DE20213711U1

DE20213711U1 - Vorrichtung zur Bestimmung der geometrischen Daten einer kugeligen Ausnehmung

Info

Publication number: DE20213711U1
Application number: DE20213711U
Authority: DE
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2012-09-06

Description

A 56 850 u AESCULAP AG &. Co. KG

4. September 2002 Am Aesculap-Platz

u-248 78532 Tuttlingen

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER GEOMETRISCHEN DATEN EINER KUGELIGEN AUSNEHMUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der geometrischen Daten einer kugeligen Ausnehmung in einem Gegenstand, insbesondere einem Knochen, mit einem in die Ausnehmung einsetzbaren Tastkörper, an dem ein Markierelement festgelegt ist, dessen Position und Orientierung im Raum durch ein Navigationssystem bestimmbar ist.

Bei vielen Bearbeitungsvorgängen werden in Gegenstände Vertiefungen mit einer kugeligen Außenkontur eingearbeitet, beispielsweise halbkugelförmige Ausnehmungen in Knochen, in die später halbkugelige Implantate eingesetzt werden sollen. Diese Einsetzvorgänge werden heute in vielen Fällen mit navigierten Instrumenten oder unter Zuhilfenahme von Robotern vorgenommen, und daher ist es wichtig, die genaue Positionierung und die genaue Dimensionierung dieser kugeligen Ausnehmungen in dem jeweiligen Gegenstand genau zu kennen. Um diese Daten zu ermitteln ist es bekannt, in die kugeligen Ausnehmungen genau in diese passende kugelige Tastkörper einzusetzen und diese navigiert in den kugeligen Ausnehmungen zu verschwenken. Durch die unterschiedlichen Positionen des kugeligen Tastkörpers in der kugeligen Ausnehmung lassen sich dann der Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung und die Lage der Kugelfläche im Raum bestimmen.

Dieses bekannte Verfahren läßt sich jedoch nur dann anwenden, wenn der kugelige Tastkörper genau in die kugelige Ausnehmung paßt. Wenn in den Gegenstand kugelige Ausnehmungen mit unterschiedlichem Durchmesser eingearbeitet werden, ist daher für die Positionsbestimmung dieser kugeligen Aus-

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nehmungen mit unterschiedlichem Radius jeweils ein an diese kugelige Ausnehmung bestimmter Abmessung angepaßter kugeliger Tastkörper notwendig. Mit anderen Worten, zu jedem kugeligen Fräser, mit dem eine solche Ausnehmung hergestellt wird, muß ein eigener kugeliger Tastkörper vorhanden sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß mit einem einzigen Tastkörper auch die geometrischen Daten von kugeligen Ausnehmungen mit unterschiedlichem Radius bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Tastkörper eine kreisförmige Anlagelinie mit einem Radius, der kleiner ist als der Radius aller auszumessenden Ausnehmungen, definiert, längs welcher der Tastkörper an der Innenwand von Ausnehmungen mit unterschiedlichem Radius jeweils definiert anlegbar ist.

Eine solche definierte Anlage einer fiktiven oder tatsächlichen Anlagelinie ist an kugeligen Ausnehmungen mit unterschiedlichem Radius möglich, so daß der Tastkörper bei einer solchen Anlage relativ zu der kugeligen Ausnehmung eine genau definierte Position einnehmen kann. Der Tastkörper kann längs der Innenwand der kugeligen Ausnehmung verschoben werden und dabei unterschiedliche Orientierungen annehmen, in jedem Fall liegt die Anlagelinie des Tastkörpers dabei in einer definierten Position an der Innenwand der kugeligen Ausnehmung an. Aus der Lage der Anlagelinie im Raum läßt sich der Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung berechnen, denn dieser Mittelpunkt liegt beispielsweise immer auf einer Normalen auf der Ebene der kreisförmigen Anlagelinie, wobei diese Normale durch den Mittelpunkt der kreisförmigen An-

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lagelinie hindurchgeht. Der Schnittpunkt dieser Normalen bei unterschiedlicher Orientierung des Tastkörpers in der kugeligen Ausnehmung ist der Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung, und von diesem ausgehend läßt sich durch den Abstand dieses Schnittpunktes von der Anlagelinie auch der Radius der Kugel berechnen.

Damit ist mit einem derartigen Tastkörper die Bestimmung der geometrischen Daten bei allen kugeligen Ausnehmungen mit beliebigem Radius möglich, solange der Radius der kugeligen Ausnehmung größer ist als der Radius der kreisförmigen Anlagelinie.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Anlagelinie durch mindestens drei auf dieser liegende Stützpunkte definiert wird. Wenn der Tastkörper drei im Abstand voneinander angeordnete Stützpunkte ausbildet, so läßt sich durch diese drei Punkte eine Ebene legen und ein in dieser Ebene liegender Kreis bildet die Anlagelinie. Ein solcher Tastkörper liegt in einer Drei-Punkt-Auflage auf der Innenwand der kugeligen Ausnehmung auf, die drei Kontaktpunkte definieren die kreisförmige Anlagelinie, die in ihrer gesamten Länge auf der kugeligen Innenwand der Ausnehmung liegt.

Selbstverständlich ist es möglich, auf dieser kreisförmigen Anlagelinie noch zusätzliche Stützpunkte vorzusehen, beispielsweise könnten auch sechs derartige Stützpunkte verwendet werden, die dann alle auf einem gemeinsamen Kreis liegen müssen. Bei der Verwendung von nur drei Stützpunkten folgt der Tastkörper jeder Unregelmäßigkeit in der Oberfläche der kugeligen Ausnehmung, so daß zur Bestimmung des Kugelmittelpunktes kein exakter Schnittpunkt der Normalen auf der kreisförmigen Anlagelinie mehr gegeben ist, son-

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dem eine Vielzahl von Schnittpunkten der Normalen in unterschiedlicher Orientierung aufgefunden werden können, aus dieser Vielzahl muß dann durch eine Wichtung näherungsweise der tatsächliche Kugelmittelpunkt bestimmt werden. Verwendet man dagegen eine größere Anzahl von Stützpunkten, so ergibt sich bereits bei der Anlage des Tastkörpers an der Innenwand eine Mittelung, Vertiefungen in der Innenwand der Ausnehmung werden beispielsweise durch einen solchen Tastkörper weitgehend ausgeglichen, da in dem vertieften Bereich der Stützpunkt des Tastkörpers nicht an der Anlagefläche aufliegt, sondern auf der gedachten Kugelfläche liegen bleibt, die von den anderen Stützpunkten durch ihre Anlage an der kugeligen Innenfläche der Ausnehmung definiert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Stützpunkte von den Anlagepunkten von konvexen Stützkörpern an der Innenwand der Ausnehmung gebildet werden. Die Stützpunkte können vorzugsweise zumindest im Anlagebereich kugelig geformt sein.

Bei den bisher beschriebenen Vorrichtungen sind die Stützpunkte am Tastkörper festgelegt.

Es ist bei einer bevorzugten Ausführungsform aber auch möglich, daß die Stützpunkte am Tastkörper so verstellbar gelagert sind, daß der Radius der von ihnen definierten Anlagelinie veränderbar ist. Damit ist es möglich, die Größe der kreisförmigen Anlagelinie an den Radius der kugeligen Ausnehmung anzupassen. Einmal kann dadurch ein größerer Radiusbereich von Ausnehmungen sehr genau ausgemessen werden, zum anderen ist es auch möglich, die Stützpunkte am Tastkörper so zu verstellen, daß der Abstand zwischen der

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Ebene der kreisförmigen Anlagelinie einerseits und dem Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung andererseits immer gleich ist. Der Tastkörper arbeitet dann so wie ein bekannter kugeliger Tastkörper, dessen Radius jeweils an den Radius der kugeligen Ausnehmung angepaßt ist. Es sind daher auch die gleichen Berechnungsprogramme im Navigationssystem verwendbar, während bei Tastkörpern mit festen Stützpunkten in der oben beschriebenen Weise die Lage des Mittelpunktes beispielsweise durch Berechnung des Schnittpunktes der Normalen auf der kreisförmigen Anlagelinie jedes Mal neu berechnet werden muß.

Auch hier können auf der Anlagelinie mehr als drei derartige Stützpunkte angeordnet werden, die dann alle gemeinsam zur Änderung des Radius der Anlagelinie verstellbar sind.

Bei einer solchen Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, daß außerhalb der Ebene der kreisförmigen Anlagelinie mindestens ein weiterer Stützpunkt am Tastkörper vorgesehen ist, der am Tastkörper synchron mit den Stützpunkten auf der Anlagelinie derart verstellbar ist, daß alle Stützkörper auf einer gemeinsamen Kugelfläche liegen. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, punktförmig Kugelflächen zu definieren, deren Radius unterschiedlich groß ist. Damit können mit einem solchen Tastkörper kugelförmige Tastkörper mit unterschiedlichem Radius nachgebildet werden, die dann genauso arbeiten wie feste kugelige Tastkörper, der Benutzer benötigt jedoch nicht verschiedene kugelige Tastkörper, sondern kann kugelige Ausnehmungen mit verschiedenem Radius mit einem einzigen Tastkörper ausmessen.

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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Tastkörper ein kreisförmiger Ring oder eine kreisförmige Scheibe ist. Die kreisförmige Anlagelinie wird also nicht nur durch drei oder mehr Stützpunkte definiert, sondern durch einen vollständigen kreisförmigen Körper, der längs seiner Außenfläche an der Innenwand einer kugeligen Ausnehmung definiert anlegbar ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Tastkörper eine im Querschnitt konvex geformte Außenfläche trägt, die linienförmig an die Innenwand der Ausnehmung anlegbar ist.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der geometrischen Daten einer kugeligen Ausnehmung am Beispiel einer Lagerpfanne für ein Hüftgelenkimplantat;

Figur 2: eine Schnittansicht durch eine kugelige Ausnehmung mit einem ringförmigen Tastkörper;

Figur 3: eine Detailansicht des Tastkörpers der Figur 2 im Anlagebereich zwischen Tastkörper und Innenwand der kugeligen Ausnehmung;

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Figur 4: eine Ansicht ähnlich Figur 2 mit einem Tastkörper mit drei Stützpunkten;

Figur 5: eine Ansicht ähnlich Figur 2 mit einem Tastkörper mit in ihrer Position verstellbaren Stützfüßen und

Figur 6: eine Schnittansicht längs Linie 6-6 in Figur 5.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der Ausmessung einer kugeligen Ausnehmung 1 in einem Hüftknochen 2 erörtert, die mit einem Kugelfräser in den Hüftknochen eingebracht wird und die zur Aufnahme einer pfannenförmigen Endoprothese dient. Es versteht sich aber von selbst, daß die beschriebene Vorrichtung und das mit ihr durchführbare Verfahren auch bei kugeligen Ausnehmungen in anderen Gegenständen eingesetzt werde können, beispielsweise zur Lagebestimmung einer kugeligen Ausnehmung in einem metallischen Werkstück oder in einem Werkstück aus Holz oder Kunststoff.

Zur Bestimmung der Lage und der Abmessungen der kugeligen Ausnehmung im Hüftknochen 2 wird ein Tastkörper 3 verwendet, der in noch zu erörternder Weise in die kugelige Ausnehmung 1 eintaucht und der an der Innenwand 4 der kugeligen Ausnehmung 1 anliegend in dieser verschwenkt werden kann. Diese Verschwenkbewegung kann von einem Navigationssystem 5 erfaßt werden, und dieses kann daraus Lage und Form der kugeligen Ausnehmung 1 bestimmen.

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Zu diesem Zweck sind an dem Tastkörper 3 und am Hüftknochen 2 jeweils Markierelemente 6 bzw. 7 festgelegt, deren Lage im Raum in an sich bekannter Weise über ein Kamerasystem 8 bestimmt werden kann. Beispielsweise können die Markierelemente 6 und 7 drei oder mehr kugelige Reflexionskörper tragen, die von dem Kamerasystem 8 ausgesandte Infrarotstrahlung reflektieren, die dann wieder vom Kamerasystem 8 aufgefangen wird. Aus der aufgefangenen Infrarotstrahlung lassen sich Lage und Orientierung der Markierelemente im Raum berechnen.

Die so berechneten Daten werden einer Datenverarbeitungsanlage 9 des Navigationssystems 5 zugeführt, diese Datenverarbeitungsanlage 9 kann aus den Lagedaten des Hüftknochens 2 einerseits und des in unterschiedlichen Stellungen in der kugeligen Ausnehmung 1 angeordneten Tastkörpers 3 andererseits die Lage und die Form der kugeligen Ausnehmung 1 im Hüftknochen 2 berechnen.

In den Figuren 2 und 3 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Tastkörpers 3 dargestellt. Dieser besteht im wesentlichen aus einem torusförmigen Ring 10, an dem das Markierelement 6 über einen Stab 11 befestigt ist. Dieser Ring hat einen Radius, der kleiner ist als der der kugeligen Ausnehmung 1, deren Lage und Form ausgemessen werden sollen. Dadurch ist es möglich, diesen Ring 10 im wesentlichen längs einer kreisförmigen Anlagelinie 12 an die Innenwand 4 der kugeligen Ausnehmung 1 anzulegen, und zwar in unterschiedlichen Richtungen, wie dies in Figur 2 dargestellt ist, dort ist der Ring 10 in ausgezogenen Linien in einer ersten Lage und in strichpunktierten Linien in einer zweiten Lage dargestellt.

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Bei der Verschwenkbewegung des Tastkörpers 3 liegt der Ring immer längs einer geschlossenen, ringförmigen Anlagelinie 12 an der Innenwand 4 der kugeligen Ausnehmung 1 an, wenn man davon ausgeht, daß die kugelige Ausnehmung 1 tatsächlich kugelig ist und nicht von der Kugelform abweicht. Eine Normale 13 auf der durch die Anlagelinie 12 aufgespannten Kreisfläche, die durch den Mittelpunkt der kreisförmigen Anlagelinie 12 hindurchgeht, geht immer durch den Mittelpunkt M der kugeligen Ausnehmung 1 hindurch. Dies gilt für alle Positionen des Tastkörpers 3 in der kugeligen Ausnehmung 1, d.h. es gibt einen gemeinsamen Schnittpunkt aller Normalen 13 im Kugelmittelpunkt M. Dieser Kugelmittelpunkt M läßt sich somit als Schnittpunkt dieser Normalen 13 bei unterschiedlich orientierten Tastkörpern 3 durch die Datenverarbeitungsanlage 9 berechnen.

Die geometrischen Daten des Ringes 10 sind ebenfalls bekannt, also beispielsweise der Radius R der kreisbogenförmigen Außenfläche 14 des torusförmigen Ringes 10 und der Mittelpunkt 15 dieser Außenfläche 14, der auf einem Kreis liegt, der konzentrisch ist zur Anlagelinie 12. Der Radius der Kugel ergibt sich dann, wie aus der Darstellung der Figur 3 zu entnehmen ist, ohne weiteres als Summe des Abstandes des Mittelpunktes 15 vom Kugelmittelpunkt M und des Radius R der Außenfläche 14.

Auf diese Weise kann mittels des ringförmigen Tastkörpers 3 jede kugelige Ausnehmung 1 mit einem Radius ausgemessen werden, der größer ist als der Radius der Anlagelinie 12 des Tastkörpers 3.

Anstelle eines Ringes 10 kann als Tastkörper 3 beispielsweise auch eine Kreisscheibe verwendet werden oder aber, wie dies in der Darstellung der Figur 4

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gezeigt ist, ein Dreibein 16, dessen abgerundete Endpunkte Stützpunkte 17 ausbilden, an denen die drei Beine des Dreibeins 16 mit ihren freien Enden punktförmig an der Innenwand 4 der kugeligen Ausnehmung 1 anliegen. Diese Drei-Punkt-Auflage gibt eine definierte Positionierung des Tastkörpers 3 in unterschiedlichen Schwenklagen, und diese Lage entspricht vollständig der Lage eines ringförmigen Tastkörpers, bei dem die Anlagelinie durch die drei Stützpunkte 17 hindurchläuft. Es wird also die Anlagelinie 12 bei der Ausführungsform der Figur 4 durch die drei Stützpunkte 17 definiert. Anstelle von drei Stützpunkten 17 können auch mehr Stützpunkte verwendet werden, die dann alle auf einer gemeinsamen kreisförmigen Anlagelinie 12 liegen müssen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 5 und 6 sind beispielsweise vier derartige Stützpunkte 17 vorhanden, diese werden gebildet von kugeligen Anlagekörpern 18, die am Ende von Stützbeinen 19 angeordnet sind und deren Kontaktpunkte mit der Innenwand 4 auf einer gemeinsamen kreisförmigen Anlagelinie liegen.

Im Unterschied zur Ausgestaltung der Figur 4 sind bei der Ausgestaltung der Figuren 5 und 6 jedoch die Abstände der Anlagekörper 18 untereinander nicht konstant, sondern es ist möglich, die Anlagekörper 18 relativ zueinander so zu verschieben, daß der Radius der von ihnen aufgespannten Anlagelinie verändert wird. Bei dem in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel läßt sich dies dadurch erreichen, daß die Anlagekörper 18 in Richtung der Stützbeine 19 mehr oder weniger weit ausgefahren werden können, und zwar gemeinsam in gleicher Weise. Dazu sind im Inneren der Stützbeine 19 flexible Halteglieder 20 angeordnet, die durch eine Verstellschraube 21 gemeinsam mehr oder weniger weit aus den Stützbeinen 19 ausgefahren werden können.

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Die mechanische Vorrichtung ist in der Zeichnung nur sehr schematisch dargestellt, es gibt die unterschiedlichsten Möglichkeiten, den Abstand der Anlagekörper 18 voneinander so zu verändern, daß der Radius der Anlagelinie verändert wird, beispielsweise könnten die Stützbeine 19 mehr oder weniger auseinandergeschwenkt werden.

Durch die Verstellung des relativen Abstandes der Anlagekörper 18 zueinander ist es möglich, die Größe der kreisförmigen Anlagelinie an den Radius der auszumessenden kugeligen Ausnehmung 1 anzupassen. Beispielsweise kann der Radius der Anlagelinie so gewählt werden, daß bei kugeligen Ausnehmungen 1 mit unterschiedlichem Radius immer dieselbe Stelle des Tastkörpers 3 genau im Mittelpunkt M der kugeligen Ausnehmung 1 angeordnet ist. Es können entsprechende Markierungen auf dem Tastkörper 3 angeordnet sein, die der Größe eines Satzes von Werkzeugen entsprechen, mit denen kugelige Ausnehmungen 1 mit unterschiedlichem Radius in den Hüftknochen 2 eingearbeitet werden. Der Operateur kann daher den Tastkörper 3 jeweils auf das Bearbeitungswerkzeug einstellen, mit dem die kugelige Ausnehmung 1 hergestellt worden ist.

Bei der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsform liegen alle vier Anlagekörper 18 in einer Ebene, d.h. die von ihnen definierten Stützpunkte 17 liegen alle gemeinsam auf der kreisförmigen Anlagelinie. Bei einer solchen Ausgestaltung wäre es auch möglich, zusätzliche Stützpunkte 17 vorzusehen, die nicht in der Ebene der kreisförmigen Anlagelinie liegen, sondern außerhalb dieser Ebene. Allerdings müßten diese Stützpunkte 17 dann auch in ihrer Position so verstellbar sein, daß der Abstand dieser zusätzlichen Stützpunkte 19 von dem Mittelpunkt M jeweils gleich ist wie bei den anderen Stützpunkten 17,

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die die Anlagelinie aufspannen. Mit anderen Worten wird bei einer solchen Ausgestaltung eine kugelige Außenfläche des Tastkörpers 3 durch einzelne Stützpunkte 17 simuliert, wobei der Abstand dieser Stützpunkte 17 vom Mittelpunkt M der kugeligen Ausnehmung 1 synchron verstellbar ist. Bei einer solchen Ausgestaltung werden also die unterschiedlichen kugeligen Tastkörper 3, die bisher notwendig sind, durch einen einzigen Tastkörper 3 ersetzt, dessen kugelige Kontaktfläche im Radius verstellbar ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der geometrischen Daten einer kugeligen Ausnehmung in einem Gegenstand, insbesondere einem Knochen, mit einem in die Ausnehmung einsetzbaren Tastkörper, an dem ein Markierelement festgelegt ist, dessen Position und Orientierung im Raum durch ein Navigationssystem bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkörper (3) eine kreisförmige Anlagelinie (12) mit einem Radius, der kleiner ist als der Radius aller auszumessenden Ausnehmungen (1) definiert, längs welcher der Tastkörper (3) an der Innenwand (4) von Ausnehmungen (1) mit unterschiedlichem Radius jeweils definiert anlegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagelinie (12) durch mindestens drei auf dieser liegende Stützpunkte (17, 18) definiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützpunkte (17) durch die Enden von Stützfüßen (16) gebildet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützpunkte (17) von den Anlagepunkten von konvexen Stützkörpern (18) an der Innenwand (4) der Ausnehmung (1) gebildet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkörper (18) zumindest im Anlagebereich kugelig geformt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützpunkte (17, 18) am Tastkörper (3) so verstellbar gelagert sind, daß der Radius der von ihnen definierten Anlagelinie veränderbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Ebene der kreisförmigen Anlagelinie mindestens ein weiterer Stützpunkt am Tastkörper (3) vorgesehen ist, der am Tastkörper (3) synchron mit den Stützpunkten (17) auf der Anlagelinie derart verstellbar ist, daß alle Stützkörper auf einer gemeinsamen Kugelfläche liegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkörper (3) ein kreisförmiger Ring (10) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkörper (3) eine kreisförmige Scheibe ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkörper (3) eine im Querschnitt konvex geformte Außenfläche (14) trägt, die linienförmig an die Innenwand (4) der Ausnehmung (1) anlegbar ist.