DE10225077A1

DE10225077A1 - Trackingsystem

Info

Publication number: DE10225077A1
Application number: DE2002125077
Authority: DE
Inventors: Markus Schill
Original assignee: VR MAGIC GmbH
Current assignee: Vrmagic De GmbH
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: DE10225077B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Objektverfolgeanordnung mit einer Vielzahl von Sensormitteln zur Erfassung eines Objektes aus unterschiedlichen Richtungen und einem Auswertemittel zur Bestimmung der Position des Objektes relativ zu einer vorgegebenen Referenz im Ansprechen auf Sensormittelsignale. DOLLAR A Hierbei ist vorgesehen, dass zumindest ein Sensormittel relativ zu der vorgegebenen Referenz beweglich ist, Sensormittelpositionserfassungsmittel vorgesehen sind zur Erfassung der Sensormittelposition relativ zur Referenz und das Auswertemittel dazu ausgebildet ist, die Objektposition im Ansprechen auf die Sensormittelsignale und die Sensormittelpositionerfassungsmittelsignale zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte. Damit befasst sich die vorliegende Erfindung mit der Nachverfolgung zu erfassender Objekte, das heißt sie betrifft ein Tracking-System.
Objektverfolgeanordnungen sind erforderlich und bekannt, um die Position bestimmter Objekte zu verfolgen. Dies gewinnt zunehmende Bedeutung etwa bei chirurgischen Eingriffen, wo die Position eines chirurgischen Instrumentes exakt erfasst werden muss, um diese zu dokumentieren oder, darüber hinausgehend, mittels automatischer oder halbautomatischer robotischer Systeme den Chirurgen zu unterstützen.
Aus der DE 196 39 615 C2 ist ein Reflektorenreferenzierungssystem für chirurgische und medizinische Instrumente, sowie ein Markersystem für neurochirurgisch zu behandelnde Körperpartien bekannt. Es wird dort vorgeschlagen, dass das Reflektorenreferenzierungssystem für chirurgische und medizinische Instrumente oder Behandlungsapparate mit mindestens zwei Kameras und einer mit den Kameras verbundenen Rechnereinheit mit einer Grafik-Bildschirmausgabe versehen ist, wobei eine Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung und eine Reflektorengruppe mit mindestens zwei Reflektoren für diese Infrarotstrahlung vorgesehen ist, wobei die Reflektoren in einer nur für diese Reflektorengruppe charakteristischen Anordnung an den Instrumenten beziehungsweise Behandlungsapparaturen angebracht sind.
Die Kameras erfassen dabei den Bereich des Operationstisches, an dem die Behandlung stattfindet und können dreidimensional Raumkoordinaten von chirurgischen Instrumenten und Behandlungsapparaten erfassen, die mit Reflektoren versehen sind, welche Infrarotstrahlen reflektieren.
Aus der GB/A/2 345 538 ist ein optischer Nachverfolger mit einer monokularen Videocamera, mit einer Videobildfangkarte, einem Coumputer und einer dedizierten Software für die 3D- und 2D-Verfolgung hereinkommender Bilder bekannt, die verwendet wird, um den Computercursor zu steuern, das heißt, an Stelle einer Maus.
Ein visuelles Echtzeitserversystem für die laparoskopische Chirurgie ist von G.-Q. WEI und K. Arkter bekanntgemacht worden, vgl. DE 39 43 917.
Aus der US-Offenlegungsschrift US 2001/0008561 A1 ist ein Echtzeitcomputersichtsystem bekannt, das eines oder mehrere Objekte, die sich in einer Szene bewegen, unter Verwendung einer Vielorttechnik verfolgen, wobei nicht gesucht werden muss.
Die Objektverfolgung in Videosequenzen ist aus der WO 94/25930 bekannt.
Aus der US-PS 6,188,777 ist ein Verfahren einer Vorrichtung zur Personaldetektion und Nachverfolgung bekannt.
Wenn Objekte bei kritischen Anwendungen wie chirurgischen Eingriffen verfolgt werden, etwa um die Position eines Elektroskalpells vor dessen Erregung genau festzulegen, so muss die Positionserfassung schnell und exakt erfolgen. Dies gilt unter allen Umständen, auch dann, wenn die mit der Operation befasste Person oder ein anderes Mitglied des operierenden Teams in das Erfassungsfeld zwischen Sensor und zu erfassendem Objekt tritt. Darüber hinaus ist es wünschenswert, eine dauerhafte Kalibrierung zu schaffen, die dafür Sorge trägt, dass die Objektnachverfolgung während der gesamten Operationsdauer erschütterungssicher gewährleistet ist. Es ist wünschenswert, zumindest einigen dieser Erfordernisse wenigstens partiell besser genügen zu können.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Damit schlägt die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Grundgedanken eine Objektverfolgeanordnung mit einer Vielzahl von Sensormitteln zur Erfassung eines Objektes aus unterschiedlichen Richtungen und einem Auswertemittel zur Bestimmung der Position des Objektes relativ zu einer vorgegebenen Referenz, d. h. einem willkürlich festgelegten und/oder festlegbaren Raumpunkt, im Ansprechen auf Sensormittelsignale vor, bei welchem vorgesehen ist, dass zumindest ein Sensormittel relativ zu der vorgegebenen Referenz beweglich ist, Sensormittelpositionserfassungsmittel vorgesehen sind zur Erfassung der Sonsormittelposition relativ zur Referenz und das Auswertemittel dazu ausgebildet ist, die Objektposition im Ansprechen auf die Sensormittelsignale und die Sensormittelpositionerfassungsmittelsignale zu bestimmen.
Ein erster wesentlicher Aspekt der Erfindung ist damit darin zu sehen, dass die Sensormittel selbst beweglich sind und ihre Position mitausgewertet wird. Auf diese Weise wird einerseits erreicht, dass die Anordnungen gegen Erschütterungen, etwa durch gegen die Sensormittel wie Kameras, stoßende Personen in ihrer Verwendbarkeit gesichert ist, und es wird andererseits ermöglicht, die Sensormittel stets dicht bei den zu erfassenden Objekten zu halten. Dies wiederum erlaubt es, die Sensormittel so anzuordnen, dass sich nichts zwischen Sensormittel und zu erfassendem Objekt befindet und überdies eine präzise Bestimmung der Objektposition relativ zum Sensor möglich ist.
Die Objektverfolgeanordnung der vorliegenden Erfindung wird daher bevorzugt in geschlossenen Räumen, insbesondere in Operationssälen eingesetzt, wobei die Referenzposition raumfest sein kann. In alternativer Weise wäre auch möglich, eine Referenzierung vorzunehmen auf einen beweglichen Operationstisch oder dergleichen, was sinnvoll ist, wenn ein Patient auf einem Tisch fixiert behandelt wird, sei es bei einer - Bestrahlung, wo er relativ zu einer Strahlungsquelle verschoben werden muss, sei es bei anderen Anlässen.
In einer bevorzugten Variante sind mehrere per se identische Sensormittel vorgesehen und zumindest eines derselben ist relativ zu anderen Sensormitteln beweglich. Es sei aber darauf hingewiesen, daß bei bestimmten Sensormitteln, die auf per se identische Weise Objekte erfassen, gegebenenfalls andere Auslegungen möglich sind, etwa, wenn bei Kameras unterschiedliche Brennweiten für verschiedene Elemente vorgesehen werden und/oder insbesondere während der Objektverfolgung einstellbar sind. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn zwei oder mehr Sensoren gemeinsam miteinander beweglich sind und zwar relativ zu mehreren anderen Sensoren. In einem solchen Fall können die beweglichen Sensoren nahe des Objektes angeordnet werden und haben dabei bevorzugt sehr gute Sicht auf diese, während mit den verbleibenden Sensoren als Sensormittelpositionserfassungsmittel die Position der beweglichen Sensoren erfasst wird.
Bevorzugt ist es, wenn die Sensoren die Objekte optisch erfassen, da in einem solchen Fall mit vergleichsweise preiswerten positionsempfindlichen Sensoren gearbeitet werden kann, wie CCD-Kameras, CMOS-Feldern oder anderen lichtempfindlichen Halbleitern. Die optische Objekterfassung wird bevorzugt zumindest teilweise im sichtbaren Bereich (VIS- Bereich) erfolgen, wobei insbesondere die Objektfarben berücksichtigt werden können. Dies erlaubt es, im Operationsfeld ohne zusätzliche IR-Quellen auszukommen, was besonders bevorzugt ist, weil durch die stets erforderliche helle Ausleuchtung des Operationsfeldes ohnehin eine starke Wärmebelastung des Bereiches gegeben ist. Die Objektfarbenberücksichtigung ermöglicht dabei zugleich weiter, dass unterschiedliche Objekte anhand ihrer unterschiedlichen Farben erkannt werden oder auf einfache Weise Marken auf Objekten aufgebracht werden und damit eine sehr schnelle Zuordnung und Erkennung möglich ist.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung sind mehrere der objekterfassenden Sensoren vorgesehen, mit denen insbesondere durch Triangulation die Position des Objektes bestimmt werden kann. Das Vorsehen von drei oder mehr Sensoren hat dann den Vorteil, dass redundante Information erhalten werden kann, was auch die Bestimmung der Position mit höherer Präzision erleichtert und/oder die Robustheit verbessert. In einer bevorzugten Variante ist es ausreichend, wenn nicht die Position des gesamten Objektes bestimmt wird, sondern wenn lediglich die Position eines vorgegebenen Objektteils erfasst wird. Dass dabei das Objektteil eine Referenzmarke sein kann, ein Leuchtpunkt beziehungsweise eine Leuchtfläche und/oder ein Farbpunkt sei erwähnt. Die Bezugnahme auf derartige Referenzmarken erleichtert die Identifikation bei der Bilddatenauswertung.
Wenn, wie bevorzugt, die Objektposition mit einer Anzahl von Sensoren beziehungsweise Sensormitteln erfasst wird, die eine Überbestimmung erlauben, so ist es bevorzugt, die wahrscheinlichste Objektposition durch Gewichtung der Sensormittelsignale beziehungsweise der daraus ausgewerteten Größen zu erhalten. Die Gewichtung kann beispielsweise unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen Objekt- und Sensormittel erfolgen, wobei typisch geringere Abstände zu einer höheren Gewichtung führen werden und/oder es können partielle Objektverdeckungen an bestimmten Sensormitteln erfasst werden. Liegt etwa eine kreisförmige Referenzmarke vor, die zu einer bestimmten Zeit aufgrund einer partiellen Objektverdeckung nur als Halbkreis erkannt wird, so ist zwar per se eine Objektpositionsbestimmung noch möglich, aber dennoch wird diese nicht so genau wie dort sein, wo die Sicht auf das Objekt ungehindert ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Objektverfolgungsanordnung der vorliegenden Erfindung die relative Sensormittelbeweglichkeit vorsieht, indem die beweglichen Sensormittel in beziehungsweise an einer beweglichen Beleuchtungsanordnung angeordnet werden. Insbesondere ist es möglich, die beweglichen Sensormittel wie CCD-Elemente oder dergleichen in einer Operationslampe anzuordnen. Es ist dann möglich, die Position der beweglichen Sensormittel dadurch zu erfassen, dass etwa die Rückseite der Operationsleuchte mit den verbleibenden Sensormitteln erfasst wird. Vorteilhaft ist dies, weil typische Operationsleuchten eine vergleichsweise große Ausdehnung besitzen, die für Zwecke der Triangulation einen hinreichend großen Sensormittelabstand daran befestigter Sensoren erlaubt, weil das Operationsfeld typisch nicht abgeschattet ausgeleuchtet wird, also eine hervorragende Sicht auf das Operationsfeld und damit die typisch zu verfolgenden Instrumente gewährleistet ist, und weil überdies diese Instrumente auch noch optimal ausgeleuchtet sind.
Das Sensormittelpositionserfassungsmittel kann, insbesondere, wenn die Sensormittel selbst in oder an einer OP-Leuchte angeordnet werden, durch Decoder realisiert sein, insbesondere Winkel- und/oder Linearpositionsdecoder, mit denen die Winkel- oder Linearpositionen der OP-Leuchte erfasst werden. In einem solchen Fall ist es nicht zwingend erforderlich, weitere Kameras außerhalb der OP-Leuchte bereitzustellen. Alternativ und/oder zusätzlich dazu ist es aber auch möglich, eine Vielzahl von Kameras oder anderen Sensormitteln im Operationssaal oder einem anderen Raum, in dem ein Objekt zu verfolgen ist, anzuordnen und dann einerseits mit diesen die Position der beweglichen Sensormittel zu erfassen und/oder zugleich die Objekte mitzuverfolgen.
Per se ist es ausreichend, wenn kaskadiert mit einem ersten Satz von als Sensormittelpositionserfassungsmitteln verwendeten Sensoren erfasst wird, wo die auf das Objekt unmittelbar gerichteten Sensoren befindlich sind, und dann das Objekt mit diesen verfolgt wird. Bevorzugt ist allerdings, wenn, zumindest zur Konsistenzkontrolle und/oder zur gegebenenfalls nur niedrig gewichteten Korrektur oder als Backup-System die Sensormittelpositionserfassungsmittel zugleich auch zur eigentlichen Objekterfassung herangezogen werden. In einem solchen Fall wird typisch, etwa wenn die als Sensormittelpositionserfassungsmittel verwendeten Sensoren an Wänden und/oder Decken angeordnet sind, ein höheres Gewicht auf die nahe beim Objekt befindlichen beweglichen Sensoren gelegt, um die Objektposition zu bestimmen.
Es sei darauf hingewiesen, dass erforderlichenfalls eine Sensormittelpositionserfassung mit mehr als zwei Stufen in Kaskadenanordnung vorgesehen werden kann. Dies ist etwa dann sinnvoll, wenn eine Raumüberwachung gegeben ist, die mit einer Vielzahl von fest installierten und fest ausgerichteten Kameras geschieht und innerhalb des Raumes ein größerer Bereich beweglich gebildet ist, etwa ein maschinell verschiebbarer Behandlungstisch, an welchem wiederum bewegliche Teile angeordnet sind. Auch wäre denkbar, die Sensormittel zur Objekterfassung zu integrieren in eine Brillenanordnung für den Chirurgen bei neurochirurgischen Eingriffen oder dergleichen.
Die mehrfache Kaskadierung ist auch in sehr großen Räumen sinnvoll, etwa in Fabrikhallen usw.
Die Erfindung wird im Folgenden nun beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:
Fig. 1 die Anordnung von Sensoren einer erfindungsgemäßen Objektverfolgeanordnung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Signaleauswertung;
Fig. 3 eine schematische Anordnung der Sensormittel in einer Operationsleuchte.
Nach Fig. 1 umfasst eine allgemein mit 1 bezeichnete Objektverfolgeanordnung 1 eine Vielzahl von Sensormitteln 2 zur Erfassung eines Objektes 3 aus unterschiedlichen Richtungen und ein Auswertemittel 4 zur Bestimmung der Position des Objektes 3 relativ zu einer vorgegebenen Referenz 5 im Ansprechen auf Signale aus den Sensormitteln 2, wobei die Sensormittel 2 beweglich zur Referenz 5 an einer Operationsleuchte 6 angeordnet sind und Sensormittelpositionserfassungsmittel 7 vorgesehen sind, um die Position der Sensormittel 2 zu erfassen, und wobei das Auswertemittel 4 dazu ausgebildet ist, die Objektposition im Ansprechen auf die Signale aus den Sensormitteln 2 und auf die Signale aus dem Sensormittelpositionserfassungsmittel 7 zu bestimmen.
Die Objektverfolgeanordnung 1 dient dabei, wie anhand des Operationstisches 8 und des darauf befindlichen Patienten 9 angedeutet, zur Verfolgung medizinischer Instrumente als Objekte 3 während einer Operation. Sie ist demgemäß in einem Operationssaal angeordnet.
Die Sensormittel 2 umfassen eine Vielzahl von farbempfindlichen CCD-Kameras hinreichender hoher Auflösung und sind in festem Abstand zueinander in einer Operationsleuchte 6 angeordnet. Dabei sind sie mit dieser Operationsleuchte 6 über dem Patienten 9 beweglich angebracht, wobei die Lampe 6 etwa auf den Patienten 9 zu abgesenkt werden kann, wie durch Pfeil 10a angedeutet, um mehrere Drehachsen gedreht werden kann, wie durch Pfeile 10b und 10c angedeutet, sowie gekippt werden kann, wie durch Pfeil 10d angedeutet.
Nach Fig. 3 Sind die Sensormittel 2 als drei getrennte CCD- Felder 2a, 2b, 2c in den Randbereichen der Operationsleuchte 6 angeordnet und zwar auf Positionen zwischen den eigentlichen Leuchtmittelträgern 6a, 6b, 6c. Die Signale der Sensoren 2a, 2b, 2c werden, geeignet konditioniert und abgeschirmt, an die Auswerteeinheit 4 geführt.
Das Objekt 3, das als Skalpell 3 dargestellt ist, ist mit Farbpunkten 3a, 3b, 3c versehen, die seine Identifizierung und die Identifizierung seiner räumlichen Lage und Ausrichtung erlauben.
An das Auswertemittel 4 werden Signale aus den Sensormitteln 2 und den Sensormittelpositionserfassungsmitteln 7 gespeist, um dort, wie später mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben werden wird, ausgewertet zu werden.
Als vorgegebene Referenz 5 dient im dargestellten Ausführungsbeispiel ein ortsfester Punkt 5 im Operationssaal, bezogen auf den X-, Y- und (nicht dargestellt) Z-Koordinaten bestimmt werden, d. h. die Referenz braucht nicht durch eine physisch wahrnehmbare, feste Marke definiert sein, sondern kann als ein fester, festgelegter Bezugspunkt bei der Koordinatenmessung dienen, der insbesondere bei jeder Grundkalibrierung willkürlich neu festlegbar sein kann. Es wird darauf hingewiesen, dass, während in den Fig. 1 und 2 nur auf Koordinaten X und Y Bezug genommen wird, bei typischen Anwendungen drei räumliche Koordinaten für die Erfassung eines jeden Objektpunktes bestimmt werden. Liegen auf einem Objekt größerer räumlicher Ausdehnung mehrere zu erfassende Objektpunkte kann somit auch dessen räumliche Winkellage erfasst werden. Dass anstelle kartesischer Koordinaten andere Koordinaten verwendbar sind, sei erwähnt.
Bei der Operationsleuchte 6 handelt es sich um eine herkömmliche Operationsleuchte, die jedoch, wie in Fig. 3 dargestellt, mit Sensormitteln versehen ist und auf der sich im Gehäusebereich auf der vom Leuchtfeld abgewandten Seite Referenzmarken 6d, 6e, 6f befinden, die besonders gut von den Sensormittelpositionserfassungsmitteln 7 erfassbar sind.
Die Sensormittelpositionserfassungsmittel 7a bis 7f sind an den Wänden und der Decke des Operationssaales fest angeordnet und weisen allgemein in Richtung auf den Operationstisch 8 und erfassen diesen sowie die Operationsleuchte 6, wobei durch geeignete Anordnung der Sensormittelpositionserfassungsmittel 7 an Wänden und Decke des Operationssaales sichergestellt ist, dass die Referenzmarken 6d, 6e, 6f auf der Operationsleuchte 6 in jeder möglichen Position derselben jeweils von wenigstens zwei Sensormittelpositionserfassungsmitteln erfaßbar ist, wie beispielsweise für 7a, 7b für die Referenzmarke 6d dargestellt. Dies ist durch die durchgezogenen Sichtfeldlinien, die von den Sensormitteln 7a, 7b zur Referenzmarke 6d ausgehen, ersichtlich. Überdies erfassen die Sensormittelpositionserfassungsmittel zumindest zum Teil auch die Referenzmarken 3a, 3b, 3c auf dem Objekt 3. Dies ist zumindest von einigen der Sensormittelpositionserfassungsmittel 7 möglich. Die Sensormittelpostionserfassungsmittel 7 sind dabei genau so wie die eigentlichen Sensormittel in der Operationsleuchte 6 als CCD-Kameras ausgebildet und weisen dieselbe, hohe Auflösung und Farbempfindlichkeit auf wie diese.
Fig. 2 zeigt die Beschaltung der Auswerteanordnung 4, die geeignet konditionierte Signale aus den Sensormitteln 7 und den Sensormitteln 2 empfängt.
Die Referenzmarken 3a, 3b, 3c auf dem Objekt 3 beziehungsweise die Referenzmarken 6d, 6e, 6f auf der Operationsleuchte 6 ergeben auf dem Array der CCD-Sensoren dedizierte, mit geeigneten Mitteln wie FPGA-Karten erkennbare Signaturen, anhand derer die Lage des Punktbildes auf dem Sensor bestimmt werden kann und einerseits zugeordnet werden kann, zu welchem Objekt die Markierung gehört, also beispielsweise zu einem Skalpell oder der Operationsleuchte, und andererseits erkennbar ist, wie gut die Markierung am Sensormittel erfasst wird, also mit welcher Größe und gegebenenfalls welcher partiellen Abschattung. Die Auswertestufe 4 ist in der Lage, dies durch geeignete, per se im Stand der Technik liegende Auswertung festzustellen. Es wird dann durch Triangulation und/oder andere, per se bekannte Verfahren in der Auswertestufe für Sensormittelpaare und Sensormittelpositionserfassungsmittelpaare unter Heranziehung einer einmal für die feststehenden Sensormittelpositionserfassungsmittel durchgeführten Kalibrierung und Kalibrierung bzw. Bestimmung der Abbildungseigenschaften der beweglichen Sensormittel bzw. Sensormittelpaare jeweils eine Position x, y, z sowie der zugeordneten, gewichtenden Qualität q der jeweiligen Erfassung bestimmt, soweit dies möglich ist. Wird ein Objekt mit einem Sensormittel nicht erfasst, wie dies für das Objekt 3 und das Sensormittel 7c der Fall ist, wird die Qualität der zugehörigen Erfassung auf null gesetzt.
Die Auswertestufe erhält damit durch Auswertung der Signale aus den CCD-Feldern und der paarweisen Verknüpfung einerseits einen Satz an Koordinaten des Objektes x_Obj_abs_(i), y_Obj_abs_(i) und z_Obj_abs_(i) mit zugehöriger Wichtung q_Obj_abs_(i), die aus den Signalen der Sensormittelpositionserfassungssignale hergeleitet sind. Weiter werden Koordinaten der Operationsleuchten-Referenzmarken und damit der mit dieser beweglichen Sensormittel bestimmt, die in Fig. 2 als x_Lamp_abs_(i), y_Lamp_abs_(i), z_Lamp_abs_(i), q_Lamp_abs_(i) bezeichnet sind. Diese Koordinaten entsprechen absoluten Positionen bezogen auf den Referenzpunkt 5, da die Wand- und deckenmontierten Sensormittel 7 ortsfest sind. Typisch wird aber die zugeordnete Qualität gering sein, da viele Sensormittel die Objekte nicht oder nicht vollständig und überdies nur aus großer Entfernung erfassen. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Überbestimmung zur Objekterfassung insbesondere im medizinischen Umfeld durch mehr Sensoren als erforderlich redundante Informationen liefert, was zur Messwertverbesserung führt und/oder vor Objektverlust bei Abschattung schützt und/oder die Robustheit verbessert und als per se nicht bekannt angesehen wird, weshalb auch hierin schon eine schutzwürdige Erfindung erblickt wird, unabhängig von einer Kaskadierung und ähnlichem.
Aus den Signalen der beweglichen Sensoren 2 werden dann andererseits gleichfalls durch paarweise Triangulation der ausgewerteten CCD-Array-Signale Koordinaten x_Objekt_relativ_(j), y_Objekt_relativ_(j), z_Objekt_relativ_(j) zusammen mit zugehörigen Qualitäten q_Objekt_relativ_(j) bestimmt. Die Qualität der Koordinaten x_Objekt_relativ_(j), y_Objekt_relativ_(j), z_Objekt_relativ_(j) wird typisch hoch sein, da die Sensoren dicht am Objekt angeordnet sind und typisch freie Sicht auf dieses haben werden.
In der Auswertestufe werden nun aus den absoluten Positionen der Lampe, wie sie aus den Sensoren 7 bestimmt ist und den sich daraus ergebenden Sensormittelpositionen der Sensoren 2 unter Heranziehung der relativen Koordinaten x_Objekt_relativ_(j), y_Objekt_relativ_(j), z_Objekt_relativ_(j) und der bestimmten jeweiligen Wichtung 9 die gewichtet gemittelten Koordinaten ∅_x-Objekt, ∅_y-Objekt, ∅_z-Objekt bestimmt. In diese mittleren Koordinaten gehen einerseits die sehr präzise bestimmten Koordinaten relativ zu den beweglichen Sensormitteln ein, wobei sich hier die Präzision aus der geringen Abschattung, der guten Ausleuchtung und dem geringen Abstand ergibt und andererseits die absolute Position der Lampe relativ zu den Sensormitteln, die fest im Raum angeordnet sind, wobei sich hier die Präzision und Genauigkeit durch die Berücksichtigung einer Vielzahl von Sensormitteln ergibt, so dass ein Fehler der Absolutbestimmung der Position der beweglichen Sensormittel durch Mittelung über eine Vielzahl unterschiedlicher Messwertpaare ebenfalls verringert ist. Die Gesamtpräzision der Anordnung ist damit sehr hoch und es besteht trotzdem zu keinem Zeitpunkt die Gefahr, dass durch eine vollständige Verdeckung etwa durch einen Operateur eine Positionsbestimmung unmöglich wird. Damit ist eine schnelle, präzise und, angesichts der vergleichsweise niedrigen Preise von CCD-Vorrichtungen dennoch preiswerte Positionserfassung möglich, die auch bei feinchirurgischen Eingriffen und dergleichen die erforderliche Präzision bietet.
Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei dem Skalpell, anders als dargestellt, insbesondere um ein roboterbewegtes Skalpell oder ein anderes automatisch oder halbautomatisch bewegtes Operationsinstrument wie eine Säge, einen Bohrer, ein Endoskop, einen Katheter oder ähnliches handeln kann, wobei der Roboter im Ansprechen auf Signale aus der Steuerung 4 beweglich sein kann. In einem solchen Fall ist die Präzision der Roboterbewegung von der Präzision und Geschwindigkeit der Objekterfassung abhängig.
Es sei erwähnt, dass auch durch Bildung von Triangulationsgruppen, die wenigstens ein bewegliches und ein unbewegliches Sensormittel umfassen, Koordinaten bestimmbar sind, und zwar sowohl für Objekte als auch Sensormittelpositionen. Es sei erwähnt, dass zur Bestimmung von unterschiedlichen Koordinaten eines Punktes jeweils ganz oder teilweise unterschiedliche Sensormittel heranziehbar sind.
Es sei erwähnt, daß anstelle der beschriebenen CCD-Kameras auch CMOS-Kameras o. ä. für alle oder einiger der Sensormittel einsetzbar sind.
Es sei weiter erwähnt, daß es möglich ist, zunächst erste Sensoren relativ zu anderen, temporär feststehenden zweiten Sensoren zu bewegen, dann unter Heranziehung der Sensorsignale der zweiten Sensoren zu bestimmen, wo die ersten Sensoren positioniert sind und dann andere, insbesondere die zweiten Sensoren zu bewegen, um so einen sukzessiven Wechsel zwischen bewegten und festen Sensoren zuzulassen.

Claims

1. Objektverfolgeanordnung mit
einer Vielzahl von Sensormitteln zur Erfassung eines Objektes aus unterschiedlichen Richtungen und
einem Auswertemittel zur Bestimmung der Position des Objektes relativ zu einer vorgegebenen Referenz im Ansprechen auf Sensormittelsignale,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest ein Sensormittel relativ zu der vorgegebenen Referenz beweglich ist,
Sensormittelpositionserfassungsmittel vorgesehen sind zur Erfassung der Sensormittelposition relativ zur Referenz
und das Auswertemittel dazu ausgebildet ist, die Objektposition im Ansprechen auf die Sensormittelsignale und die Sensormittelpositionerfassungsmittelsignale zu bestimmen.

2. Objektverfolgeanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch zum Einsatz in geschlossenen Räumen, insbesondere in Operationssälen, insbesondere mit raumfesten Referenzen.

3. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest eines der Sensormittel relativ zu anderen Sensormitteln beweglich ist,
und
insbesondere zwei oder mehr Sensoren separat und/oder gemeinsam miteinander zu dem oder den anderen Sensormitteln beweglich sind.

4. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel zumindest partiell zur optischen Objekterfassung bestimmt sind.

5. Objektverfolgeanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Objekterfassung zumindest partiell, insbesondere vollständig im VIS-Bereich erfolgt, insbesondere unter Objektfarbenberücksichtigung.

6. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel positionsempfindliche Sensoren umfaßt, insbesondere Kameraelemente, lichtempfindliche Halbleiter und/oder CCD-Anordnungen.

7. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei das Objekt erfassende Sensoren vorgesehen sind.

6. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei das Objekt insbesondere zur Lieferung redundanter Informationen erfassende Sensoren vorgesehen sind.

9. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertemittel dazu ausgebildet ist, die Objektposition anhand der Position eines Objektteils zu bestimmen und/oder die Bestimmung anhand der Festlegung eines Objektteils vorzunehmen.

10. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertemittel dazu ausgebildet ist, die Objektposition durch Triangulation zu erfassen.

11. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertemittel dazu ausgebildet ist, die Objektposition unter Bezugnahme auf Referenzmarken wie Farb- und/oder Leuchtpunkte oder -flächen am Objekt zu erfassen.

12. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertemittel dazu ausgebildet ist, die Objektposition mit einer eine Überbestimmung erlaubenden Anzahl von Sensormitteln zu erfassen.

13. Objektverfolgeanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertemittel dazu ausgebildet ist, eine wahrscheinliche Objektposition aus dem Signal der überbestimmenden Zahl von Sensormitteln unter Wichtung vorzunehmen.

14. Objektverfolgeanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertemittel dazu ausgebildet ist, die Wichtung unter Berücksichtigung des Objekt- Sensormittel-Abstandes und/oder partieller Objektverdeckung an bestimmten Sensormitteln vorzunehmen.

15. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Beleuchtungsanordnung sensormittelversehen ist, um so die relative Sensormittelbeweglichkeit zu erzielen.

16. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung eines medizinischen Trackingsystems für operative Eingriffe und dgl. eine bewegliche Operationsleuchte sensormittelversehen ist.

17. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittelpositionserfassungsmittel einen Winkel- und/oder Linearpositionsdecoder umfaßt, der insbesondere die Winkel- und/oder Linearposition eines Sensormittelträgers zur Sensormittelpositionserfassung erfaßt.

18. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittelpositionserfassungsmittel optische Sensoren, insbesondere Kameras, insbesondere CCD- und/oder CMOS-Kameras umfaßt.

19. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Sensormittelpositionserfassungsmittel zugleich zumindest temporär zur Objekterfassung beschaltbar sind.

20. Objektverfolgeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrstufige Sensormittelpositionserfassung vorgesehen ist.