DE60106913T2 - Gerät zur positionierung eines chirurgischen instruments - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Positionieren eines chirurgischen Instrumentes während eines orthopädischen Chirurgieverfahrens.
  • WO-A-98/27887 offenbart eine Vorrichtung, die verwendet wird, um ein chirurgisches Instrument mittels eines Roboters zu positionieren, der das chirurgische Instrument innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung entsprechend Programmbefehlen von einem Steuercomputer bewegt. Die Vorrichtung umfaßt einen Sensor in Form eines manuell bewegbaren Sensorarmes oder in Form eines entfernten Empfängers (z. B. in Form eines optischen Signalempfängers, der Lichtsignale von lichtemittierenden Dioden empfangen kann), der verwendet werden kann, um ein Koordinatensystem für die Vorrichtung zu definieren und die Lage des Knochens des Patientens, an dem das Verfahren durchgeführt werden soll, innerhalb dieses Koordinatensystemes zu bestimmen. Ein derartiges Definieren des Koordinatensystems kann das Orten von Markern oder anatomischen Merkmalen auf dem Knochen des Patienten umfassen. Zum Beispiel kann ein Sensor, der einen manuell bewegbaren Arm umfaßt, bewegt werden, um Marker auf dem Knochen zu berühren. Umfaßt der Sensor einen Empfänger, so kann dieser eine Information von den Markern auf dem Knochen empfangen, die deren Position anzeigt. Durch eine Bestimmung der Lage des Instrumentes relativ zu dem Sensor, kann die Vorrichtung mittels der Information von den ortsbestimmenden Markern arbeiten, um die Lage des Knochens relativ zu der des Instrumentes zu bestimmen. Befehle, die das chirurgische Instrument steuern, können sodann durch den Steuercomputer bereitgestellt werden, der Eingaben verwendet, die durch den Arzt vorgenommen wurden.
  • Die offenbarte Vorrichtung kann eine Information von einem oder mehreren positionsbestimmenden Markern (z. B. LED-Markern) auf dem Knochen verwenden, um eine Bewegung des Knochens während des chirurgischen Verfahrens zu überwachen, die dann berücksichtigt werden kann, um das Signal zu verändern, das von dem Computer an den Roboter geleitet wird, so daß das Instrument weiterhin geeignet relativ zu dem Knochen positioniert ist.
  • Das Signal, das von dem Computer an den Roboter in derartigen Vorrichtungen geleitet wird, hängt davon ab, ob der Roboter im Stande ist, das Instrument in eine gewünschte Lage zu überführen. Die Vorrichtung hängt daher von einer genauen Kalibrierung des Roboters ab, damit das chirurgische Instrument genau positioniert wird. Diese Kalibrierungserfordernisse können es erfordern, daß der Roboter regelmäßig rekalibriert wird. Dies kann zeitraubend sein. Jedoch kann das Auslassen eines nötigen Rekalibrierens dazu führen, daß Ungenauigkeiten bei dem Positionieren des Instrumentes auftreten, die den Erfolg des chirurgischen Verfahrens zunichte machen können.
  • Eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruch 1 ist offenbart in US-A-5695500.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Positionieren eines chirurgischen Instrumentes bereit, bei der ein Computer zum Erzeugen des Positionssignals für den Roboter ein Verfahren verwendet, das ein Minimieren der Differenz zwischen der wahren Position des Instrumentes und der gewünschten Position beinhaltet.
  • Dementsprechend wird in einer Ausführungsform der Erfindung eine Vorrichtung zum Positionieren eines chirurgischen Instrumentes relativ zu dem Koordinatensystem der Vorrichtung während eines orthopädischen Chirurgieverfahrens bereitgestellt, umfassend:
    • a. ein chirurgisches Instrument,
    • b. ein Robotersteuerungssystem zum Bewegen des chirurgischen Instrumentes entsprechend Programmbefehlen innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung,
    • c. einen Instrumentensensor, der eine feste Lage relativ zu dem Instrument einnimmt, um die wahre Position des Instrumentes innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen,
    • d. einen Referenzsensor, der an einem Knochen des Patienten befestigbar ist, um die Lage des Knochens des Patientens in dem Koordinatensystem der Vorrichtung anzuzeigen,
    • e. einen Detektor zum Überwachen der Positionen des Instrumentensensors und des Referenzsensors, und
    • f. einen Signalprozessor, der Positionssignale von dem Detektor empfängt, wobei der Signalprozessor ein gewünschtes Positionssignal für das Robotersteuerungssystem erzeugt, um das chirurgische Instrument in eine gewünschte Position relativ zu dem Referenzsensor durch ein Verfahren zu bewegen, das ein Minimieren der Differenz zwischen der wahren Position des Instrumentes und der gewünschten Position beinhaltet.
  • Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, daß das Erfordernis einer genauen Kalibrierung eines Robotersteuerungssystems reduziert wird, weil die Vorrichtung die Position des chirurgischen Instrumentes unmittelbar relativ zu der Position des Knochens des Patientens steuert. Die Vorrichtung entsprechend der Erfindung ermöglicht somit das Berücksichtigen von Fehlern, und bevorzugt ebenso eine Korrektur derselben, bei der Kalibrierung des Robotersteuerungssystems, die andernfalls dazu führen könnten, daß das chirurgische Instrument falsch relativ zu dem Knochen positioniert wird.
  • Ein weiterer bedeutsamer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß das Signal, das für die Robotersteuerungssystempositionierung erzeugt wird, eine Bewegung des Knochens des Patientens während des Verfahrens berücksichtigen kann, so daß das chirurgische Instrument weiterhin genau in Bezug auf den Knochen positioniert ist.
  • Bevorzugt ist das Verfahren, mittels dessen der Signalprozessor das gewünschte Positionssignal für das Robotersteuerungssystem erzeugt, ein iteratives Verfahren, so daß die Differenz zwischen der wahren Position des Instrumentes und der gewünschten Position mehr als einmal berechnet werden kann, wobei Anpassungen an das gewünschte Positionssignal nötigenfalls nach jeder Berechnung vorgenommen werden können.
  • Bevorzugt erzeugt der Instrumentensensor oder der Referenzsensor oder beide ein Signal, um die Position des Instrumentes oder des Knochens (je nachdem) anzuzeigen, die durch den Detektor erfaßbar ist. Das Signal kann z. B. ein optisches Signal sein, das bspw. von einer oder mehreren lichtemittierenden Dioden erzeugt werden kann. Andere Signalarten können verwendet werden, wie z. B. solche, die mittels eines Induktiv- oder Ultraschallverfahrens erzeugt werden. Das Signal kann geeignet kodiert sein, so daß der Detektor das Signal identifizieren kann und somit den Sensor identifizieren kann, von dem dieses übermittelt wurde. Bevorzugt erzeugt ein Sensor mehr als ein Signal, weiter bevorzugt mindestens zwei Signale, insbesondere mindestens drei Signale, wobei die Signalerzeuger (z. B. lichtemittierende Dio den) in einer festen räumlichen Anordnung angeordnet sind. Das Vorsehen von verschiedenen Signalerzeugern hat den Vorteil, daß die Vorrichtung sowohl die Lage wie auch die Orientierung des Sensors bestimmen kann. Positionsbestimmende Systeme mit solchen Sensoren sind bekannt. Zum Beispiel kann ein Sensor eine kleine Platte mit vier oder sechs Leuchtdioden, die Infrarotlicht aussenden, als Signalerzeuger umfassen, die an deren Ecken angeordnet sind. Die Lichtimpulse, die von den Dioden ausgesendet werden, werden von dem Detektor empfangen, der zwei, drei oder mehrere getrennte Empfangselemente aufweist, die lichtsensitiv sind. Die Lage und Orientierung des Sensors kann durch eine mathematische Auswertung der empfangenen Signale berechnet werden, wobei die bekannte geometrische Anordnung der Empfangselemente und der Dioden auf der Platte zugrundegelegt wird.
  • Es ist wichtig, daß eine Bewegung des Referenzsensors relativ zu der Anatomie des Patienten minimiert wird. Im allgemeinen wird der Referenzsensor an einem Knochen befestigt sein, insbesondere an dem Knochen, an dem das chirurgische Instrument der Vorrichtung tätig werden soll. Der Referenzsensor kann einen mit einem Gewinde versehenen Schaft aufweisen und kann sodann an dem Knochen mittels einer Technik befestigt werden, die einen ersten Schritt des Bohrens eines Loches in den Knochen beinhaltet und einen weiteren des Schraubens des Schaftes des Sensors in das gebohrte Loch.
  • Das Robotersteuerungssystem kann einen Arm bereitstellen, der eine Montageplatte aufweist, auf der das chirurgische Instrument angeordnet ist. Der Arm ist gelenkig, so daß das Instrument bewegt werden kann. Andere Steuerungssysteme können verwendet werden, die eine Bewegung des Instrumentes auf verschiedene Arten ermöglichen. Zum Beispiel kann das Instrument auf einem Schlitten angeordnet sein, der entlang einer ersten Welle verschieblich ist. Zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrade können durch zweite Wellen bereitgestellt sein, auf der die erste Welle verschoben werden kann. Bevorzugt erlaubt das Robotersteuerungssystem mindestens drei Bewegungsfreiheitsgrade des Instrumentes. Bevorzugte Systeme können mindestens sechs Bewegungsfreiheitsgrade bereitstellen.
  • Das Robotersteuerungssystem kann einen ortsfesten Basisabschnitt aufweisen, an dem ein Arm für das chirurgische Instrument befestigt ist, so daß der Arm und ein auf diesem angeordnetes Instrument entsprechend Programmbefehlen bewegt werden können. Das Robotersteuerungssystem wird ebenso im allgemeinen einen Kontroller mit geeigneten Prozessorkomponenten zum Erzeugen von Befehlen umfassen, um eine Bewegung des Instrumentes hervorzurufen. Der Kontroller kann mit dem Basisabschnitt des Steuerungssystems, auf dem der Arm befestigt ist, kombiniert werden. Der Kontroller wird jedoch häufig getrennt von dem Basisabschnitt des Steuerungssystems bereitgestellt.
  • Die Vorrichtung kann Marker umfassen, die an einem Patienten vor einem Scanvorgang zu befestigen sind, um ein Bild des Knochens zu erzeugen, und auf die während des chirurgischen Verfahrens Bezug genommen werden kann, um sie mit der Lage des Knochens des Patienten, die durch den Referenzsensor für ein zuvor erzeugtes Bild des Knochens angezeigt wird, innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung in Bezug zu setzen. Solche Marker können als Referenzpunkte in Verbindung mit Röntgen- oder Computertomographenbildern dienen. Die Verwendung solcher Marker (die oft als Bezugsmarker bezeichnet werden) ist üblich. Üblicherweise werden diese an einem Knochen mittels eines Schraubgewindes oder ähnlichen Einrichtungen befestigt. Sie können mit einem Sensor verwendet werden, der mit einem Navigationscomputer verbunden ist, wobei der Sensor jeden Marker nacheinander berühren kann, um diesen für den Computer zu identifizieren, der folgend dessen Lage in Bezug zu dem zuvor erzeugten Bild des Knochens setzen kann. Die Position des Sensors kann mechanisch überwacht werden, z. B. durch Anordnen desselben auf einem gelenkigen Arm, bei dem eine Bewegung der Gelenke gemessen werden kann. Der Sensor wird sodann manuell von einer anfangs bestimmten Ausgangsposition an jeden der Marker bewegt und die Position eines jeden Markers relativ zu der Ausgangsposition wird bestimmt durch ein Messen der Bewegung des Sensors. Solche Messsysteme sind allgemein bekannt.
  • Andere Techniken zum Bestimmen der Lage des Knochens können verwendet werden. Zum Beispiel kann die Lage des Knochens mittels natürlicher anatomischer Merkmale an Stelle von oder in Verbindung mit befestigbaren Markern bestimmt werden.
  • Bevorzugt umfaßt die Vorrichtung entsprechend der Erfindung einen Lagesensor, um die Lage des Knochens des Patientens in dem Koordinatensystem der Vorrichtung durch Berühren des Knochens an vorbestimmten Punkten desselben zu bestimmen. Die Punkte können durch implantierte Marker oder durch anatomische Landmark-Marker gebildet sein, die z. B. durch bestimmte, unterscheidbare Orte auf der Knochenoberfläche oder durch unterscheidbare Knochenkonturen gebildet sind.
  • Bei einer bevorzugten Anordnung wird die Position des Sensors mittels eines Detektors überwacht, z. B. durch Vorsehen mindestens eines Signalerzeugers (und bevorzugt mehrerer, wie zuvor unter Bezug auf die Instrumenten- und Referenzsensoren beschrieben) auf diesem.
  • Bezüglich der Lage des Knochens ist es wichtig, daß diese unverändert bleibt, während dessen Lage innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung zu Anfang bestimmt wird. Ist die Position des Knochens jedoch einmal bestimmt, so stellt die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung den Vorteil bereit, daß eine Bewegung des Knochens durch eine entsprechende Bewegung des chirurgischen Instrumentes ausgeglichen werden kann.
  • Üblicherweise ist der Detektor innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung befestigt und das Koordinatensystem der Vorrichtung ist in Bezug auf die Position des Detektors definiert. Bevorzugt nimmt der Detektor eine feste Lage relativ zu dem Robotersteuerungssystem zur Bewegung des chirurgischen Instrumentes ein. Um jedoch die Möglichkeit zu vermeiden, daß Ungenauigkeiten durch geringe Bewegungen des Detektors relativ zu dem Robotersteuerungssystem eingeführt werden, kann bevorzugt sein, daß die Vorrichtung einen Sensor für das Robotersteuerungssystem umfasst, um die wahre Position des Robotersteuerungssystems innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen. Der Sensor des Robotersteuerungssystems kann Merkmale des Instrumenten- und Referenzsensors aufweisen, die zuvor diskutiert wurden.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden folgend beispielhaft unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
  • 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ist.
  • 2 eine Vorderansicht eines Sensors ist, der ein Instrumentensensor oder ein Referenzsensor sein könnte.
  • Unter Bezug auf die Zeichnungen ist 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 2, die verwendet werden kann, um ein chirurgisches Instrument 4 zu positionieren. Die Vorrichtung umfaßt einen Computer 5 und ein Robotersteuerungssystem 6, das Befehle empfangen kann, die von dem Computer erzeugt werden, um eine Bewegung des Instrumentes her vorzurufen. Das Steuerungssystem umfaßt einen Roboterarm (oder ein anderes Robotersystem) 8, das eine Montageplatte 10 an seinem Ende aufweist, an der das Instrument 4 angeordnet ist. Der Roboterarm 8 ist an einem ortsfesten Basisabschnitt 9 des Steuerungssystem befestigt. Befehle, um das Instrument zu bewegen, werden von dem Robotersteuerungssystem interpretiert und rufen eine Bewegung des Roboterarmes, mit dem darauf angeordneten Instrument, relativ zu dem ortsfesten Basisabschnitt 9 hervor. Bevorzugt weist der Roboterarm mindestens drei Gelenke auf, weiter bevorzugt sechs Gelenke, um einen ausreichenden Bewegungsfreiheitsgrad der Montageplatte zu ermöglichen. Robotersteuerungssysteme dieser allgemeinen An sind bekannt, z. B. aus US-6033415 und WO-98/27887.
  • Der Roboterarm hat einen Instrumentensensor 12 auf der Montageplatte und nimmt daher eine feste Lage relativ zu dem Instrument ein. Der Instrumentensensor umfaßt eine Platte, die eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden (z. B. 4 oder 6) auf dieser aufweist. Der Sensor erzeugt ein Instrumentensignal, um die Position des Instrumentes 4 anzuzeigen.
  • Die Vorrichtung umfaßt einen optischen Detektor 14, der das Signal empfangen kann, das durch den Instrumentensensor 12 erzeugt wurde, um die Position des Sensors zu überwachen. Der optische Detektor weist mindestens zwei (z. B. 3) getrennte Empfangselemente auf. Die Lage und Orientierung des Instrumentensensors 12 (und somit ebenso des Instrumentes 4, das eine feste Lage relativ zu dem Sensor einnimmt) kann basierend auf der bekannten geometrischen Anordnung der LED's auf dem Instrumentensensor und der Empfangselemente des Detektors berechnet werden.
  • Die Vorrichtung umfaßt ebenso einen Referenzsensor 16, der an dem Knochen in dem Patienten 17 befestigt werden kann, an dem das chirurgische Verfahren ausgeführt werden soll. Der Referenzsensor 16, ebenso wie der Instrumentensensor 12, umfaßt eine Platte, die eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden aufweist, die auf dieser angeordnet sind. Ist diese einmal an dem Knochen befestigt, so kann die Lage und Orientierung des Referenzsensors 16 (und somit ebenso von dem Knochen des Patienten, der eine feste Lage relativ zu dem Sensor einnimmt) basierend auf der bekannten geometrischen Anordnung der LED's auf dem Sensor und der Empfangselemente des Detektors berechnet werden.
  • Die Vorrichtung umfaßt einen Lagesensor 18, der verwendet werden kann, um die Lage des Knochens des Patientens in dem Koordinatensystem der Vorrichtung zu erfassen, das in Be zug auf den Detektor 14 definiert ist. Eine Erfassung der Lage des Knochens wird ausgeführt durch Berühren des Sensors an Bezugsmarkern, die in dem Knochen implantiert wurden, bevor ein Scanvorgang (insbesondere ein Röntgen- oder CT-Scan) ausgeführt wird, um ein Bild des Knochens zu erzeugen. Auf die Marker kann während des chirurgischen Verfahrens Bezug genommen werden, um die Lage des Knochens des Patientens in dem Koordinatensystem der Vorrichtung, die durch den Referenzsensor angezeigt wird, mit einem zuvor erzeugten Bild des Knochens in Bezug zu setzen. Die Verwendung solcher Marker (oft als Bezugsmarker bezeichnet) mit einem Lagesensor ist üblich, wenn sie mit einem Sensor verwendet werden, der mit einem Navigationscomputer verbunden ist, der verwendet werden kann, um der Reihe nach jeden Marker zu berühren, um diesen für den Computer zu identifizieren, der dann seine Position mit dem zuvor erzeugten Bild des Knochens in Bezug setzen kann. Die Position des Sensors kann auf mechanische Weise überwacht werden, z. B. durch Anordnen desselben auf einem gelenkigen Arm, bei dem eine Bewegung der Gelenke gemessen werden kann. Der Sensor wird sodann manuell von einer anfangs bestimmten Ausgangsposition zu jedem der Marker bewegt und die Position eines jeden Markers ist relativ zu der Ausgangsposition durch eine Messung der Bewegung des Sensors bestimmt. Solche Messsysteme sind im allgemeinen bekannt.
  • Wahlweise kann die Vorrichtung einen Sensor 20 für das Robotersteuerungssystem umfassen, um die wahre Position des Robotersteuerungssystems innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen. Der Sensor des Robotersteuerungssystems ist auf dem ortsfesten Basisabschnitt 9 des Robotersteuerungssystems angeordnet. Der Sensor des Robotersteuerungssystems, wie auch der Instrumentensensor 12, weist eine Platte auf, die eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden aufweist, die auf dieser angeordnet sind. Die Lage und Orientierung des Sensors 16 des Robotersteuerungssystems (und somit ebenso des Knochens des Patientens, der eine feste Lage relativ zu dem Sensor einnimmt) kann basierend auf der bekannten geometrischen Anordnung der LED's auf dem Sensor und der Empfangselemente des Detektors berechnet werden. Somit können Veränderungen der Position des Robotersteuerungssystems bei den Befehlen berücksichtigt werden, die von dem Computer für das Robotersteuerungssystem erzeugt werden, um sicherzustellen, daß das chirurgische Instrument geeignet positioniert ist.
  • Die Verwendung der Vorrichtung entsprechend der Erfindung kann in Übereinstimmung mit der folgenden Reihenfolge von Schritten erfolgen:
    • 1. Chirurgische Implantation der Bezugsmarker in den Knochen, an dem das chirurgische Instrument 4 arbeiten soll.
    • 2. Erstellen eines Bildes des Knochens, z. B. mittels einer Röntgen- oder Computertomographiescanausrüstung (nicht dargestellt).
    • 3. Planen des chirurgischen Verfahrens, das ausgeführt werden soll, umfassend die Schritte, die unter Verwendung des chirurgischen Instrumentes ausgeführt werden sollen.
    • 4. Anordnen des Patienten auf einem Operationstisch auf eine solche Weise, daß eine Bewegung des Knochens, an dem das Instrument 4 arbeiten soll, minimiert wird.
    • 5. Anordnen des Referenzsensors 16 in einer festen Lage relativ zu dem Knochen.
    • 6. Bestimmen der Lage des Knochens in dem Koordinatensystem der Vorrichtung, das in Bezug auf den Detektor 14 definiert ist, mittels des Sensors 18, durch Berühren der Marker auf dem Knochen.
    • 7. Ausführen eines Matching-Verfahrens, um (a) die Koordinaten der Marker in dem Bild des Knochens, das in Schritt 2 erzeugt wurde, mit (b) den Koordinaten der Marker, wie sie mittels des Sensors 18 in Schritt 6 bestimmt wurden, in Übereinstimmung zu bringen.
    • 8. Erfassen von Signalen von dem Instrumentensensor 12 und dem Referenzsensor 16, mittels des Detektors 14, und Berechnen der Lage und Orientierung des Instrumentensensors (und somit ebenso des Instrumentes 4, das eine feste relative Lage zu dem Sensor einnimmt) und des Referenzsensors (und somit ebenso des Knochens, an dem der Referenzsensor befestigt ist).
    • 9. Erzeugen eines Signals mittels eines Computers 5, das an das Robotersteuerungssystem 6 übertragen wird, damit der Roboterarm 8 eine Bewegung des Instrumentes 5 an eine gewünschte Position relativ zu dem Knochen des Patientens ausführt, in der das Instrument an dem Knochen arbeiten kann.
    • 10. Vergleichen der tatsächlichen Position des chirurgischen Instrumentes, wie sie anhand des Signals, das der Detektor von dem Instrumentensensor empfangen hat, bestimmt wurde, mit der gewünschten Position relativ zu dem Knochen.
    • 11. Erzeugen eines Signals mittels des Computers, damit der Roboterarm eine Bewegung des Instrumentes hervorruft, so daß die Differenz zwischen der gewünschten Position relativ zu dem Knochen des Patientens und der tatsächlichen Position des Instrumentes verringert wird.
    • 12. Wiederholen der Schritte 9 und 10, soweit notwendig.
  • Der Schritt 1 des zuvor beschriebenen Verfahrens kann ausgelassen werden, falls anatomische Landmark-Marker (z. B. durch bestimmte, unterscheidbare Orte auf der Knochenoberfläche oder durch unterscheidbare Knochenkonturen bereitgestellt) an Stelle der implantierten Marker verwendet werden. Derartige Landmark-Marker werden in einem Bild identifiziert, das von einer präoperativen Untersuchung des Patienten (wie der in Schritt 2) stammt. Diese müssen ebenso während des Verfahrens mittels eines Sensors (wie z. B. dem Sensor 18) identifiziert werden, um die Landmark-Marker zu kontaktieren oder um eine Vielzahl von Punkten durch ein Verfahren entlang einer anatomischen Kontur oder Oberfläche (in einem Schritt analog zu dem Schritt 6) zu erzeugen. Die Verwendung von anatomischen Landmark-Markern hat den Vorteil, daß der Patient sich nicht einem vorausgehenden chirurgischen Verfahren unterwerfen muß, in dem die Marker implantiert werden.
  • Für den Fall, daß sich der Patient innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung bewegt, wird eine solche Bewegung von dem Detektor anhand des Signals, das an diesen von dem Referenzsensor übertragen wird, erfaßt. Eine solche Bewegung kann zu einer Veränderung der Differenz zwischen der gewünschten Position des chirurgischen Instrumentes (die in Bezug auf den Knochen definiert ist) und der tatsächlichen Position des Instrumentes führen. Dies kann zu zusätzlichen Signalen, die von dem Computer erzeugt werden, führen, damit der Roboterarm eine Bewegung des Instrumentes hervorruft, so daß die Bewegung des Patienten berücksichtigt wird.
  • Eine genaue Positionierung des Instrumentes kann es erfordern, daß die Position des festen Abschnittes des Robotersteuerungssystems 6 genau bekannt ist, da die Position des chirurgi schen Instrumentes 4 auf der Montageplatte 10 als Reaktion auf ein Signal geändert wird, das von dem Robotersteuerungssystem empfangen wird und eine Bewegung des Roboterarmes 8 relativ zu dem festen Abschnitt des Systems hervorruft. Für den Fall, daß sich der feste Abschnitt des Robotersteuerungssystems innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung (relativ zu dem Detektor 14 definiert) bewegt, so wird eine derartige Bewegung von dem Detektor anhand des Signals, das an diesen von dem Referenzsensor übertragen wird, erfaßt. Eine solche Bewegung kann zu einer Änderung in der Differenz zwischen der gewünschten Position des chirurgischen Instrumentes (die bezügl. des Knochens definiert ist) und der tatsächlichen Position des Instrumentes führen. Dies kann zu zusätzlichen Signalen, die durch den Computer erzeugt werden, führen, um eine Bewegung des Instrumentes durch den Roboterarm hervorzurufen, so daß die Bewegung des Patienten berücksichtigt wird.
  • Die Vorrichtung entsprechend der Erfindung ermöglicht es, Fehler bei der Roboterpositionierung eines chirurgischen Instrumentes durch Kalibrierungsfehler in dem Roboter zu reduzieren. Dadurch wird die Bedeutung einer genauen Kalibrierung des Roboters verringert.
  • Beispiele für Instrumente, die an der Montageplatte 10 befestigt werden können, umfassen Dorne, Ahlen und Sägen.
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines Sensors, der bspw. ein Instrumentensensor oder ein Referenzsensor sein könnte. Der Sensor weist drei lichtemittierende Dioden 30 auf, die räumlich beabstandet auf einem Tragrahmen 32 angeordnet sind. Der Tragrahmen weist einen Montageabschnitt 34 auf, mit dem dieser an seinem jeweiligen Träger (Instrument, Patient usw.) befestigt werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Vorrichtung zum Positionieren eines chirurgischen Instruments
  • Vorrichtung zum Positionieren eines chirurgischen Instruments (4) während eines orthopädischen Chirurgieverfahrens relativ zu einem Koordinatensystem der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ein chirurgisches Instrument und ein Robotersteuerungssystem (6) zum Bewegen des chirurgischen Instrumentes innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung entsprechend Programmbefehlen umfaßt. Ein Instrumentensensor (12) weist eine feste relative Lage zu dem Instrument auf, um die wahre Position des Instruments innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen, und ein Referenzsensor (16) wird folgend an einem Knochen des Patienten befestigt, um die Lage des Knochens des Patientens innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen. Ein Detektor (14) dient dazu, die Positionen des Instrumentensensor und des Referenzsensors zu überwachen, und ein Signalprozessor ist angeordnet, um Positionssignale von dem Detektor zu empfangen und ein gewünschtes Positionssignal für das Robotersteuerungssystem zu erzeugen, um das chirurgische Instrument an eine gewünschte Stelle relativ zu dem Referenzsensor zu bewegen, durch ein Verfahren, das ein Minimieren der Differenz zwischen der wahren Position des Instrumentes und der gewünschten Position beinhaltet.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Positionieren eines chirurgischen Instrumentes relativ zu dem Koordinatensystem der Vorrichtung während eines orthopädischen Chirurgieverfahrens, umfassend: a. ein chirurgisches Instrument (4), b. ein Robotersteuerungssystem (6) zum Bewegen des chirurgischen Instrumentes (4) entsprechend Programmbefehlen innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung, c. einen Instrumentensensor (12), der eine feste Lage relativ zu dem Instrument einnimmt, um die wahre Position des Instrumentes innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung anzuzeigen, d. einen Referenzsensor (16), der an einem Knochen des Patienten befestigbar ist, um die Lage des Knochens des Patienten in dem Koordinatensystem der Vorrichtung anzuzeigen, e. einen Detektor (14) zum Überwachen der Positionen des Instrumentensensors und des Referenzsensors, und f. einen Signalprozessor, der Positionssignale von dem Detektor empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalprozessor ein gewünschtes Positonssignal für das Robotersteuerungssystem (6) erzeugt, um das chirurgische Instrument (4) in eine gewünschte Position relativ zu dem Referenzsensor (16) durch ein Verfahren zu bewegen, das ein Minimieren der Differenz zwischen der wahren Position des Instrumentes und der gewünschten Position beinhaltet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren, durch das das Signal für die Position des chirugischen Instrumentes erzeugt wird, ein iteratives Verfahren ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Instrumentensensor (12) ein Instrumentensignal erzeugt, um die Position des chirugischen Instrumentes (4) anzuzeigen, die durch den Detektor erfassbar ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrumentensignal ein optisches Signal ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzsensor (16) ein Signal erzeugt, um die Lage des Knochens anzuzeigen, die durch den Detektor erfassbar ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein optisches Signal ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Marker umfasst, die an einem Patienten vor einem Scanvorgang befestigbar sind, um ein Bild des Knochens zu erzeugen und auf die während des chirugischen Verfahrens Bezug genommen werden kann, um sie mit der Lage des Knochens des Patienten, die durch den Referenzsensor (16) für ein zuvor erzeugtes Bild des Knochens angezeigt wird, innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung in Bezug zu setzen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (14) innerhalb des Koordinatensystems der Vorrichtung befestigt ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sensor für das Robotersteuerungssystem umfasst, um die wahre Position des Robotersteuerungssystemes innerhalb des Koordinatensystemes der Vorrichtung anzuzeigen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Lagesensor umfasst, um die Lage des Knochens des Patienten innerhalb des Koordinatensystemes der Vorrichtung durch Berühren des Knochens an vorbestimmten Stellen desselben zu bestimmen.
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