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Die Erfindung betrifft eine Positionierungsvorrichtung für ein chirurgisches Gerät, insbesondere für ein Operationsmikroskop.
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Während einer Operation möchte ein Chirurg seine Hände möglichst nicht aus dem Operationsfeld herausnehmen müssen, weil er seine Arbeit nicht unterbrechen möchte, seine Hände nicht durch unbeabsichtigte Berührung unsteriler Flächen unsteril machen möchte und weil er nicht vom Operationsgeschehen und vom Patienten abgelenkt werden möchte. Andererseits muss ein Chirurg ein chirurgisches Gerät, wie beispielsweise ein Operationsmikroskop, während der Operation genau positionieren und die Position des Geräts möglicherweise im Verlauf der Operation mehrfach ändern.
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Für Operationsmikroskope ist eine Positionierung in allen sechs Freiheitsgraden (Translation in drei Raumrichtungen und Rotation um drei Raumachsen) bisher normalerweise unter Einsatz beider Hände an den dafür vorgesehenen Handgriffen üblich. Weiterhin sind Fußschaltpulte bekannt, über die eine Positionierung in der x-y-Ebene (zwei Freiheitsgrade) erreicht werden kann. Dies ist jedoch nicht für alle Anwendungsgebiete ausreichend. Es sind außerdem Mundschalter mit und ohne automatischer Pivotierfunktion bekannt, welche zumindest eine Positionierung mit eingeschränkten Freiheitsgraden ermöglichen. Mundschalter werden allerdings nur von wenigen Chirurgen akzeptiert, weil die Bedienung gewöhnungsbedürftig ist und weil bei Benutzerwechsel ein Hygieneproblem auftreten kann. Komplett über alle Achsen robotisch gesteuerte Operationsmikroskope können zwar freihändig positioniert werden, haben aber aus Sicherheitsgründen nur eine derart langsame Eigenbewegung, dass sie im klinischen Einsatz nicht praktikabel sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Positionierungsvorrichtung für ein chirurgisches Gerät, insbesondere für ein Operationsmikroskop, bereitzustellen, die eine freihändige Positionierung des Geräts ermöglicht.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Positionierungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder durch ein Operationsmikroskop gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Eine Ausführungsform einer Positionierungsvorrichtung für ein chirurgisches Gerät, insbesondere ein Operationsmikroskop, umfasst ein erstes Element, welches an einem Körperteil eines Benutzers des chirurgischen Geräts anbringbar ist. Insbesondere kann das erste Element mittels eines Stirnbands am Kopf des Benutzers angebracht werden. Weiterhin umfasst die Positionierungsvorrichtung ein zweites Element, welches an dem chirurgischen Gerät angebracht ist. Bei einem Operationsmikroskop kann das zweite Element beispielsweise an einem Tubus des Operationsmikroskops angebracht sein. Schließlich umfasst die Positionierungsvorrichtung eine Kupplung, welche das erste und das zweite Element lösbar miteinander verbindet, so dass ein Benutzer mittels der Positionierungsvorrichtung eine Kraft zum Positionieren des chirurgischen Geräts von seinem Körperteil auf das chirurgische Gerät übertragen kann. Bei dem Beispiel eines mittels eines Stirnbands am Kopf des Benutzers angebrachten Elements der Positionierungsvorrichtung kann der Benutzer somit durch Kopfbewegungen das chirurgische Gerät freihändig steuern und in eine gewünschte Position bewegen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Kupplung eine Magnetkupplung umfassen, welche ein besonders einfaches Lösen und Arretieren der Kupplung, und somit ein besonders einfaches Koppeln und Entkoppeln der beiden Elemente der Positionierungsvorrichtung ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das chirurgische Gerät eine Bremsvorrichtung umfassen, um eine Position des chirurgischen Geräts zu fixieren. Dabei kann die Positionierungsvorrichtung derart mit der Bremsvorrichtung des chirurgischen Geräts zusammenwirken, dass ein Schließen der Kupplung zur Verbindung des ersten und des zweiten Elements die Bremsvorrichtung löst. Somit wird durch das Schließen der Kupplung automatisch eine Positionierung des chirurgischen Geräts durch den Benutzer freigegeben, da das chirurgische Gerät nicht mehr durch die Bremsvorrichtung arretiert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Positionierungsvorrichtung eine Zieleinrichtung mit einem Sensor zum Messen des Abstands des ersten und zweiten Elements in wenigstens einer vorbestimmten Richtung umfassen. Mittels des Sensors kann eine Relativposition der beiden Elemente bestimmt werden, und ein Benutzer kann darüber informiert werden, welche Bewegungen er ausführen muss, um die beiden Elemente in Kopplungsstellung zu bringen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Sensor eine 4-Quadranten-Fotodiode zum Messen eines Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Element umfassen. Dadurch kann die Relativposition der beiden Elemente in der x-y-Ebene ermittelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Sensor einen induktiven oder kapazitiven Abstandssensor umfassen, um den Abstand der beiden Elemente in z-Richtung zu ermitteln.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Sensor in die Magnetkupplung integriert sein, und insbesondere einen Hall-Sensor umfassen, um mit möglichst wenigen und kompakten Bauteilen eine zuverlässige Abstandsmessung bereitzustellen.
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Um dem Benutzer das Koppeln der beiden Elemente zu erleichtern, kann vorgesehen sein, dass der Abstand des ersten und zweiten Elements in wenigstens einer vorbestimmten Richtung als eine Dateneinspiegelung für den Benutzer bereitgestellt wird. Gemäß einer Ausführungsform kann die Dateneinspiegelung insbesondere eine Fadenkreuz-Darstellung umfassen, es sind aber auch andere Formen der Dateneinspiegelung denkbar, beispielsweise mit Hilfe von Richtungspfeilen, die die erforderliche Bewegungsrichtung des Benutzers angeben, um die beiden Elemente in Kopplungsstellung zueinander zu bewegen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Positionierungsvorrichtung ferner eine automatisierte Kopplungsvorrichtung umfassen, welche das zweite Element in Kopplungsstellung mit dem ersten Element bringen kann. Dabei kann eine Abstandsmessung wie voranstehend beschrieben genutzt werden, um Steuersignale zur Bewegung des zweiten Elements zu erzeugen.
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Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Operationsmikroskop bereit, umfassend einen Mikroskop-Hauptkörper mit einer Mikroskopie-Optik und eine Positionierungsvorrichtung, wie voranstehend beschrieben, zur Positionierung des Operationsmikroskops.
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Im Folgenden werden einige Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigt:
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1: Ein bekanntes Operationsmikroskop, welches sich für die Positionierung mittels einer erfindungsgemäßen Positionierungsvorrichtung eignet;
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2: Ein Beispiel für eine Positionierungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3: Ein Beispiel für eine Zielvorrichtung, welche mit der Positionierungsvorrichtung aus 2 kombiniert werden kann; und
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4: Ein Beispiel einer automatisierten Kopplung, welche mit der Positionierungsvorrichtung aus 2 und der Zielvorrichtung aus 3 kombiniert werden kann.
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Eine in 1 perspektivisch dargestellte Mikroskopieanordnung 1 umfasst ein Stereo-Operationsmikroskop 3 als ein Beispiel für ein chirurgisches Gerät, welches an einem Stativ 5 angebracht ist. Das Stativ 5 umfasst einen mit Rädern 7 versehenen Sockel 9, auf dem ein Basisteil 11 um eine vertikale Achse 14 verdrehbar angebracht ist. An dem Basisteil 11 ist ein Stativarm 13 um eine horizontale Achse 15 verschwenkbar angebracht und an einem oberen Ende des Arms 13 ist ein weiterer Arm 17 um eine weitere horizontale Achse 19 verschwenkbar angebracht. An einem vorderen Ende des Arms 17 ist das Mikroskop 3 um eine weitere horizontale Achse 21 verschwenkbar über Zwischenglieder 23 aufgehängt, welche eine Drehung des Mikroskops 3 um eine weitere vertikale Achse 25 und um weitere in 1 nicht dargestellte Achsen zur Einstellung einer Blickrichtung des Mikroskops ermöglichen.
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Das Stativ 5 ermöglicht eine Ausbalancierung des Mikroskops 3, so dass es durch Ausüben vergleichsweise kleiner Kräfte im Raum verlagerbar ist. Hierzu umfasst das Stativ 5 ein Gegengewicht 27, welches über zusätzliche Arme 29 und 31 an die Arme 13 und 17 angekoppelt ist.
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Um eine unbeabsichtigte Verlagerung des Mikroskops 3 im Raum zu verhindern, sind einzelne Schwenkachsen, wie etwa die Achse 15 gegenüber Verdrehung ihrer Komponenten blockiert. Hierfür sind Bremsen (nicht dargestellt) vorgesehen, welche einzelne Achsen oder eine Kombination von Achsen arretieren können. Das Mikroskop 3 umfasst Okulare 33 und einen Hauptkörper 35, welcher unter anderem ein Objektiv der Mikroskopieoptik aufnimmt und welcher an das Stativ 5 gekoppelt ist.
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Wie in 2 gezeigt, ist im Bereich der Okulare 33 des Mikroskops 3 eine Positionierungsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Die Positionierungsvorrichtung 100 stellt eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Chirurgen und dem Mikroskop 3 her. Bei dem dargestellten Beispiel wird die kraftschlüssige Verbindung durch einen geräteseitigen Magneten 101, welcher am Mikroskop 3 befestigt ist, und einen benutzerseitigen Magneten 102, welcher beispielsweise mittels einer Kopfhalterung 103 am Kopf des Chirurgen befestigt werden kann, hergestellt. Die beiden Magneten 101, 102 bilden somit eine Kupplung, welche durch Annähern des benutzerseitigen Magneten 102 an den geräteseitigen Magneten 101 geschlossen werden kann, so dass Bewegungen des am Kopf des Chirurgen angebrachten benutzerseitigen Magneten 102 über den geräteseitigen Magneten 101 auf das Mikroskop 3 übertragen werden können.
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Die Positionierungsvorrichtung 100 kann mit einer Steuereinheit 104 verbunden sein, welche beispielsweise die Bremsen des Mikroskops 3 in Abhängigkeit des Kopplungszustands der Positionierungsvorrichtung 100 lösen oder arretieren kann. Weiterhin kann eine Benutzerschnittstelle 105 für die Steuereinheit 104 vorgesehen sein, welche vorzugsweise ebenfalls freihändig bedienbar ist, und beispielsweise einen Fußschalter oder eine Sprachsteuerung umfasst. Durch die Benutzerschnittstelle 105 kann der Chirurg das Lösen und Arretieren der Kupplung der Positionierungsvorrichtung 100, beispielsweise bei der Verwendung von Elektromagneten 101, 102, steuern, wobei das Lösen der Bremsen des Mikroskops 3 automatisch bei erfolgter Kopplung oder benutzergesteuert erfolgen kann.
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Die Steuereinheit 104 kann den Kopplungszustand der Positionierungsvorrichtung 100 beispielsweise direkt über eine Befestigungsvorrichtung 106 des geräteseitigen Magneten 101 am Tubus des Mikroskops erfassen, welche bei einer Kopplung des benutzerseitigen Magneten 102 mit dem geräteseitigen Magneten 101 beispielsweise über einen Magnetauslöser den Kopplungszustand erfasst und an die Steuereinheit 104 ausgibt. Der Magnetauslöser kann beispielsweise in die Befestigungsvorrichtung 106 des geräteseitigen Magneten 101 integriert sein. Die Magneten 101, 102 sind somit Kopplungskomponenten, welche über Auslösen der Magnetkupplung miteinander gekoppelt und wieder voneinander gelöst werden können. Hierbei entspricht der benutzerseitige Magnet 102 dem ersten Element der Positionierungsvorrichtung 100, wie voranstehend beschrieben, und der geräteseitige Magnet 101 entspricht dem zweiten Element der voranstehend allgemein beschriebenen Positionierungsvorrichtung.
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Bei Annäherung der beiden Magnete 101, 102 aneinander kann die Magnetkupplung entweder automatisch geschlossen werden, indem die Magnete 101, 102 schon während der Annäherung aktiviert sind und sich aufgrund entsprechend ausgerichteter Magnetfelder gegenseitig anziehen, oder wenigstens ein Magnet kann während der Annäherung deaktiviert bleiben, bis der Chirurg über die Schnittstelle 105 die Magnetkupplung betätigt und die beiden Magneten 101, 102 miteinander koppelt. Umgekehrt kann beim Lösen der Kopplung zwischen den beiden Magneten 101, 102 vorgesehen sein, dass die Magnete aktiviert bleiben, und dass der Chirurg beispielsweise mit einer ruckartigen Kopfbewegung die Anziehungskraft des geräteseitigen Magneten 101 auf den benutzerseitigen Magneten 102 überwindet. Alternativ kann der Chirurg über die Schnittstelle 105 die Magnetkupplung lösen, indem wenigstens einer der beiden Magneten 101, 102 deaktiviert wird.
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Der benutzerseitige Magnet 102 kann über eine Halte- und Justageanordnung 107 an der Kopfhalterung 103 befestigt sein. Dadurch kann der benutzerseitige Magnet 102 derart relativ zum Kopf des Chirurgen positioniert werden, dass eine Kopplungsstellung der beiden Magneten 101, 102 erreicht werden kann, während der Chirurg durch die Okulare 33 des Mikroskops 3 schaut. Somit ist die Positionierungsvorrichtung 100 für den Chirurgen während einer Operation nutzbar, ohne dass er seinen Blick oder seine Hände vom Operationsbereich entfernen muss. Die Befestigungsvorrichtung 106 des geräteseitigen Magneten 101 am Tubus des Mikroskops 3 stellt eine weitere Verstellmöglichkeit bereit, um es dem Chirurgen zu ermöglichen, in ergonomischer Haltung am Mikroskop 3 zu arbeiten, während die beiden Magnete 101, 102 der Positionierungsvorrichtung 100 miteinander gekoppelt sind.
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Als Sicherheitsmaßnahme können am Operationsmikroskop 3 Handgriffe 4 vorgesehen sein, und es kann vorgesehen sein, dass bei Aktivierung eines Bedienelements an den Handgriffen 4 die Kopplung der beiden Magnete 101, 102 und die damit verknüpften Funktionen (wie z. B. das Lösen der Bremsen des Mikroskops 3) sofort aufgehoben werden. Dies kann durch eine in 2 schematisch gezeigte Datenverbindung der Handgriffe 4, mit integrierten Sensoren oder dergleichen, mit der Steuereinheit 104 der Positionierungsvorrichtung 100 erreicht werden.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer Positionierungsvorrichtung 100, bei der eine Zieleinrichtung 200 vorgesehen ist, um es dem Chirurgen zu erleichtern, die Magnete 101, 102 in eine Kopplungsposition zu bringen. Die Zieleinrichtung 200 umfasst eine erste Komponente 201, welche an dem geräteseitigen Magneten 101 angebracht ist, und eine zweite Komponente 202, welche an dem benutzerseitigen Magneten 102 angebracht ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Zieleinrichtung 200 mit einem Zentriersensor 203 und einem Abstandssensor 204 ausgestattet.
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Als Zentriersensor 203 kann beispielsweise eine 4-Quadranten-Fotodiode verwendet werden, welche an einer der Komponenten angebracht ist und welche das Licht einer Punktlichtquelle an der gegenüber liegenden Komponente detektiert. Als Abstandssensor 204 kann beispielsweise ein induktiver oder ein kapazitiver Abstandssensor verwendet werden. Somit kann sowohl die Abweichung der beiden Magnete 101, 102 von der idealen Verbindungslinie in x-y-Richtung, d. h. die Zentrierung der beiden Kopplungskomponenden, als auch der Abstand der beiden Magnete 101, 102 zueinander gemessen werden.
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Alternativ kann die räumliche Anordnung der Kopplungskomponenten auch über die magnetischen bzw. elektromagnetischen Bestandteile 101, 102 der Positionierungsvorrichtung 100 erfasst werden, über welche auch der Kraftschluss zwischen dem geräteseitigen Element und dem benutzerseitigen Element der Positionierungsvorrichtung hergestellt wird. Dazu können beispielsweise Hall-Sensoren eingesetzt werden, welche die Relativposition der beiden Magnete 101, 102 zueinander erfassen können.
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Wie in 3 dargestellt, kann eine Dateneinspiegelung 205 vorgesehen sein, um die relative Position der Kopplungskomponenten 101, 102 zueinander darzustellen. Hierbei werden die Informationen bevorzugt so dargestellt, dass der Chirurg anhand der eingespiegelten Daten die Kopplungskomponenten 101, 102 möglichst einfach in eine Kopplungsposition bringen kann. Beispielsweise kann die Abweichung der Kopplungskomponenten 101, 102 voneinander in der Ebene des Zentriersensors 203 als eine Fadenkreuzdarstellung angezeigt werden, während der vom Abstandssensor 204 gemessene Abstand der beiden Kopplungskomponenten 101, 102 als ein Zahlenwert oder als eine graphische Umsetzung des Zahlenwerts innerhalb der Fadenkreuzdarstellung angezeigt werden kann, beispielsweise durch Größe, Farbe, Form, Strichdicke oder dergleichen des Fadenkreuzes. Alternativ ist denkbar, einen Pfeil darzustellen, der die erforderliche Bewegungsrichtung angibt, um die benutzerseitige Kopplungskomponente 102 in Kopplungsstellung mit der geräteseitigen Kopplungskomponente 101 zu bringen. Der Abstand der beiden Kopplungskomponenten in Bewegungsrichtung kann dabei beispielsweise durch die Länge, Strichdicke oder Farbe des Pfeils veranschaulicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich zur Dateneinspiegelung 205 kann auch eine Einheit zur Ausgabe akustischer Signale 206 vorgesehen sein, welche durch akustische Ausgaben dem Chirurgen ein Feedback über die Relativposition der Kopplungskomponenten 101, 102 liefert. Beispielsweise kann über eine Tonfolge, bei der Tonhöhe, Lautstärke und/oder Zeitabstand zwischen den Einzeltönen variiert werden, Informationen über die Relativposition der Kopplungskomponenten 101, 102 and den Chirurgen übermittelt werden.
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4 zeigt eine optionale Modifikation der voranstehend beschriebenen Ausführungsform, wobei eine Vorrichtung zur automatisierten Kopplung der beiden Kopplungskomponenten 101, 102 vorgesehen ist. Hierbei wird die geräteseitige Kopplungskomponente 101 mittels einer Positionierungseinheit 301, 302 in Kontakt mit der benutzerseitigen Kopplungskomponente 102 gebracht. Die voranstehend beschriebene Zieleinrichtung 200 mit Sensoren zur Abstands- und Relativpositionsbestimmung kann hierbei von der Steuereinheit 104 ausgewertet werden, um die Bewegung der geräteseitigen Kopplungskomponente 101 zu steuern. Alternativ kann eine Abstandsmessung mittels Hall-Sensoren, wie voranstehend beschrieben, zum Steuern der automatisierten Kopplung verwendet werden.
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Im Gegensatz zur voranstehend beschriebenen Betrieb der Zieleinrichtung, bei der der Chirurg selbst seinen Kopf in eine Stellung bewegen muss, die eine Kopplung der beiden Kopplungskomponenten 101, 102 ermöglicht, passt sich bei der in 4 dargestellten automatisierten Kopplungsvorrichtung die geräteseitige Kopplungskomponente 101 an die momentane Position des Chirurgen an. Dadurch kann erreicht werden, dass der Chirurg in einer ergonomisch günstigen Haltung arbeiten kann.
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Beim Betrieb der automatisierten Kopplungseinrichtung werden über die Steuereinheit 104 (siehe 3) die von der Zieleinrichtung 200 ermittelten Abweichungen der Position der geräteseitigen Kopplungskomponente 101 von der benutzerseitigen Kopplungskomponente 102 in Steuersignale umgewandelt. Diese Steuersignale werden an aktive Positionierelemente 301, 302 übermittelt. Die Positionierelemente können dabei beispielsweise eine motorisch betriebene x-y-Verstellung 302 und eine motorisch betriebene Abstandsverstellung 301 umfassen. Die Positionierelemente 301, 302 befinden sich vorzugsweise tubusseitig in der Halte- und Justageeinrichtung 106 (siehe 3).
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Bei der Bewegung der geräteseitigen Kopplungskomponente 101 wird vorzugsweise ein geschlossener Regelkreis mit Rückkopplung durch die Signale der Zieleinrichtung 200 genutzt. Wenn die Kopplungsposition mit der benutzerseitigen Kopplungskomponente 102 erreicht ist, kann die Magnetkopplung automatisch oder benutzergesteuert aktiviert werden. Die Aktivierung der Magnetkopplung bei Erreichen der Kopplungsposition der beiden Kopplungskomponenten 101, 102 kann dabei durch ein freihändiges Bedienelement, beispielsweise durch eine Sprachsteuerung oder ein Fußpedal, ausgelöst werden. Daraufhin können, wie voranstehend beschrieben, die Bremsen des Mikroskops 3 automatisch gelöst werden, so dass der Chirurg das Mikroskop 3 durch Bewegungen seines Kopfes über die Positionierungsvorrichtung 100 positionieren kann.
