am medizinischen In- strument und die Lichtquellen im Raum vorgesehen sind. Die jeweils dazu korrespondierende invertierte Ausführung umfasst entsprechend Vorrichtungen bei denen die Lichtquellen instru- mentenseitig und die Sensoren an den bekannten Positionen im Raum angeordnet sind.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigt in ei¬ ner schematischen Prinzipskizze: Fig. 1 ein Sensor zur Erfassung eines Einfallswinkels in einer Schnittdarstellung;
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung, umfassend eine Lichtquelle und ein medizinischen Instrument mit zwei Sensoren in einer schematischen Darstellung; Fig. 3 ein medizinisches Instrument mit zwei Sensorpaaren in einer orthogonalen Konfiguration in einer schematischen Draufsicht, Fig. 4 eine weitere Vorrichtung zur Positionsbestimmung, bei der der Sensor Mittel zur Frequenzselektion aufweist und mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die Licht unterschied¬ licher Frequenzen emittieren, Fig. 5 ein plan ausgeführter Sensor zur Erfassung des Einfallswinkels im dreidimensionalem Raum in einer Draufsicht,
Fig. 6 ein weiterer Sensor zur Erfassung des Einfallswinkels im dreidimensionalen Raum, dessen Sensorelemente auf ei- ner Kegelfläche angeordnet sind, in einer perspektivischen Darstellung .
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 illustriert schematisch ein zur Erfassung des Einfallswinkels α ausgebildeten Sensor 1, der zwei Photodio¬ den 2 umfasst, deren Sensorflächen 3 in Richtung der Flächennormalen N gerichtet sind. Die Photodioden 2 sind in einem Winkel ß angeordnet, der in dem gezeigt Beispiel 45° beträgt. Entsprechend sind die beiden Sensorflächen 3 hier zueinander orthogonal angeordnet.
Fällt Licht L in Richtung des Einfallswinkels α auf den Sen- sor 1 ein, so erzeugen die Photodioden elektrische Ströme, deren Stromstärken von der auf die jeweilige Photodiode 2 einwirkenden Strahlungsintensität abhängen. Aus dem Verhält¬ nis der beiden Stromstärken ist daher der Einfallswinkel α des einfallenden Lichts L ermittelbar.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist zur Ermittlung des Einfallswinkels α ein beleuchtungsabhängiger Widerstand als Messgröße erfassbar. Mittels dem in Figur 1 gezeigten Sensor 1 ist der Einfallswinkel α in der gezeigten Ebene vollständig ermittelbar. Zur vollständigen Bestimmung von Einfallswinkeln α im dreidimensionalen Raum sind in einem anderen möglichen Ausführungsbeispiel Sensoren 1 vorgesehen, die vier Photodioden 2 umfassen. Jeweils zwei der Photodioden 2 sind zueinander, wie in Figur 1 gezeigt, angeordnet. Ein erstes Paar Photodioden 2 erstreckt sich dabei in der in Figur 1 gezeigten Zeichenebe¬ ne, ein weiteres, zweites Paar Photodioden 2 ist zu der dargestellten Zeichenebene senkrecht angeordnet.
Figur 2 zeigt ein medizinisches Instrument 4, an dem zwei Sensoren 1 befestigt sind, die zur Erfassung von Einfallswinkeln α,ι, a,2 abhängigen Messgrößen ausgebildet sind. Eine Lichtquelle 5 ist an einer bekannten Position im Raum angeordnet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann das Zentrum der Lichtquelle 5 als Ursprung für ein ortsfestes Koordina- tensystem dienen, dessen erste Achse X und zweite Achse Y ge¬ zeigt sind.
Die Lichtquelle 1 emittiert Licht L, das auf die jeweiligen Sensoren 1 im Einfallswinkel α,ι, α,2 auftrifft. Aus den gemes- senen Einfallswinkeln α,ι, α,2 und dem bekannten Abstand Δζ der beiden Sensoren 1 relativ zueinander lässt sich die Position und die Orientierung des medizinischen Instruments 4 in der gezeigten Ebene eindeutig bestimmen. Mit anderen Worten ist die Koordinatentransformation vom ortsfesten Koordinatensys- tem zu dem instrumentenfesten Koordinatensystem in der Ebene durch die Werte für die Einfallswinkel α,ι, α2 und dem Ab¬ stand Δζ bestimmt. Die erste Achse X' und die zweite Achse Y' des instrumentenfesten Koordinatensystems sind in Figur 2 gezeigt .
Figur 3 zeigt schematisch ein medizinisches Instrument 4, das zur Bestimmung der entsprechenden Koordinatentransformation im dreidimensionalen Raum mit vier Sensoren 1 ausgestattet ist. Die Sensoren 1 eines ersten Sensorpaars 6 sind voneinan¬ der im Abstand Δζ angeordnet. Entsprechend sind die Senso¬ ren 1 eines weiteren, zweiten Sensorpaars 7 voneinander im Abstand Δζ ' angeordnet. Das erste und das zweite Sensor- paar 6, 7 nehmen zueinander eine orthogonale Konfiguration ein, so dass die Lage und die Orientierung des medizinischen Instruments 4 von den mittels der Sensoren 1 erfassbaren Einfallswinkeln α,ι, α,2, α,3, a,4 und den Abständen Δζ, Δζ ' voll¬ ständig bestimmt sind.
Figur 4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Sensor 1 zusätzlich ein Filter 8 aufweist, der eine Frequenzselektion des erfassten Lichts L ermöglicht. Die Vorrichtung zur Posi- tionsbestimmung umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei Lichtquellen 5, die an unterschiedlichen, jedoch bekannten Orten im Raum angeordnet sind. Die beiden Lichtquellen 5 emittieren Licht im sichtbaren Bereich mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen. Mittels des Filters 8 kann eine Fre- quenzselektion derart erfolgen, dass lediglich Licht, welches von einer der beiden Lichtquellen 5 ausgesendet wird, erfasst wird. Entsprechend kann mit dem gezeigten Sensor 1 der Einfallswinkel α,ι bezüglich einer ersten Lichtquelle 9 und der Einfallswinkel 0,2 bezüglich einer zweiten Lichtquelle 10 er- mittelt werden.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors 1 in einer Draufsicht. Der Sensor 1 ist flächig ausgebildet und umfasst drei Sensorelemente 3, deren Sensorflächen 3 in der Zeichenebene verlaufen. Die einzelnen Sensorelemente 3 sind zueinander im Winkel γ angeordnet, der in dem gezeigten exemplarischen Beispiel 120° beträgt.
Ein derartiger Sensor 1 ist dazu ausgebildet, den gesamten oberhalb der Zeichenebene befindlichen Halbraum zu erfassen.
Fig. 6 zeigt einen weiterer Sensor 1 zur Erfassung des Einfallswinkels α im dreidimensionalen Raum in einer perspekti- vischen Darstellung. Der Sensor 1 weist drei Sensorelemente 2 auf, die auf einer Kegelfläche 11 in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Die Sensorflächen 3 der Sensorelemente 2 sind dabei nach innen gerichtet.
Bei einer derartigen Anordnung weist die von den jeweiligen Sensorelementen 2 erfasste Intensität des einfallenden
Licht L eine starke Abhängigkeit vom Einfallswinkel α auf. Der Einfallswinkel α lässt sich daher mit einem solchen Sen- sor 1 besonders präzise erfassen.
Ein Öffnungswinkel δ der Kegelfläche 11 bestimmt dabei die relative Ausrichtung der Sensorflächen 3 zueinander, der in dem gezeigten Beispiel etwa 65° beträgt. Bezüglich einer wei- teren, die Oberfläche des Sensors 1 bestimmenden Fläche 12 sind die Sensorelemente 2 zueinander im Winkel γ angeordnet, der in dem gezeigten Beispiel etwa 120° beträgt.
Es versteht sich, dass insbesondere die in Figuren 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiele dazu ausgebildet sind, den vollständigen Raumwinkel a, aus dem das Licht L auf den Sen¬ sor 1 einfällt, zu erfassen, und nicht nur einen Winkel be¬ züglich einer gegebenen Vorzugsrichtung. Lediglich aus Gründen der besseren Darstellung wurden die Figuren diesbezüglich stark schematisiert dargestellt.
Bei einem Verfahren zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments 4 wird die vom Einfallswinkel α abhängige Mess¬ größe mittels zumindest eines am medizinischen Instrument 4 vorgesehenen lichtempfindlichen Sensors 1 erfasst. Zur zumindest teilweisen Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments 4 wird der Einfallswinkel α aus dem gemessenen Wert abgeleitet. Gemäß verschiedenen Anwendungsbeispielen können gegebenenfalls mehrere Sensoren 1 bzw. mehrere Lichtquellen 5 vorgesehen sein, um eine hinreichende Bestimmung der Position und/oder Orientierung des medizinischen Instruments 4 sicherzustellen. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so is die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .
Bezugs zeichenliste
1 Sensor
2 Sensorelement
3 Sensorfläche
4 Instrument
5 Lichtquelle
6 Erstes Sensorpaar
7 Zweites Sensorpaar
8 Filter
9 Erste Lichtquelle
10 Zweite Lichtquelle
11 Kegelfläche
12 Fläche
L Licht
α, α,ι, a,2, a.3, α4 Einfallswinkel ß, γ Winkel
δ Öffnungswinkel
Δζ, Δζ ' Abstand
X, X' Erste Achse
Y, Y ' Zweite Achse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments (4), wobei am medizinischen Instrument (4) zumin- dest ein lichtempfindlicher Sensor (1) mit zumindest zwei
Sensorelementen (2) angeordnet ist, auf dem Licht (L) in einem Einfallswinkel (α, α,ι, a,2, 0,3, a4) einfällt, welches von zumindest einer an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle (5) emittiert wird und eine vom Einfallswin- kel (α, α,ι, a2, a3, a4) abhängige Messgröße zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments (4) anhand von auf die Sensorelemente (2) einwirkenden Strahlungsintensitäten erfasst wird, wobei die den Sensorele¬ menten (2) zugeordneten Sensorflächen (3) zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messgröße eine Stromstärke eines zumindest teilweise durch den photoelektri¬ schen Effekt hervorgerufen elektrischen Stroms oder einen durch den photoelektrischen Effekt modifizierten elektrischen Widerstand umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Lichtquelle (5) Licht (L) mit zumindest einer Frequenz aus dem infraroten Frequenzbereich emittiert.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Lichtquelle (5) Licht (L) mit zumindest einer Frequenz aus dem optisch sichtbaren Frequenzbereich emittiert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere an verschiedenen bekannten Positionen angeordnete Lichtquellen (5, 9, 10) Licht (L) mit jeweils paarweise von- einander verschiedenen Frequenzverteilungen emittieren und eine Zuordnung des Ursprungs des auf den zumindest einen Sen¬ sor (1) einfallenden Lichts (L) anhand der emittierten Fre- quenzverteilung mittels einer sensorseitigen Frequenzselektion erfolgt.
6. Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments (4), die zur Bestimmung der Lage und/oder der
Orientierung des medizinischen Instruments (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei am medizini¬ schen Instrument (4) zumindest ein lichtempfindlicher Sensor (1) angeordnet ist, auf dem Licht (L) in einem Einfalls- winkel (α, α,ι, a,2, 0,3, a4) einfällt, welches von zumindest ei¬ ner an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle (5) emittierbar ist und von dem zumindest einen Sensor (1) eine vom Einfallswinkel (α, α,ι, a,2, 0,3, a4) abhängige Messgröße zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizini- sehen Instruments (4) erfassbar ist, wobei der zumindest eine Sensor (1) zumindest zwei lichtempfindliche Sensorelemen¬ te (2) umfasst, deren Sensorflächen (3) zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die zumindest zwei lichtempfindlichen Sensorflächen (3) orthogonal zueinander angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zumindest eine Sensor (1) vier lichtempfindliche Sensorelemente (2) um¬ fasst, deren Sensorflächen (3) paarweise zueinander in einem vorgegebenen Winkel, insbesondere paarweise orthogonal zuei¬ nander, angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zumindest eine Sensor (1) zumindest drei voneinander beabstandete lichtempfindliche Sensorelemente (2) mit Sensorflächen (3) umfasst .
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Sensorelemente (2) auf einer Kegelfläche angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Kegelfläche einen Öffnungswinkel (δ) von 60° bis 80° aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei am medizinischen Instrument (4) zumindest zwei lichtempfindliche
Sensoren (1) in einem vorgegebenen Abstand (Δζ, Δζ ' ) angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei am medizinischen Instrument (4) zumindest drei voneinander beabstandete lichtempfindliche Sensoren (1) in einer von ei¬ ner kollinearen Konfiguration abweichenden Anordnung vorgesehen sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei mehrere Lichtquellen (5, 9, 10) an verschiedenen bekannten Positionen angeordnet sind, die Licht (L) mit jeweils paar¬ weise voneinander verschiedenen Frequenzverteilungen emittieren und der zumindest eine Sensor (1) Mittel zur Frequenzse- lektion aufweist, so dass die dem Ursprung des auf den zumindest einen Sensor (1) einfallenden Lichts (L) entsprechende Lichtquelle (5, 9, 10) zuordbar ist.
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