EP1919389A2 - Vorrichtung zum berührungslosen ermitteln und vermessen einer raumposition und/oder einer raumorientierung von körpern - Google Patents

Vorrichtung zum berührungslosen ermitteln und vermessen einer raumposition und/oder einer raumorientierung von körpern

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Publication number
EP1919389A2
EP1919389A2 EP06754233A EP06754233A EP1919389A2 EP 1919389 A2 EP1919389 A2 EP 1919389A2 EP 06754233 A EP06754233 A EP 06754233A EP 06754233 A EP06754233 A EP 06754233A EP 1919389 A2 EP1919389 A2 EP 1919389A2
Authority
EP
European Patent Office
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tracking system
patterns
mobile tracking
medical
bodies
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06754233A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bruno Knobel
Frank Bartl
Charles Findeisen
Erwin Keeve
Karl-Heinz Widmer
Christoph Hämmerle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NAVISWISS AG
Original Assignee
IFE Industrielle Forschung und Entwicklung GmbH
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Filing date
Publication date
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Application filed by IFE Industrielle Forschung und Entwicklung GmbH filed Critical IFE Industrielle Forschung und Entwicklung GmbH
Priority to EP10011069.1A priority Critical patent/EP2377484B1/de
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61B2090/378—Surgical systems with images on a monitor during operation using ultrasound

Definitions

  • Device and method for the contactless determination and measurement of a spatial position and / or a spatial orientation of bodies methods for calibrating and testing in particular medical tools as well as patterns or structures on, in particular, medical tools
  • the invention relates both to a device and to a method for the contactless determination and measurement of a spatial position and / or a spatial orientation of bodies with a tracking system, by means of which the bodies are localized and related to one another.
  • the invention also relates to a method for calibrating in particular medical tools, medical workpieces and / or medical instruments and a method for testing, in particular, medical tools, medical workpieces and / or medical instruments with regard to existing deformations.
  • the invention relates to patterns on or structures on, in particular, medical tools, medical workpieces and / or medical instruments.
  • Devices and methods for contactless determination and measurement of a spatial position and / or a spatial orientation of bodies are known in particular in computer-assisted surgical interventions in the prior art.
  • This navigation systems are often used, which are based at least partially on optical tracking systems.
  • a spatial position that is to say, in particular the spatial position and / or the spatial orientation, is determined in real time by instruments equipped with locators, for example, and body parts using known mathematical methods.
  • published patent application DE 196 39 615 A1 discloses a neuronavigation system which has a reflector referencing system with passive reflectors and with a marker system comprising markers or landmarks.
  • the reflectors and the markers are provided on the parts of the body to be treated and on the surgical instruments, so that their localization by means of a computer / camera unit is easily possible.
  • the spatial positions or data for this can be displayed on a graphic screen output.
  • the computer / camera unit is set up stationary in relation to the body parts of a patient to be treated.
  • further data which were determined for example by a computed tomography, the patient anatomy of interest is more closely recorded.
  • reflectors or markers attached to the patient act by means of which the spatial position of the patient is detected.
  • spatial positions of surgical instruments used can be tracked with respect to the patient and, if necessary, corrected. That in the state of Technique described neuronavigation system allows a good and accurate guidance of the surgical instruments
  • a disadvantage is the relatively large-scale equipment complexity that may interfere during an operation This is especially true in spatially confined conditions
  • the object of the invention is achieved by a device for determining and measuring a spatial position and / or a spatial orientation of bodies with a tracking system by means of which the bodies are located and related to one another, in which the tracking system or at least components or component groups thereof are mobile
  • the term "stationary" in the present context describes a tracking system, which is stored stationary in particular during its use, which is therefore not moved during its use.
  • the use of the tracking system is here to be seen in the actual “tracking" of a body. It goes without saying However, such a repositioning is done not during the track but, if necessary, only before or after a tracking.
  • the tracking systems of the prior art especially during the track not mobile within the meaning of the present tracking system can be used
  • the present mobile tracking system differs significantly from known tracking systems
  • the term “tracking system” describes a device by means of which a body, in particular a medical tool, a medical workpiece, a medical instrument and / or a medical device are optically detected and a relative movement between them and another body can be tracked.
  • a body in particular a medical tool, a medical workpiece, a medical instrument and / or a medical device are optically detected and a relative movement between them and another body can be tracked.
  • tracking system belonging to the tracking system optics and sensors as well as a related apparatus design is detected, so that at least components or component groups of the tracking system, which include the optics or sensors, are mobile displaced with respect to the bodies to be tracked.
  • body covers in the sense of the patent application both general technical structures as well as special technical structures in the field of medicine, such as medical tools, medical workpieces, medical instruments, implants or other technical aids used in medicine for In addition, in the present case, body, body parts and body regions of living beings, in particular patients, are also covered by the generally used term "body”.
  • Body such as medical tools, medical workpieces, medical instruments, and / or implants may optionally be populated with interchangeable and / or adjustable inserts, and suitably combined with structures and locators.
  • the term "technical aids” refers in particular to aids which are used to determine a relative spatial position of bodies with respect to one another
  • Technical aids in connection with tracking systems in the field of medicine include, for example, locators, structures, landmarks and patterns bodies.
  • spatial position and "spatial orientation” in the sense of the present patent application, a spatial position of a body, for example in the coordinate system of the tracking system, and / or a relative spatial position of two bodies to each other described.
  • the object of the invention is also achieved by a method for contactless determination and measurement of a spatial position and / or a spatial orientation of bodies with a tracking system, by means of which the bodies are localized and related to each other, in which the mobile tracking system during its use is manually or automatically moved and displaced relative to a body.
  • the tracking system itself may be displaced relative to the bodies during its use, ie during the "tracking" of bodies, and may even be temporarily set aside, thus eliminating in the present case the drawbacks of known tracking systems mentioned above.
  • Both the device according to the invention and the method according to the invention are very well suited for further developing tracking systems and tracking methods in the field of medicine and to improve. It is understood, however, that the present device and the present method are not limited to the field of application of medicine, but can be used advantageously wherever a determination of spatial positions of at least two bodies is advantageous and / or necessary.
  • a preferred embodiment provides that the mobile tracking system is kept loose relative to the bodies during its operation or during its use.
  • a user for example a surgeon, can set aside the present tracking system if this is not required in a work phase. This makes the use of the tracking system very flexible.
  • the mobile tracking system is arranged and / or held displaceable in relation to the bodies during its operation or during its use.
  • the tracking system of the device can be used during a work time only locally and only when it is required. Otherwise, the tracking system is set aside.
  • a preferred embodiment provides that the mobile tracking system is arranged relative to the body without location.
  • the term "locationless” in this context describes a state that marks exactly the opposite of the meaning “stationary”.
  • the tracking system is advantageously not rigidly fixed to an entire work area or local work area. Rather, the mobile tracking system is displaced and moved even during an operation against the bodies to be detected.
  • a related method variant provides that the tracking system is performed manually during its use. In this case, for example, an operator can decide for himself where and when the tracking system is kept in front of a local work area.
  • the mobile tracking system is easy to use if it is kept in front of the local work areas to be detected during its use, especially by hand.
  • All known tracking systems always capture almost the entire work area with the required high measurement accuracy, which results in an enormous computational effort.
  • the computational effort for determining the spatial position and / or the spatial orientation of bodies is also advantageously reduced in the present case usual, the entire work area is covered by the present tracking system, but only the local work area, which is of immediate interest, for example, for the operational Ein ⁇ ff
  • phase-wise is used herein to mean that the mobile tracking system is not permanently located in front of a work area.
  • the mobile tracking system is held in front of a main entrance and after the main entrance in front of the local work area In this way, the mobile tracking system can be put aside in the meantime
  • the present tracking system for the measurement or the control advantageously only before and after certain steps are used for this purpose it is aligned in an advantageous position and Mess ⁇ chtung on the example equipped with locators or structures objects
  • the tracking system the spatial position of the objects as Capturing a snapshot relative to one another
  • the tracking system can also record the spatial position of the objects by means of a recording sequence in order to study, for example, the dynamic behavior of body parts before, during or after certain work steps.
  • This approach has the significant advantage over stationary systems, that no longer has the entire work volume the required accuracy must be constantly reviewed but only the actual local work area with the steps to be performed or carried out
  • Another advantage is that the position and the Mess ⁇ cht The tracking system can be optimally selected for every working task. Especially for objects or bodies that are located close to each other, it is advantageous that extremely handy tracking systems with small dimensions can be used
  • the mobile tracking system has a weight of less than 2 kg or less than 0.5 kg, preferably less than 0.1 kg By means of such a low weight, the mobile tracking system is easy to handle even with a longer use.
  • mobile tracking systems with a weight of less than 0.1 kg are particularly advantageously used in dental medicine and / or minimally invasive medicine.
  • the mobile tracking system has a triggering device for starting and executing a determination and a measurement.
  • the triggering device can be designed diverse.
  • the triggering device is in the form of a switch on the handle part.
  • the triggering device comprises a footswitch.
  • the mobile tracking system can be made even more compact, as can be dispensed with components or groups of components with respect to a switch directly on the mobile tracking system.
  • a further embodiment provides that the triggering device has means for voice control. This allows an operator to control the mobile tracking system very comfortable.
  • the mobile tracking system has a fastening device for arranging on a displaceable guide device, such as a manually displaceable holding arm and / or a robot arm.
  • a fastening device for arranging on a displaceable guide device, such as a manually displaceable holding arm and / or a robot arm.
  • the fastening device can also be designed such that it is suitable for arranging the mobile tracking system on an arm of an operator. It may be advantageous if the fastening device makes it possible to attach the mobile tracking system directly to the head or to another body part of a patient.
  • the mobile tracking system has means for calculating a displacement of the mobile tracking system relative to the body.
  • the calculation means are implemented as software. A software is particularly upbu poems.
  • the mobile tracking system has its own energy source.
  • the energy source is designed as a battery, accumulator or fuel cell.
  • the mobile tracking system In order for the mobile tracking system to visually perceive the body, it is advantageous if the mobile tracking system has a camera, preferably more than one camera.
  • the cameras have surface sensors. More than two area sensors significantly increase the measuring reliability.
  • a preferred embodiment advantageously provides locators, structures, patterns, and / or secondary patterns.
  • locators describes, in particular, a technical aid that can be arranged on another body.
  • the further body can be localized by means of a locator of the mobile tracking system.
  • the term "structure” describes a three-dimensional structure which has a pattern.
  • a structure in the present case also forms a body in the sense of the patent application.
  • the structure is designed as a flat plate, for example In some applications, it can be advantageous if the structure per se forms a body part of another body, for example, the structure is a partial area of a medical instrument.
  • the pattern is applied to the surface of the structure.
  • it can also be arranged on the structure in another way.
  • the shape of a texture pattern is already established in the manufacture of the structure.
  • a "pattern” is a structure which consists, for example, of straight or curved lines of different width and length, of circles, of ellipses, of triangles and of rectangles or of combinations thereof Surface of a Body, like a structure, applied. It is essential here that the pattern can be distinguished in a contrasting manner from a surface to which it is appropriate.
  • the pattern differs from a structure in that it is essentially a two-dimensional structure and not a three-dimensional structure.
  • the pattern as a structure such as a structure has a length and a width.
  • the thickness of the pattern is negligible relative to the thickness of a structure such that, in the present context, a pattern is a two-dimensional entity. In a pattern, for example, the thickness is reduced to a color layer applied to a structure.
  • a pattern may also consist of a combination of reflective, absorbing, fluorescent, phosphorescent or luminescent materials. These materials are particularly useful in conjunction with human visible light, infrared or ultraviolet light.
  • a subregion of a pattern can serve to increase an algorithmic efficiency of a mobile tracking system. If a pattern is applied to a structure, the pattern or a portion thereof can serve to identify the structure. In particular, it can be defined by means of the pattern whether a body which is further assigned to the structure is a medical instrument or a medical tool. The pattern thus provides essential information of bodies determined by means of the tracking system to the mobile tracking system.
  • the secondary patterns which exist can also be detected and measured by other imaging systems, such as a CT device or any other device for the three-dimensional detection of bones and teeth by means of X-rays.
  • a pattern of another imaging system can be determined and spatially resolved, this is referred to as a secondary pattern.
  • the secondary pattern is therefore preferably made of X-ray opaque and / or X-ray transparent materials.
  • Secondary patterns may also include materials that can be detected and measured by MRI systems.
  • secondary patterns consist of materials that can be detected and measured by imaging systems based on the terahertz spectral range.
  • the secondary patterns should consist of straight or curved lines of different widths and lengths, circles Ellipses, triangles and rectangles or combinations thereof, which must not be less than a critical layer thickness.
  • the locators, the structures, the patterns and / or the secondary patterns are arranged on a body, such as a tool, a workpiece and / or an instrument.
  • a body such as a tool, a workpiece and / or an instrument.
  • body parts such as bone / joint parts, of a person are provided with locators, structures, patterns and / or secondary patterns, these can also be recognized by the mobile tracking system.
  • a pattern for the mobile tracking system comprises recognizable and usable straight or curved lines of different widths and lengths, circles, ellipses, triangles and rectangles, or combinations thereof.
  • a pattern comprises non-light-reflecting means, light-reflecting means, fluorescent means, phosphorescent agents, and / or further self-illuminating means.
  • a variant embodiment provides that a secondary pattern is in a defined geometric reference to a pattern.
  • a secondary pattern is in a defined geometric reference to a pattern.
  • the secondary pattern of suitable materials is also recognized and measured by other imaging systems.
  • the secondary pattern can be detected and spatially resolved by the CT or other devices for three-dimensional detection of bones and teeth using X-radiation if the secondary pattern consists of the combination of X-ray opaque and X-ray transparent materials.
  • a structure has means for fixing to bodies.
  • the fixing means have support feet for fixing to bodies.
  • a structure comprises a flat plate.
  • a flat plate can be well provided with a pattern.
  • a related embodiment provides that a structure comprises a flat plate with a three-dimensionally structured surface.
  • Structurally particularly advantageous is when a structure forms part of a medical tool, a medical workpiece and / or a medical instrument. As a result, the structure can be advantageously integrated into a body.
  • the mobile tracking system has means for illuminating.
  • the illumination means may comprise bulbs for the hyperrotic area.
  • a body comprises deformable elements.
  • a body is versatile adjustable and can be adapted to existing conditions.
  • the bodies are registered by means of patterns located on and / or on the bodies and / or a secondary pattern, which are recognized by further imaging systems.
  • a further simplification results when the mobile tracking system is arranged on a body, in particular on a medical tool and / or on a medical instrument.
  • the mobile tracking system is temporarily fixed to a body part, such as a bone, of a patient.
  • the device comprises a mirror which has patterns and / or secondary patterns.
  • the patterns that are not immediately visible can be viewed, at least indirectly, for the mobile tracking system. Due to the fact that patterns and / or secondary patterns are also arranged on the mirror, the spatial position of the mirror can be determined in particular by means of the mobile tracking system. The spatial position of the mirror can then be used to determine the spatial position of the pattern which can be viewed using the mirror.
  • the object of the invention is also achieved by a method for calibrating in particular medical tools, medical workpieces and / or medical instruments, in which the medical tools, the medical workpieces and / or the medical instruments with patterns and / or are provided with structures comprising patterns, and the medical tools, the medical workpieces and / or the medical instruments are measured by means of the patterns and / or the structures. This significantly reduces the effort required to calibrate such bodies.
  • the patterns and / or the structures are determined by means of a tracking system, in particular a mobile tracking system, in order to measure the medical instruments.
  • the invention thus relates in particular to a calibration method with a device in which, in particular, the mobile tracking system measures the structure of the instruments or of the tools.
  • This has the significant advantage that the usual expensive calibration devices can be omitted or simplified.
  • the shape of the structure and the properties of the pattern are already defined during production. From the knowledge of the pattern so that the essential geometric conditions of the structure are known. Essential geometric conditions are, for example, diameter, length or radius. If, for example, the entire surface of the undeformed object is covered with a suitable pattern, from knowledge of the pattern, the geometrical shape of the object can be described sufficiently accurately with one measurement.
  • the instrument is rotated in the measuring volume or working area of the tracking system, so that all sides of the instrument are measured sequentially in the calibration mode.
  • the tracking system itself can be guided around the instrument.
  • the calibration mode further includes the recognition and evaluation of the structures, the determination of the geometry of the structure, the assignment of the structure with respect to the spatial shape of the instrument based on the identification and the spatial position of locators with respect to the structure or to the spatial shape of the instrument.
  • This calibration procedure for an instrument or tool can be repeated as needed. Since during the measurement of the object spatial positions before, during or after a single operation, typically both the structure (in whole or in part) and the locators are detected, the calibration can be checked continuously or periodically at the same time.
  • the tracking system includes appropriate algorithms to fulfill these tasks.
  • the object of the invention is also achieved by a method for testing in particular medical tools, medical workpieces and / or medical instruments with regard to existing deformations, in which by means of a mobile tracking system patterns on the medical tools, the medical workpieces and / or or on the medical instruments.
  • the mobile tracking system is capable of measuring and detecting deformed instruments, since the current structure deviates from the structure defined in the identification or the previously measured structure.
  • the deformation can occur unintentionally, for example, before the work or during a single operation.
  • the deformation can also be intentionally performed, for example to adapt the geometric shape of an instrument for a step.
  • the geometric shape of the deformed instrument can be determined with sufficient accuracy.
  • the mobile tracking system significantly aids the user in registering the individual bodies, which is a significant simplification of a traditional registration procedure.
  • the tracking system a structure and / or a pattern on the corresponding body part and on the other hand, the other imaging systems (C-arm, CT, MRI and / or other device for three-dimensional detection of bone and X-ray teeth) recognize the patient data and the secondary patterns and prepare them as spatial information.
  • the spatial position of the structure with respect to the patient data is known at all times.
  • the mobile tracking system preferably includes correspondingly optimized algorithms to fulfill this task. This has the further significant advantage that the tactile method for registration is ideally no longer required. Or the tactile method is optionally used for control purposes.
  • the object of the invention is also achieved by a method in which patterns and / or secondary patterns on at least one suitable tooth or on a template, which at least a suitable tooth or on a structure attached to a jaw, in which the relative spatial position and / or the relative spatial orientation of the patterns and / or the secondary patterns to each other are determined during a first measurement by means of the device explained herein.
  • the present invention is therefore also particularly advantageous in the field of dental medicine.
  • a surgeon receives a very accurate image of the operating area when a three-dimensional model is created by means of determined scan data and determined X-ray data as well as determined data of a mobile tracking system of the device.
  • At least the determined scan data and the determined x-ray data are transferred to a common coordinate system in order to create the model.
  • a preferred variant of the method provides that a configuration of an implant and / or a crown is determined by means of this model.
  • An intervention can be made particularly precisely if a relative spatial position and / or a relative spatial orientation of a drill, a drilling axis, a drilling depth and / or a piecing position is determined by means of this model.
  • tracking systems relating to the invention are particularly well suited to recognize locators and structures attached to the objects, to determine the spatial positions of the locators and structures and to determine therefrom the spatial positions of the objects.
  • the tracking system is capable of detecting all or part of the geometric shape of objects provided with suitable structures. Furthermore, it sets the geometric shape of the objects in relation to the locators attached to the object. [103] An object spatial position is determined either with the locators or with the structure. The determination of the object spatial position can also be done with the locators and the structure.
  • the present mobile tracking system may be directly attached to an object, such as a tool, instrument, or other body part. This has the significant advantage that the spatial position of this body is thus known without further measurement by means of the tracking system alone.
  • Another advantage is the fact that the number of required bodies in the work area is reduced.
  • only the tool equipped with the mobile tracking system which, for example, is oriented on a structure fastened to a body part, is in use.
  • the mobile tracking system is advantageously integrated in or on a working instrument, such as a drill.
  • the structures may in this case be mounted on a template and / or on teeth.
  • the templates receive a particularly secure hold when, for example, they are slipped over one or more teeth.
  • the mobile, lightweight, portable and handy trained tracking system can be used manually as needed for measurement. It can be used to measure the spatial positions of bodies before and after certain work steps. During the work steps, it can advantageously be set aside.
  • the tracking system can thus, as already mentioned, also be mounted on a robot, in particular on a robot arm, and only make measurements as needed.
  • the present mobile tracking system could at least temporarily also be mounted on a tripod for a long-term measurement of the object spatial positions in the work area.
  • Important characteristics of the mobile tracking system such as the measuring volume, the range of the measuring distances or the measuring accuracy, are defined among other things by the arrangement and characteristics of the cameras, the locators or the structures.
  • the measuring accuracy, the measuring volume and / or the range of the measuring distances substantially influence the geometry of the mobile tracking system and the arrangement and characteristics of the cameras.
  • Small measurement volumes and small ranges of measurement distances typically allow tracking systems that have small geometric dimensions.
  • large measurement volumes and large ranges of measurement distances typically result in geometrically larger tracking systems. For the same measuring accuracies and with the same camera technology, the effort for larger tracking systems is significantly higher than for smaller tracking systems.
  • a further advantage is that the manufacturing accuracy of the locators together with their attachment can be reduced since the position of the locators with respect to the structure is measured with the mobile tracking system.
  • the object of the invention is also achieved by a method in which on a body, such as on a workpiece, a first structure with patterns and / or a first locator and at least one further structure with patterns and / or at least one other Locator is arranged, in which by means of the device of the invention is determined during a first measurement, the relative spatial position and / or the relative spatial orientation of the structures with the patterns and / or locators to each other, in which subsequently the body is processed, in which during at least one further measurement, again a relative spatial position and / or a relative spatial orientation of the structures with the patterns and / or the locators with respect to one another are determined, and in which the determined spatial positions and / or the spatial orientations from the two measurements are compared with one another.
  • a body or partial areas of a body in particular with regard to a spatial position, can be compared particularly precisely before and after a work procedure.
  • a further variant of the method advantageously provides that the processed body is processed stepwise in such a way until the spatial position and / or the spatial orientation of the structures with the patterns and / or the locators from the first measurement with the spatial position and / or Spatial orientation of the structures with the patterns and / or the locators from the second measurement suitably match.
  • the spatial position and / or the spatial orientation are preferably determined solely on the basis of the existing patterns by means of the mobile tracking system.
  • the body or parts of the body can be readjusted to the initial state after a successful operation with the utmost precision.
  • a variant that is preferred in the medical field provides for an operator to machine a joint or another body part of a patient. If, for example, a part of a joint of a patient is replaced by a prosthesis or a bone is processed in such a way that an implant is inserted between two bone parts, it is advantageous if at least two structures with patterns suitable on the sides of the body are used before the start of the actual main procedure Joint are fixed and the relative spatial position of the structures to each other based on the pattern by means of the mobile tracking system is determined. Between the two structures, the surgeon replaces a joint part with a prosthesis. After the main intervention, the spatial position of the structures is determined again and compared with the previously determined spatial position. Thus, the surgeon immediately after the main intervention, the demonstrable certainty that the joint or parts thereof is or are again located in its original position or come very close to this initial position to a medically sufficient extent.
  • FIG. 1 shows schematically an arrangement of the device according to the invention with a mobile tracking system with a medical instrument, including a structure with a pattern in front of a body part with a further structure,
  • FIG. 2 shows schematically an exemplary embodiment of a first pattern
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of another pattern
  • FIG. 4 is a schematic of another exemplary example.
  • Figure 5 schematically an arrangement of a mobile tracking system and a medical
  • FIG. 6 schematically shows a view of a fastening technique of structures on hard body parts
  • FIG. 7 schematically shows a view of a funnel-shaped landmark with a cap fitted with patterns and magnetic materials
  • FIG. 8 shows a schematic arrangement of a further mobile tracking system and a medical instrument with attached locators, structures, patterns and a plastically deformable element
  • FIG. 9 schematically shows a view of an implant with plastically deformable elements and a pattern
  • FIG. 10 schematically shows an arrangement of a mobile tracking system, a body part with a structure and patterns and a mirror system
  • FIG. 11 schematically shows an arrangement of a mobile tracking system, a scanner and a body part with a structure attached thereto with patterns
  • FIG. 12 schematically shows an arrangement of a mobile tracking system, a projector and a body part with a structure attached thereto with patterns
  • FIG. 13 schematically shows an arrangement of a mobile tracking system, an ultrasound head and a body part with a structure with patterns arranged thereon,
  • FIG. 14 schematically shows an arrangement of a drilling and milling head, a device for the three-dimensional detection of bones and teeth by means of X-radiation and structures on a template and / or structures on teeth,
  • FIG. 15 schematically shows an arrangement of a mobile tracking system and two body parts equipped with structures.
  • the arrangement 1 shown in FIG. 1 comprises a mobile tracking system 2, a medical structure 3 and a bone 4 as a human body part.
  • the mobile tracking system 2 has a first camera 5 and a second camera 6.
  • the mobile tracking system 2 furthermore has a first illumination 7 and a second illumination 8.
  • the illuminations 7 and 8 have light emitting diodes (not shown here by way of example) which radiate in the infrared range.
  • light-emitting diodes which radiate, for example, in the hyperrotic region.
  • the tracking system 2 has a handle 9 on which in this embodiment a triggering device 10 is provided.
  • the type of measurement can also be selected.
  • three measurement types are available, namely a single measurement, a series of individual measurements and / or a film sequence.
  • the mobile tracking system 2 is also associated with an evaluation and display unit 11, which communicates with the mobile tracking system 2 by means of a communication link IA. From its size, the present mobile tracking system 2 is particularly light and therefore designed to be handy and portable.
  • the structure 3 has, on the one hand, a first pattern 12 and, on the other hand, a first locator 13. On the bone 4 are another structure 14 with a second pattern 15 and a bone locomotion. Tor 16 attached.
  • the structures 3 and 14 are three-dimensional structures on which the pattern 12 or the pattern 15 is applied.
  • the patterns 12 and 15 serve the mobile tracking system 2 for determining the spatial position of the structures 3 and 14. In particular, by means of the pattern 12, the mobile tracking system 2 can determine the geometry of the structure 3.
  • a local working area 17 is detected, which detects the structure 3 and a partial area of interest of the illustrated bone 4.
  • the mobile tracking system 2 is supplied with energy via the communication link I IA. It is understood that instead of the wired communication link I IA and a wireless connection between the mobile tracking system 2 and the evaluation and display unit 1 1 can be realized. In this case, the mobile tracking system 2 would have to include and carry with it its own energy supply, which could be realized for example by means of batteries or fuel cells.
  • Both the first locator 13 and the bone locator 16 are equipped with retro-reflective balls 18 in this embodiment.
  • the shape of the first structure 3 and the further structure 14 as well as the properties of the first pattern 12 and the second pattern 15 are already defined in the production of the structure 3 and the further structure 14.
  • the mobile tracking system 2 can thus recognize the properties of the first pattern 12 and the second pattern 15 exactly and unambiguously assign.
  • the surfaces of the structure 3 and the further structure 14 are at least dirt-repellent. As a result, measurement results of the mobile tracking system 2 less affected by contamination, such as blood spatter or contaminated air. A possibly required cleaning of the surfaces is also greatly simplified by the dirt-repellent surfaces.
  • the pattern 20 shown in FIG. 2 has a multiplicity of lines of different widths, circles, ellipses, triangles and rectangles for the mobile tracking system 2. Some subregions 21 of the pattern 20 serve in this case to increase the algorithm efficiency of the mobile tracking system 2. An optional subregion 22 of the pattern 20 serves to identify a structure assigned to the pattern 20. In particular, the relation of a structure to a medical instrument or to a medical tool is defined in the subarea 22.
  • the pattern 20 includes a plurality of lines 23 (numbered here only by way of example) with different widths.
  • the lines 23 advantageously have a sufficiently large width, such as in the present example four to ten pixels of a camera sensor used, so that a Sensor image of the pattern 20 and thus also structural geometries can be determined sufficiently accurately
  • the pattern 20 includes broad and thinner lines 23, so that the pattern 20 can always be seen well. If, for example, focal lengths of cameras are fixed and the distance between a body and a tracking system varies greatly during a working phase, it is advantageous if the pattern 20 preferably consists of lines 23 of different widths.
  • the wider lines of the pattern 20 are used primarily at large distances between a body and a mobile tracking system.
  • the thinner lines of the pattern 20, however, are used especially at smaller distances between a body and a mobile tracking system.
  • the arrangement 101 according to FIG. 5 shows a mobile tracking system 102 in the immediate vicinity of a medical instrument 130.
  • the mobile tracking system 102 has three cameras 105 (numbered here only by way of example).
  • the medical instrument 130 is formed as an insert for arranging in a structure 103.
  • the insert is inserted into the structure 103 in the present case.
  • the medical instrument 130 has an instrument tip 131.
  • the medical instrument 130 together with the instrument tip 131 has an instrument pattern 132.
  • the instrument structure 103 has an instrument structure pattern 112.
  • An instrument structure locator 113 is attached to the instrument structure 103.
  • the instrument structure locator 1 13 comprises, in addition to retro-reflecting balls 118, a fastening foot 133, by means of which the instrument structure locator 113 is fastened to the instrument structure 103.
  • the medical instrument 130 has an instrument locator 135 at its instrument end 134 opposite the instrument tip 131.
  • the medical instrument 130 shown here in FIG. 5 is an example of a body in the form of a medical instrument 130, which is equipped with a plurality of patterns 112, 132 and locators 113, 135.
  • the mobile tracking system 102 can uniquely determine the geometries of the medical instrument 130 based on the different patterns 1 12, 132. In addition, the mobile tracking system 102 determines the locator positions with respect to the patterns 112, 132 on the medical instrument. This has the advantage that with the measurement of the locators 113, 135 also, for example, the position of the instrument tip 131 is known.
  • a structure 203 with a pattern 212 is attached to the bone part 240 shown in FIG.
  • the structure 203 in this exemplary embodiment comprises a first support 241, a second support 242 and a third support 243.
  • the structure 240 has a screw 244, so that the structure 203 is screwed to the bone part 240 and fixed particularly stably to the bone part 240.
  • the structure 203 is formed as a two-dimensional plate on which the pattern 212 is applied.
  • the landmark 350 shown in FIG. 7 is adhered to a skin 351 of a patient.
  • the landmark 350 has a funnel-shaped indentation 352.
  • a structure 303 is inserted into the funnel-shaped indentation 352 of the landmark 350.
  • the structure 303 has a pattern 312.
  • the attachment of the structure 303 to the landmark 350 is effected by means of a magnet 353.
  • the magnet 353 of the structure 302 cooperates with a ferromagnetic material 354 of the landmark 350.
  • a surgical drape 355 is clamped.
  • the medical instrument 430 shown in FIG. 8 comprises an instrument insert 460 which has a plastically deformable element 461 between an instrument tip 431 and an instrument end 434. Except for the plastically deformable element 461, the complete instrument insert 460 is provided with an instrument pattern 432.
  • an instrument locator 435 is provided at instrument end 434.
  • an instrument structure locator 413 is attached to the medical instrument 430. Both the instrument locator 435 and the instrument structure locator 413 have retro-reflective spheres 418 (numbered here only by way of example).
  • the implant 565 shown in FIG. 9 comprises a first deformable element 561 A and a second deformable element 56 IB.
  • the implant 565 is thereby subdivided into a first subregion 566, a second subregion 567 and a third subregion 568.
  • the individual subregions 566, 567 and 568 are thus relatively displaceable relative to one another.
  • the entire implant 565 is coated with a pattern 520.
  • the implant 565 can now be deformed and measured by a mobile tracking system until it finally reaches a desired shape.
  • the implant 565 can then be attached by means of fastening screws (not shown here) to another body part (not shown here).
  • a structure 603 having a pattern 612 disposed thereon and a bone locator 616 having retro-reflecting balls 618 are attached.
  • the bone part 640, the structure 603 and the bone locator 616 are measured by means of a mobile tracking system 602, which is equipped with cameras 605 (numbered here only by way of example).
  • a mirror 670 is arranged opposite the pattern 612.
  • the mobile tracking system 602 may see and capture the pattern 612 on the structure 603 via the mirror 670.
  • the mirror 670 comprises for its identification, on the one hand, a marked edge region 671 and, on the other hand, an identifier 672 and further patterns 620 (numbered here only by way of example).
  • a bone structure 714 with a pattern 715 is attached to the bone part 740 shown in FIG. 11.
  • a mobile tracking system 702 with three cameras 705 (numbered here only as an example).
  • a hand-held optical scanner 775 which measures the surface topology of the bone portion 740 with a light beam 776.
  • the orientation and location of the optical scanner 775 and the bone structure 714 is measured by the tracking system 702.
  • the optical scanner 775 has three active LEDs 777 (numbered here only as an example).
  • the surface topology of the bone part 740 measured by the optical scanner 765 is additionally referenced using already existing CT or MRI images.
  • a bone structure 814 with a pattern 815 and with a secondary pattern 883 is attached to the bone part 840 shown in FIG.
  • the secondary pattern 883 can be detected in this embodiment by a CT (not shown here), so that the spatial position of the secondary pattern 883 with respect to the bone part 840 is known on the basis of the data obtained with the CT.
  • a mobile tracking system 802 with three cameras 805 (numbered here only by way of example) is held.
  • a projector 880 is held, which projects a plurality of spatially defined light rays 881 (numbered here only by way of example) onto the bone part 840.
  • the projector 880 comprises three active LEDs 877 (numbered here only as an example) in order to be able to be detected precisely by the mobile tracking system 802 with respect to its spatial position.
  • the additionally illuminated areas of the bone part 840 by the light beams 881 are measured by the mobile tracking system 802 and calculated as spatial positions.
  • the resulting surface tol- ogy of the bone part 840 can be referenced with CT or MRI images.
  • a bone structure 914 with a pattern 915 and with a secondary pattern 983 is attached to the bone part 940 shown in FIG.
  • a mobile tracking system 902 with three cameras 905 (numbered here only by way of example) is held.
  • the pattern 915 and the secondary pattern 983 can be determined.
  • the secondary pattern 983 may also be detected by other rendering devices (not shown), such as a CT or MRI device.
  • An ultrasound measuring head 985 is guided on the bone part 940, which measures the bone part 940 by means of a sound lobe 986.
  • the ultrasound measuring head 985 in this case comprises three active LEDs 977 (numbered here only as an example) in order to be detected by the mobile tracking system 902.
  • the bone surface measured by the ultrasonic measuring head 985 and the bone structure are referenced in the present case with respect to CT or MRI images.
  • the mobile tracking system 1002 shown in FIG. 14 is fixed on a medical tool 1090, which in the present case is a drill with a drill bit 1090A. It is particularly advantageous in this embodiment that the mobile tracking system 1002 is a particularly small and lightweight design, so that it can be easily fixed on the tool 1090.
  • the mobile tracking system 1002 comprises a first light, small camera 1005 and a second light, small camera 1006, each of which has an optical aperture angle 1091 (numbered here only by way of example).
  • Measured measurement data are routed via a communication link 101 IA to an evaluation and display unit 1011.
  • the communication link 101 IA includes in this embodiment For example, the power supply (not shown here) of the tool 1090 and a water supply (not shown here) for flushing a local work area 1017 on the tool 1090.
  • An alternative embodiment variant may provide that the optics (not explicitly shown here) of the cameras 1005, 1006 are attached directly to the tool 1090 and the remaining components of the cameras 1005, 1006, such as an area sensor (not shown here), in the Evaluation and display unit 101 1 are housed.
  • the communication link 101 IA which in the present case consists of a bundle of optical fibers, the cameras 1005, 1006 are optically connected to the area sensors.
  • the present mobile tracking system 1002 views a jaw area 1092 during an intervention.
  • Both a first illumination 1007 and a second illumination 1008 in the present case ensure sufficient illumination of structures 1003 (numbered here only as an example) with patterns 1012 arranged thereon (numbered here only as an example) and with secondary patterns 1083 arranged thereon (here only as an example) , further of teeth 1093 (here only exemplified), which are arranged in the jaw area 1092.
  • the structures 1003 are fixed to suitable teeth 1093 in this exemplary embodiment. Thus, a secure hold of the structures 1003 on the teeth 1093 is ensured.
  • the mobile tracking system 1002 orients itself based on the structures 1003 temporarily mounted on some suitable teeth 1093, which have corresponding patterns 1012.
  • a pre-procedure 1094 template with 1094A template patterns attached may be used.
  • the template 1094 is then fixed to individual teeth 1093 of a lower jaw 1095 or an upper jaw (not shown here).
  • the template 1094 has an attachment position 1096 for the medical tool 1090.
  • the structures 1003 must be anchored directly in the jawbone 1095 (shown here only as an example of the lower jawbone).
  • the tool 1090 is mechanically coupled to a calibrator (not shown) with attached structures 1003 in a defined manner.
  • the mobile tracking system 1002 determines from these structures 1003 its relative spatial position relative to the calibration device and from there the Geometry of the tool 1090 with the optional insert 1090A.
  • the position of a drill tip 1090B and the orientation of the drill axis 1090C with respect to the mobile tracking system 1002 are known.
  • the attachment position 1096 of the drill 1090 A, the drilling axis 1090 C and a drilling depth are advantageously obtained from further patient data.
  • a corresponding method will be explained in more detail below by way of example.
  • the patterns 1012 and the X-ray opaque secondary patterns 1083 provided here are fixed to some teeth 1093.
  • These structures 1003 may be templates 1094 or structures 1003 applied directly to individual suitable teeth 1093.
  • the patterns 1012 and secondary patterns 1083 may also be printed directly on teeth 1093.
  • X-rays detect three-dimensional structures of bones 1095, teeth 1093 or the course of nerve tracts as well as the secondary patterns 1083.
  • optical scanning surfaces
  • X-ray measurement jaw and tooth structure
  • a coordinate system of the mobile tracking system by detecting the pattern 1012, the position of the jawbone 1095, the teeth 1093 and the soft tissue surfaces are known.
  • the implant is ideally prefabricated in stock.
  • the crown is then advantageously supported by suitable means in the same operating room from semifinished CAD / CAM manufactured. In this case, no required for the present state of the art footprint for the crown production must be generated.
  • a higher-level software for navigation with the mobile tracking system 1002 determines the attachment position 1096 of the drill 1090A, the drilling axis 1090C and the drilling depth in the coordinate system of the mobile tracking system 1002.
  • the mobile tracking system 1002 permanently provides the spatial position, for example, of the drill 1090A relative to the jaw anatomy. This information can be made available for example by means of acoustic and / or optical signals. The surgeon can use this information throughout the drilling process. Alternatively, it can only be used during a critical phase, such as at the beginning and / or end of the procedure.
  • the implant can be screwed into the prepared hole immediately after drilling. Subsequently, the now completed crown is fixed on or to the implant and supplies the surgical site further.
  • the method is advantageously designed such that the optical scanning, the fixation of the structures 1003 with the patterns 1012, 1083, the three-dimensional detection of bone 1095 and teeth 1093 by means of X-radiation, the creation of the model of the body part, the optimal configuration of the implant and the crown, the production of the crown, which can be done using the mobile tracking system 1003 controlled drilled hole in the jaw 1095, placing the implant and fixing the crown in one session.
  • the mobile tracking system 1102 shown in FIG. 15 is preferably used in minimally invasive surgical techniques.
  • minimally invasive surgical techniques the local surgical area 1117 is exposed with a small opening 1200.
  • the surgeon uses the mobile tracking system 1102 locally and as needed. This means that the mobile tracking system 1102 is used before and after certain work steps. This is advantageous because it is put away from the operating area 1 117 when not in use If necessary, the mobile tracking system 1102 can also be used in the critical phase during one work step
  • a typical procedure of a minimally invasive surgery in which registration is not required may proceed as follows. Small opening 1200 is exposed. Next, structures 1103 (numbered here only as an example) with their patterns 1112 are suitably attached to articular bones 1104 Now, the relative spatial position of the structures 1103 is measured with respect to a starting position. Then the actual surgical intervention takes place with a possible assembly of auxiliary implants (not shown here). Furthermore, the definitive implant (not shown here) is used and a new measurement and evaluation of the Finally, all structures 1103 are removed
  • the tracking system 1102 described here is ergonomically very well designed. In addition, it is provided inexpensively. By means of the structures used here, further use of mostly quite bulky locators is advantageously not necessary

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Abstract

Um bekannte Trackingsysteme, insbesondere im medizinischen Bereich weiter zu entwickeln, schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumorientierung von Körpern mit einem Trackingsystem, mittels welchem die Körper lokalisiert und zueinander in Relation gebracht werden, vor. Bei welcher das Trackingsystem oder zumindest Bautei le oder Bauteilgruppen davon mobil einsetzbar sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumorientierung von Körpern, Verfahren zum Kalibrieren und zum Prüfen von insbesondere medizinischen Werkzeugen sowie Muster auf oder Strukturen an insbesondere medizinischen Werkzeugen
[01] Die Erfindung betrifft sowohl eine Vorrichtung als auch ein Verfahren zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumorientierung von Körpern mit einem Tra- ckingsystem, mittels welchem die Körper lokalisiert und zueinander in Relation gebracht werden. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren von insbesondere medizinischen Werkzeugen, von medizinischen Werkstücken und/oder von medizinischen Instrumenten und ein Verfahren zum Prüfen von insbesondere medizinischen Werkzeugen, von medizinischen Werkstücken und/oder von medizinischen Instrumenten hinsichtlich vorhandener Deformationen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung Muster auf oder Strukturen an insbesondere medizinischen Werkzeugen, medizinischen Werkstücken und/oder medizinischen Instrumenten.
[02] Vorrichtungen und Verfahren zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumorientierung von Körpern sind insbesondere bei computerassistierten Eingriffen in der Chirurgie aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei werden oft Navigationssysteme verwendet, welche zumindest teilweise auf optischen Trackingsystemen basieren. Bei den bekannten Trackingsyste- men wird eine Raumlage, das heißt, insbesondere die Raumposition und/oder die Raumorientierung, von mit beispielsweise Lokatoren ausgestatteten Instrumenten und Körperteilen mit bekannten mathematischen Verfahren in Echtzeit ermittelt.
[03] Beispielsweise ist aus der Offenlegungsschrift DE 196 39 615 Al ein Neuronavigationssystem bekannt, welches ein Reflektorenreferenzierungssystem mit passiven Reflektoren und mit einem Markersystem, welches Marker oder Landmarken umfasst, aufweist. Die Reflektoren und die Marker sind an den zu behandelnden Körperteilen und an den chirurgischen Instrumenten vorgesehen, so dass ihre Lokalisation mittels einer Rechner-/Kameraeinheit problemlos möglich ist. Die Raumlagen bzw. Daten hierzu können an einer Grafik-Bildschirmausgabe angezeigt werden.
[04] Die Rechner-/Kameraeinheit wird gegenüber den zu behandelnden Körperteilen eines Patienten stationär aufgestellt. Unter Zuhilfenahme weiterer Daten, die beispielsweise durch eine Computertomografie ermittelt wurden, wird die interessierende Patientenanatomie näher erfasst. Unterstützend wirken hierbei an dem Patienten angebrachte Reflektoren bzw. Marker, mittels welcher die Raumlage des Patienten erfasst wird. Anhand der hierbei gewonnenen Daten können Raumlagen von verwendeten chirurgischen Instrumenten gegenüber dem Patienten verfolgt und gegebenenfalls korrigiert werden. Das im Stand der Technik beschriebene Neuronavigationssystem ermöglicht eine gute und zielgenaue Fuhrung der chirurgischen Instrumente Nachteilig ist jedoch der relativ groß bauende apparative Aufwand, der wahrend einer OP sich störend auswirken kann Dies trifft insbesondere bei räumlich eher beengten Verhaltnissen zu
[05] Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung bekannte Trackingsysteme weiter zu entwickeln, so dass sich deren Handhabung wesentlich vereinfacht
[06] Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Vorrichtung zum beruhrungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumoπentierung von Korpern mit einem Trackingsystem, mittels welchem die Korper lokalisiert und zueinander in Relation gebracht werden, gelost, bei welcher das Trackingsystem oder zumindest Bauteile oder Bauteilgruppen davon mobil einsetzbar sind
[07] Alle bisher bekannten Trackingsysteme sind stationär in einem gewissen Abstand vom Operationsfeld fest auf stabilen Standern montiert und so ortsfest gegenüber den zu erfassenden Korpern fixiert Sie dürfen dabei wahrend der Messungen nicht angestoßen werden, um die Messergebnisse nicht negativ zu beeinträchtigen Dies fuhrt insbesondere bei beengten Platzverhaltnissen zu Problemen, so dass die bekannten Trackingsysteme trotz aller Vorzuge auch hinderlich sein können Dies liegt auch daran, dass an zu erfassenden Korpern verwendete Lokatoren bei der Messung stets von dem Trackingsystem einsehbar sein müssen, aber leicht von einem Operateur oder weiterem Personal verdeckt werden können
[08] Die Einschränkung, dass das Trackingsystem waiirend seines BetπeDs bzw wahrend seiner Verwendung stationär fixiert sein muss, ist bei vorliegendem mobilen Trackingsystem erfindungsgemaß nicht erforderlich
[09] Der Begriff „stationär" beschreibt in vorliegendem Zusammenhang ein Trackingsystem, welches insbesondere wahrend seiner Verwendung ortfest gelagert ist, welches also wahrend seiner Verwendung nicht bewegt wird Die Verwendung des Trackingsystems ist hierbei im eigentlichen „Tracken" eines Korpers zu sehen Es versteht sich, dass ein herkömmliches Trackingsystem auch umpositionierbar ist Em derartiges Umpositionieren geschieht aber nicht wahrend des Trackens sondern, falls erforderlich, nur vor oder nach einem Tracken Hierdurch sind die Trackingsysteme aus dem Stand der Technik insbesondere wahrend des Trackens nicht im Sinne des vorliegenden Trackingsystems mobil einsetzbar
[10] Somit unterscheidet sich das vorliegende mobile Trackingsystem wesentlich von bekannten Tracking- systemen
[11] Die Bezeichnung „Trackingsystem" beschreibt vorliegend eine Einrichtung, mittels welcher ein Korper, insbesondere ein medizinisches Werkzeug, ein medizinisches Werkstuck, ein medizinisches Instrument und/oder ein medizinisches Hilfsmittel optisch ermittelt und eine Relativbewegung zwischen diesen und einem weiteren Körper verfolgt werden kann. Insbesondere ist mit dem Begriff „Trackingsystem" eine zu dem Trackingsystem gehörige Optik und Sensorik sowie ein diesbezüglicher apparativer Aufbau erfasst, so dass zumindest Bauteile oder Bauteilgruppen des Trackingsystems, welche die Optik bzw. Sensorik umfassen, gegenüber den zu trackenden Körpern mobil verlagerbar sind.
[12] Der Begriff „Körper" erfasst im Sinne der Patentanmeldung sowohl allgemeine technische Gebilde als auch spezielle technische Gebilde auf dem Gebiet der Medizin, wie etwa medizinische Werkzeuge, medizinische Werkstücke, medizinische Instrumente, Implantate oder sonstige technische Hilfsmittel, die in der Medizin zur Anwendung gelangen. Darüber hinaus werden vorliegend auch Körper, Körperteile und Körperbereiche von Lebewesen, wie insbesondere Patienten, mit dem allgemein verwendeten Begriff „Körper" erfasst.
[13] Körper, wie beispielsweise medizinische Werkzeuge, medizinische Werkstücke, medizinische Instrumente und/oder Implantate können optional mit austauschbaren und/oder verstellbaren sowie in geeigneter Kombination mit Strukturen und Lokatoren ausgerüsteten Einsätzen bestückt sein.
[14] Unter dem Begriff „technische Hilfsmittel" versteht man vorliegend im Besonderen Hilfsmittel, die zur Bestimmung einer relativen Raumlage von Körpern zueinander verwendet werden. Technische Hilfsmittel im Zusammenhang mit Trackingsystemen auf dem Gebiet der Medizin sind beispielsweise Lokatoren, Strukturen, Landmarken und Muster an Körpern.
[15] Mit den Begriffen „Raumposition" und „Raumorientierung" wird im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung eine Raumlage eines Körpers, beispielsweise im Koordinatensystem des Trackingsystems, und/oder eine relative Raumlage zweier Körper zueinander beschrieben.
[16] Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einem Verfahren zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumorientierung von Körpern mit einem Trackingsystem, mittels welchem die Körper lokalisiert und zueinander in Relation gebracht werden, gelöst, bei welchem das mobile Trackingsystem während seiner Verwendung manuell oder automatisiert gegenüber einem Körper bewegt und verlagert wird.
[17] Erfindungsgemäß kann vorliegend das Trackingsystem selbst während seiner Verwendung, also während des „Tracking" von Körpern bewegt, gegenüber den Körpern verlagert und sogar temporär beiseite gelegt werden. Somit sind insbesondere die eingangs erwähnten Nachteile bekannter Trackingsysteme vorliegend beseitigt.
[18] Sowohl die erfindungsgemäße Vorrichtung als auch das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich sehr gut dazu, Trackingsysteme und Trackingverfahren auf dem Gebiet der Medizin weiter zu entwickeln und zu verbessern. Es versteht sich, dass sich die vorliegende Vorrichtung und das vorliegende Verfahren jedoch nicht nur auf den Anwendungsbereich der Medizin beschränkt, sondern überall dort vorteilhaft eingesetzt werden können, wo eine Bestimmung von Raumlagen mindestens zweier Körper vorteilhaft und/oder erforderlich ist.
[19] Eine bevorzugte Ausfuhrungsvariante sieht vor, dass das mobile Trackingsystem während seines Betriebs bzw. während seiner Verwendung lose gegenüber den Körpern gehalten ist.
[20] Insbesondere hierdurch unterscheidet sich das Trackingsystem der vorliegenden Vorrichtung von herkömmlichen Trackingsystemen. Herkömmliche Trackingsysteme müssen gegenüber den zu erfassenden Körpern immer stationär angeordnet sein oder zumindest einen Bezug zu einem Raumkoordinatensystem besitzen.
[21 ] Vorteilhafter Weise kann ein Anwender, beispielsweise ein Operateur, das vorliegende Trackingsystem bei Seite legen, falls dieses in einer Arbeitsphase nicht benötigt wird. Hierdurch wird der Einsatz des Trackingsystems sehr flexibel.
[22] Besonders vorteilhaft ist es deshalb, wenn das mobile Trackingsystem während seines Betriebs bzw. während seiner Verwendung verlagerbar gegenüber den Körpern angeordnet und/oder gehalten ist. Hierdurch kann das Trackingsystem der Vorrichtung während einer Arbeit zeitlich nur dann und örtlich nur dort eingesetzt werden, wenn es erforderlich ist. Andernfalls wird das Trackingsystem beiseite gelegt.
[23] So sieht eine bevorzugte Ausführungsvariante vor, dass das mobile Trackingsystem gegenüber dem Körper ortslose angeordnet ist.
[24] Der Begriff „ortslose" beschreibt im vorliegenden Zusammenhang einen Zustand, der genau das Gegenteil von der Bedeutung „ortsfest" kennzeichnet. Somit ist das Trackingsystem vorteilhafter Weise nicht starr gegenüber einem gesamten Arbeitsbereich oder einem lokalen Arbeitsgebiet fixiert. Vielmehr wird das mobile Trackingsystem selbst während eines operativen Eingriffs gegenüber den zu erfassenden Körpern verlagert und bewegt.
[25] Eine diesbezügliche Verfahrensvariante sieht vor, dass das Trackingsystem während seiner Verwendung händisch geführt wird. Hierbei kann beispielsweise ein Operateur selbst entscheiden, wo und wann das Trackingsystem vor einem lokalen Arbeitsgebiet gehalten wird.
[26] Das mobile Trackingsystem ist einfach zu bedienen, wenn es während seiner Verwendung, insbesondere händisch, unmittelbar vor die zu erfassenden lokalen Arbeitsgebiete gehalten wird. [27] Alle bekannten Trackingsysteme erfassen immer nahezu das gesamte Arbeitsgebiet mit der geforderten hohen Messgenauigkeit, wodurch sich ein enormer Rechenaufwand ergibt Vorteilhafter Weise reduziert sich vorliegend zudem der Rechenaufwand zur Bestimmung der Raumposition und/oder der Raum- onentierung von Korpern, da nicht wie bisher üblich, der gesamte Arbeitsbereich von dem vorliegenden Trackingsystem erfasst wird, sondern nur das lokale Arbeitsgebiet, welches beispielsweise für den operativen Eingπff unmittelbar von Interesse ist
[28] Eine weitere Verfahrensvariante sieht vor, dass zumindest die Raumposition und/oder die Raumoπen- tierung zwischen wenigstens zwei Korpern lediglich phasenweise ermittelt wird Hierdurch reduziert sich der erforderliche Rechenaufwand weiter
[29] Unter dem Begriff „phasenweise" versteht man vorliegend, dass das mobile Trackingsystem nicht permanent vor einem Arbeitsgebiet angeordnet ist Beispielsweise wird das mobile Trackingsystem hinsichtlich einer Voher-/Nachher-Betrachtung nur vor einem Haupteingπff und nach dem Haupteingπff vor das lokale Arbeitsgebiet gehalten So kann das mobile Trackingsystem zwischenzeitlich beiseite gelegt werden
[30] Somit kann das vorliegende Trackingsystem für die Messung oder die Kontrolle vorteilhafter Weise lediglich vor und nach bestimmten Arbeitsschritten eingesetzt werden Dazu wird es in vorteilhafter Position und Messπchtung auf die beispielsweise mit Lokatoren oder Strukturen ausgestatteten Objekte ausgerichtet Das Trackingsystem kann die Raumlage der Objekte als Momentaufnahme relativ zueinander erfassen Das Trackingsystem kann auch die Raumlage der Objekte mittels einer Aufnahmesequenz aufzeichnen, um beispielsweise das dynamische Verhalten von Korperteilen vor, wahrend oder nach gewissen Arbeitsschritten zu studieren Diese Vergehensweise hat den wesentlichen Vorteil gegenüber stationären Systemen, dass nicht mehr das gesamte Arbeitsvolumen mit der verlangten Genauigkeit dauernd eingesehen werden muss sondern nur noch das eigentliche lokale Arbeitsgebiet mit den durchzuführenden oder durchgeführten Arbeitsschritten Ein weiterer Vorteil ist, dass die Position und die Messπchtung des Trackingsystems für jeden Arbeitschπtt optimal ausgewählt werden können Besonders für nahe beieinander liegende Objekte bzw Korper ist es vorteilhaft, dass äußerst handliche Trackingsysteme mit kleinen Abmessungen verwendet werden können
[3 I] Um das mobile Trackingsystem von Hand gut fuhren zu können, ist es vorteilhaft, wenn das mobile Trackingsystem ein Gπffteil zum handischen Halten und/oder zum Fuhren des mobilen Trackingsystems aufweist
[32] Eine weitere Erleichterung in der Handhabung ergibt sich, wenn das mobile Trackingsystem ein Gewicht von weniger als 2 kg oder von weniger als 0,5 kg, vorzugsweise von weniger als 0,1 kg, aufweist Mittels eines derart geringen Gewichtes ist das mobile Trackingsystem selbst bei einem längeren Einsatz gut zu handhaben. Insbesondere mobile Trackingsysteme sind mit einem Gewicht von weniger als 0,1 kg besonders vorteilhaft in der Dentalmedizin und/oder der minimalinvasiven Medizin einsetzbar.
[33] Um das Trackingsystem nur im Bedarfsfall zu aktivieren, ist es vorteilhaft, wenn das mobile Trackingsystem eine Auslöseeinrichtung zum Starten und Ausführen einer Ermittlung und einer Vermessung aufweist.
[34] Verfahrenstechnisch ist es demnach vorteilhaft, wenn ein Ermitteln und/oder ein Vermessen mittels einer manuellen Auslöseeinrichtung eingeleitet wird.
[35] Es versteht sich, dass die Auslöseeinrichtung vielfältig gestaltet sein kann. Beispielsweise befindet sich die Auslöseeinrichtung in Form eines Schalters am Griffteil. Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die Auslöseeinrichtung einen Fußschalter umfasst. Bei dieser Ausgestaltung kann das mobile Trackingsystem noch kompakter gebaut werden, da auf Bauteile oder Bauteilgruppen hinsichtlich eines Schalters unmittelbar am mobilen Trackingsystem verzichtet werden kann.
[36] Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass die Auslöseeinrichtung Mittel zur Sprachsteuerung aufweist. Hierdurch kann ein Operateur das mobile Trackingsystem besonders komfortabel steuern.
[37] Für den Fall, dass das mobile Trackingsystem nicht ausschließlich von Hand gehalten und geführt wird, ist es vorteilhaft, wenn das mobile Trackingsystem eine Befestigungseinrichtung zum Anordnen an einer verlagerbaren Führungseinrichtung, wie einem manuell verlagerbaren Haltearm und/oder einem Roboterarm, aufweist. Mittels einer derartigen Befestigungseinrichtung ist das Anbringen des mobilen Trackingsystems an zusätzliche Hilfshalteeinrichtungen, wie beispielsweise an einem während des Tra- ckens verlagerbaren Haltearms oder wie an einem Roboterarm, wesentlich vereinfacht.
[38] Die Befestigungseinrichtung kann auch derart ausgestaltet sein, dass sie dazu geeignet ist, dass mobile Trackingsystem an einem Arm eines Operateurs anzuordnen. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Befestigungseinrichtung es ermöglicht, das mobile Trackingsystem unmittelbar am Kopf oder einem sonstigen Körperteil eines Patienten zu befestigen.
[39] Für eine weitere verbesserte Handhabung des mobilen Trackingsystems ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn das mobile Trackingsystem autark ist.
[40] In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das mobile Trackingsystem Mittel zum Berechnen einer Verlagerung des mobilen Trackingsystems gegenüber dem Körper aufweist. [4I] Um das Trackingsystem technisch immer auf dem neusten Stand der Technik halten zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Berechnungsmittel als Software ausgeführt sind. Eine Software ist besonders günstig upzudaten.
[42] Zum autarken Betrieb des mobilen Trackingsystems ist es vorteilhaft, wenn das mobile Trackingsystem eine eigene Energiequelle aufweist. Beispielsweise ist die Energiequelle als Batterie, Akkumulator oder Brennstoffzelle ausgebildet.
[43] Die Handhabung des mobilen Trackingsystems ist weiter erleichtert, wenn das mobile Trackingsystem Mittel zur drahtlosen Kommunikation aufweist.
[44] Damit das mobile Trackingsystem Körper visuell wahrnehmen kann, ist es vorteilhaft, wenn das mobile Trackingsystem eine Kamera, vorzugsweise mehr als eine Kamera, aufweist.
[45] Vorteilhaft ist es, wenn die Kameras Flächensensoren aufweisen. Mehr als zwei Flächensensoren erhöhen die Messsicherheit wesentlich.
[46] Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vorteilhafter Weise Lokatoren, Strukturen, Muster und/oder sekundäre Muster vor.
[47] Der Begriff „Lokatoren" beschreibt vorliegend insbesondere ein technisches Hilfsmittel, welches an einem weiteren Körper anordenbar ist. Der weitere Körper ist mittels eines Lokators von dem mobilen Trackingsystem lokalisierbar. Anhand des Lokators ist die Raumlage eines Körpers problemlos bestimmbar.
[48] Mit dem Begriff „Struktur" wird im Sinne der Patentanmeldung ein dreidimensionales Gebilde beschrieben, welches ein Muster aufweist. Eine Struktur bildet vorliegend auch einen Körper im Sinne der Patentanmeldung. Die Struktur ist beispielsweise als ebene Platte ausgebildet. Die Struktur kann permanent oder abnehmbar an einem weiteren Körper angeordnet sein. In einigen Anwendungsfällen kann es von Vorteil sein, wenn die Struktur an sich ein Körperteil eines weiteren Körpers bildet. Beispielsweise ist die Struktur ein Teilbereich eines medizinischen Instrumentes.
[49] Vorzugsweise ist das Muster auf der Oberfläche der Struktur aufgebracht. Es kann aber auch in anderer Weise an der Struktur angeordnet sein. Die Gestalt eines Strukturmusters wird bereits bei der Herstellung der Struktur festgelegt.
[50] Ein „Muster" ist im Sinne der Patentanmeldung ein Gebilde, welches beispielsweise aus geraden oder gekrümmten Linien unterschiedlicher Breite und Länge, aus Kreisen, aus Ellipsen, aus Dreiecken und aus Rechtecken oder aus Kombinationen daraus besteht. Es ist vorzugsweise direkt auf eine Oberfläche eines Körpers, wie einer Struktur, aufgebracht. Wesentlich ist es hierbei, dass das Muster kontrastreich von einer Oberfläche unterscheidbar ist, auf welche es angebracht ist.
[5 l] Das Muster unterscheidet sich etwa von einer Struktur dadurch, dass es im Wesentlichen ein zweidimensionales Gebilde und kein dreidimensionales Gebilde ist. Das bedeutet, dass das Muster als Gebilde wie etwa eine Struktur zwar eine Länge und eine Breite aufweist. Jedoch ist die Dicke des Musters gegenüber der Dicke einer Struktur derart vernachlässigbar gering, dass im vorliegenden Zusammenhang ein Muster ein zweidimensionalen Gebilde ist. Bei einem Muster reduziert sich die Dicke beispielsweise auf eine auf einer Struktur aufgebrachten Farbschicht. Ein Muster kann auch aus einer Kombination aus reflektierenden, absorbierenden, fluoreszierenden, phosphoreszierenden oder selbstleuchtenden Materialien bestehen. Diese Materialien eignen sich besonders im Zusammenhang mit für den Menschen sichtbarem Licht, infrarotem oder ultraviolettem Licht.
[52] Ein Teilbereich eines Musters kann dazu dienen, eine Algorithmuseffizienz eines mobilen Tracking- systems zu steigern. Ist ein Muster auf einer Struktur aufgebracht, kann das Muster oder ein Teilbereich davon zur Identifikation der Struktur dienen. Mittels des Musters kann insbesondere definiert werden, ob es sich bei einem der Struktur weiter zugeordneten Körper um ein medizinisches Instrument oder um ein medizinisches Werkzeug handelt. Das Muster liefert somit wesentliche Informationen von mittels des Trackingsystems ermittelten Körpern an das mobile Trackingsystem.
[53] Neben dem beschriebenen Muster existieren im Sinne der Patentanmeldung als eine weitere Mustergattung „sekundäre Muster". Insbesondere für eine Registrierung von Körpern ist es vorteilhaft, wenn neben den vom mobilen Trackingsystem ermittelten Muster noch weitere Muster, die sekundären Muster, existieren, welche auch von anderen bildgebenden Systemen, etwa von einem CT-Gerät oder von einer sonstigen Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung von Knochen und Zähnen mittels Röntgenstrahlung, erkannt und gemessen werden können.
[54] Vorliegend ist also die Rede von einem Muster, wenn dieses vorwiegend nur von dem mobilen Trackingsystem ermittelt wird. Ist ein Muster von einem weiteren bildgebenden System ermittelbar und räumlich auflösbar, spricht man vorliegend von einem sekundären Muster. Das sekundäre Muster besteht deshalb vorzugsweise aus röntgen-opaken und/oder röntgen-transparenten Materialien. Sekundäre Muster können zudem Materialien umfassen, welche von MRI-Systemen erkannt und gemessen werden können. In einem weiteren Beispiel bestehen sekundäre Muster aus Materialien, die von bildgebenden Systemen erkannt und gemessen werden können, welche auf dem Terahertz-Spektralbereich basieren.
[55] Je nach Art des bildgebenden Systems, wie eines CT- oder eines MRI-Systems, sollten die sekundären Muster aus geraden oder gekrümmten Linien unterschiedlicher Breite und Länge, aus Kreisen, aus Ellipsen, aus Dreiecken und aus Rechtecken oder aus Kombinationen daraus bestehen, welche eine kritische Schichtdicke nicht unterschreiten dürfen.
[56] Es ist weiter vorteilhaft, wenn die Lokatoren, die Strukturen, die Muster und/oder die sekundären Muster an einem Körper, wie einem Werkzeug, einem Werkstück und/oder einem Instrument, angeordnet sind. Hierdurch werden die Körper zumindest von dem mobilen Trackingsystem erkennbar.
[57] Sind beispielsweise Körperteile, wie Knochen-/Gelenkteile, einer Person mit Lokatoren, Strukturen, Muster und/oder sekundären Muster versehen, können diese ebenfalls zumindest von dem mobilen Trackingsystem erkannt werden.
[58] Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn ein Muster für das mobile Trackingsystem erkennbare und verwertbare gerade oder gekrümmte Linien unterschiedlicher Breite und Länge, Kreise, Ellipsen, Dreiecke und Rechtecke oder aus Kombinationen daraus umfasst.
[59] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn ein Muster Licht nicht reflektierende Mittel, Licht reflektierende Mittel, fluoreszierende Mittel, phosphoreszierende Mittel, und/oder weitere selbstleuchtende Mittel umfasst.
[60] Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass ein sekundäres Muster in einem definierten geometrischen Bezug zu einem Muster steht. Insbesondere für eine Registrierung ist es vorteilhaft, dass es neben dem vom mobilen Trackingsystem gemessenen Muster noch ein wohl definiertes, sekundäres Muster gibt. Das sekundäre Muster aus geeigneten Materialien wird auch von anderen bildgebenden Systemen erkannt und gemessen. So kann das sekundäre Muster von den CT-Geräten oder sonstigen Vorrichtungen zur dreidimensionalen Erfassung von Knochen und Zähnen mittels Röntgenstrahlung erkannt und räumlich aufgelöst werden, wenn das sekundäre Muster aus der Kombination von röntgen-opaken und röntgen- transparenten Materialien besteht.
[61] Vorteilhaft ist es also, wenn ein sekundäres Muster von weiteren bildgebenden, insbesondere nicht optischen, Systemen erkennbar ist.
[62] Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn eine Struktur Muster aufweist, deren Lage und/oder deren geometrische Details bekannt sind. Hierdurch kann das mobile Trackingsystem einen die Muster aufweisenden Körper exakt vermessen.
[63] Um Strukturen an Körpern vorteilhaft befestigen zu können, ist es vorteilhaft, wenn eine Struktur Mittel zum Fixieren an Körpern aufweist. [64] In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Fixiermittel Abstützfϋße zum Fixieren an Körpern aufweisen.
[65] Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Struktur eine ebene Platte umfasst. Insbesondere eine ebene Platte kann gut mit einem Muster versehen werden.
[66] Eine diesbezügliche Ausführungsvariante sieht vor, dass eine Struktur eine ebene Platte mit einer dreidimensional strukturierten Oberfläche umfasst.
[67] Baulich besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Struktur ein Teil eines medizinischen Werkzeuges, eines medizinischen Werkstückes und/oder eines medizinischen Instrumentes bildet. Hierdurch lässt sich die Struktur vorteilhaft in einen Körper integrieren.
[68] Eine weitere vorteilhafte Befestigungsmöglichkeit ergibt sich, wenn eine Struktur einen Magnet umfasst.
[69] Damit eine Struktur von dem mobilen Trackingsystem immer gut erkennbar ist, ist es vorteilhaft, wenn eine Struktur eine schmutzabweisende Oberfläche aufweist.
[70] Um zu trackende Körper, insbesondere Muster auf Körpern oder Strukturen an Körpern, besonders gut erkennen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das mobile Trackingsystem Mittel zum Beleuchten aufweist.
[7I] Je nach Anwendungsgebiet, ist es vorteilhaft, wenn die Beleuchtungsmittel Leuchtmittel für den hyperroten Bereich aufweisen.
[72] Es ist vorteilhaft, wenn ein Körper deformierbare Elemente umfasst. Mittels der deformierbaren Elemente ist ein Körper vielseitig einstellbar und kann an vorgefundene Gegebenheiten angepasst werden.
[73] Um beispielsweise Deformationen an einem Körper, wie beispielsweise an einem medizinischen Werkzeug oder an einem medizinischen Instrument, feststellen zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Geometrie eines Körpers ermittelt und vermessen wird. Hierbei spielt es keine Rolle, ob es sich bei den Körperdeformationen um beabsichtigte oder unbeabsichtigte Deformationen handelt.
[74] Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Körper mittels auf und/oder an den Körpern befindlichen Mustern und/oder einem sekundären Mustern, welche von weiteren bildgebenden Systemen erkannt werden, registriert werden. [75] Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn das mobile Trackingsystem an einem Körper, insbesondere an einem medizinischen Werkzeug und/oder an einem medizinischen Instrument, angeordnet wird. Beispielsweise ist das mobile Trackingsystem an einem Körperteil, wie einem Knochen, eines Patienten temporär fixiert.
[76] Vorteilhaft ist es, wenn die Raumposition und/oder die Raumorientierung von an Körpern angeordneten Lokatoren relativ zu an den Körpern angeordneten Strukturen und/oder Mustern ermittelt und vermessen werden.
[77] Um Muster an Strukturen mittels des mobilen Trackingsystems erkennen zu können, welche nicht unmittelbar im Sichtbereich des mobilen Trackingsystems liegen, ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung einen Spiegel umfasst, welcher Muster und/oder sekundäre Muster aufweist. Mittels des Spiegels können die nicht unmittelbar einsehbaren Muster zumindest mittelbar für das mobile Trackingsystem einsehbar werden. Dadurch, dass an dem Spiegel ebenfalls Muster und/oder sekundäre Muster angeordnet sind, ist die Raumlage des Spiegels insbesondere mittels des mobilen Trackingsystems bestimmbar. Durch die Raumlagedaten des Spiegels kann dann die Raumlage der mittels des Spiegels einsehbaren Muster ermittelt werden.
[78] Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einem Verfahren zum Kalibrieren von insbesondere medizinischen Werkzeugen, von medizinischen Werkstücken und/oder von medizinischen Instrumenten gelöst, bei welchem die medizinischen Werkzeuge, die medizinischen Werkstücke und/oder die medizinischen Instrumente mit Mustern und/oder mit Strukturen, welche Muster umfassen, versehen werden und die medizinischen Werkzeuge, die medizinischen Werkstücke und/oder die medizinischen Instrumente mittels der Mustern und/oder der Strukturen vermessen werden. Hierdurch reduziert sich der Aufwand zum Kalibrieren derartiger Körper wesentlich.
[79] Die geforderten mechanischen Genauigkeiten insbesondere hinsichtlich medizinischer Instrumente bedingen teilweise sehr hohe Herstellungskosten. Dies gilt insbesondere für medizinische Instrumente, mit austauschbaren oder verstellbaren Einsätzen, deren Spitzen beispielsweise mit Skalpellklingen oder Tastspitzen versehen sind.
[80] Wird das medizinische Instrument ohne vorheriges Kalibrieren eingesetzt, ergeben sich die erreichbaren Genauigkeiten der Raumlagen unter anderem aus der Toleranz der Instrumentenfertigung. Zusätzlich besteht immer die Möglichkeit, dass versehentlich deformierte Instrumente eingesetzt werden. Mit zusätzlichen Kalibriervorrichtungen werden im Stand der Technik deshalb die Geometrien der medizinischen Instrumente in der Regel vor oder zwischen bestimmten Arbeitsphasen mit dem optischen Trackingsystem ausgemessen und geprüft. Auf diese zusätzlichen Kalibriervorrichtungen kann vorliegend vorteilhafter Weise verzichtet werden.
[81] Vorteilhaft ist es somit, wenn die Muster und/oder die Strukturen mittels eines Trackingsystems, insbesondere eines mobilen Trackingsystems, ermittelt werden, um die medizinischen Instrumente zu vermessen.
[82] Die Erfindung betrifft somit insbesondere ein Kalibrierverfahren mit einer Vorrichtung, bei dem insbesondere das mobile Trackingsystem die Struktur der Instrumente oder der Werkzeuge misst. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die üblichen aufwendigen Kalibriervorrichtungen entfallen oder vereinfacht werden können.
[83] Die Form der Struktur und die Eigenschaften des Musters werden bereits bei der Herstellung definiert. Aus der Kenntnis des Musters sind damit auch die wesentlichen geometrischen Gegebenheiten der Struktur bekannt. Wesentliche geometrische Gegebenheiten sind beispielsweise Durchmesser, Länge oder Radius. Ist beispielsweise die gesamte Oberfläche des nicht deformierten Objekts mit einem geeigneten Muster bedeckt, kann aus Kenntnis des Musters die geometrische Form des Objekts mit einer Messung ausreichend exakt beschrieben werden.
[84] Die räumliche Lage der Lokatoren bezüglich den Strukturen wird beim Kalibrierverfahren vom Trackingsystem gemessen. Damit ist es nicht mehr notwendig, dass die räumliche Lage der Lokatoren bei der Herstellung aufwendig realisiert werden muss. Ein typischer Kalibriervorgang eines Instruments mit Struktur und Lokatoren kann folgendermaßen ablaufen.
[85] Das Instrument wird im Messvolumen bzw. Arbeitsgebiet des Trackingsystems gedreht, so dass alle Seiten des Instruments im Kalibriermodus sequentiell gemessen werden. Alternativ kann das Trackingsystem selber um das Instrument geführt werden. Der Kalibriermodus beinhaltet des Weiteren die Erkennung und Auswertung der Strukturen, die Bestimmung der Geometrie der Struktur, die Zuordnung der Struktur bezüglich der räumlichen Gestalt des Instruments auf Grund der Identifikation sowie die räumliche Lage von Lokatoren bezüglich der Struktur respektive zur räumlichen Gestalt des Instruments.
[86] Dieser Kalibriervorgang für ein Instrument oder ein Werkzeug kann nach Bedarf wiederholt werden. Da bei der Messung der Objektraumlagen vor, während oder nach einem Arbeitsgang typischerweise sowohl die Struktur (ganz oder teilweise) als auch die Lokatoren erfasst werden, kann die Kalibrierung gleichzeitig dauernd oder periodisch überprüft werden. Das Trackingsystem beinhaltet zur Erfüllung dieser Aufgaben entsprechend geeignete Algorithmen. [87] Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einem Verfahren zum Prüfen von insbesondere medizinischen Werkzeugen, von medizinischen Werkstücken und/oder von medizinischen Instrumenten hinsichtlich vorhandener Deformationen gelöst, bei welchem mittels eines mobilen Trackingsystems Muster auf den medizinischen Werkzeugen, den medizinischen Werkstücken und/oder auf den medizinischen Instrumenten ermittelt werden.
[88] Es ist vorteilhaft, wenn Muster auf insbesondere medizinischen Werkzeugen, auf medizinischen Werkstücken und/oder auf medizinischen Instrumenten zum Kalibrieren und/oder zum Prüfen von Deformationen der medizinischen Werkzeuge, der medizinischen Werkstücke und/oder der medizinischen Instrumente verwendet werden.
[89] Das mobile Trackingsystem ist insbesondere in der Lage, deformierte Instrumente zu messen und zu erkennen, da die aktuelle Struktur von der in der Identifikation definierten oder der vorgängig gemessenen Struktur abweicht. Die Deformation kann unabsichtlicht beispielsweise schon vor dem Arbeitseinsatz oder während einem Arbeitsgang erfolgen. Die Deformation kann auch absichtlich durchgeführt werden, um beispielsweise die geometrische Form eines Instruments für einen Arbeitsschritt anzupassen. Insbesondere auch mittels des Kalibrierungsverfahrens kann die geometrische Form des deformierten Instruments ausreichend genau bestimmt werden.
[90] Darüber hinaus unterstützt das mobile Trackingsystem, insbesondere in der Chirurgie, den Anwender wesentlich bei der Registrierung der einzelnen Körper, was eine erhebliche Vereinfachung eines herkömmlichen Registriervorgangs darstellt.
[91] Diese Vereinfachung wird vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass einerseits das Trackingsystem eine Struktur und/oder ein Muster am entsprechenden Körperteil und andererseits die anderen bildgebenden Systeme (C-Bogen, CT, MRI und/oder einer sonstigen Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung von Knochen und Zähnen mittels Röntgenstrahlung) die Patientendaten und die sekundären Muster erkennen und als Raumlageinformation aufbereiten. Dadurch ist jederzeit die Raumlage der Struktur bezüglich den Patientendaten bekannt. Damit entfallen die zeitintensiven präoperativen Bestimmungen der Registrierpunkte sowie das Abtasten dieser Punkte mit einem vom Trackingsystem gemessenen Zeigeinstrument. Das mobile Trackingsystem beinhaltet zur Erfüllung dieser Aufgabe vorzugsweise entsprechend optimierte Algorithmen. Dies hat den weiteren wesentlichen Vorteil, dass das taktile Verfahren für die Registrierung idealerweise nicht mehr erforderlich ist. Oder das taktile Verfahren wird gegebenenfalls noch zu Kontrollzwecken eingesetzt.
[92] Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einem Verfahren gelöst, bei welchem Muster und/oder sekundäre Muster an wenigstens einem geeigneten Zahn oder an einer Schablone, welche an wenigstens einem geeigneten Zahn oder an einer an einem Kiefer befestigten Struktur angeordnet wird, angeordnet werden, bei welchem mittels der vorliegend erläuterten Vorrichtung während einer ersten Messung die relative Raumposition und/oder die relative Raumorientierung der Muster und/oder der sekundären Muster zueinander ermittelt werden.
[93] Die vorliegende Erfindung ist somit auch im Bereich der Dentalmedizin besonders vorteilhaft.
[94] Um weitere Daten über das Operationsgebiet zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn zuvor eine Oberfläche eines lokalen Arbeitsgebietes optisch gescannt wird.
[95] Weitere Daten des Operationsgebietes können ermittelt werden, wenn das lokale Arbeitsgebiet dreidimensional mittels Röntgenstrahlung gemessen wird.
[96] Ein Operateur erhält von dem Operationsgebiet ein sehr genaues Bild, wenn mittels ermittelter Scanndaten und ermittelter Röntgendaten sowie ermittelter Daten eines mobilen Trackingsystems der Vorrichtung ein dreidimensionales Modell erstellt wird.
[97] Vorzugsweise werden zum Erstellen des Modells zumindest die ermittelten Scanndaten und die ermittelten Röntgendaten in ein gemeinsames Koordinatensystem übertragen.
[98] Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass mittels dieses Modells eine Konfiguration eines Implantats und/oder einer Krone ermittelt wird.
[99] Ein Eingriff kann besonders präzise vorgenommen werden, wenn mittels dieses Modells eine relative Raumposition und/oder eine relative Raumorientierung eines Bohrers, einer Bohrachse, einer Bohrtiefe und/oder einer Ansetzposition ermittelt wird.
[100] Weiter ist es vorteilhaft, wenn die ermittelte Konfiguration der Krone mittles Unterstützung von CAD/CAM im Wesentlichen zeitgleich zum chirurgischen Bohrvorgang gefertigt wird.
[101] Zusammenfassend sei nochmals erwähnt, dass die die Erfindung betreffenden Trackingsysteme besonders gut geeignet sind, an den Objekten angebrachte Lokatoren und Strukturen zu erkennen, die Raumlagen der Lokatoren und Strukturen zu bestimmen und daraus die Raumlagen der Objekte zu ermitteln.
[102] Das Trackingsystem ist darüber hinaus in der Lage, die ganze oder einen Teil der geometrischen Form von mit geeigneten Strukturen versehenen Objekten zu ermitteln. Des Weiteren setzt es die geometrische Form der Objekte in Bezug zu den am Objekt angebrachten Lokatoren. [103] Eine Objekt-Raumlage wird entweder mit den Lokatoren oder mit der Struktur ermittelt. Die Bestimmung der Objekt-Raumlage kann auch mit den Lokatoren und der Struktur erfolgen.
[104] Das vorliegende mobile Trackingsystem kann auf einem Objekt bzw. Körper, wie auf einem Werkzeug, einem Instrument oder einem weiteren Körperteil, direkt angebracht sein. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass damit die Raumlage dieses Körpers ohne weitere Messung allein mittels des Tra- ckingsystems bekannt ist.
[105] Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass sich die Anzahl der benötigten Körper im Arbeitsbereich reduziert. Im Extremfall befinden sich in der Anwendung beispielsweise nur noch das mit dem mobilen Trackingsystem ausgerüstete Werkzeug, welches sich beispielsweise an einer an einem Körperteil befestigten Struktur orientiert. Als besonders wichtiges Beispiel sei die Anwendung in der Dentalchirurgie erwähnt, bei dem das mobile Trackingsystem vorteilhafter Weise in bzw. an ein Arbeitsinstrument, wie beispielsweise einem Bohrgerät, integriert ist. Die Strukturen können hierbei auf einer Schablone und/oder auf Zähnen angebracht sein. Die Schablonen erhalten einen besonders sicheren Halt, wenn sie beispielsweise über einen oder mehrere Zähne gestülpt sind.
[106] Das mobil, leicht, tragbar und handlich ausgebildete vorliegende Trackingsystem kann manuell nach Bedarf zur Messung eingesetzt werden. Es können damit die Raumlagen von Körpern vor und nach bestimmten Arbeitsschritten ausgemessen werden. Während der Arbeitsschritte kann es vorteilhafter Weise beiseite gelegt werden. Das Trackingsystem kann somit, wie bereits erwähnt, auch auf einem Roboter, insbesondere an einem Roboterarm, montiert sein und hierbei nur bedarfsweise Messungen vornehmen.
[107] Das vorliegende mobile Trackingsystem könnte zumindest temporär auch auf einem Stativ für eine Langzeitmessung der Objektraumlagen im Arbeitsbereichs montiert sein. Wichtige Eigenschaften des mobilen Trackingsystems, wie das Messvolumen, der Bereich der Messdistanzen oder die Messgenauigkeit, werden unter anderen von der Anordnung und Eigenschaften der Kameras, der Lokatoren oder der Strukturen definiert. Die Messgenauigkeit, das Messvolumen und/oder der Bereich der Messdistanzen beeinflussen wesentlich die Geometrie des mobilen Trackingsystems und die Anordnung und Eigenschaften der Kameras. Kleine Messvolumen und kleine Bereiche der Messdistanzen erlauben typischerweise Trackingsysteme, welche kleine geometrische Dimensionen aufweisen. Umgekehrt haben große Messvolumen und große Bereiche der Messdistanzen typischerweise geometrisch größere Trackingsysteme zur Folge. Für gleiche Messgenauigkeiten und bei gleicher Kameratechnologie ist damit der Aufwand bei größeren Trackingsystemen bedeutend höher als bei kleineren Trackingsystemen.
[108] An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die gesamten Instrumente oder Werkzeuge, Einsätze, die Strukturen, die Lokatoren oder Teile davon vorteilhafter Weise für einen einmaligen Gebrauch gefertigt sind. Dies ist bei bestimmten Anwendungen z.B. aus hygienischen Gründen vorteilhaft. Weitere Vorteile ergeben sich für die Logistik, Reinigung, Sterilisierung und Überprüfung der Körper.
[109] Ein erheblicher Vorteil ist es weiter, dass solche Einwegteile mit geeigneten Materialien und mit geeigneten Fertigungsmethoden, wie beispielsweise Spritzguss oder plastisch formgebenden Techniken, kostengünstig hergestellt werden können.
[1 10] Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Fertigungsgenauigkeit der Lokatoren samt Befestigung reduziert sein kann, da die Lokatorenposition bezüglich der Struktur vorliegend mit dem mobilen Tra- ckingsystem gemessen wird.
[111] Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einem Verfahren gelöst, bei welchem an einem Körper, wie etwa an einem Werkstück, eine erste Struktur mit Mustern und/oder ein erster Lokator und wenigstens eine weitere Struktur mit Mustern und/oder wenigstens ein weiterer Lokator angeordnet wird, bei welchem mittels der der Erfindung zugrunde liegenden Vorrichtung während einer ersten Messung die relative Raumposition und/oder die relative Raumorientierung der Strukturen mit den Mustern und/oder der Lokatoren zueinander ermittelt werden, bei welchem anschließend der Körper bearbeitet wird, bei welchem während wenigstens einer weiteren Messung erneut eine relative Raumposition und/oder eine relative Raumorientierung der Strukturen mit den Mustern und/oder der Lokatoren zueinander ermittelt werden, und bei welchem die ermittelten Raumpositionen und/oder die Raumorientierungen aus den beiden Messungen miteinander verglichen werden.
[112] Vorteilhafter Weise kann hierbei besonders präzise ein Körper oder Teilbereiche eines Körpers, insbesondere hinsichtlich einer Raumlage, vor und nach einem Arbeitsvorgang verglichen werden.
[113] Eine weiterführende Verfahrensvariante sieht vorteilhafter Weise vor, dass der bearbeitete Körper schrittweise derart weiter bearbeitet wird, bis die Raumposition und/oder die Raumorientierung der Strukturen mit den Mustern und/oder der Lokatoren aus der ersten Messung mit der Raumposition und/oder der Raumorientierung der Strukturen mit den Mustern und/oder der Lokatoren aus der zweiten Messung in geeigneter Weise übereinstimmen. Vorzugsweise werden die Raumposition und/oder die Raumorientierung lediglich anhand der vorhandenen Muster mittels des mobilen Trackingsystems ermittelt.
[114] Hierdurch kann der Körper oder Teile des Körpers nach einem erfolgten Arbeitsvorgang mit höchster Präzision wieder an den Ausgangszustand angepasst werden.
[115] Eine im medizinischen Bereich bevorzugte Verfahrens Variante sieht vor, dass ein Operateur einen Gelenk oder ein sonstiges Körperteil eines Patienten bearbeitet. [116] Wird beispielsweise ein Teil eines Gelenkes eines Patienten durch eine Prothese ersetzt oder ein Knochen derart bearbeitet, dass zwischen zwei Knochenteilen ein Implantat eingesetzt wird, ist es vorteilhaft, wenn vor dem Beginn des eigentlichen Haupteingriffes wenigstens zwei Strukturen mit Mustern geeignet an Seiten des Gelenkes befestigt werden und die relative Raumlage der Strukturen zueinander anhand der Muster mittels des mobilen Trackingsystems ermittelt wird. Zwischen den beiden Strukturen ersetzt der Operateur ein Gelenkteil durch eine Prothese. Nach erfolgtem Haupteingriff wird die Raumlage der Strukturen erneut ermittelt und mit der zuvor ermittelten Raumlage verglichen. Somit hat der Operateur unmittelbar nach dem Haupteingriff die nachweisliche Sicherheit, dass das Gelenk oder Teile davon wieder in seiner Ursprunglage angeordnet ist bzw. sind oder dieser Ursprunglage in einem medizinisch ausreichenden Maße sehr nahe kommen.
[117] Auf Grund der besonders einfachen Handhabung ist das vorliegende Trackingsystem besonders vorteilhaft im Bereich der Dentalmedizin und der minimalinvasiven Medizin einsetzbar.
[118] Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Erläuterung anliegender Zeichnung beschrieben, in welcher beispielhaft Vorrichtungen zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumorientierung von Körpern mit einem Trackingsystem sowie Bauteile oder Bauteilgruppen derartiger Vorrichtungen dargestellt sind.
[119] Es zeigt
Figur 1 schematisch eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem mobilen Trackingsystem mit einem medizinischen Instrument, einschließlich einer Struktur mit einem Muster vor einem Körperteil mit einer weiteren Struktur,
Figur 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines ersten Musters,
Figur 3 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Musters,
Figur 4 schematisch ein weiteres Musterbeispiel,
Figur 5 schematisch eine Anordnung aus einem mobilen Trackingsystem und einem medizinischen
Instrument mit Lokatoren, Strukturen und Mustern,
Figur 6 schematisch eine Ansicht einer Befestigungstechnik von Strukturen auf harten Körperteilen,
Figur 7 schematisch eine Ansicht einer trichterförmigen Landmarke mit aufgesetzter mit Mustern und magnetischen Materialien ausgestatteter Kalotte,
Figur 8 eine schematische Anordnung aus einem weiteren mobilen Trackingsystem und einem medizinischen Instrument mit angebrachten Lokatoren, Strukturen, Mustern und einem plastisch deformierbaren Element,
Figur 9 schematisch eine Ansicht eines Implantates mit plastisch deformierbaren Elementen und einem Muster, Figur 10 schematisch eine Anordnung aus einem mobilen Trackingsystem, einem Körperteil mit einer Struktur und Mustern und einem Spiegelsystem,
Figur 11 schematisch eine Anordnung aus einem mobilen Trackingsystem, einem Scanner und einem Körperteil mit einer daran befestigten Struktur mit Mustern,
Figur 12 schematisch eine Anordnung aus einem mobilen Trackingsystem, einem Projektor und einem Körperteil mit einer daran befestigten Struktur mit Mustern,
Figur 13 schematisch eine Anordnung aus einem mobilen Trackingsystem, einem Ultraschallkopf und einem Körperteil mit einer daran angeordneten Struktur mit Mustern,
Figur 14 schematisch eine Anordnung aus einem Bohr- und Fräskopf, einer Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung von Knochen und Zähnen mittels Röntgenstrahlung und Strukturen an einer Schablone und/oder _Strukturen an Zähnen,
Figur 15 schematisch eine Anordnung aus einem mobilen Trackingsystem und zwei mit Strukturen ausgestatteten Körperteilen.
[120] Die in der Figur 1 gezeigte Anordnung 1 umfasst ein mobiles Trackingsystem 2, eine medizinische Struktur 3 und einen Knochen 4 als menschliches Körperteil. Das mobile Trackingsystem 2 weist eine erste Kamera 5 und eine zweite Kamera 6 auf.
[121] Um die medizinische Struktur 3 und den Knochen 4 gut ausleuchten zu können, weist das mobile Trackingsystem 2 darüber hinaus eine erste Beleuchtung 7 und eine zweite Beleuchtung 8 auf. Die Beleuchtungen 7 und 8 haben Leuchtdioden (hier nicht exemplarisch gezeigt), welche im infraroten Bereich strahlen. Alternativ können auch Leuchtdioden eingesetzt werden, welche beispielsweise im hyperroten Bereich strahlen.
[122] Um das mobile Trackingsystem 2 gut halten und führen zu können, weist das Trackingsystem 2 einen Handgriff 9 auf, an welchem in diesem Ausführungsbeispiel eine Auslöseeinrichtung 10 vorgesehen ist. Mittels der Auslöseeinrichtung 10 kann auch die Messart gewählt werden. Vorliegend stehen drei Messarten zur Verfügung, nämlich eine Einzelmessung, eine Serie von Einzelmessungen und/oder eine Filmsequenz.
[123] Dem mobilen Trackingsystem 2 ist zudem eine Auswerte- und Anzeigeeinheit 11 zugeordnet, die mittels einer Kommunikationsverbindung I IA mit dem mobilen Trackingsystem 2 in Verbindung steht. Von seiner Größe her ist das vorliegende mobile Trackingsystem 2 besonders leicht und somit handlich und gut tragbar ausgelegt.
[124] Die Struktur 3 weist zum einen ein erstes Muster 12 und zum anderen einen ersten Lokator 13 auf. An dem Knochen 4 sind eine weitere Struktur 14 mit einem zweiten Muster 15 und ein Knochenloka- tor 16 befestigt. Die Strukturen 3 und 14 sind dreidimensionale Gebilde, auf denen das Muster 12 bzw. das Muster 15 aufgebracht ist. Die Muster 12 und 15 dienen dem mobilen Trackingsystem 2 zur Bestimmung der Raumlage der Strukturen 3 und 14. Insbesondere mittels des Musters 12 kann das mobile Trackingsystem 2 die Geometrie der Struktur 3 ermitteln.
[125] Mittels des mobilen Trackingsystems 2 wird ein lokales Arbeitsgebiet 17 erfasst, welches die Struktur 3 und einen interessierenden Teilbereich des dargestellten Knochens 4 erfasst.
[126] Über die Kommunikationsverbindung I IA wird das mobile Trackingsystem 2 mit Energie versorgt. Es versteht sich, dass anstelle der drahtgebundenen Kommunikationsverbindung I IA auch eine drahtlose Verbindung zwischen dem mobilen Trackingsystem 2 und der Auswerte- und Anzeigeeinheit 1 1 realisiert sein kann. In diesem Fall müsste das mobile Trackingsystem 2 eine eigene Energieversorgung umfassen und mit sich führen, welche beispielsweise mittels Batterien oder Brennstoffzellen realisiert sein könnte.
[127] Sowohl der erste Lokator 13 als auch der Knochenlokator 16 sind in diesem AusfUhrungsbeispiel mit retro-reflektierenden Kugeln 18 ausgestattet. Die Form der ersten Struktur 3 und der weiteren Struktur 14 sowie die Eigenschaften des ersten Musters 12 und des zweiten Musters 15 sind bereits bei der Herstellung der Struktur 3 und der weiteren Struktur 14 definiert. Das mobile Trackingsystem 2 kann somit die Eigenschaften des ersten Musters 12 und des zweiten Musters 15 genau erkennen und eindeutig zuordnen.
[128] Die Oberflächen der Struktur 3 und der weiteren Struktur 14 sind zumindest schmutzabweisend ausgebildet. Hierdurch werden Messresultate des mobilen Trackingsystems 2 weniger durch Verschmutzungen, wie beispielsweise Blutspritzer oder verunreinigte Luft, beeinträchtigt. Eine möglicherweise erforderliche Reinigung der Oberflächen wird durch die schmutzabweisenden Oberflächen zudem wesentlich vereinfacht.
[129] Das in der Figur 2 gezeigte Muster 20 weist für das mobile Trackingsystem 2 eine Vielzahl an Linien unterschiedlicher Breite, Kreise, Ellipsen, Dreiecke und Rechtecke auf. Einige Teilbereiche 21 des Musters 20 dienen vorliegend dazu, die Algorithmuseffizienz des mobilen Trackingsystems 2 zu steigern. Ein optional vorhandener Teilbereich 22 des Musters 20 dient zur Identifikation einer dem Muster 20 zugeordneten Struktur. In dem Teilbereich 22 ist insbesondere die Relation einer Struktur zu einem medizinischen Instrument oder zu einem medizinischen Werkzeug definiert.
[130] Darüber hinaus umfasst das Muster 20 eine Vielzahl an Linien 23 (hier nur exemplarisch beziffert) mit unterschiedlicher Breite. Die Linien 23 haben vorteilhafter Weise eine ausreichend dimensionierte Breite, wie vorliegend beispielsweise vier bis zehn Pixel eines verwendeten Kamerasensors, so dass ein Sensorbild des Musters 20 und damit auch Strukturgeometrien ausreichend genau bestimmt werden kön-
[131] Vorteilhafter Weise umfasst das Muster 20 breite und dünnere Linien 23, so dass das Muster 20 immer gut zu erkennen ist. Sind beispielsweise Fokuslängen von Kameras fix vorgegeben und variiert der Abstand zwischen einem Körper und einem Trackingsystem während einer Arbeitsphase stark, ist es vorteilhaft, wenn das Muster 20 bevorzugt aus Linien 23 verschiedener Breite besteht. Die breiteren Linien des Musters 20 werden vor allem bei großen Distanzen zwischen einem Körper und einem mobilen Trackingsystem verwendet. Die dünneren Linien des Musters 20 werden hingegen vor allem bei kleineren Distanzen zwischen einem Körper und einem mobilen Trackingsystem verwendet.
[132] Die in den Figuren 3 und 4 dargestellten weiteren Muster 25 und 26 zeigen die mögliche Vielfalt an Mustern, die vorliegend zur Anwendung kommen können.
[133] Die Anordnung 101 nach Figur 5 zeigt ein mobiles Trackingsystem 102 in unmittelbarer Umgebung eines medizinischen Instrumentes 130.
[134] Das mobile Trackingsystem 102 weist drei Kameras 105 (hier nur exemplarisch beziffert) auf.
[135] Das medizinische Instrument 130 ist als Einsatz zum Anordnen in einer Struktur 103 ausgebildet. Der Einsatz ist vorliegend in die Struktur 103 eingeschoben. Das medizinische Instrument 130 hat eine Instrumentenspitze 131. Das medizinische Instrument 130 mitsamt der Instrumentenspitze 131 weist ein Instrumentenmuster 132 auf. Die Instrumentenstruktur 103 hat ein Instrumentenstrukturmuster 112.
[136] An der Instrumentenstruktur 103 ist ein Instrumentenstrukturlokator 113 befestigt. Der Instru- mentenstrukturlokator 1 13 umfasst neben retro-reflektierenden Kugeln 118 einen Befestigungsfuß 133, mittels welchem der Instrumentenstrukturlokator 113 an der Instrumentenstruktur 103 befestigt ist.
[137] Das medizinische Instrument 130 weist an seinem der Instrumentenspitze 131 gegenüberliegenden Instrumentenende 134 einen Instrumentenlokator 135 auf.
[138] Das hier in der Figur 5 gezeigte medizinische Instrument 130 ist ein Beispiel für einen Körper in Form eines medizinischen Instrumentes 130, welches mit einer Vielzahl an Mustern 112, 132 und Lokatoren 113, 135 ausgestattet ist.
[139] Das mobile Trackingsystem 102 kann anhand der unterschiedlichen Muster 1 12, 132 eindeutig die Geometrien des medizinischen Instrumentes 130 bestimmen. Darüber hinaus bestimmt das mobile Trackingsystem 102 die Lokatorpositionen bezüglich der Muster 112, 132 an dem medizinischen Instru- ment 130. Dies hat den Vorteil, dass mit der Vermessung der Lokatoren 113, 135 auch beispielsweise die Position der Instrumentenspitze 131 bekannt ist.
[140] An dem in der Figur 6 gezeigten Knochenteil 240 ist eine Struktur 203 mit einem Muster 212 befestigt. Die Struktur 203 umfasst in diesem Ausfύhrungsbeispiel eine erste Stütze 241, eine zweite Stütze 242 und eine dritte Stütze 243.
[141] Zusätzlich verfügt die Struktur 240 über eine Schraube 244, so dass die Struktur 203 an dem Knochenteil 240 geschraubt und besonders stabil an dem Knochenteil 240 befestigt ist. Vorliegend ist die Struktur 203 als zweidimensionale Platte ausgebildet, auf der das Muster 212 aufgebracht ist.
[142] Die in der Figur 7 gezeigte Landmarke 350 ist auf eine Haut 351 eines Patienten aufgeklebt. Die Landmarke 350 hat eine trichterförmige Einbuchtung 352. In die trichterförmige Einbuchtung 352 der Landmarke 350 ist eine Struktur 303 eingesetzt. Die Struktur 303 weist ein Muster 312 auf. Die Befestigung der Struktur 303 an der Landmarke 350 erfolgt mittels eines Magneten 353. Der Magnet 353 der Struktur 302 wirkt mit einem ferromagnetischen Material 354 der Landmarke 350 zusammen. Zwischen der Landmarke 350 und der Struktur 302 ist ein Operationstuch 355 eingeklemmt.
[143] Das in der Figur 8 gezeigte medizinische Instrument 430 umfasst einen Instrumenteneinsatz 460, der zwischen einer Instrumentenspitze 431 und einem Instrumentenende 434 ein plastisch verformbares Element 461 aufweist. Bis auf das plastisch verformbare Element 461 ist der komplette Instrumenteneinsatz 460 mit einem Instrumentenmuster 432 versehen.
[144] Es versteht sich, dass in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch nur einzelne Teilbereiche mit derartigen Mustern versehen sein können.
[145] Am Instrumentenende 434 ist ein Instrumentenlokator 435 vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Instrumentenstrukturlokator 413 am medizinischen Instrument 430 befestigt. Sowohl der Instrumentenlokator 435 als auch der Instrumentenstrukturlokator 413 verfügen über retro-reflektierende Kugeln 418 (hier nur exemplarisch beziffert).
[146] In unmittelbarer Nähe des medizinischen Instruments 430 befindet sich ein mobiles Tracking- system 402 mit drei Kameras 405 (hier nur explizit beziffert), mittels welchem alle an dem medizinischen Instrument 430 befindlichen Muster 432 und Lokatoren 413, 435 ermittelt werden. So kann beispielsweise auch eine Verlagerung der Instrumentenspitze 431 gegenüber weiteren Bereichen des medizinischen Instrumentes 430 erfasst und bestimmt werden. [147] Das in der Figur 9 gezeigte Implantat 565 umfasst ein erstes verformbares Element 561 A und ein zweites verformbares Element 56 IB. Das Implantat 565 ist hierdurch in einen ersten Teilbereich 566, einem zweiten Teilbereich 567 und einem dritten Teilbereich 568 unterteilt. Die einzelnen Teilbereiche 566, 567 und 568 sind somit zueinander relativ verlagerbar. Um die komplette Implantatgeometrie des vorliegenden Implantats 565 zu erfassen und zu bestimmen, ist das gesamte Implantat 565 mit einem Muster 520 überzogen.
[148] Das Implantat 565 kann vorliegend nun solange verformt und von einem mobilen Tracking- system ausgemessen werden, bis es letztendlich eine gewünschte Form erreicht hat. Das Implantat 565 kann dann mittels Befestigungsschrauben (hier nicht gezeigt) an einem weiteren Körperteil (hier nicht gezeigt) befestigt werden.
[149] An dem in der Figur 10 gezeigten Knochenteil 640 ist eine Struktur 603 mit einem darauf angeordneten Muster 612 sowie ein Knochenlokator 616 mit retro-reflektierenden Kugeln 618 befestigt. Das Knochenteil 640, die Struktur 603 und der Knochenlokator 616 werden mittels eines mobilen Tracking- systems 602, welches mit Kameras 605 (hier nur exemplarisch beziffert) ausgestattet ist, vermessen.
[150] Da die Struktur 603 mit dem Muster 612 von dem Knochenteil 640 zumindest teilweise überdeckt ist, so dass insbesondere das Muster 612 von dem mobilen Trackingsystem 602 nicht unmittelbar erfasst werden kann, ist gegenüber dem Muster 612 ein Spiegel 670 angeordnet. Somit kann das mobile Trackingsystem 602 mittels des Spiegels 670 das Muster 612 auf der Struktur 603 sehen und erfassen.
[151] Der Spiegel 670 umfasst zu seiner Identifizierung zum einen einen markierten Randbereich 671 sowie zum anderen einen Identifikator 672 und weitere Muster 620 (hier nur exemplarisch beziffert).
[152] An dem in der Figur 1 1 gezeigten Knochenteil 740 ist eine Knochenstruktur 714 mit einem Muster 715 befestigt. In unmittelbarer Nähe des Knochenteils 740 befindet sich ein mobiles Trackingsystem 702 mit drei Kameras 705 (hier nur exemplarisch beziffert).
[153] Darüber hinaus befindet sich in der unmittelbaren Nähe des Knochenteils 740 auch ein handge- fύhrter optischer Scanner 775, welcher die Oberflächentopology des Knochenteils 740 mit einem Lichtstrahl 776 vermisst. Die Orientierung und die Lage des optischen Scanners 775 und der Knochenstruktur 714 wird mittels des Trackingsystems 702 gemessen. Hierzu weist der optische Scanner 775 drei aktive LEDs 777 (hier nur exemplarisch beziffert) auf. Die vom optischen Scanner 765 vermessene Oberflächentopology des Knochenteils 740 wird zusätzlich mittels bereits vorliegenden CT- oder MRI-B ilder referen- ziert. [154] An dem in der Figur 12 gezeigten Knochenteil 840 ist eine Knochenstruktur 814 mit einem Muster 815 und mit einem sekundären Muster 883 befestigt. Das sekundäre Muster 883 kann in diesem Aus- fύhrungsbeispiel von einem CT (hier nicht dargestellt) erfasst werden, so dass die Raumlage des sekundären Musters 883 bezüglich des Knochenteils 840 auf Grund der mit dem CT gewonnenen Daten bekannt ist. Vor dem Knochenteil 840 ist ein mobiles Trackingsystem 802 mit drei Kameras 805 (hier nur exemplarisch beziffert) gehalten.
[155] Ebenfalls in unmittelbarer Nähe des Knochenteils 840 wird ein Projektor 880 gehalten, der mehrere räumlich definierte Lichtstrahlen 881 (hier nur exemplarisch beziffert) auf das Knochenteil 840 projiziert. Der Projektor 880 umfasst drei aktive LEDs 877 (hier nur exemplarisch beziffert), um von dem mobilen Trackingsystem 802 hinsichtlich seiner Raumlage genau erfasst werden zu können. Die mittels der Lichtstrahlen 881 zusätzlich beleuchteten Stellen des Knochenteils 840 werden vom mobilen Trackingsystem 802 gemessen und als Raumpositionen berechnet. Die daraus ermittelte Oberflächentopolo- gie des Knochenteils 840 kann mit CT- oder MRI-B ildern referenziert werden.
[156] An dem in Figur 13 gezeigten Knochenteil 940 ist eine Knochenstruktur 914 mit einem Muster 915 und mit einem sekundären Muster 983 befestigt. In unmittelbarer Nähe des Knochenteils 940 ist ein mobiles Trackingsystem 902 mit drei Kameras 905 (hier nur exemplarisch beziffert) gehalten. Mittels des mobilen Trackingsystems 902 sind das Muster 915 und das sekundäre Muster 983 ermittelbar. Das sekundäre Muster 983 kann darüber hinaus noch von weiteren büdgebenden Geräten (hier nicht gezeigt), wie etwa ein CT- oder MRI-Gerät, erfasst werden. An dem Knochenteil 940 ist ein Ultraschallmesskopf 985 geführt, welcher mittels einer Schallkeule 986 das Knochenteil 940 vermisst. Der Ultraschallmesskopf 985 umfasst hierbei drei aktive LEDs 977 (hier nur exemplarisch beziffert), um von dem mobilen Trackingsystem 902 erfasst zu werden. Die von dem Ultraschallmesskopf 985 gemessene Knochenoberfläche und der Knochenaufbau werden vorliegend bezüglich CT- oder MRI-B ildern referenziert.
[157] Das in der Figur 14 gezeigte mobile Trackingsystem 1002 ist auf einem medizinischen Werkzeug 1090, welches vorliegend ein Bohrgerät mit einem Bohreinsatz 1090A ist, fixiert. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Ausführungsbeispiel, dass das mobile Trackingsystem 1002 eine besonders kleine und leichte Ausführung ist, so dass es problemlos auf dem Werkzeug 1090 fixiert werden kann.
[158] Das mobile Trackingsystem 1002 umfasst eine erste leichte, kleine Kamera 1005 und eine zweite leichte, kleine Kamera 1006, welche jeweils einen optischen Öffnungswinkel 1091 (hier nur beispielhaft beziffert) aufweist.
[159] Ermittelte Messdaten werden über eine Kommunikationsverbindung 101 IA an eine Auswerte- und Anzeigeeinheit 1011 geleitet. Die Kommunikationsverbindung 101 IA beinhaltet in diesem Ausfüh- rungsbeispiel auch die Energieversorgung (hier nicht gezeigt) des Werkzeuges 1090 und eine Wasserzufuhr (hier nicht gezeigt) zum Freispülen eines lokalen Arbeitsgebietes 1017 am Werkzeug 1090.
[160] Eine alternative Ausführungsvariante kann vorsehen, dass die Optiken (hier nicht explizit dargestellt) der Kameras 1005, 1006 unmittelbar am Werkzeug 1090 angebracht und die restlichen Komponenten der Kameras 1005, 1006, wie etwa ein Flächensensor (hier nicht dargestellt), in der Auswerte- und Anzeigeeinheit 101 1 untergebracht sind. Mittels der Kommunikationsverbindung 101 IA, welche vorliegend aus einem Lichtfaserbündel besteht, sind die Kameras 1005, 1006 mit den Flächensensoren optisch verbunden.
[161] Das vorliegende mobile Trackingsystem 1002 sieht einen Kieferbereich 1092 während eines Eingriffs ein. Sowohl eine erste Beleuchtung 1007 als auch eine zweite Beleuchtung 1008 sorgen vorliegend für eine ausreichende Ausleuchtung von Strukturen 1003 (hier nur exemplarisch beziffert) mit darauf angeordneten Mustern 1012 (hier nur exemplarisch beziffert) sowie mit darauf angeordneten sekundären Mustern 1083 (hier nur exemplarisch beziffert), des Weiteren von Zähnen 1093 (hier nur exemplarisch beziffert), welche im Kieferbereich 1092 angeordnet sind.
[162] Die Strukturen 1003 sind in diesem Ausführungsbeispiel auf geeignete Zähne 1093 fixiert. Somit ist ein sicherer Halt der Strukturen 1003 an den Zähnen 1093 gewährleistet.
[163] Das mobile Trackingsystem 1002 orientiert sich anhand der temporär auf einigen geeigneten Zähnen 1093 angebrachten Strukturen 1003, welche entsprechende Muster 1012 aufweisen.
[164] Besonders vorteilhaft ist es, dass auf Grund der verwendeten Strukturen 1003 mit den darauf angebrachten Mustern 1012 und sekundären Mustern 1083 eine Verwendung von Lokatoren nicht weiter erforderlich ist.
[165] Alternativ hierzu kann eine vor dem Eingriff hergestellte Schablone 1094 mit darauf angebrachten Schablonenmustern 1094A verwendet werden. Die Schablone 1094 ist dann an einzelnen Zähnen 1093 eines Unterkiefers 1095 oder eines Oberkiefers (hier nicht gezeigt) fixiert. Die Schablone 1094 weist vorliegend eine Ansetzposition 1096 für das medizinische Werkzeug 1090 auf.
[166] Gegebenenfalls müssen die Strukturen 1003 direkt im Kieferknochen 1095 (hier nur exemplarisch der Unterkieferknochen gezeigt) verankert werden. Wenn die Geometrie des Werkzeuges 1090 mit dem optionalen Einsatz 1090A bezüglich des mobilen Trackingsystems 1002 kalibriert werden muss, wird das Werkzeug 1090 mit einer Kalibriervorrichtung (hier nicht dargestellt) mit angebrachten Strukturen 1003 in definierter Art und Weise mechanisch verbunden. Das mobile Trackingsystem 1002 bestimmt dann anhand dieser Strukturen 1003 seine relative Raumlage zur Kalibriervorrichtung und daraus die Geometrie des Werkzeuges 1090 mit dem optionalen Einsatz 1090A. Damit ist beispielsweise die Position einer Bohrerspitze 1090B und die Orientierung der Bohrerachse 1090C bezüglich des mobilen Tracking- systems 1002 bekannt.
[167] Insbesondere beim Setzen von Zahnimplantaten (hier nicht explizit gezeigt) wird die Ansetzposition 1096 des Bohrers 1090A, die Bohrachse 1090C und eine Bohrtiefe vorteilhafter Weise aus weiteren Patientendaten gewonnen. Ein entsprechendes Verfahren wird im folgenden beispielhaft näher erläutert.
[168] Die für einen Patienten optimale Konfiguration eines Implantats und einer aufgesetzten Krone, wie etwa die Form, die Farbe, die Position oder die Krafteinlenkung eines belasteten Ersatzzahns, auf das Implantat im Knochen basieren im Wesentlichen auf der Oberfläche und der Volumenstruktur der bestehenden Zahnreihen, des Kiefers und dem Weichgewebe. Diese Details werden mittels optischen Abtastens (Scannen) und mit der dreidimensionalen Erfassung der entsprechenden Körperteile mittels Röntgenstrahlung gewonnen.
[169] Nach dem optischem Abtasten der entsprechenden Körperteile werden die Muster 1012 und die hier vorgesehenen röntgen-opaken Sekundärmuster 1083 aufweisenden Strukturen 1003 an einigen Zähnen 1093 fixiert. Diese Strukturen 1003 können Schablonen 1094 oder direkt an einzelnen geeigneten Zähnen 1093 aufgebrachte Strukturen 1003 sein. Die Muster 1012 und Sekundärmuster 1083 können auch direkt auf Zähnen 1093 aufgedruckt werden.
[170] Mittels Röntgenstrahlung werden sowohl dreidimensionale Strukturen von Knochen 1095, Zähnen 1093 oder der Verlauf von Nervenbahnen als auch die Sekundärmuster 1083 erfasst. Durch eine Registrierung werden die Datensätze aus optischem Abtasten (Oberflächen) und der Röntgenstrahlmessung (Kiefer und Zahnstruktur) in ein gemeinsames Koordinatensystem überführt. Damit entsteht ein Modell des betrachteten Körperteils, in welchem alle erforderlichen Details, wie die Knochenstruktur 1095, die Zähne 1093, die Nervenbahnen, Weichteiloberflächen, die Muster 1012 und die Sekundärmuster 1083, enthalten sind. Insbesondere sind einem Koordinatensystem des mobilen Trackingsystems durch Erfassen der Muster 1012 auch die Lage der Kieferknochen 1095, der Zähne 1093 und der Weichteiloberflächen bekannt.
[171] Mit Hilfe dieses Modells wird mittels geeigneter Design-Software die optimale Konfiguration des Implantats und der Krone sowie die Ansetzposition 1096 des Bohrers 1090A, die Bohrachse 1090C und die Bohrtiefe ermittelt.
[172] Das Implantat liegt idealerweise vorgefertigt am Lager. Die Krone wird anschliessend mit geeigneten Mitteln vorteilhafter Weise im gleichen Operationsraum aus Halbfabrikaten CAD/CAM unterstützt gefertigt. Hierbei muss kein nach dem heutigen Stand der Technik benötigter Abdruck für die Kronenherstellung erzeugt werden.
[173] Während der Fertigstellung der Krone wird der eigentliche Haupteingriff am Patienten durchgeführt. Hierbei ermittelt eine übergeordnete Software für die Navigation mit dem mobilen Trackingsystem 1002 die Ansetzposition 1096 des Bohrers 1090A, die Bohrachse 1090C und die Bohrtiefe im Koordinatensystem des mobilen Trackingsystems 1002. Das mobile Trackingsystem 1002 liefert permanent die Raumlage beispielsweise des Bohrers 1090A relativ zur Kieferanatomie. Diese Informationen können beispielsweise mittels akustischer und/oder optischer Signale zur Verfügung gestellt werden. Der Chirurg kann diese Information während des Bohrvorgangs dauernd verwenden. Er kann sie alternativ auch nur während einer kritischen Phase, wie beispielsweise zu Beginn und/oder in der Endphase des Eingriffes verwenden.
[174] Das Implantat kann unmittelbar nach dem Bohren in das vorbereitete Loch geschraubt werden. Anschliessend wird die zwischenzeitlich fertig gestellte Krone auf oder an das Implantat fixiert und die Operationsstelle weiter versorgt.
[175] Das Verfahren wird vorteilhafter Weise so gestaltet, dass das optische Abtasten, die Fixierung der Strukturen 1003 mit den Mustern 1012, 1083, das dreidimensionale Erfassen von Knochen 1095 und Zähnen 1093 mittels Röntgenstrahlung, die Erstellung des Modells des Körperteils, der optimalen Konfiguration des Implantats und der Krone, die Herstellung der Krone, das mit Hilfe des mobilen Trackingsystems 1003 kontrolliert gebohrte Loch im Kiefer 1095, das Setzen des Implantates und die Fixierung der Krone in einer Sitzung erfolgen kann.
[176] Insbesondere bei kieferchirurgischen Eingriffen, wie beim Setzen vom Implantaten, muss darauf geachtet werden, dass beispielsweise Nerven nicht beschädigt werden. Deshalb haben sich Hilfsmittel, wie Navigationssysteme auf Basis von Trackingsystemen, bewährt. Diese helfen einem Operateur beim Eingriff sehr gut zielgerichtet zu arbeiten. Das hier näher beschriebene Verfahren kommt vorteilhafter Weise zudem ohne retro-reflektierende Kugeln aus.
[177] Das in der Figur 15 gezeigte mobile Trackingsystem 1102 wird bevorzugt bei minimalinvasiven Operationstechniken eingesetzt. Bei minimalinvasiven Operationstechniken wird das lokale Operationsgebiet 1117 mit einer kleinen Öffnung 1200 freigelegt. Das heißt, dass das eigentliche lokale Arbeitsgebiet 1 117 für das mobile Trackingsystem 1102 relativ klein ist, was den Einsatz von geometrisch kleinen Trackingsystemen sinnvoll macht. Der Chirurg setzt das mobile Trackingsystem 1102 lokal und nach Bedarf ein. Das bedeutet, vor und nach bestimmten Arbeitsschritten wird das mobile Trackingsystem 1102 eingesetzt.. Dies ist vorteilhaft, da es bei Nichtgebrauch aus dem Operationsgebiet 1 117 weggelegt wird und somit im unmittelbaren Operationsumfeld keinen Platz einnimmt Bei Bedarf kann das mobile Trackingsystem 1102 auch in kritischen Phase wahrend eines Arbeitsschrittes eingesetzt werden
[178] Ein typischer Ablauf einer minimalinvasiven Operation, bei der eine Registrierung nicht benotigt wird, kann wie folgt ablaufen Es wird die kleine Öffnung 1200 freigelegt Anschließend werden Strukturen 1103 (hier nur exemplarisch beziffert) mit ihren Mustern 1112 in geeigneter Weise an Gelenkknochen 1104 befestigt Nun wird die relative Raumlage der Strukturen 1103 hinsichtlich einer Ausgangslage vermessen Dann erfolgt der eigentliche chirurgische Eingπff mit einer eventuellen Montage von Hilfsimp- lantaten (hier nicht gezeigt) Des Weiteren wird das definitive Implantat (hier nicht gezeigt) eingesetzt und eine erneute Vermessung und Beurteilung der relativen Raumlage der Strukturen 1 103 vorgenommen Letztendlich werden alle Strukturen 1103 entfernt
[179] Das hier beschriebene Trackingsystem 1102 ist ergonomisch sehr gut ausgebildet Zudem ist es kostengünstig bereitgestellt Mittels der hier verwendeten Strukturen ist eine weitere Verwendung von meist recht sperrig bauenden Lokatoren vorteilhafter Weise nicht erforderlich
[180] Bei allen vorbeschriebenen Verfahren können Instrumente, Werkzeuge und/oder Hilfsmittel, wie sie insbesondere auch in den vorstehenden Figuren erläutert sind, zum Einsatz gelangen
[181] An dieser Stelle sei nochmals angemerkt, dass die beschπebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren keineswegs auf αie Medizintechnik beschrankt sind Insbesondere ist das vorliegende Verfahren für die Mess- und Fertigungstechnik sowie für die Handhabung oder Bearbeitung von Objekten und in der Qualitätskontrolle vorteilhaft geeignet
Bezugsziffernliste:
1 Anordnung
2 mobiles Trackingsystem
3 Struktur
4 Knochen
5 erste Kamera
6 zweite Kamera
7 erste Beleuchtung
8 zweite Beleuchtung
9 Handgriff
10 Auslöseeinrichtung
11 Auswerte- und Anzeigeeinheit
I IA Kommunikationsverbindung
12 erstes Muster
13 erster Lokator
14 weitere Struktur
15 zweites Muster
16 Knochenlokator
17 lokales Arbeitsgebiet
18 retro-reflektierende Kugel
20 Muster
21 Teilbereiche
22 optionale Teilbereiche
23 Linien
25 weitere Muster
26 weitere Muster
101 Anordnung
102 mobiles Trackingsystem
103 Struktur
105 Kameras
112 Instrumentenstrukturmuster
113 Instrumentenstrukturlokator
118 retro-reflektierende Kugeln
130 medizinisches Instrument
131 Instrumentenspitze 132 Instrumentenmuster
133 Befestigungsfuß
134 Instrumentenende
135 Instrumentenlokator
203 Struktur
212 Muster
240 Knochenteil
241 erste Stütze
242 zweite Stütze
243 dritte Stütze
244 Schraube
303 Struktur
312 Muster
350 Landmarke
351 Haut
352 trichterförmige Einbuchtung
353 Magnet
354 ferromagnetisches Material
355 Operationstuch
402 mobiles Trackingsystem
405 Kameras
413 Instrumentenstrukturlokator
418 retro-reflektierende Kugeln
430 medizinisches Instrument
431 Instrumentenspitze
434 Instrumentenende
435 Instrumentenlokator
461 verformbarer Bereich
460 Instrumenteneinsatz
520 Muster
561A erstes verformbares Element
561B zweites verformbares Element
565 Implantat
566 erster Teilbereich
567 zweiter Teilbereich 568 dritter Teilbereich
602 mobiles Trackingsystem
603 Struktur
605 Kameras
612 Muster
616 Knochenlokator
618 retro-reflektierende Kugeln
620 Muster
640 Knochenteil
670 Spiegel
671 markierter Randbereich
672 Identifikator
702 mobiles Trackingsystem
705 drei Kameras
714 Knochenstruktur
715 Muster
740 Knochenteil
775 optischer Scanner
776 Lichtstrahl
777 drei aktive LEDs
802 mobiles Trackingsystem
805 drei Kameras
814 Knochenstruktur
815 Muster
840 Knochenteil
877 drei aktive LEDs
880 Projektor
881 Lichtstrahlen
883 sekundäres Muster
902 mobiles Trackingsystem
905 drei Kameras
914 erste Knochenstruktur
915 Muster
940 Knochenteil
977 drei aktive LEDs 983 sekundäres Muster
985 Ultraschallmesskopf
986 Schallkeule
1002 mobiles Trackingsystem
1003 angebrachte Strukturen
1005 erste leichte kleine Kamera
1006 zweite leichte kleine Kamera
1007 erste Beleuchtung
1008 zweite Beleuchtung
1011 Auswerte- und Anzeigeeinheit
1011A Kommunikationsverbindung
1012 Muster
1017 lokales Arbeitsgebiet
1083 sekundäres Muster
1090 medizinisches Werkzeug
1090A Bohreinsatz
1090B Bohrerspitze
1090C Bohrerachse
1091 optischer Offnungswinkel
1092 Kieferbereich
1094 Schablone
1094 A Schablonenmuster
1095 Unterkiefer
1096 Ansetzposition
1097 Vorrichtung zur dreidimensioi lung
1 102 mobiles Trackingsystem
1103 Strukturen
1104 Knochen
1112 Muster
1117 lokales Operationsgebiet
1200 kleine Öffnung

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumorientierung von Körpern mit einem Trackingsystem, mittels welchem die Körper lokalisiert und zueinander in Relation gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem oder zumindest Bauteile oder Bauteilgruppen davon mobil einsetzbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) während seines Betriebs bzw. während seiner Verwendung lose gegenüber den Körpern (3, 4, 13, 14, 16) gehalten ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) während seines Betriebs bzw. während seiner Verwendung verlagerbar gegenüber den Körpern (3, 4, 13, 14, 16) angeordnet und/oder gehalten ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) gegenüber dem Körper (3, 4, 13, 14, 16) ortslose angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) ein Griffteil (9) zum händischen Halten und/oder zum händischen Führen des mobilen Trackingsystems (2) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) ein Gewicht von weniger als 2 kg oder von weniger als 0,5 kg, vorzugsweise von weniger als 0,1 kg, aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) eine Auslöseeinrichtung (10) zum Starten und Ausführen einer Ermittlung und einer Vermessen aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung (10) einen Fußschalter umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 oder 8, gekennzeichnet, durch die Auslöseeinrichtung (10) Mittel zur Sprachsteuerung aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) eine Befestigungseinrichtung zum Anordnen an einer verlagerbaren Führungseinrichtung, wie einem manuell verlagerbaren Haltearm und/oder einem Roboterarm, aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) autark ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet, durch Mittel zum Berechnen einer Verlagerung des mobilen Trackingsystems (2) gegenüber dem Körper (3, 4, 13, 14, 16).
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsmittel als Software ausgeführt sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) eine eigene Energiequelle aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) Mittel zur drahtlosen Kommunikation aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) eine Kamera, vorzugsweise mehr als eine Kamera (5, 6), aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameras (5, 6) Flächensensoren aufweisen.
18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) Mittel zum Beleuchten (7, 8) aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsmittel (7, 8) Leuchtmittel für den hyperroten Bereich aufweisen.
20. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet, durch Lokatoren (13, 16), Strukturen (3, 14), Muster (12, 15) und/oder sekundäre Muster.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokatoren (13, 16), die Strukturen (3, 14), die Muster (12, 15) und/oder die sekundären Muster an einem Körper (3, 4, 13, 14, 16), wie einem Werkzeug, einem Werkstück und/oder einem Instrument, angeordnet sind.
22. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Muster (12, 15) für das mobile Trackingsystem (2) erkennbare und verwertbare gerade oder gekrümmte Linien (23) unterschiedlicher Breite und Länge, Kreise, Ellipsen, Dreiecke und Rechtecke oder aus Kombinationen daraus umfasst.
23. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Muster (12, 15) Licht nicht reflektierende Mittel, Licht reflektierende Mittel, fluoreszierende Mittel, phosphoreszierende Mittel und/oder weitere selbstleuchtende Mittel umfasst.
24. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein sekundäres Muster in einem definierten geometrischen Bezug zu einem Muster (12, 15) steht.
25. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein sekundäres Muster von weiteren bildgebenden, insbesondere nicht optischen, Systemen erkennbar ist.
26 Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (3, 14) Muster (12, 15) aufweist, deren Lage und/oder deren geometrische Details bekannt sind.
27. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (3, 14) Mittel zum Fixieren an Körpern aufweist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermittel Abstützfüße zum Fixieren an Körpern (3, 4, 13, 14, 16) aufweisen.
29. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (3, 14) eine ebene Platte umfasst.
30. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (3, 14) eine ebene Platte mit einer dreidimensional strukturierten Oberfläche umfasst.
31. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (3, 14) ein Teil eines medizinischen Werkzeuges, eines medizinischen Werkstückes und/oder eines medizinischen Instrumentes bildet.
32. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (3, 14) ein Magnet (453) aufweist.
33. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (3, 14) eine schmutzabweisende Oberfläche aufweist.
34. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass ein Körper (3, 4, 13, 14, 16) deformierbare Elemente (461) umfasst.
35. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 34, gekennzeichnet durch einen Spiegel, welcher Muster und/oder sekundäre Muster aufweist.
36. Verfahren zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumorientierung von Körpern mit einem Trackingsystem, mittels welchem die Körper lokalisiert und zueinander in Relation gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem während seiner Verwendung manuell oder automatisiert gegenüber Körpern bewegt und verlagert wird.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem (2) während seiner Verwendung händisch geführt wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Trackingsystem (2) während seiner Verwendung, insbesondere händisch, unmittelbar vor die zu erfassenden lokalen Arbeitsgebiete gehalten wird.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Raumposition und/oder die Raumorientierung zwischen wenigstens zwei Körpern (4, 13, 14, 16) lediglich phasenweise ermittelt wird.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ermitteln und/oder ein Vermessen mittels einer manuellen Auslöseinrichtung (10) eingeleitet wird.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geometrie eines Körpers (4, 13, 14, 16) ermittelt und vermessen wird.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 41 , dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (3, 4, 13, 14, 16) mittels auf und/oder an den Körpern (3, 4, 13, 14, 16) befindlichen Mustern (12, 15) und/oder sekundären Mustern, welche von weiteren bildgebenden Systemen erkannt werden, registriert werden.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Tra- ckingsystem (2) an einen Körper (3, 4, 13, 14, 16), insbesondere an ein medizinisches Werkzeug und/oder an ein medizinisches Instrument, angeordnet wird.
44. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das an dem Körper (3, 4, 13, 14, 16) angebrachte mobile Trackingsystem (2) die relative Raumposition und/oder die relative Raumorientierung in Echtzeit zu einer Struktur (3, 14) mit wenigstens Mustern (12,
15) ermittelt.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumposition und/oder die Raumorientierung von an Körpern (4, 13, 14, 16) angeordneten Lokatoren (13,
16) relativ zu an den Körpern (4, 13, 14, 16) angeordneten Strukturen (3, 14) und/oder Mustern (12, 15) ermittelt und vermessen werden.
46. Verfahren zum Kalibrieren von medizinischen Werkzeugen, von insbesondere medizinischen Werkstücken und/oder von medizinischen Instrumenten, dadurch gekennzeichnet, dass die medizinischen Werkzeuge, die medizinischen Werkstücke und/oder die medizinischen Instrumente mit Mustern und/oder mit Strukturen, welche Muster umfassen, versehen werden und die medizinischen Werkzeuge, die medizinischen Werkstücke und/oder die medizinischen Instrumente mittels der Mustern und/oder der Strukturen vermessen werden.
47. Kalibrierverfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster ( 12, 15) und/oder die Strukturen (3, 14) mittels eines Trackingsystems (2), insbesondere eines mobilen Trackingsystems (2), ermittelt werden.
48. Verfahren zum Prüfen von medizinischen Werkzeugen, von insbesondere medizinischen Werkstücken und/oder von medizinischen Instrumenten hinsichtlich vorhandener Deformationen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines mobilen Trackingsystems Muster auf den medizinischen Werkzeugen, auf medizinischen Werkstücken und/oder auf den medizinischen Instrumenten ermittelt werden.
49. Verfahren, bei welchem an einem Körper, wie etwa an einem Werkstück, eine erste Struktur mit Mustern und/oder ein erster Lokator und wenigstens eine weitere Struktur mit Mustern und/oder wenigstens ein weiterer Lokator angeordnet wird, bei welchem mittels der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 35 während einer ersten Messung die relative Raumposition und/oder die relative Raumorientierung der Strukturen mit den Mustern und/oder der Lokatoren zueinander ermittelt werden, bei welchem anschließend der Körper bearbeitet wird, bei welchem während wenigstens einer weiteren Messung erneut eine relative Raumposition und/oder eine relative Raumorientierung der Strukturen mit den Mustern und/oder der Lokatoren zueinander ermittelt werden, und bei welchem die ermittelten relativen Raumpositionen und/oder die relativen Raumorientierungen aus den beiden Messungen miteinander verglichen werden.
50. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass der bearbeitete Körper schrittweise derart weiter bearbeitet wird, bis die relative Raumposition und/oder die relative Raumorientierung der Strukturen mit den Mustern und/oder der Lokatoren aus der ersten Messung mit der Raumposition und/oder der Raumorientierung der Strukturen mit den Mustern und/oder der Lokatoren aus der zweiten Messung in geeigneter Weise übereinstimmen.
51. Verfahren nach einem der Ansprüche 49 oder 50, dadurch gekennzeichnet, dass ein Operateur ein Gelenk oder ein sonstiges Körperteil eines Patienten bearbeitet.
52. Verfahren, bei welchem Muster und/oder sekundäre Muster an wenigstens einem geeigneten Zahn oder an einer Schablone, welche an wenigstens einem geeigneten Zahn oder an einer an einem Kiefer befestigten Struktur angeordnet wird, angeordnet werden, bei welchem mittels der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 35 während einer ersten Messung die relative Raumposition und/oder die relative Raumorientierung der Muster und/oder der sekundären Muster zueinander ermittelt werden.
53. Verfahren nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass zuvor eine Oberfläche eines lokalen Arbeitsgebietes (1017) optisch gescannt wird.
54. Verfahren nach einem der Ansprüche 52 oder 53, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokales Arbeitsgebiet (1017) dreidimensional mittels Röntgenstrahlung gemessen wird.
55. Verfahren nach einem der Ansprüche 52 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass mittels ermittelter Scanndaten und ermittelter Röntgendaten ein dreidimensionales Modell erstellt wird.
56. Verfahren nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erstellen des Modells zumindest die ermittelten Scanndaten und die ermittelten Röntgendaten in ein gemeinsames Koordinatensystem übertragen werden.
57. Verfahren nach einem der Ansprüche 55 oder 56, dadurch gekennzeichnet, dass mittels dieses Modells eine idealerweise optimale Konfiguration eines Implantats und/oder einer Krone ermittelt wird.
58. Verfahren nach einem der Ansprüche 55 bis 57, dadurch gekennzeichnet, dass mittels dieses Modells eine relative Raumposition und/oder eine relative Raumorientierung eines Bohrers (1090A), einer Bohrachse (1090C). einer Bohrtiefe und/oder einer Ansetzposition (1096) ermittelt wird.
59. Verfahren nach einem der Ansprüche 57 oder 58, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Konfiguration der Krone mittles Unterstützung von CAD/CAM im Wesentlichen zeitgleich zum chirurgischen Bohrvorgang gefertigt wird.
60. Muster auf oder Strukturen an insbesondere medizinischen Werkzeugen, medizinischen Werkstücken und/oder medizinischen Instrumenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster zum Kalibrieren und/oder Prüfen von Deformationen der medizinischen Werkzeuge, der medizinischen Werkstücke und/oder der medizinischen Instrumente verwendet werden.
61. Sekundäres Muster an Körpern, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Muster verwendet wird, um einen geometrischen Bezug zu einem primären Muster an Körpern zu erzeugen.
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