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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer
Position und/oder einer Orientierung im Raum von mindestens einer
chirurgischen, mit mindestens einem Inertialsensor ausgestatteten
Referenzierungseinheit eines chirurgischen Navigationssystems bezogen
auf ein Koordinatensystem des Raums.
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Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung eine chirurgische Kalibriervorrichtung
zum Kalibrieren einer Position und/oder einer Orientierung im Raum von
mindestens einer chirurgischen, mit mindestens einem Inertialsensor
ausgestatteten Referenzierungseinheit eines chirurgischen Navigationssystems
bezogen auf ein Koordinatensystem des Raums.
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Bekannte
chirurgische Navigationssysteme umfassen Referenzierungseinheiten,
die entweder elektromagnetische Strahlung, die von einer Nachweisvorrichtung
des Navigationssystems ausgesandt wird, reflektieren oder selbst
elektromagnetische Strahlung aussenden, die von der Nachweisvorrichtung
empfangen werden kann. Bei alternativen Ausführungsformen ist es auch bekannt,
anstatt elektromagnetischer Strahlung Ultraschall zu verwenden. Eine
Position der Referenzierungseinheit im Raum kann absolut bezogen
auf ein von der Nachweisvorrichtung definiertes Koordinatensystem
bei auf Ultraschall basierenden Navigationssystemen mittels Laufzeitmessungen
der von der Nachweisvorrichtung ausgesandt und wieder empfangen
wird, bestimmt werden. Eine Positions- und/oder Orientierungsbestimmung
bei elektromagnetische Strahlung aussendenen und/oder empfangenden
Navigationssystemen basiert auf Feldänderungen. Ferner ist es auch
möglich,
Positions- oder Orien tierungsänderungen
rein videooptisch zu erfassen. Hierzu werden Navigationssysteme
eingesetzt, die eine Positions- und/oder Orientierungserfassung
rein über
bildgebende Verfahren realisieren.
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Ziel
der Verwendung eines Navigationssystems ist es, Bewegungen der Referenzierungseinheiten
im Raum zu verfolgen. Zu diesem Zweck können, wie oben beschrieben,
absolute Positionsdaten und/oder Orientierungen der Referenzierungseinheit mittels
bekannter Navigationssysteme bestimmt werden. Eine Bewegungsbahn
der Referenzierungseinheit lässt
sich auf Grund der ermittelten Positionsdaten und/oder Orientierungen
rekonstruieren beziehungsweise errechnen.
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Wird
eine chirurgische Referenzierungseinheit jedoch mit mindestens einem
Inertialsensor ausgestattet, so kann eine Bestimmung von Positions- und/oder
Orientierungsdaten der Referenzierungseinheit in einem beliebigen
Koordinatensystem nicht mehr direkt erfolgen, sondern muss auf Grund
von, Positions- und/oder
Orientierungsänderungen
errechnet werden. Dies liegt unter anderem daran, dass Inertialsensoren
Sensoren sind, mit denen auf Grund von Positions- und/oder Orientierungsänderungen
auf sie wirkende Kräfte
und/oder Beschleunigungen gemessen werden können. Wird mehr als ein Inertialsensor
verwendet, insbesondere dann, wenn sechs Inertialsensoren verwendet
werden, von denen drei die Kräfte
und/oder Beschleunigungen in drei zueinander linear unabhängigen Richtungen
detektieren können
und von denen drei Rotationswinkeländerungen um drei zueinander
linear unabhängige Achsen
detektieren können,
so können
auf Grund von auf die Inertialsensoren einwirkenden Kräften und/oder
Beschleunigungen, Positions- und/oder Orientierungsänderungen
auch im dreidimensionalen Raum eindeutig ermittelt werden.
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Aus
der
DE 10 2004
057 933 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Navigieren und Positionieren eines Gegenstands relativ zu einem
Patienten bekannt. Des Weiteren ist in der
WO 2006/029541 A1 eine
Kalibriervorrichtung beschrieben. Ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Ortsbestimmung stereotaktischer Instrumente sind in der
DE 199 06 094 A1 beschrieben.
Aus der
DE 10
2004 048 066 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
geometrischen Kalibrierung unterschiedlicher Messeinrichtungen bekannt,
insbesondere bei der Anwendung bildgebender Operations-, Therapie- oder
Diagnostikmethoden. Die
DE
103 12 154 A1 befasst sich mit einem Verfahren und einer
Vorrichtung zum Ausführen
einer Objektverfolgung. Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position
eines medizinischen Instrumentes oder Gerätes oder eines Körperteils
ist aus der
DE 100
45 381 A1 bekannt. Eine weitere Kalibriervorrichtung ist
in der
EP 0 986 991
A1 beschrieben. Eine Werkzeugkalibriervorrichtung und ein
Navigationssystem sind in der
WO 02/061371 A1 offenbart. Die
WO 01/67979 A1 befasst sich
mit einem automatischen Kalibrierungssystem für computerunterstützte chirurgische
Instrumente. Eine Implantatregistrierungsvorrichtung für ein chirurgisches Navigationssystem
ist aus der
US 6,988,009
B2 bekannt. In der
US
5,921,992 A sind ein Verfahren und ein System zur rahmenlosen
Werkzeugkalibrierung beschrieben. Aus der
US 2004/0039402 A1 ist
eine Navigationskalibrierung rotationsunsymmetrischer medizinischer
Instrumente oder Implantate bekannt. In der
US 5,617,857 A sind ein bildgebendes
System mit interaktiven medizinischen Instrumenten und ein zugehöriges Verfahren
beschrieben.
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Da
sich mit Inertialsensoren direkt keine absoluten Positions- und/oder
Orientierungsdaten bestimmen lassen, ist es daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen
Art vor zuschlagen, mit denen es möglich ist, die mindestens eine
Referenzierungseinheit in einem vorgegebenen Raumkoordinatensystem
zu referenzieren oder zu kalibrieren.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren der eingangs beschrieben Art, umfassend:
- – Bereitstellen
einer Kalibriereinheit, deren Positions- und/oder Orientierungsdaten
bezogen auf das Koordinatensystem vom Navigationssystem bestimmbar
sind,
- – Bringen
der Kalibriereinheit und der mindestens einen Referenzierungseinheit
relativ zueinander in eine eineindeutige Kalibrierstellung, in welcher die
Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
jeweils eine relativ zueinander definierte Kalibrierposition und/oder
-orientierung einnehmen,
- – Bestimmen
von Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit
in der Kalibrierstellung mittels des Navigationssystems,
- – Berechnen
von Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der mindestens
einen Referenzierungseinheit in der Kalibrierstellung aufgrund der
Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit
und
- – Zuweisen
der für
die mindestens eine Referenzierungseinheit berechneten Kalibrierpositions- und/oder
-orientierungsdaten in der Kalibrierstellung der mindestens einen
Referenzierungseinheit,
bei welchem als Koordinatensystem
ein nicht ortsfestes Koordinatensystem vorgegeben wird und bei welchem
ein Koordinatenursprung des nicht ortsfesten Koordinatensystems
durch die Kalibrierpositions- und/oder -orientierungs daten der mindestens
einen Referenzierungseinheit oder der Kalibriereinheit in der Kalibrierstellung
vorgegeben wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren,
ist es möglich,
der mindestens einen Referenzierungseinheit Positions- und/oder
Orientierungsdaten bezogen auf das Koordinatensystem zuzuweisen.
Positions- und/oder Orientierungsänderungen, die sich auf Grund
von auf den mindestens einen Inertialsensor einwirkenden Kräften und/oder
Beschleunigungen ergeben, können
somit auf einfache Weise in Bezug zu dem Koordinatensystem des Raums
bestimmt werden. Das vorgeschlagene Verfahren ist einfach durchzuführen, denn
die Kalibriereinheit, deren Position und/oder Orientierung im Raum
durch das Navigationssystem bestimmbar ist, dient der Kalibrierung der
mindestens einen Referenzierungseinheit. Das Verfahren sieht hierzu
insbesondere vor, dass die mindestens eine Referenzierungseinheit
und die Kalibriereinheit in eine relativ zueinander eineindeutige Kalibrierstellung
gebracht werden und dann der mindestens einen Referenzierungseinheit
Positions- und/oder Orientierungsdaten zugewiesen werden, insbesondere
auf Grund ermittelter Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit
in der Kalibrierstellung, die beispielsweise mittels des Navigationssystems
bestimmt werden können. Der
mindestens einen Referenzierungseinheit können direkt diese Daten zugewiesen
werden, oder aber auch Positions- und/oder Orientierungsdaten, die
sich auf Grund der eineindeutigen Relativposition der mindestens
einen Referenzierungseinheit und der Kalibriereinheit in der Kalibrierstellung
ergeben. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich hervorragend für
eine schnelle und einfache Kalibrierung oder Referenzierung der
mindestens einen Referenzierungseinheit. Insbesondere lässt sich
das vorgeschlagene Kalibrierverfahren beliebig häufig wiederholen. Eine mehrmalige
Referenzierung oder Kalibrierung der mindestens einen Referenzierungseinheit kann
bei üblichen
Inertialsensoren deshalb erforderlich werden, weil diese eine zeitabhängige Drift
aufweisen, so dass es insbesondere bei Langzeitmessungen zu Ungenauigkeiten
von auf die Inertialsensoren wirkenden Kräften und/oder Beschleunigungen
kommen kann, woraus sich in der Folge dann auch Ungenauigkeiten
bei der Ermittlung von Positions- und/oder Orientierungsdaten ergeben.
Ferner können
ergänzende
Kalibrierungen und/oder Referenzierungen erforderlich werden, wenn
die mindestens eine Referenzierungseinheit nur kleinen Positionsänderungen
unterworfen wird. Durch das nicht ortsfeste Koordinatensystem können zwar
keine absoluten Positions- und/oder Orientierungsdaten im Raum,
jedoch insbesondere Relativpositionen bezogen auf den Koordinatenursprung
des nicht ortsfesten Koordinatensystems bestimmt werden. Dieses Verfahren
ist besonders einfach, mit einem verringerten Rechenaufwand verbunden
und eignet sich insbesondere für
Fälle,
in denen es nicht auf eine absolute Referenzierung in einem ortsfesten
Koordinatensystem, beispielsweise eines Operationssaals, ankommt.
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Die
eingangs gestellte Aufgabe wird ferner auch erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren der eingangs beschrieben Art, umfassend:
- – Bereitstellen
einer Kalibriereinheit, deren Positions- und/oder Orientierungsdaten
bezogen auf das Koordinatensystem vom Navigationssystem bestimmbar
sind,
- – Bringen
der Kalibriereinheit und der mindestens einen Referenzierungseinheit
relativ zueinander in eine eineindeutige Kalibrierstellung, in welcher die
Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit jeweils
eine relativ zueinander definierte Kalibrierposition und/oder -orientierung einnehmen,
- – Bestimmen
von Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit
in der Kalibrierstellung mittels des Navigationssystems,
- – Berechnen
von Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der mindestens
einen Referenzierungseinheit in der Kalibrierstellung aufgrund der
Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit
und
- – Zuweisen
der für
die mindestens eine Referenzierungseinheit berechneten Kalibrierpositions- und/oder
-orientierungsdaten in der Kalibrierstellung der mindestens einen
Referenzierungseinheit,
bei welchem mindestens zwei Referenzierungseinheiten
kalibriert werden, wenn als Koordinatensystem ein nicht ortsfestes
Koordinatensystem vorgegeben wird und wenn ein Koordinatenursprung
des nicht ortsfesten Koordinatensystems durch eine der mindestens
zwei Referenzierungseinheiten vorgegeben wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren,
ist es möglich,
der mindestens einen Referenzierungseinheit Positions- und/oder
Orientierungsdaten bezogen auf das Koordinatensystem zuzuweisen.
Positions- und/oder Orientierungsänderungen, die sich auf Grund
von auf den mindestens einen Inertialsensor einwirkenden Kräften und/oder
Beschleunigungen ergeben, können
somit auf einfache Weise in Bezug zu dem Koordinatensystem des Raums
bestimmt werden. Das vorgeschlagene Verfahren ist einfach durchzuführen, denn
die Kalibriereinheit, deren Position und/oder Orientierung im Raum
durch das Navigationssystem bestimmbar ist, dient der Kalibrierung der
mindestens einen Referenzierungseinheit. Das Verfahren sieht hierzu
insbesondere vor, dass die mindestens eine Referenzierungseinheit
und die Kalibriereinheit in eine relativ zueinander eineindeutige Kalibrierstellung
gebracht werden und dann der mindestens einen Referenzierungseinheit
Positions- und/oder Orientierungsdaten zugewiesen werden, insbesondere
auf Grund ermittelter Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit
in der Kalibrierstellung, die beispielsweise mittels des Navigationssystems
bestimmt werden können. Der
mindestens einen Referenzierungseinheit können direkt diese Daten zugewiesen
werden, oder aber auch Positions- und/oder Orientierungsdaten, die
sich auf Grund der eineindeutigen Relativposition der mindestens
einen Referenzierungseinheit und der Kalibriereinheit in der Kalibrierstellung
ergeben. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich hervorragend für
eine schnelle und einfache Kalibrierung oder Referenzierung der
mindestens einen Referenzierungseinheit. Insbesondere lässt sich
das vorgeschlagene Kalibrierverfahren beliebig häufig wiederholen. Eine mehrmalige
Referenzierung oder Kalibrierung der mindestens einen Referenzierungseinheit kann
bei üblichen
Inertialsensoren deshalb erforderlich werden, weil diese eine zeitabhängige Drift
aufweisen, so dass es insbesondere bei Langzeitmessungen zu Ungenauigkeiten
von auf die Inertialsensoren wirkenden Kräften und/oder Beschleunigungen
kommen kann, woraus sich in der Folge dann auch Ungenauigkeiten
bei der Ermittlung von Positions- und/oder Orientierungsdaten ergeben.
Ferner können
ergänzende
Kalibrierungen und/oder Referenzierungen erforderlich werden, wenn
die mindestens eine Referenzierungseinheit nur kleinen Positionsänderungen
unterworfen wird. Positions- und/oder Orientierungsänderungen
können
dann auf einfache Weise relativ zu einer der mindestens zwei Referenzierungseinheiten
bestimmt werden. Dieses Verfahren kann insbesondere dann vorteilhaft
eingesetzt werden, wenn keine absolute Referenzierung in einem beispielsweise
auf einen Operationssaal bezogenen Koordinatensystem erforderlich
ist.
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Damit
eine Kalibrierung oder Referenzierung durch das Navigationssystem
oder Teile desselben automatisch durchgeführt werden kann, ist es günstig, wenn
ein Kalibriersignal erzeugt wird, wenn die Kalibriereinheit und
die mindestens eine Referenzierungseinheit die Kalibrierstellung
einnehmen. Das Kalibriersignal zeigt dann an, wenn die Kalibriereinheit
und die mindestens eine Referenzierungseinzheit die Stellung einnehmen,
in welcher eine Kalibrierung oder eine Referenzierung vorgenommen
werden soll.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es günstig, wenn
das Kalibriersignal erst nach einer Haltezeit tH erzeugt wird,
während
der Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
die Kalibrierstellung ohne oder im Wesentlichen ohne Relativbewegung
einnehmen. So können
Kalibrier- oder Referenzierungsfehler minimiert oder sogar häufig ganz
ausgeschlossen werden.
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Günstig ist
es, wenn in der Kalibrierstellung ein Betätigungselement betätigt wird
und wenn das Kalibriersignal nur während oder in Folge einer Betätigung des
Betätigungselements
erzeugt wird. Insbesondere kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass
nur bei definierter Betätigung
des Betätigungselements
ein Kalibriersignal erzeugt wird. Dieses kann beispielsweise durch
einfache Betätigung
des Betätigungselements
erzeugt werden, und zwar beim Betätigen und/oder beim Freigeben
des Betätigungselements.
Denkbar wäre
es auch, dass das Kalibriersignal erst dann erzeugt wird, wenn das
Betätigungselement
während
einer vorgegebenen oder vorgebbaren Betätigungszeit dauerhaft betätigt wurde.
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Vorteilhafterweise
wird das Betätigungselement
durch die Kalibriereinheit und/oder die mindestens eine Referenzierungseinheit
betätigt.
Insbesondere ist es so möglich,
dass das Betätigungselement in
der Kalibrierstellung automatisch durch die Kalibriereinheit oder
die mindestens eine Referenzierungseinheit betätigt wird. Beispielsweise könnte das Betätigungselement
an der Kalibriereinheit und/oder der mindestens einen Referenzierungseinheit
angeordnet werden.
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Grundsätzlich wäre es möglich, als
Betätigungselement
ein optisches oder akustisches Schaltelement zu verwenden. Auch
Näherungsschalter,
induktiver oder kapazitiver Bauweise, wären möglich. Besonders einfach und
in definierter Weise lässt
sich durch Betätigung
des Betätigungselement
ein Kalibriersignal erzeugen, wenn als Betätigungselement ein mechanischer
Schalter verwendet wird, insbesondere in Form eines Tasters, Handschalters
oder eines Fußschalters.
Wird das Betätigungselement nicht
an der Kalibriereinheit und nicht in der mindestens einen Referenzierungseinheit
angeordnet, können
diese beiden Einheiten besonders klein ausgeführt werden. Insbesondere wäre es durch
eine Trennung von Betätigungselement
und Kalibriereinheit beziehungsweise Referenzierungseinheit, zum
Beispiel auch durch räumliche
Trennung, auch möglich, das
Betätigungselement
von einer Person betätigen zu
lassen, die beispielsweise nicht in einem Operationssaal anwesend
ist. So können
auch nicht sterilisierbare Betätigungselemente
verwendet werden.
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Vorteilhaft
ist es, wenn erst nach Vorliegen des Kalibriersignals die Kalibrierpositions-
und/oder -orientierungsdaten in der Kalibrierstellung des Navigationssystems
bestimmt, die Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der
mindestens einen Referenzierungseinheit in der Kalibrierstellung
berechnet und die für
die mindestens eine Referenzierungseinheit berechneten Kalibrierpositions- und/oder
-orientierungsdaten in der Kalibrierstellung der mindestens einen
Referenzierungseinheit zugewiesen werden. Durch diese Vorgehensweise
kann eine Genauigkeit des Kalibrierverfahrens deutlich erhöht werden,
insbesondere dann, wenn das Kalibriersignal nur erzeugt wird, wenn
die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
die Kalibrierstellung einnehmen.
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Falls
beispielsweise eine Referenzierung in Bezug auf ein ortsfestes Koordinatensystem,
zum Beispiel bezogen auf einen Operationssaal, gewünscht ist,
ist es vorteilhaft, wenn ein im Raum feststehender Koordinatenursprung
eines absoluten Koordinatensystems vorgegeben wird, wenn die Kalibriereinheit
in eine Ursprung-Kalibrierstellung gebracht wird, in welcher die
Kalibriereinheit in einer definierten Beziehung zum feststehenden
Koordinatenursprung positioniert ist, und wenn Ursprung-Positions-
und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit in der Ursprung-Kalibrierstellung
bezogen auf den feststehenden Koordinatenursprung der Kalibriereinheit
zugeordnet werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, insbesondere auch
mit mindestens einem Inertialsensor ausgestattete Referenzierungseinheiten
zusammen mit Referenzierungseinheiten, die elektromagnetische Strahlung
aussenden und/oder reflektieren und ohne Inertialsensoren ausgestattet
sind oder die mittels Ultraschall oder videooptisch navigierbar
sind, von eingangs beschriebenen Navigationssystemen und in Verbindung
mit derartigen Navigationssystemen einzusetzen. Günstigerweise
wird ein Ursprung-Kalibriersignal erzeugt, wenn die Kalibriereinheit
die Ursprung-Kalibrierstellung einnimmt. So können in definierter Weise Positions-
und/oder Orientierungsdaten eines Koordinatenursprungs zum Beispiel
eines ortsfesten Koordinatensystems der Kalibriereinheit zugeordnet
werden.
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Um
die Genauigkeit einer Referenzierung oder Kalibrierung der Kalibriereinheit
bezogen auf den Koordinatenursprung zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn
das Ursprung-Kalibriersignal erst nach einer Haltezeit tH_Ursprung erzeugt wird, während der
die Kalibriereinheit die Ursprung-Kalibrierstellung bewegungslos
oder im Wesentlichen bewegungslos einnimmt.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen
sein, dass in der Ursprung-Kalibrierstellung ein Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
betätigt
wird und dass das Ursprung-Kalibriersignal nur während oder in Folge einer Betätigung des
Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
erzeugt wird. So kann insbesondere eine automatische Referenzierung
oder Kalibrierung der Kalibriereinheit bezogen auf den Koordinatenursprung
erfolgen.
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Für eine automatische
Initialisierung des Kalibrierverfahrens ist es günstig, wenn das Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
durch die Kalibriereinheit oder eine Referenzierungsvorrichtung
betätigt
wird. Als Referenzierungsvorrichtung kann beispielsweise eine Vorrichtung
dienen, relativ zu der die Kalibriereinheit in eine definierte Ursprung-Kalibrierstellung
bringbar ist. Beispielsweise kann die Referenzierungsvorrichtung
eine Aufnahme aufweisen, in die mindestens ein Teil der Kalibriereinheit
in der Ursprung-Kalibrierstellung eingreifen kann. Denkbar wäre es auch,
als Referenzierungsvorrichtung die mindestens eine Referenzierungseinheit
zu verwenden.
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Es
wäre ohne
Weiteres möglich,
als Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
ein optisches oder induktives oder kapazitives Schaltelement zu verwenden.
Besonders einfach ist es jedoch, wenn als Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
ein mechanisches Schaltelement verwendet wird, insbesondere ein
mechanischer Taster oder Schalter oder ein Fußschalter. So kann automatisch
oder durch eine Bedienperson gezielt mittels des Ursprung-Kalibrierbetätigungselements
ein Ursprung-Kalibriersignal erzeugt oder initialisiert werden.
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Vorteilhafterweise
werden erst nach Vorliegen des Ursprung-Kalibriersignals die Ursprung-Positions-
und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit in der Ursprung-Kalibrierstellung
bezogen auf den feststehenden Koordinatenursprung der Kalibriereinheit
zugeordnet. So kann sichergestellt werden, dass eine Kalibrierung
oder Referenzierung der Kalibriereinheit bezogen auf den Koordinatenursprung
erst dann erfolgt, wenn die Kalibriereinheit die hierfür erforderliche
Relativposition bezogen auf den Koordinatenursprung einnimmt oder
eingenommen hat.
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Damit
mit dem Navigationssystem nicht versehentlich falsche oder ungenaue
Positions- und/oder Orientierungsdaten der mindestens einen Referenzierungseinheit
erfasst werden, ist es vorteilhaft, wenn ein Navigationsbetrieb
des Navigationssystems zum Verfolgen beliebiger Bewegungen der mindestens
einen Referenzierungseinheit erst dann freigegeben wird, wenn alle
für den
Navigationsbetrieb erforderlichen Referenzierungseinheiten mit der Kalibriereinheit
bezogen auf ein gemeinsames Koordinatensystem kalibriert wurden.
So wird insbesondere sichergestellt, dass vom Navigationssystem korrekte
Positions- und/oder -orientierungsdaten der mindestens einen Referenzierungseinheit
ermittelt werden.
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Um
die Ermittlung ungenauer Positions- und/oder Orientierungsdaten
der mindestens einen Referenzierungseinheit sowie der Kalibriereinheit
zu vermeiden oder zumindest zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn
ein Navigationsbetrieb auf eine vorgebbare Betriebszeit tBetrieb begrenzt wird. Die Betriebszeit kann
beispielsweise in einem Bereich von 1 Sekunde bis 60 Minuten, vorzugsweise
10 Sekunden bis 20 Minuten, vorgegeben werden. Die Begrenzung des
Navigationssystems auf eine vorgebbare Betriebszeit verhindert insbesondere,
dass aufgrund einer Drift des mindestens einen Inertialsensors der mindestens
einen Referenzierungseinheit nach einer gewissen Betriebszeit Ungenauigkeiten
bei der Ermittlung der Position und/oder Orientierung der mindestens
einen Referenzierungseinheit auftreten.
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Vorteilhafterweise
beginnt die Betriebszeit tBetrieb automatisch
dann zu laufen, wenn alle Referenzierungseinheiten mit der Kalibriereinheit
bezogen auf ein gemeinsames Koordinatensystem kalibriert wurden.
Dabei kann insbesondere auch berücksichtigt
werden, dass die Betriebszeit tBetrieb dann
zu laufen beginnt, wenn die erste der zu kalibrierenden oder referenzierenden
Referenzierungseinheiten kalibriert oder referenziert wurde.
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Vorzugsweise
wird nach Ablauf der Betriebszeit tBetrieb ein
optisches und/oder akustisches Warnsignal abgegeben und/oder der
Navigationsbetrieb automatisch beendet. So kann verhindert werden,
dass auf Grund eines sogenannten "Wegdriftens" des mindestens einen Inertialsensors
ungenaue oder unkorrekte Werte für
die Position und/oder die Orientierung der mindestens einen Referenzierungseinheit
ermittelt werden.
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Besonders
einfach und sicher durchzuführen wird
das Verfahren, wenn die Betriebszeit tBetrieb vom Navigationssystem überwacht
wird.
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Je
nach Art und Typ verwendeter Inertialsensoren ist es vorteilhaft,
wenn die Betriebszeit tBetrieb auf eine
Maximalzeit im Bereich von 1 Sekunde bis 60 Minuten, vorzugsweise
in einem Bereich von 10 Sekunden bis 20 Minuten, begrenzt wird.
Bei langzeitstabilen Inertialsensoren mit nur sehr geringer Drift
kann die Maximalzeit auch bis zu 30 oder 40 Minuten betragen.
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Grundsätzlich wäre es ohne
Weiteres möglich,
eine Kalibriereinheit zu verwenden, die mit herkömmlichen Markerelementen ausgestattet
ist, d.h. mit Markerelementen, die entweder selbst elektromagnetische
Strahlung aussenden, die von der Nachweisvorrichtung des Navigationssystems
empfangen werden kann, oder auf die vom Navigationssystem ausgesandte
elektromagnetische Strahlung reagieren kann. Selbstverständlich wäre es auch
möglich, eine
Kalibriereinheit zu verwenden, die mit Markerelementen ausgestattet
ist, welche von auf videooptischen Verfahren basierenden Navigationssystemen oder
auf Ultraschall basierenden Navigationssystemen navigierbar sind.
Vorteilhaft ist es jedoch, wenn eine mit mindestens einem Inertialsensor
ausgestattete Kalibriereinheit bereitgestellt wird, deren Positions-
und/oder Orientierungsdaten bezogen auf das Koordinatensystem vom
Navigationssystem erfassbar sind. Dies gestattet es beispielsweise,
die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
gleichzeitig zu initialisieren, sozusagen zu "Nullen". Eine Kalibrierung der mindestens einen
Referenzierungseinheit und/oder der Kalibriereinheit kann vor oder
nach der Initialisierung erfolgen. Des Weiteren hat das Ausstatten
der Kalibriereinheit mit mindestens einem Inertialsensor zudem den
Vorteil, dass das Navigationssystem insgesamt einfacher aufgebaut sein
kann, denn es kann so beispielsweise ganz auf eine optische Nachweisvorrichtung
verzichtet werden. Ferner kann insbesondere auch auf eine Nachweisvorrichtung
verzichtet werden, von der selbst Strahlung ausgesandt werden kann.
Zudem wäre
es auch möglich,
wenn mehr als eine Referenzierungseinheit vorgesehen ist, eine der
Referenzierungseinheiten selbst als Kalibriereinheit zu verwenden.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen
sein, dass die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
jeweils mindestens eine Sendeeinheit aufweisen und dass mit der
mindestens einen Sendeeinheit Änderungen
der Positions- und/oder Orientierungsdaten der Kalibriereinheit
und/oder der Referenzierungseinheit an das Navigationssystem oder
an eine Nachweisvorrichtung desselben übertragen werden. Die auf diese
Weise als aktive Referenzierungseinheiten beziehungsweise als aktive
Kalibriereinheit ausgebildeten Einheiten machen eine aktive Nachweisvorrichtung,
die selbst Strahlung aussenden kann, überflüssig. Insbesondere wäre es möglich, elektromagnetische
oder Infrarotstrahlung aussendende Sendeeinheiten zu verwenden,
beispielhaft seien hier sogenannte Bluetooth-Sendeeinheiten erwähnt, die
in standardisierter Form mit einer Bluetooth-Empfangseinrichtung
des Navigationssystems kommunizieren können.
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Vorzugsweise
wird zur Bestimmung der Positions- und/oder Orientierungsdaten der
Kalibriereinheit und der mindestens einen Referenzierungseinheit
ein Navigationssystem verwendet, welches eine Auswerteeinheit umfasst,
die derart ausgebildet ist, dass aus mittels dem mindestens einen
Inertialsensor gemessenen Beschleunigungswerten absolute Positions-
und/oder Orientierungs daten für
die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
berechenbar sind. Die Verwendung eines derartigen Navigationssystems
hat den Vorteil, dass eine Positions- und/oder Orientierungsbestimmung der
Kalibriereinheit sowie der mindestens einen Referenzierungseinheit
vollautomatisch möglich
ist.
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Günstig ist
es, wenn aus den gemessenen Beschleunigungswerten Positions- und/oder Orientierungsänderungsdaten
der Kalibriereinheit und der mindestens einen Referenzierungseinheit
bezogen auf das Koordinatensystem berechnet werden und wenn aus
den berechneten Positions- und/oder Orientierungsänderungsdaten
absolute Positions- und/oder Orientierungsdaten der Kalibriereinheit
und der mindestens einen Referenzierungseinheit bezogen auf das
Koordinatensystem berechnet werden. Diese Vorgehensweise hat den
Vorteil, dass dann, wenn keine absoluten Positions- und/oder Änderungsdaten
der Kalibriereinheit und der mindestens einen Referenzierungseinheit
bestimmt werden müssen,
die berechneten Positions- und/oder Orientierungsänderungsdaten
für eine
relative Positionsbestimmung verwendet werden können.
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Günstigerweise
wird als mindestens ein Inertialsensor eine Inertialsensoreinheit
verwendet, welche mindestens drei Linearbeschleunigungssensoren
und drei Rotationsbeschleunigungssensoren umfasst, mit denen auf
die Kalibriereinheit und/oder die mindestens eine Referenzierungseinheit
wirkende Beschleunigungen und/oder Kräfte in drei zueinander linear
unabhängigen
Richtungen und um drei relativ zueinander linear unabhängige Rotationsachsen zeitabhängig gemessen
werden. Mit derartigen Inertialsensoreinheiten können ohne Weiteres alle für eine dreidimensionale
Positions- und/oder Orientie rungsbestimmung in einem Koordinatensystem
erforderlichen Messwerte bestimmt werden.
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Die
eingangs gestellte Aufgabe wird ferner durch eine chirurgische Kalibriervorrichtung
zum Kalibrieren einer Position und/oder einer Orientierung im Raum
von mindestens einer chirurgischen, mit mindestens einem Inertialsensor
ausgestatteten Referenzierungseinheit eines chirurgischen Navigationssystems
bezogen auf ein Koordinatensystem des Raums gelöst, umfassend:
- – ein
Navigationssystem mit einer Datenverarbeitungseinheit, wobei das
Navigationssystem und die Datenverarbeitungseinheit derart ausgebildet und
programmiert sind, dass Positions- und/oder Orientierungsdaten der
mindestens einen Referenzierungseinheit bezogen auf das Koordinatensystem
bestimmbar sind,
- – eine
Kalibriereinheit, deren Positions- und/oder Orientierungsdaten bezogen
auf das Koordinatensystem vom Navigationssystem bestimmbar sind,
wobei
die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
relativ zu einander in eine eineindeutige Kalibrierstellung bringbar
sind, in welcher die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
jeweils eine relativ zueinander definierte Kalibrierposition- und/oder -orientierung
einnehmen, wobei das Navigationssystem und die Datenverarbeitungseinheit
derart ausgebildet und programmiert sind, dass Positions- und/oder
Orientierungsdaten der Kalibriereinheit bezogen auf das Koordinatensystem
bestimmbar sind, dass Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten
der mindestens einen Referenzierungseinheit in der Kalibrierstellung
auf Grund der Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der
Kalibriereinheit berechenbar sind und dass die für die mindestens eine Referenzierungseinheit
berech neten Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten in
der Kalibrierstellung der mindestens einen Referenzierungseinheit
zuweisbar sind, wobei das Navigationssystem und die Datenverarbeitungseinheit
derart ausgebildet und programmiert sind, dass als Koordinatensystem
ein nicht ortsfestes Koordinatensystem vorgebbar ist und dass ein
Koordinatenursprung des nicht ortsfesten Koordinatensystem durch
die Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der mindestens
einen Referenzierungseinheit oder der Kalibriereinheit in der Kalibrierstellung
vorgebbar sind.
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Mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen chirurgischen
Kalibriervorrichtung lassen sich mit mindestens einem Inertialsensor
ausgestattete Referenzierungseinheiten chirurgischer Navigationssysteme
bezogen auf ein Koordinatensystem des Raums auf einfache Weise kalibrieren.
Diese auch als Referenzierung bezeichnete Kalibrierung ist mittels
der Kalibriereinheit sowie des Navigationssystems ohne Weiteres
durchführbar
und ermöglicht
die Verwendung von mit Inertialsensoren ausgestatteten Referenzierungseinheiten
insbesondere zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung von
chirurgischen Vorrichtungen, beispielsweise von Instrumenten und/oder
Implantaten. Es ist mit einer solchen Kalibriervorrichtung möglich, auch
eine relative Positions- und/oder
Orientierungsbestimmung der mindestens einen Referenzierungseinheit
bezogen auf ein nichts ortsfestes Koordinatensystem vorzunehmen.
-
Die
eingangs gestellte Aufgabe wird ferner durch eine chirurgische Kalibriervorrichtung
zum Kalibrieren einer Position und/oder einer Orientierung im Raum
von mindestens einer chirurgischen, mit mindestens einem Inertialsensor
ausgestatteten Referenzierungseinheit eines chirurgischen Navigationssystems
bezogen auf ein Koordinatensystem des Raums gelöst, umfassend:
- – ein
Navigationssystem mit einer Datenverarbeitungseinheit, wobei das
Navigationssystem und die Datenverarbeitungseinheit derart ausgebildet und
programmiert sind, dass Positions- und/oder Orientierungsdaten der
mindestens einen Referenzierungseinheit bezogen auf das Koordinatensystem
bestimmbar sind,
- – eine
Kalibriereinheit, deren Positions- und/oder Orientierungsdaten bezogen
auf das Koordinatensystem vom Navigationssystem bestimmbar sind,
wobei
die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
relativ zu einander in eine eineindeutige Kalibrierstellung bringbar
sind, in welcher die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
jeweils eine relativ zueinander definierte Kalibrierposition- und/oder
-orientierung einnehmen, wobei das Navigationssystem und die Datenverarbeitungseinheit
derart ausgebildet und programmiert sind, dass Positions- und/oder
Orientierungsdaten der Kalibriereinheit bezogen auf das Koordinatensystem
bestimmbar sind, dass Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten
der mindestens einen Referenzierungseinheit in der Kalibrierstellung
auf Grund der Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten der
Kalibriereinheit berechenbar sind und dass die für die mindestens eine Referenzierungseinheit
berechneten Kalibrierpositions- und/oder -orientierungsdaten in
der Kalibrierstellung der mindestens einen Referenzierungseinheit
zuweisbar sind, wobei das Navigationssystem und die Datenverarbeitungseinheit
derart ausgebildet und programmiert sind, dass mindestens zwei Referenzierungseinheiten
kalibrierbar sind, dass als Koordinatensystem ein nicht ortsfestes
Koordinatensystem vorgebbar ist und dass ein Koordinatenursprung
des nichts ortsfesten Koordinatensystems durch eine der mindestens
zwei Referenzierungseinheiten vorgebbar ist.
-
Mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen chirurgischen
Kalibriervorrichtung lassen sich mit mindestens einem Inertialsensor
ausgestattete Referenzierungseinheiten chirurgischer Navigationssysteme
bezogen auf ein Koordinatensystem des Raums auf einfache Weise kalibrieren.
Diese auch als Referenzierung bezeichnete Kalibrierung ist mittels
der Kalibriereinheit sowie des Navigationssystems ohne Weiteres
durchführbar
und ermöglicht
die Verwendung von mit Inertialsensoren ausgestatteten Referenzierungseinheiten
insbesondere zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung von
chirurgischen Vorrichtungen, beispielsweise von Instrumenten und/oder
Implantaten. Mit dem so weitergebildeten Navigationssystem ist es
möglich,
eine der mindestens zwei Referenzierungseinheiten als nichts ortsfesten
Koordinatenursprung eines Koordinatensystems zu definieren. Insbesondere
ist es auch möglich,
eine der mindestens zwei Referenzierungseinheiten auch als Kalibriereinheit
zu verwenden. Einzige Voraussetzung hierfür ist es, dass die mindestens
zwei Referenzierungseinheiten relativ zueinander in eine eineindeutige
Kalibrierstellung bringbar sind.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn eine Ursprung-Kalibrierlehre vorgesehen ist und wenn
das Navigationssystem und die Datenverarbeitungseinheit ferner derart
ausgebildet und programmiert sind, dass ein durch die Ursprung-Kalibrierlehre
definierter und im Raum feststehender Koordinatenursprung eines
absoluten Koordinatensystems vorgebbar ist, wenn die Kalibriereinheit
in eine Ursprung-Kalibrierstellung
relativ zur Ursprung-Kalibrierlehre bringbar ist, in welcher die
Kalibriereinheit in einer definierten Beziehung zum feststehenden
Koordinatenursprung positioniert ist, und wenn Ursprung-Positions-
und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit in der Ursprung-Kalibrierstellung
bezogen auf den feststehenden Koordinatenursprung der Kalibriereinheit
zuordenbar sind. Insbesondere die Ursprung-Kalibrierlehre ermöglicht es,
die Kalibriereinheit in eine eineindeutige Ursprung-Kalibrierstellung
relativ zu einem Koordinaten-Ursprung eines im Raum feststehenden absoluten
Koordinatensystems zu brin gen. Man könnte die Kalibrierlehre auch
dazu nutzen, den Koordinatenursprung des Koordinatensystems zu definieren.
Beispielsweise kann über
die Ursprung-Kalibrierlehre auch eine Verknüpfung zwischen mit Inertialsensoren
ausgestatteten Referenzierungseinheiten und mit herkömmlichen
Markerelementen ausgestatteten Referenzierungseinheiten erreicht
werden. Hierfür
kann beispielsweise die Ursprung-Kalibrierlehre mit herkömmlichen
Markerelementen ausgestattet sein, die es ermöglichen, mit einer Nachweisvorrichtung
des Navigationssystems die Position der Ursprung-Kalibrierlehre
im Raum zu bestimmen.
-
Vorteilhafterweise
ist eine Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung vorgesehen zum Erzeugen
eines Kalibriersignals, wenn die Kalibriereinheit und die mindestens
eine Referenzierungseinheit die Kalibrierstellung einnehmen. Die
Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung dient somit unter anderem dem Zweck,
ein Kalibriersignal zu erzeugen, wenn die geometrischen Voraussetzungen
für eine
Kalibrierung oder eine Referenzierung erfüllt sind, d.h. wenn die Kalibriereinheit
und die mindestens eine Referenzierungseinheit die Kalibrierstellung
einnehmen.
-
Günstigerweise
ist die Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung derart ausgebildet,
dass das Kalibriersignal erst nach einer Haltezeit tH erzeugt
wird, während
der die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
die Kalibrierstellung ohne oder im Wesentlichen ohne Relativbewegung einnehmen.
Durch eine solche Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung kann sichergestellt
werden, dass eine Kalibrierung erst dann durchgeführt wird,
wenn die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
auch tatsächlich
die gewünschte
eineindeutige Kalibrierstellung einnehmen.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn mindestens ein Betätigungselement
vorgesehen ist, welches in der Kalibrierstellung betätigbar ist,
und wenn mit der Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung das Kalibriersignal
nur während
oder in Folge einer Betätigung
des mindestens einen Betätigungselements
erzeugbar ist. Voraussetzung für
die Erzeugung eines Kalibriersignals ist somit eine Betätigung des
mindestens einen Betätigungselements.
Dabei kann die Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung derart ausgebildet
sein, dass das Kalibriersignal ständig während einer Betätigung des
Betätigungselements
erzeugt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Kalibriersignal
sofort bei Betätigung
des Betätigungselements
erzeugt wird. Alternativ ist es auch möglich, das Kalibriersignal
erst nach der Haltezeit zu erzeugen, d.h. dass das Betätigungselement
mindestens während
eines ununterbrochenen, der Haltezeit entsprechenden Zeitraum betätigt sein
muss.
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Vorzugsweise
ist das mindestens eine Betätigungselement
derart angeordnet, dass es durch die Kalibriereinheit und/oder die
mindestens eine Referenzierungseinheit betätigbar ist. So kann insbesondere
erreicht werden, dass das Betätigungselement zwangsläufig betätigt wird,
wenn die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
die Kalibrierstellung einnehmen.
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Besonders
einfach wird der Aufbau der Kalibriervorrichtung, wenn das mindestens
eine Betätigungselement
ein mechanisches Schaltelement, insbesondere einen Taster oder einen
Fußschalter,
umfasst. Denkbar wäre
es auch, das Betätigungselement
in Form eines optischen Schalters auszubilden oder als Näherungsschalter
in induktiver oder kapazitiver Bauweise. Einen Hand- oder Fußschalter
als Betätigungselement
vorzusehen, gestattet die Möglichkeit, dass
beispielsweise ein Operateur eine Erzeugung des Kalibriersignals
durch die Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung in gewünschter
Weise initialisiert oder auslöst.
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Besonders
einfach ist eine Kalibrierung der mindestens einen Referenzierungseinheit
oder der Kalibriereinheit durchzuführen, wenn das mindestens eine
Betätigungselement
an der mindestens einen Referenzierungseinheit, an der Kalibriereinheit und/oder
an der Ursprung-Kalibrierlehre angeordnet ist. Insbesondere kann
das Betätigungselement
derart angeordnet sein, dass es automatisch durch die Referenzierungseinheit,
die Kalibriereinheit und/oder die Ursprung-Kalibrierlehre betätigt wird,
wenn die mindestens eine Referenzierungseinheit und die Kalibriereinheit
die Kalibrierstellung einnehmen und/oder die Kalibriereinheit und
die Ursprung-Kalibrierlehre die Ursprung-Kalibrierstellung einnehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das Navigationssystem
und die Datenverarbeitungseinheit derart ausgebildet und programmiert
sind, dass erst nach Vorliegen des Kalibriersignals die Kalibrierpositions-
und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit in der Kalibrierstellung
mittels des Navigationssystems bestimmbar, die Kalibrierpositions- und/oder
-orientierungsdaten der Referenzierungseinheit in der Kalibrierstellung
berechenbar und die für
die mindestens eine Referenzierungseinheit berechneten Kalibrier-
und/oder -orientierungsdaten in der Kalibrierstellung der mindestens
einen Referenzierungseinheit zuweisbar sind. Mit einer derartigen Kalibriervorrichtung
kann verhindert werden, dass in unbeabsichtigter Weise eine Kalibrierung
durchgeführt
wird. Voraussetzung für eine
Kalibrierung ist somit bei einer solchen Kalibriervorrichtung stets
das Vorliegen des Kalibriersignals.
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Günstigerweise
ist eine Ursprung-Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung vorgesehen
zum Erzeugen eines Ursprung-Kalibriersignals, wenn die Kalibriereinheit
die Ursprung-Kalibrierstellung einnimmt. Damit ist es möglich, ein
definiertes Signal zu erzeugen, wenn die Kalibriereinheit die Ursprung-Kalibrierstellung
einnimmt. Beispielsweise kann das Ursprung-Kalibriersignal dazu
verwendet werden, eine Kalibrierung der Kalibriereinheit in Bezug
auf den Ursprung des Koordinatensystems auszulösen.
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Günstig ist
es, wenn die Ursprung-Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung derart
ausgebildet ist, dass das Ursprung-Kalibriersignal erst nach einer Haltezeit
tH_Ursprung erzeugbar ist, während der
die Kalibriereinheit die Ursprung-Kalibrierstellung bewegungslos
oder im Wesentlichen bewegungslos einnimmt. Durch diese Weiterbildung
wird verhindert, dass nicht versehentlich eine Ursprung-Kalibrierung vorgenommen
wird. Insbesondere auf Grund der Dauer der Haltezeit kann eine sichere
und genaue Ursprung-Kalibrierung erreicht werden.
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Günstig ist
es, wenn ein Ursprung-Kalibrierbetätigungselement vorgesehen ist,
das in der Ursprung-Kalibrierstellung betätigbar ist, und wenn das Ursprung-Kalibriersignal nur
während
oder in Folge einer Betätigung
des Ursprung-Kalibrierbetätigungselements
erzeugbar ist. Mit dem Ursprung-Kalibrierbetätigungselement, das auch Teil
der Ursprung-Kalibriersignalerzeugungsvorrichtung sein kann, kann
letztere insbesondere initialisiert werden, um das Ursprung-Kalibriersignal
zu erzeugen. So dient das Ursprung-Kalibrierbetätigungselement auch als Sicherungselement,
um zu verhindern, dass das Ursprung-Kalibriersignal in unerwünschter
Weise erzeugt wird. Zudem wäre
es denkbar, das Ursprung-Kalibriersignal nach Ende der Betätigung des Ursprung-Kalibrierbetätigungselements
zu erzeugen.
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Günstigerweise
ist das Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
derart angeordnet, dass es durch die Kalibriereinheit, eine Referenzierungseinheit
oder die Ursprung-Kalibrierlehre betätigbar ist. So ist es insbesondere
möglich,
dann, wenn die relativ zueinander zu kalibrierenden Einheiten oder
Teile die Ursprung-Kalibrierstellung einnehmen, dass das Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
automatisch betätigt
wird.
-
Optional
wäre es
möglich,
das Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
in Form eines optischen Schalters oder eines Näherungsschalters auszubilden.
Vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Ursprung-Betätigungselement einen Taster
oder einen Fußschalter
umfasst. Selbstverständlich
können
der Taster und auch der Fußschalter
optische oder induktive oder kapazitive Näherungsschalter umfassen. Der Vorteil
einer solchen Ausgestaltung liegt insbesondere darin, dass auch
eine Betätigung
in Folge eines mechanischen Kontakts möglich ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Navigationssystem und die
Datenverarbeitungseinheit ferner derart ausgebildet und programmiert
sind, dass erst nach Vorliegen des Ursprung-Kalibriersignals die
Ursprung-Positions- und/oder -orientierungsdaten der Kalibriereinheit
in der Ursprung-Kalibrierstellung bezogen auf den feststehenden
Koordinatenursprung der Kalibriereinheit zuordenbar sind. Mit dem
derart ausgebildeten Navigationssystems können eine Fehlkalibrierung
oder eine unkorrekte Kalibrierung verhindert werden.
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Vorteilhafterweise
sind das Navigationssystem und die Datenverarbeitungseinheit ferner
derart ausbildet und programmiert, dass ein Navigationsbetrieb des
Navigationssystems zum Verfolgen beliebiger Bewegungen der mindestens
einen Referenzierungseinheit erst dann freigebbar ist, wenn alle
für den
Navigationsbetrieb erforderlichen Referenzierungseinheiten mit der
Kalibriereinheit bezogen auf ein gemeinsames Koordinatensystem kalibriert
wurden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das Navigationssystem
in unerwünschter
Weise in einen Betriebsmodus wechselt, in welchem Positions- und/oder
Orientierungsdaten der mindestens einen Referenzierungseinheit bestimmbar
sind, den sogenannten "Navigationsmodus". Damit kann vermieden werden,
dass falsche oder fehlerbehaftete Koordinaten bestimmt werden.
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Vorzugsweise
umfasst das Navigationssystem eine Betriebszeitvorgabeeinheit, mit
welcher ein Navigationsbetrieb auf eine vorgebbare Betriebszeit tBetrieb begrenzbar ist. So wird insbesondere
verhindert, dass zu lange im Navigationsmodus gearbeitet wird, was
auf Grund einer Drift der Inertialsensoren zu nicht tolerierbaren
Abweichung bei der Bestimmung von Positions- und/oder Orientierungsdaten der
mindesten einen Referenzierungseinheit führen kann.
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Günstig ist
es, wenn das Navigationssystem und die Datenverarbeitungseinheit
ferner derart ausgebildet und programmiert sind, dass die durch
die Betriebszeitvorgabeeinheit vorgebbare Betriebszeit tBetrieb automatisch dann zu laufen beginnt,
wenn alle Referenzierungseinheiten mit der Kalibriereinheit bezogen
auf ein gemeinsames Koordinatensystem kalibriert wurden. Mit einer
solchen Kalibriervorrichtung muss eine Bedienperson den Navigationsmodus nicht
selbst starten, sondern dieser kann automatisch gestartet werden,
wenn alle Voraussetzungen erfüllt sind,
die eine genaue Positions- und/oder Orientierungsdatenbestimmung
ermöglichen.
Zu beachten ist, dass auch eine Referenzierungseinheit als Kalibriereinheit
ausgebildet sein oder dienen kann.
-
Des
Weiteren werden Fehler bei der Bestimmung von Positions- und/oder
Orientierungsdaten dadurch verhindert, dass eine Warnsignalerzeugungsvorrichtung
vorgesehen ist, mit welcher nach Ablauf der Betriebszeit tBetrieb ein optisches oder akustisches Warnsignal
abgebbar ist und/oder mit der der Navigationsbetrieb automatisch
beendbar ist. So kann beispielsweise eine Bedienperson, die durch das
optische und/oder das akustische Warnsignal gewarnt wurde, den Navigationsmodus
des Navigationssystems beenden. Zur Vermeidung von Bedienfehlern
kann alternativ der Navigationsbetrieb auch automatisch nach Ablauf
der vorgebbaren Betriebszeit beendet werden.
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Vorzugsweise
umfasst das Navigationssystem eine Betriebszeitüberwachungseinrichtung, mit welcher
die Betriebszeit tBetrieb überwachbar
ist. So kann verhindert werden, dass in unerwünschter Weise der Navigationsmodus
länger
ausgeführt
wird, als er auf Grund der Drifteigenschaft der Inertialsensoren
ausgeführt
werden sollte.
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Um
auf Grund einer möglichen
Drift des mindestens einen Inertialsensors Fehler bei der Positions-
und/oder Orientierungsdatenbestimmung zu vermeiden oder zu minimieren,
ist es günstig,
wenn eine Betriebszeitbegrenzungsvorrichtung vorgesehen ist zum
Begrenzen der Betriebszeit tBetrieb auf
eine Maximalzeit in einem Bereich von 1 Sekunde bis 60 Minuten,
vorzugsweise in einem Bereich von 10 Sekunden und 20 Minuten.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Kalibriereinheit mindestens einen Inertialsensor. Es
wäre zwar denkbar,
auch eine Kalibriereinheit in Form eines herkömmlichen sogenannten Pointers
zu verwendet, also ein Tast- oder Palpierinstrument, welches mit Markerelementen
ausgestattet ist, deren Positionen im Raum von herkömmlichen
Navigationssystemen mittels elektromagnetischer Strahlung, mittels
Ultraschall oder mittels videooptischen Verfahren detektiert werden
können.
Werden jedoch nur Referenzierungseinheiten und auch die Kalibriereinheit
mit Inertialsensoren ausgestattet, dann vereinfacht sich insgesamt
der Aufbau des Navigationssystems, da nicht zweierlei unterschiedliche
Nachweismethoden zur Bestimmung von Positions- und Orientierungsdaten der
mindestens einen Referenzierungseinheit und der Kalibriereinheit
erforderlich sind.
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Um
Messwerte oder andere Daten von der Kalibriereinheit und der mindestens
einen Referenzierungseinheit an das Navigationssystem weiterzuleiten
oder zu übertragen,
ist es günstig,
wenn die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit
jeweils mindestens eine Sendeeinheit umfassen zum Übertragen
von Messwerten oder Änderungen
der Positions- und/oder Orientierungsdaten der Kalibriereinheit
und der mindestens einen Referenzierungseinheit an das Navigationssystem
oder an eine Nachweisvorrichtung desselben.
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Vorzugsweise
umfasst das Navigationssystem zur Bestimmung der Positions- und/oder Orientierungsdaten
der Kalibriereinheit und der mindestens einen Referenzierungseinheit
eine Auswerteeinheit, die derart ausgebildet ist, dass aus mittels
dem mindestens einen Inertialsensor gemessenen Beschleunigungswerten
absolute Positions- und/oder Orientierungsdaten für die Kali briereinheit
und/oder die mindestens eine Referenzierungseinheit berechenbar
sind. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit Teil der Nachweisvorrichtung
oder der Datenverarbeitungseinrichtung oder des Navigationssystems sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit derart
ausgebildet und/oder programmiert ist, dass aus den gemessenen Beschleunigungswerten
Positions- und/oder
Orientierungsänderungsdaten
der Kalibriereinheit und der mindestens einen Referenzierungseinheit
bezogen auf das Koordinatensystem berechenbar sind und dass aus den
berechneten Positions- und/oder Orientierungsänderungsdaten absolute Positions-
und/oder Orientierungsdaten der Kalibriereinheit und der mindestens
einen Referenzierungseinheit bezogen auf das Koordinatensystem berechenbar
sind. Optional können
im Fall einer nur relativen Kalibrierung bezogen auf ein nicht ortsfestes
Koordinatensystem die Positions- und/oder Orientierungsänderungsdaten
dazu verwendet werden, relative Positions- und/oder Orientierungsdaten
zu errechnen, um zumindest relative Positions- und/oder Orientierungsdaten
zu ermitteln.
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Vorzugsweise
ist eine den mindestens einen Inertialsensor umfassende Inertialsensoreinheit
vorgesehen, welche mindestens drei Linearbeschleunigungssensoren
und drei Drehraten- oder Rotationsbeschleunigungssensoren umfasst,
mit denen auf das Kalibrierinstrument und/oder die mindestens eine
Referenzierungseinheit wirkende Beschleunigungen in drei zueinander
linear unabhängigen
Richtungen und um drei relativ zueinander linear unabhängige Rotationsachsen
zeitabhängig
messbar sind. Mit einer solchen Inertialsensoreinheit können Positionsänderungen
der Kalibriereinheit und/oder der mindestens einen Referenzierungseinheit
im Raum nachgewiesen werden.
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Um
eine eindeutige Relativposition zwischen der Kalibriereinheit und
der mindestens einen Referenzierungseinheit in der Kalibrierstellung
vorgeben zu können,
ist es günstig,
wenn mindestens eine Kalibrierlehre vorgesehen ist, welche mindestens
eine Kalibrieraufnahme zum mindestens teilweisen Aufnehmen der Kalibriereinheit
in der Kalibrierstellung aufweist. In Fällen, in denen die Kalibriereinheit
durch eine Referenzierungseinheit gebildet wird, können dann
beispielsweise auch zwei Referenzierungseinheiten relativ zueinander
in eine eineindeutige Kalibrierstellung gebracht werden, beispielsweise
indem sie in Eingriff gebracht werden.
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Günstig ist
es, wenn die mindestens eine Kalibrierlehre an der mindestens einen
Referenzierungseinheit angeordnet ist. Alternativ könnte sie auch
an der Kalibriereinheit angeordnet sein.
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Besonders
einfach wird es, die Kalibriereinheit und die mindestens eine Referenzierungseinheit relativ
zueinander in eine eineindeutige Kalibrierstellung zu bringen, wenn
die mindestens eine Kalibrieraufnahme eine zu einem Teil der Kalibriereinheit
korrespondierende Ausnehmung ist, in die dieser eine Teil der Kalibriereinheit
formschlüssig
einführbar
ist.
-
Je
nachdem, ob mittels der Kalibrierlehre ein Punkt, eine Richtung
oder ein Punkt mit zugehöriger Richtung
vorgegeben werden sollen, ist es vorteilhaft, wenn die mindestens
eine Kalibrierlehre eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Kalibrierlehre
für eine
Positions- und/oder eine Orientierungskalibrierung der mindestens
einen Referenzierungseinheit und der Kalibriereinheit relativ zueinander
ist. Beispielsweise kann eine eindimensionale Kalibrierlehre in
Form ei ner Bohrung ausgebildet sein, mit der ein zylindrischer Schaft
oder solcher Schaftabschnitt in eine definierte Orientierung gebracht
werden kann. Eine zweidimensionale Kalibrierlehre kann beispielsweise
in Form einer Nut ausgebildet sein, eine dreidimensionale Kalibrierlehre
in Form einer unrunden Sacklochbohrung oder einer unrunden Nut mit
einseitigem Anschlag.
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Vorteilhafterweise
weist die Ursprung-Kalibrierlehre mindestens eine Ursprung-Kalibrieraufnahme
zum mindestens teilweisen Aufnehmen der Kalibriereinheit in der
Ursprung-Kalibrierstellung auf. So kann die Kalibriereinheit mindestens
teilweise in die Kalibrieraufnahme eingeführt werden, um eine eineindeutige
Ursprung-Kalibrierstellung einzunehmen.
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Besonders
einfach wird der Aufbau der Ursprung-Kalibrierlehre, wenn die mindestens
eine Ursprung-Kalibrieraufnahme eine zu einem Teil der Kalibriereinheit
korrespondierende Ausnehmung ist, in die der eine Teil der Kalibriereinheit
formschlüssig einführbar ist.
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Vorzugsweise
sind das Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
und/oder das Bestätigungselement
manuell betätigbar.
So kann beispielsweise eine Bedienperson das jeweilige Betätigungselement betätigen, wenn
die Kalibriereinheit, die Referenzierungseinheit und/oder die Kalibrierlehre
die erforderliche eineindeutige Relativposition einnehmen. Manuell
betätigbar
kann zudem bedeuten, dass das jeweilige Betätigungselement in Folge eines
Kontakts oder Ineingriffbringens mit der Kalibriereinheit, der mindestens
einen Referenzierungseinheit oder der mindestens einen Kalibrierlehre
betätigt
werden kann.
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Ein
besonders einfacher und kompakter Aufbau der Kalibriervorrichtung
lässt sich
dadurch erreichen, dass das Ursprung-Kalibrierbetätigungselement
und/oder das Betätigungselement
einen an der Ursprung-Kalibrierlehre und/oder an der mindestens einen
Referenzierungseinheit oder an der Kalibrierlehre angeordneten Mikroschalter
umfassen.
-
Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
-
1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung;
-
2:
eine schematische Darstellung einer Ursprung-Kalibrierlehre mit
eingeführter
Kalibriereinheit;
-
3:
eine Draufsicht auf die Ursprung-Kalibrierlehre in 2 in
Richtung einer Ursprung-Kalibrieraufnahme;
-
4:
eine Anordnung ähnlich 2 mit
einer Ursprung-Kalibrierlehre mit einem Ursprung-Kalibrierbetätigungselement;
-
5:
eine schematische Darstellung einer Kalibrierung einer Referenzierungseinheit
in einem ortsfesten Koordinatensystem;
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6:
eine schematische Darstellung einer relativen Kalibrierung von Referenzierungseinheiten in
einem nicht ortsfesten Koordinatensystem;
-
7:
eine schematische Darstellung eines Kalibrierverfahrens ähnlich wie
im 6 skizzierten Verfahren;
-
8:
eine perspektivische Ansicht einer Kalibrierlehre;
-
9:
eine Draufsicht auf die Kalibrierlehre aus 8;
-
10:
eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kalibrierlehre;
-
11:
eine perspektivische Ansicht einer weiteren Kalibrierlehre;
-
12:
eine Draufsicht auf die Kalibrierlehre aus 11;
-
13:
eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kalibrierlehre zur
Punkt-Richtungs-Kalibrierung;
-
14:
eine Draufsicht auf die Kalibrierlehre in 13;
-
15:
eine perspektivische Ansicht einer "zwei-" beziehungsweise "dreidimensionalen" Kalibrierlehre;
-
16:
eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Kalibrierlehre in 15;
-
17:
eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer "zwei-" beziehungsweise "dreidimensionalen" Kalibrierlehre;
-
18:
eine Draufsicht auf einen Teil der in 17 dargestellten
Kalibrierlehre;
-
19:
eine perspektivische Ansicht einer weiteren "dreidimensionalen" Kalibrierlehre; und
-
20:
eine perspektivische Ansicht zweier in einer Kalibrierstellung in
Eingriff stehender Kalibrierlehren.
-
Ein
Beispiel zur Anwendung eines Navigationssystems ist in 1 dargestellt.
Zur Bestimmung beispielsweise eines Zentrums eines Kniegelenks eines
Patienten 12 wird eine erste Referenzierungseinheit 14 an
einem Beckenknochen 16 des Patienten 12 festgelegt,
eine zweite Referenzierungseinheit 18 an einem Femur 20 des
Patienten 12. Die Festlegung der Referenzierungseinheiten 14 und 18 am
Patienten 12 erfolgt üblicherweise
mittels Knochenschrauben oder Knochenpins. Wird der Femur 20 relativ zum
Beckenknochen 16 bewegt, so beschreibt die Referenzierungseinheit 18 eine
Bewegungsbahn relativ zur Referenzierungseinheit 14, aus
welcher sich ein Rotationszentrum des zugehörigen Hüftgelenks des Patienten 12 bestimmen
lässt.
-
Zur
Erfassung von Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheit 14 und 18 dient ein
Navigationssystem 22. Dieses umfasst eine oder mehrere
Datenverarbeitungseinheiten 24, ein Eingabegerät 26 in
Form einer Tastatur sowie ein Ausgabegerät 28 in Form eines
Bildschirms, auf dem die Eingabe- und/oder
Ausgabewerte angezeigt werden können.
Das Navigationssystem 22 umfasst ferner eine Nachweisvorrichtung 30,
um von den Referenzierungseinheiten 14 und 18 ausgesandte
Datensignale zu empfangen. Hierzu dienen vorzugsweise drei Sende-
und/oder Empfangseinheiten 32, die bei herkömmlichen
Systemen insbesondere elektromagnetische Strahlung aussenden und
empfangen können. Selbstverständlich könnten auch
andere Navigationssysteme zum Einsatz kommen, die Ultraschall aussenden
und empfangen, um mittels Laufzeitmessungen Positionen von Referenzierungseinheiten
im Raum zu bestimmen. Statt der drei Sende- und/oder Empfangseinheiten 32 könnten auch
Bilderzeugungseinrichtungen zum Einsatz kommen, mit denen unter
Verwendung videooptischer Verfahren erzeugte Bilder ausgewertet
werden und aus diesen direkt Positions- und/oder Orientierungsdaten
der Referenzierungseinheiten bestimmt werden können. Insbesondere sind derartige
Sende- und/oder
Empfangseinheiten 32 auch dazu geeignet, aktiv von Referenzierungseinheiten
ausgesandte Strahlung oder von diesen reflektierte und ursprünglich von
den Sende- und/oder Empfangseinheiten 32 ausgesandte Signale
zu detektieren.
-
Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit der Kalibrierung einer Position
und/oder einer Orientierung im Raum von mindestens einer chirurgischen, mit
mindestens einem Inertialsensor ausgestatteten Referenzierungseinheit
eines chirurgischen Navigationssystems bezogen auf ein Koordinatensystem
des Raums. Daher ist mindestens eine der beiden Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 mit mindestens
einem Inertialsensor ausgestattet. Inertialsensoren dienen zur Messung
auf sie wirkender Kräfte
beziehungsweise Beschleunigungen. Sie liefern folglich Messwerte,
wenn sie von einer ersten Posi tion zu einer zweiten Position bewegt
werden, die auf sie in Folge der Positions- und/oder Orientierungsänderung
wirkenden Kräften
und/oder Beschleunigungen entsprechen. Zur Bestimmung dreidimensionaler
Positions- und/oder Orientierungsänderungen der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 sind
Inertialsensoreinheiten 34 vorgesehen, die mindestens sechs
Inertialsensoren, nämlich
drei Linearbeschleunigungssensoren und drei Drehraten- oder Rotationsbeschleunigungssensoren,
umfassen, die so angeordnet sind, dass Kräfte beziehungsweise Beschleunigungen
in drei zueinander linear unabhängigen
Richtungen erfassbar sind. Des Weiteren sind die Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 vorzugsweise
mit nicht dargestellten Sendeeinheiten ausgestattet, um von dem mindestens
einen Inertialsensor gemessene Kraft- beziehungsweise Beschleunigungswerte
an die Nachweisvorrichtung 30 des Navigationssystems 22 zu übertragen,
zum Beispiel mittels Bluetooth-Technik.
-
Da
eine absolute Positions- und/oder Orientierungsbestimmung von mit
Inertialsensoren ausgestatteten Referenzierungseinheiten nicht möglich ist, und
zudem Inertialsensoren bauartbedingt einer mehr oder weniger großen Drift
unterworfen sind, bedarf es einer mindestens einmaligen Kalibrierung
beziehungsweise Referenzierung der Referenzierungseinheiten 14 und 18,
um deren Position und/oder Orientierung in Bezug zu einem Koordinatensystem
vorzugeben. Die Drift der Inertialsensoren, also eine mit zunehmender
Messdauer zunehmende Abweichung der tatsächlich bestimmten Messwerte
von den theoretisch zu erwartenden Werten, macht es zudem erforderlich,
eine Betriebszeit tBetrieb des Navigationssystems 22 auf
eine Zeit zu begrenzen, die deutlich kürzer ist als eine Driftzeit
tDrift der Inertialsensoren, die beispielsweise
definiert werden kann als die Zeit, die vergeht, bis eine Abweichung
der mittels der Inertialsensoren ermittelten Position und/oder Orientierung
größer ist
als eine vorgegebene tolerierbare Abweichung, die beispielsweise
in einem Bereich von 0,1% bis 5% liegen kann. Es ist daher nicht
nur sinnvoll, sondern wegen der möglichst genau gewünschten
Positions- und/oder Orientierungserfassung der Referenzierungseinheiten 14 und 18 sogar
angeraten, deren Position und/oder Orientierung im Koordinatensystem
regelmäßig nachzukalibrieren
beziehungsweise nachzureferenzieren.
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Zur
Kalibrierung der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 dient
eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehene, erfindungsgemäße chirurgische
Kalibriervorrichtung, die eine Kalibriereinheit 36 umfasst.
Letztere kann insbesondere in Form eines Tast- oder Palpationsinstruments
ausgebildet sein, welches auch als sogenannter "Pointer" bezeichnet wird beziehungsweise bekannt
ist. Die Kalibriereinheit 36 ist in einer ersten Variante
mit einem in 1 dargestellten Markerelement 38 ausgestattet,
welches vier in vordefinierter Weise räumlich zueinander festgelegte
elektromagnetische Strahlung reflektierende Kugeln 40 umfasst.
Diese können beispielsweise
von der Nachweisvorrichtung 30 ausgesandte elektromagnetische
Strahlung reflektieren, so dass die Position des Markerelements 38 im Raum
mittels des Navigationssystems 22 eindeutig bestimmbar
ist. Des Weiteren können
die Markerelemente 38 auch aktiv ausgebildet sein, das
heißt
anstelle der Kugeln 40 können aktive Sendeelemente vorgesehen
sein. Anstelle des in 1 dargestellten Markerelements 38 kann
auch ein Markerelement vorgesehen sein, das mittels Navigationssystemen navigierbar
ist, die auf elektromagnetische Strahlung reagieren, die auf Ultraschall
basieren oder die mit videooptischen Verfahren eine Position und/oder
Orientierung des Markerelements im Raum erfassen können. Alternativ
kann anstelle des Markerelements 38 auch mindestens ein Inertialsensor,
vorzugsweise eine Inertialsensoreinheit mit sechs Inertialsensoren, nämlich drei
Linearbeschleunigungs- und drei Rotationsbeschleunigungssensoren,
vorgesehen sein, die derart angeordnet und ausgebildet sind, dass
sie auf die Kalibriereinheit wirkende Beschleunigungen und/oder
Kräfte
in drei zueinander linear unabhängigen
Richtungen erfassen können.
Optional wäre
es auch denkbar, zusätzlich
zu der nicht dargestellten Inertialsensoreinheit auch das Markerelement 38 vorzusehen.
Bei einer mit mindestens einem Inertialsensor ausgestatteten Kalibriereinheit
ist vorzugsweise auch eine Sendeeinheit vorgesehen, mit der die
von dem mindestens einen Inertialsensor erfassten Messwerte zum
Navigationssystem 22 übertragen
werden können.
Selbstverständlich
kann auch eine kabelgebundene Kalibriereinheit, also mit dem Navigationssystem über ein
Kabel verbundene Kalibriereinheit vorgesehen sein, die den Vorteil
hat, dass keine störenden äußeren Einflüsse eine
Datenübertragung
zwischen der Kalibriereinheit und dem Navigationssystem beeinträchtigen
können.
Insbesondere kann ein Datenaustausch mittels bekannter Bluetooth-Technik
erfolgen.
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Eine
Kalibrierung der Referenzierungseinheiten 14 und 18 kann
beispielsweise in einem ortsfesten Koordinatensystem 60 des
Raumes, beispielsweise eines Operationssaals, erfolgen. Insbesondere
kann ein Koordinatenursprung mittels einer Ursprung-Kalibrierlehre 42 definiert
werden. Bei dieser handelt es sich um eine ortsfest im Raum angeordnete,
beispielsweise an einer Tischplatte 44 oder einem Operationstisch 46 angeordnete
Vorrichtung, die eine Aufnahme 48 aufweisen kann, in die
ein Teil der Kalibriereinheit 36 einführbar ist, und zwar vorzugsweise
formschlüssig
und eineindeutig. Eineindeutig bedeutet in diesem Fall, dass es
nur genau eine Möglichkeit
gibt, die Kalibriereinheit 36 in die Aufnahme 48 einzuführen.
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Die
beispielhaft in 2 dargestellte Ursprung-Kalibrierlehre 42 umfasst
eine Aufnahme 48 mit einem hexagonalen Querschnitt, die
sich an ihrem verschlossenen Ende kegelförmig verjüngt. Ein distales Ende 49 der
Kalibriereinheit 36 mit einer Palpierspitze 50 ist
korrespondierend zur Aufnahme 48 ausgebildet, das heißt ausgehend
von der Palpierspitze 50 erweitert sich das distale Ende 49 kegelförmig und
wird durch einen im Querschnitt hexagonalen Abschnitt 51 fortgesetzt.
Um das distale Ende 49 der Kalibriereinheit 36 leichter
in die Aufnahme 48 einführen
zu können,
erweitert sich diese von ihrem geschlossenen Ende weg weisend trichterförmig, so dass
eine Innenfläche 52 dieses
kegelmantelförmigen
Abschnitts eine Aufgleitfläche
für das
distale Ende 49 der Kalibriereinheit 36 bildet.
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Die
Ursprung-Kalibrierlehre 42, die optional auch an einer
am Operationstisch umlaufend angeordneten Schiene im Operationssaal
oder an einem Instrumententisch befestigt werden kann, definiert somit
ein sogenanntes absolutes beziehungsweise Weltkoordinatensystem 60.
Selbstverständlich
ist es auch denkbar, die Ursprung-Kalibrierlehre 42 mit
einem anderen Innenquerschnitt zu versehen, so dass ein distales
Ende der Kalibriereinheit 36, welches dann entsprechend
geformt ist, entsprechend dem Schlüssel-Schloss-Prinzip nur in
einer eineindeutigen Orientierung in die Aufnahme 48 eingeführt werden
kann.
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Um
der Kalibriereinheit 36 das durch die Ursprung-Kalibrierlehre 42 definierte
ortsfeste Koordinatensystem 60 zuzuweisen, also eine absolute
Referenzierung beziehungsweise Kalibrierung durchzuführen, wird
das distale Ende 49 der Kalibriereinheit 36 in
die Aufnahme 48 der Ursprung-Kalibrierlehre 42 eingeführt. Bei
einer möglichen
Ausführungsform kann
am langgestreckten zylindrischen Körper 54 der Kalibriereinheit 36 ein
Schalter 56 angeordnet sein. Wird der Schalter 56 betätigt, beispielsweise
von einem Operateur, hat dies auf Grund einer entsprechenden Ausgestaltung
des Navigationssystems 22 zur Folge, dass die Kalibriereinheit 36 kalibriert
wird, was auch als "Nullen" bezeichnet wird.
Insbesondere können
beim Nullen der Palpierspitze 50 der Kalibriereinheit 36 die
Koordinaten des Ursprungs des ortsfesten Koordinatensystems 60 zugewiesen
werden. Definiert die Ursprung-Kalibriereinheit 42 nicht den
Ursprung des ortsfesten Koordinatensystems 60, so können alternativ
auch deren Position und/oder Orientierung im Raum der Palpierspitze 50 der
Kalibriereinheit 36 zugeordnet werden, falls diese Daten
bekannt sind. Optional können
die Koordinaten mittels des Navigationssystems 22 bestimmt
werden, wenn an der Ursprung-Kalibrierlehre ein Markerelement analog
dem Markerelement 38 angeordnet ist. Eine Position der
Ursprung-Kalibrierlehre 42 im Raum kann dann beispielsweise
in Bezug zur Nachweisvorrichtung 30 ermittelt werden.
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Eine
alternative Vorgehensweise für
das Nullen der Kalibriereinheit 36 besteht darin, dass
dieses sogenannte Nullen dann durchgeführt wird, wenn sich Position
und/oder Orientierung der Kalibriereinheit 36, die vom
Navigationssystem 22 überwacht werden,
für eine
bestimmte Haltezeit tHalt, beispielsweise
für mindestens
3 bis 30 Sekunden, vorzugsweise 5 bis 7 Sekunden, nicht oder kaum ändern. Die Zuweisung
von Positions- und/oder Orientierungsdaten der eine Ursprung-Kalibrierstellung
einnehmenden Kalibriereinheit 36 kann dann automatisch
erfolgen.
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Eine
weitere Variante besteht darin, dass anstelle der Betätigung des
Schalters 56 als Betätigungselement
für eine
Bedienperson ein Fußschalter vorgesehen ist.
Das Navigationssystem 22 beziehungsweise die Datenverarbeitungseinheit 24 kann derart
ausgebildet und/oder programmiert sein, dass in Folge der Betätigung des
Fußschalters
oder aber auch des Schalters 46 ein Kalibriersignal erzeugt wird,
welches das "Nullen" initialisiert.
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Bei
einer weiteren Variante einer Ursprung-Kalibrierung wird eine alternative
Ursprung-Kalibrierlehre 42a eingesetzt. Diese ist im Wesentlichen
analog der Ursprung-Kalibrierlehre 42 aufgebaut, jedoch
ist am verschlossenen Ende der Aufnahme 48 ein Mikroschalter 58 angeordnet,
der von der Palpierspitze 50 der Kalibriereinheit 36 betätigt wird,
wenn ein distales Ende 49 derselben in die Aufnahme 48 in
definierter Weise eintaucht und die Ursprung-Kalibrierstellung einnimmt.
Durch die Betätigung
des Mikroschalters 58 kann das Nullen der Kalibriereinheit 36 initialisiert
werden. Bei Verwendung der Ursprung-Kalibrierlehre 42a ist ein
Betätigungselement
an der Kalibriereinheit nicht unbedingt erforderlich, um den Ursprung-Kalibriervorgang
auszulösen.
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Ist
die mit mindestens einem Inertialsensor ausgestattete Kalibriereinheit 36 im
Ursprungskoordinatensystem kalibriert, dann kann diese in einem nächsten Schritt
dazu eingesetzt werden, die Referenzierungseinheiten 14 und/oder 18 in
diesem Koordinatensystem 60 zu referenzieren. Hierzu kann
beispielsweise die Spitze 50 der Kalibriereinheit 36 an die
Referenzierungseinheiten 14 und 16 herangeführt oder
in eine zum distalen Ende 49 der Kalibriereinheit 36 korrespondierende
Aufnahme 62 mindestens teilweise eingeführt werden. So lässt sich
zumindest für
einen Punkt und/oder eine Richtung eine eindeutige Kalibrierstellung
zwischen der Kalibriereinheit 36 und den Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 vorgeben.
Die Aufnahmen 62 können auch
Teil einer Kalibrierlehre sein, die an der Referenzierungseinheit 14 beziehungs weise 18 angeordnet
ist. Eine solche Kalibrierlehre kann umgekehrt auch an der Kalibriereinheit 36 vorgesehen
sein, so dass beispielsweise auch ein Teil der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 in
eine dafür vorgesehene,
in den Figuren nicht dargestellte Aufnahme an der Kalibriereinheit 36 eingeführt werden kann.
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Die
Referenzierung oder Kalibrierung der Referenzierungseinheiten 14 und 18 kann
insbesondere durch einen Mikroschalter initialisiert werden, der
beispielsweise an jeder der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 angeordnet
ist und in der Kalibrierstellung beispielsweise von der Palpierspitze 50 der
Kalibriereinheit 36 betätigt
wird. Alternativ kann, wie auch bei der Ursprung-Kalibrierung, eine
Referenzierung der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 erfolgen,
wenn sich eine Relativposition zwischen der Kalibriereinheit 36 und
den Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 für eine bestimmte,
vorgebbare Haltezeit tHalt nicht ändert. Die
Haltezeit tHalt kann beispielsweise in einem Zeitfenster
von 3 Sekunden bis 30 Sekunden vorgegeben werden. Nehmen also die
Kalibriereinheit 36 und die zu referenzierende Referenzierungseinheit 14 beziehungsweise 18 für eine bestimmte
Zeit die Kalibrierstellung ein, so können die bekannten Positions-
und/oder Orientierungsdaten der Kalibriereinheit 36 durch
das Navigationssystem 22 der jeweiligen Referenzierungseinheit 14 beziehungsweise 18 zugeordnet
werden. Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheit 14 beziehungsweise
18 sind dann im ortsfesten Koordinatensystem 60 bekannt.
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Um
Fehler bei einer Messung von Bewegungen oder von Bewegungsbahnen
der Referenzierungseinheiten 14 und 18 im Raum
zu vermeiden, kann das Navigationssystem 22 insbesondere
so ausgebildet sein, dass eine Erfassung der Bewegungsbahnen der
Referenzierungseinheiten 14 und 18, also ein sogenannter
Navigationsbetrieb, erst dann aktivierbar ist, wenn die Positionen
der Referenzierungseinheiten 14 und 18 oder eventuell
weiterer Referenzierungseinheiten im Koordinatensystem 60 referenziert
wurden. Die Freigabe für
den Navigationsbetrieb erfolgt durch das Navigationssystem 22 insbesondere
automatisch. Des Weiteren ist das Navigationssystem 22 derart
ausgebildet und gegebenenfalls programmiert, dass der Navigationsbetrieb zeitlich
auf eine Betriebszeit tBetrieb begrenzt
wird oder begrenzbar ist. Auf Grund der Drift der Inertialsensoren
kann der Navigationsbetrieb auf eine Betriebszeit tBetrieb in
einem Bereich von 1 Sekunde bis 60 Minuten begrenzt werden. Vorzugsweise
wird die Betriebszeit tBetrieb auf 5 Minuten
begrenzt. Die Betriebszeit tBetrieb kann
insbesondere von einer Betriebszeitüberwachungseinrichtung überwacht
werden, die Teil des Navigationssystems 22 beziehungsweise
deren Datenverarbeitungseinheit 24 sein kann. Nach Ablauf der
Betriebszeit tBetrieb kann ein akustisches
und/oder optisches Warnsignal ertönen, so dass eine Bedienperson
des Navigationssystems 20 auf das Ende des Navigationsbetriebs
hingewiesen wird. Optional kann der Navigationsbetrieb durch das
Navigationssystem 22 auch automatisch beendet werden.
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Nach
Ablauf der Betriebszeit tBetrieb ist eine
erneute Referenzierung der mit Inertialsensoren ausgestatteten Referenzierungseinheiten 14 und 18 und gegebenenfalls
auch der Kalibriereinheit 36 erforderlich. Wie oben beschrieben
wird hierfür
zunächst
die Kalibriereinheit 36 mittels der Ursprung-Kalibrierlehre 42 referenziert
und dann wie weiter beschrieben vorgegangen.
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Die
Ursprung-Kalibrierung der Kalibriereinheit 36 ist schematisch
in 5 dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 wird
die Kalibriereinheit 36 mittels der Ursprung- Kalibrierlehre 42 im
ortsfesten Koordinatensystem 60 kalibriert. Danach kann
mittels der Kalibriereinheit 36 eine Referenzierungseinheit
nach der anderen im ortsfesten Koordinatensystem 60 referenziert
werden. Die Betriebszeit tBetrieb des Navigationsbetriebs
beginnt beispielsweise zum Zeitpunkt t1, zu
dem alle Referenzierungseinheiten 14 und 18 referenziert
wurden. Nach Ablauf der Betriebszeit tBetrieb,
also zum Zeitpunkt t2, werden die Messungenauigkeiten
durch ein Wegdriften der Inertialsensoren so groß, dass kein sinnvoller, das
heißt
ausreichend präziser,
Navigationsbetrieb mehr durchführbar
ist. Die Kalibriereinheit 36 muss daher erneut kalibriert
werden, beispielsweise zum Zeitpunkt tN.
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In
Fällen,
in denen eine Referenzierung in einem ortsfesten Koordinatensystem
nicht erforderlich ist, kann auf den oben beschriebenen Schritt
der Referenzierung der Kalibriereinheit 36 verzichtet werden.
Statt dessen reicht es aus, die Kalibriereinheit 36 und
die Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 jeweils
in eine Kalibrierstellung zu bringen. Hierfür können optional an den Referenzierungseinheiten 14 und 18 Kalibrierlehren 64 beziehungsweise 66 angeordnet
sein, die eine geometrisch eineindeutige Relativposition zwischen
der Kalibriereinheit und den Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 sicherstellen.
Beispielsweise können
die Kalibrierlehren 64 und 66 in ähnlicher
Weise wie die Ursprung-Kalibrierlehre 42 Aufnahmen 62 aufweisen,
in die ein distales Ende der Kalibriereinheit 36 mit der Palpierspitze 50 voran
einführbar
ist.
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Eine
sogenannte relative Referenzierung kann dann folgendermaßen durchgeführt werden. Wenn
die Kalibriereinheit 36 und die Referenzierungseinheit 14 in
definierter Weise die Kalibrierstellung einnehmen, kann insbesondere
ein Kalibriersignal erzeugt werden. Dies kann initialisiert werden durch
eine Bedienperson, beispielsweise durch Betätigung eines Hand- oder Fußschalters.
Das Kalibriersignal kann auch automatisch erzeugt werden, wenn die
Kalibrierstellung für
eine bestimmte Zeit tHalt eingenommen wird.
Alternativ kann auch ein Betätigungselement
automatisch betätigt
werden und ein Kalibriersignal erzeugen, wenn die Kalibriereinheit 36 und
die Referenzierungseinheit 14 die Kalibrierstellung einnehmen.
Beispielsweise kann die Referenzierungseinheit 14 mit einem
Mikroschalter ausgestattet sein, der, ähnlich wie der Mikroschalter 58 durch
die Palpierspitze 50 betätigbar ist. Selbstverständlich könnte der
Mikroschalter auch an der Kalibriereinheit 36 angeordnet
sein und durch einen zugeordneten Vorsprung an der Referenzierungseinheit 14 in
der Kalibrierstellung betätigt
werden. Mit den Inertialsensoren der Referenzierungseinheit 14 und
der Kalibriereinheit 36 werden auf beide Einheiten wirkende
Kräfte
bestimmt. Durch die Kalibrierung können die Kraftmesswerte im
Zeitpunkt t0 der Kalibrierung für beide
Inertialsensoren auf 0 gesetzt werden. So wird quasi ein Koordinatenursprung
eines nicht ortsfesten Koordinatensystems zum Zeitpunkt t0 definiert. Nachfolgend können alle
Messungen von Ort und/oder Orientierung der Referenzierungseinheit 14 und
der Kalibriereinheit 36 in Bezug auf die Kalibrierstellung
bestimmt werden. Insbesondere können
weitere Referenzierungseinheiten, beispielsweise die Referenzierungseinheit 18,
relativ zur Kalibrierstellung der Kalibriereinheit 36 und
der Referenzierungseinheit 14 referenziert werden, und
zwar indem die Kalibriereinheit 36 in eine Kalibrierstellung relativ
zur Referenzierungseinheit 18 gebracht wird und dieser
dann die Position und/oder Orientierung der Kalibriereinheit 36 bezogen
auf das nicht ortsfeste Koordinatensystem zugeordnet werden. Wenn
alle Referenzierungseinheiten in der beschriebenen Weise referenziert
wurden, läuft
wie bereits oben beschrieben die Betriebszeit tBetrieb,
während
der ein Navigationsbe trieb möglich
ist, das heißt
die Referenzierungseinheiten 14 und 18 können beliebig
bewegt und deren Bewegungsbahnen durch das Navigationssystem 22 erfasst
werden. Ferner können
während
des Navigationsbetriebs mit der Kalibriereinheit 36 auch
beliebige Punkte im Raum palpiert werden, und zwar je nach dem,
ob eine absolute oder relative Referenzierung vorgenommen wurde
bezogen auf ein ortsfestes oder nicht ortsfestes Koordinatensystem.
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Die
Vorgehensweise bei der relativen Referenzierung in einem nicht ortsfesten
Koordinatensystem ist schematisch in 7 dargestellt,
wobei im Diagramm die auf die Inertialsensoren wirkenden Kräfte 68 und
die Referenzierungseinheit 14 wirkenden Kräfte 70 beispielhaft
und zeitabhängig
dargestellt sind.
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Bei
einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine relative
Referenzierung der Referenzierungseinheiten 14 und 18 auch wie
folgt durchgeführt
werden. Zum Zeitpunkt t0 werden durch das
Navigationssystem 22 beide Referenzierungseinheiten 14 und 18 "genullt", das heißt im Zeitpunkt
t0 werden die von den Inertialsensoren der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 erzeugten
Signale zu Null gesetzt. Um Relativbewegungen der beiden Referenzierungseinheiten 14 und 18 relativ
zueinander in gewünschter
Weise bestimmen zu können,
können
die beiden Referenzierungseinheiten 14 und 18 mit
der Kalibriereinheit 36 nacheinander palpiert werden, oder
anders ausgedrückt, die
Kalibriereinheit 36 wird nacheinander jeweils in eine Kalibrierstellung
mit der Referenzierungseinheit 14 und mit der Referenzierungseinheit 18 gebracht. Wird
in der ersten Kalibrierstellung, beispielsweise in der Kalibrierstellung
der Kalibriereinheit 36 relativ zur Referenzierungseinheit 14 der
Kalibriereinheit 36 Position und/oder Orientierung der
Referenzierungseinheit 14 zugeordnet, so kann ein Abstand
zwischen den beiden Referenzierungsein heiten 14 und 18 auf einfache
Weise dadurch bestimmt werden, dass die Kalibriereinheit 36 als
nächstes
in eine Kalibrierstellung relativ zur Referenzierungseinheit 18 bewegt wird.
Nachfolgend können
beliebige Positions- und/oder
Orientierungsänderungen
der Referenzierungseinheiten 14 und 18 mittels
des Navigationssystems 22 erfasst und ausgegeben werden.
Nach Ablauf der Betriebszeit tBetrieb können die
Referenzierungseinheit 14 und 18 beispielsweise
automatisch wieder genullt werden. Das heißt, dass der Referenzierungseinheit 14 zum
Beispiel wiederum einen Messwert 0 zugeordnet wird und der Referenzierungseinheit 18 ein
Messwert, welcher der Differenz am Ende der Betriebszeit tBetrieb entspricht. Dadurch bleiben die Relativpositionen
der Referenzierungseinheiten 14 und 18 zueinander
erhalten, eine nochmalige Abstandsbestimmung mittels der Kalibriereinheit 36 ist
dann nicht erforderlich.
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Die
Vorgehensweise bei der relativen Referenzierung im letztgenannten
Fall ist in 6 schematisch dargestellt, wobei
die zeitabhängigen
Kraftkurven 70 und 72 den auf die Inertialsensoren
der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 wirkenden
Kräften
beispielhaft entsprechen.
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Je
nachdem, ob mit den Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 Positionen
und/oder Orientierungen in einem Koordinatensystem bestimmt werden
sollen, ist eine entsprechende Referenzierung erforderlich. Hierzu
können
beispielsweise die Referenzierungseinheiten 14 und 18 mit
sogenannten Kalibrierlehren ausgestattet sein, welche geometrisch
auf einen Teil oder Abschnitt der Kalibriereinheit 36 abgestimmt
sind, um eine eindeutige Orientierung, eine eindeutige Position
oder eine eindeutige Position einschließlich Orientierung zu definieren.
Analog trifft dies auch für
die oben beschriebene Ursprung-Kalibrierung zu, so dass die nachfolgend beschriebenen
Kalibrierlehren grundsätz lich
auch als Ursprung-Kalibrierlehren dienen könnten. Ferner sei angemerkt,
dass die Kalibrierlehren, wie sie nachfolgend beispielhaft beschrieben
werden, auch an der Kalibriereinheit 36 angeordnet sein
und mit entsprechenden Abschnitten oder Teilen der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 in
Eingriff gebracht werden können.
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Um
eine Achse vorzugeben, kann beispielsweise eine Kalibrierlehre 100 dienen,
die im Wesentlichen quaderförmig
ausgebildet ist und in einer Seitenfläche eine sich parallel zu Seitenkanten
erstreckende keilförmige
Nut 102 aufweist. Ein zylindrischer Abschnitt der Kalibriereinheit
kann an die Nut 102 angelegt werden und so eine Achse 104 definieren.
Schematisch ist die Kalibrierlehre 100 in den 8 und 9 dargestellt.
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Eine
alternative Kalibrierlehre 110 zur Definition einer Achse 112 ist
in 10 dargestellt. Die Achse 112 wird definiert
durch eine Durchgangsbohrung 114 durch den im Wesentlichen
quaderförmigen Körper der
Kalibrierlehre 110. Optional kann die Kalibrierlehre 110 auch
mit einem quaderförmigen
Vorsprung 116 versehen sein, welcher von einer Seitenfläche 118 absteht
und ebenfalls eine Achse definiert. Der Vorsprung 116 kann
jedoch auch als Universaladapter dienen, um die Kalibrierlehre 110 mit
einer der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 oder
der Kalibriereinheit 36 zu verbinden.
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Mit
der in den 11 und 12 schematisch
dargestellten Kalibrierlehre 120 lassen sich sowohl eine
Achse 122 als auch ein Punkt im Raum vorgeben. Ein im Wesentlichen
quaderförmiger Grundkörper der
Kalibrierlehre 120 ist zu diesem Zweck mit einer Sacklochbohrung 124 versehen,
deren Boden 126 einen Anschlag definiert, beispielsweise
für die
Palpierspitze 50 der Kalibriereinheit 36.
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Ebenfalls
ein Punkt und eine Achse für
eine Instrumentennavigation lassen sich mit der in den 13 und 14 dargestellten
Kalibrierlehre 130 durchführen, die im Wesentlichen der
Kalibrierlehre 100 entspricht, also ebenfalls eine keilförmige Nut 132 in
einer Seitenfläche
parallel zu Seitenkanten des quaderförmigen Körpers der Kalibrierlehre 130 aufweist.
Zusätzlich
ist ein Anschlag 134 vorgesehen, der von der durch die
Nut 132 definierten Achse 136 durchsetzt wird.
Der Anschlag 134 dient beispielsweise als Anschlag für die Palpierspitze 50 der Kalibriereinheit 36 zur
Definition eines Punktes.
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Zur
Referenzierung von Ebenen in einem Koordinatensystem können die
in den 15 und 16 beziehungsweise 17 und 18 schematisch
dargestellten Kalibrierlehren 140 und 150 verwendet
werden. Sie können
zudem als Sägelehren
eingesetzt werden. Die Kalibrierlehre 140 umfasst einen
im Wesentlichen quaderförmigen
Körper, der
in einer Seitenfläche
eine flache quaderförmige Nut 142 aufweist,
die optional an einem Ende mit einem Anschlag 144 verschlossen
sein kann. Ein Sägeblatt
kann beispielsweise in die Nut 142 eingelegt und in dieser
geführt
werden. Wird die Kalibrierlehre 140 in gewünschter
Weise in einem ortsfesten oder nicht ortsfesten Koordinatensystem
in eine gewünschte
Position gebracht, kann die Kalibrierlehre 140 auch direkt
als Sägelehre
verwendet werden, um beispielsweise einen Schnitt an der Tibia oder
dem Femur eines Patienten durchzuführen.
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Die
Kalibrierlehre 150 ist zur Definition einer Ebene mit einem
Schlitz 152 versehen, der insbesondere als durchgehender
Schlitz oder als Schlitz in Form eines Sacklochs ausgebildet sein
kann. Der Schlitz 152 kann insbesondere auch als Führung für ein Sägeblatt
dienen. Ein optional von einer Seitenfläche der Kalibrierlehre 150 abstehender
quaderförmiger
Vorsprung kann als Adapter 154 zur Verbindung der Kalibrierlehre 150 mit
einer der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 oder
der Kalibriereinheit 36 dienen.
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Die
in 19 schematisch dargestellte Kalibrierlehre 160 besteht
im Wesentlichen aus einem quaderförmigen Grundkörper mit
einem von einer Seitenfläche 164 senkrecht
abstehenden Adapter 162, welcher nicht rotationssymmetrisch
ausgebildet ist, um eine Verdrehsicherung bei der Verbindung der Kalibrierlehre 160 mit
einer der Referenzierungseinheiten 14 beziehungsweise 18 oder
der Kalibriereinheit 36 zu definieren. Weitere Seitenflächen 166 und 168 der
Kalibriereinheit 160 dienen zur Definition von Ebenen,
beispielsweise für
durchzuführende
Sägeschnitte.
Zusätzlich
können
die Seitenflächen 166 und 168 auch
mit seitlichen Begrenzungsanschlägen zur
zusätzlichen
Führung
eines Sägeblattes
versehen sein.
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Ein
Beispiel von zwei miteinander in eine eineindeutige Kalibrierstellung
bringbare Kalibrierlehren 170 und 180 ist in 20 dargestellt.
Die Kalibrierlehre 180 weist hierfür eine quaderförmige Aufnahme 184 auf,
in die ein Teil der Kalibrierlehre 170 formschlüssig einführbar ist.
Sowohl die Kalibrierlehre 170 als auch die Kalibrierlehre 180 sind
jeweils mit einem quaderförmigen
Vorsprung versehen, der sich senkrecht von jeweils einer Seitenfläche weg
erstreckt und einen Adapter 172 beziehungsweise 182 zur
Verbindung mit einer Referenzierungseinheit 14 beziehungsweise 18 oder
der Kalibriereinheit 36 bildet. Selbstverständlich wäre es auch
denkbar, eine der beiden Kalibrierlehren 170 oder 180 als
Ursprung-Kalibrierlehre zu verwenden.
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Die
in den 8 bis 20 dargestellten Kalibrierlehren
sind lediglich als Beispiele zu verstehen, um eindimensionale Referenzierungen,
also Richtungs-Referenzierungen,
zweidimensionale Referenzierungen, beispielsweise Ebenen-Referenzierungen,
und dreidimensionale Referenzierungen, insbesondere Punkt-Richtungs-Referenzierungen, durchzuführen. Selbstverständlich können für einen hochpräzisen Navigationsbetrieb
die genauen Abmessungen der Kalibrierlehren und deren Ausstattungen
vor dem Einsatz in Verbindung mit einem Navigationssystem 22 vorab
ermittelt werden. So kann beispielsweise eine Relativposition zwischen
der Palpierspitze 50 und der Kalibrierlehre, die an der
Kalibriereinheit 36 angeordnet ist, hochpräzise bestimmt werden.
Aus einer mittels des Navigationssystems 22 ermittelten
Position und/oder Orientierung der Kalibrierlehre lässt sich
so stets hochpräzise
auch eine Position und/oder Orientierung der Palpierspitze 50 bestimmen.