Die grundlegende Technologie von Navigationssystemen ist seit einigen Jahren bekannt. Sie ist erfolgreich auf medizinische Anwendungen übertragen worden, etwa zur Unterstützung von Operationen in der Neurochirurgie und der orthopädischen Chirurgie. Navigationssyste- me umfassen als wesentliche Teilkomponenten ein dreidimensionales Digitalisierungssystem, das die räumliche Position und Orientierung der chirurgischen Instrumente während der Ope- ration durch das Zusammenwirken von beweglichen Sendeelementen und stationären Emp- fängerelementen erfaßt, und einen Zentralrechner mit angeschlossenem Monitor, auf dem die aktuelle Instrumentenposition durch lagerichtige Einblendung in eine präoperative Aufnahme angezeigt wird.

Navigationssysteme bieten damit dem Operateur den wesentlichen Vorteil, während der Ope- ration jederzeit erfassen zu können, wo sich das von ihm geführte Instrument befindet. Dies ist vor allem von Bedeutung, wenn das Operationsgebiet nicht vollständig einsehbar ist, etwa bei Bohrungen in Knochen oder bei minimalinvasiven Operationstechniken. In diesen Fällen sind mit Hilfe der Navigationssysteme genauere und dokumentierbare Operationsergebnisse erzielbar, die weniger vom individuellen Geschick des Operateurs abhängen und das Risiko besonders für jüngere, weniger erfahrene Chirurgen begrenzen.

Bei chirurgischen Eingriffen, die mit Unterstützung von Navigationssystemen durchgeführt werden, wird in der Regel bereits während der präoperativen Planung auf Basis präoperativer Aufnahmen vom Operateur genau festgelegt, welche räumlichen Positionen das chirurgische Instrument während der Operation einnehmen muß. Diese Sollpositionen werden in den Zen- tralrechner des Navigationssystems übertragen, dort gespeichert und üblicherweise während der Operation zusammen mit der präoperativen Aufnahme und der Istposition des Instrumen- tes angezeigt.

Bei bekannten Ausführungsformen der Navigationssysteme werden Soll-und Istposition der chirurgischen Instrumente ausschließlich am Bildschirm des Zentralrechners angezeigt, indem üblicherweise entsprechende grafische Symbole in die präoperative Aufnahme des Operati- onsfeldes eingeblendet werden. Die Istposition wird auf dem Bildschirm entsprechend den vom Operateur ausgeführten und vom Digitalisierungssystem erfaßten Bewegungen ständig aktualisiert. Dazu sind umfangreiche Berechnungen im Zentralrechner erforderlich, die nur eine begrenzte Wiederhol-Frequenz des dargestellten Bildes auf dem Bildschirm ermöglichen und zu einer als sehr störend empfundenen verzögerten Darstellung führen können. Um die Bewegung der Instrumentenposition auf dem Bildschirm zu verfolgen, muß der Operateur fortlaufend zumindest für kurze Momente seinen Blick vom Operationsgebiet abwenden.

3 n Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, dass für den Operateur während der Operation die Nutzung des Navigations- systems verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass nur das Ergebnis des Vergleichs zwischen Soll-und Istpo- sition an einer gesonderten Leiteinrichtung für den Operateur wiedergegeben wird, kann der Operateur verzögerungsfrei eine Information über die räumliche Position des Instruments erhalten, weil der Rechenaufwand für diesen Vergleich erheblich geringer ist als der für die zusätzliche Wiedergabe der im Zentralrechner gespeicherten Bildinformation des Operations- feldes erforderliche Rechenaufwand. Zusätzlich wird eine solche Leiteinrichtung so gestaltet, dass sie in direkter Nähe des Operationsfeldes und im Gesichtsfeld des Operateurs angeordnet werden kann.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 in einer schematischen Darstellung den Aufbau der Vorrichtung, Fig. 2 schematisch die Ausgestaltung der Leiteinrichtung als Bildschirm über einem Ope- rationstisch, Fig. 3 eine optische Anzeigeeinrichtung, die am Instrument anbringbar ist, und Fig. 4 eine schematische Darstellung der Positionierung des Empfängers relativ zum Ope- rationsfeld.

In Fig. 1 ist mit 1 ein stationärer Empfänger einer Navigationseinrichtung mit Empfangsele- menten 2 bezeichnet, die Signale von einem am chirurgischen Instrument 3 angebrachten Sender 4 empfangen und über eine elektrische Leitung 8 an einen Zentralrechner 5 weiterge- ben. Der Sender 4 am chirurgischen Instrument 3 ist zur Ansteuerung über eine Leitung 9 mit dem Zentralrechner 5 bzw. einer in diesem angeordneten Versorgungseinheit verbunden. An den Zentralrechner 5 ist über eine Leitung 10 ein Bildschirm 6 angeschlossen, auf dem eine im Zentralrechner 5 erzeugte Darstellung des Operationsfeldes mit der Soll-und Istposition des chirurgischen Instruments wiedergegeben wird. Im Zentralrechner 5 ist eine Speicherein- richtung vorgesehen, in der die errechnete Bildinformation des Operationsfeldes und die er- forderlichen Sollpositionen des Instruments bei der Vorbereitung einer Operation eingegeben und gespeichert werden. Weiterhin zeigt der Zentralrechner 5 die von der Navigationsein- richtung erfaßte aktuelle Istposition des Instrumentes 3 zusammen mit der Sollposition und dem Operationsfeld auf dem Bildschirm 6 an. Dieser Aufbau ist an sich bekannt.

Erfindungsgemäß wird eine separate, beliebig positionierbare Leiteinrichtung 7 vorgesehen, die über eine Leitung 11 mit einer Vergleichseinrichtung im Zentralrechner 5 derart verbun- den ist, dass nur die Daten eines Vergleichs zwischen Soll-und Istposition des Instrumentes abgenommen und an der Leiteinrichtung 7 wiedergegeben werden. Hierdurch entfällt für die Leiteinrichtung der Berechnungsaufwand für die zusätzliche Wiedergabe des Operationsfel- des, so dass Soll-und Istposition des Instrumentes 3 verzögerungsfrei an der Leiteinrichtung 7 wiedergegeben werden können, während die Wiedergabe am Bildschirm 6 mit Verzögerun- gen erfolgt, weil zusätzlich das Operationsfeld mit eingeblendet wird.

Die Leiteinrichtung 7 kann z. B. als kleiner Bildschirm ausgestaltet sein, der im Gesichtsfeld des Operateurs positioniert und von diesem unmittelbar wahrgenommen werden kann, so dass er sich nicht vom Operationsfeld abzuwenden braucht, wenn er auf der Leiteinrichtung die Position des Instrumentes ablesen will.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leiteinrichtung in Form eines Bildschirms 20 über einem Operationstisch 12, an dem über Befestigungsschienen 13 ein Gelenkarm 14 ange- bracht ist, der den Bildschirm 20 über einem Patienten 15 auf dem Operationstisch hält, wobei über den Gelenkarm 14 die Leiteinrichtung in Form des Bildschirms 20 in eine für den Ope- rateur leicht einsehbare Position verstellt werden kann.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf dem Bildschirm 20 ein räumli- ches Koordinatensystem wiedergegeben, wobei das chirurgische Instrument 3'beispielsweise durch einen Strich wiedergegeben wird, der auf den Nullpunkt des Koordinatensystems be- wegt werden muss, der der Sollposition entspricht, wie dies durch gestrichelte Linien in Fig. 2 , angedeutet ist. Hierbei übernimmt die Leiteinrichtung vom Zentralrechner 5 lediglich die Daten der Istposition des Instruments 3 zur Anzeige in Form eines Striches, während die Sollposition durch den Nullpunkt des Koordinatensystems wiedergegeben wird.

Anstelle eines Koordinatensystems mit strichförmiger Darstellung des Instruments können auch in unterschiedlicher Farbe oder in unterschiedlicher Größe wiedergegebene Fadenkreuze oder dergleichen Markierungen auf dem Bildschirm 20 wiedergegeben werden, die einerseits die Sollposition und andererseits die Istposition wiedergeben.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Leiteinrichtung kann diese als Anzeigevorrichtung ausgebildet werden, die dem Operateur als Leitinformation nicht die absolute Position des chirurgischen Instruments anzeigt, sondern nur die Abweichung von der präoperativ festge- legten Sollposition. Hierdurch kann die Leiteinrichtung sehr klein ausgebildet werden, so dass sie direkt am chirurgischen Instrument befestigt werden kann, wie dies beispielsweise Fig. 3 zeigt. Hierbei ist an dem schematisch dargestellten chirurgischen Instrument 3 über einen Halter 16 eine Leiteinrichtung in Form einer optischen Anzeigeeinrichtung 21 angebracht ist, auf der beleuchtete Richtungspfeile 17 wiedergegeben werden, welche den Koordinatenrich- tungen eines räumlichen Koordinatensystems entsprechen und dem Operateur die Richtung angeben, in die er das Instrument bewegen muss, um die präoperativ festgelegte Sollposition zu erreichen. Bei dieser Ausgestaltung wird durch Aufleuchten eines oder mehrerer Rich- tungspfeile 17 dem Operateur angezeigt, in welche Richtung das von ihm geführte Instrument bewegt werden muss. Hierbei kann die Leuchtstärke der Richtungspfeile proportional zum Maß der Abweichung von der Sollposition gewählt werden.

Die Richtungspfeile 17 sind etwa sternförmig um eine Leuchtdiode 18 angeordnet, die bei- spielsweise grün aufleuchtet, wenn sich das Instrument 3 in der korrekten Sollposition befin- det. Anstelle von Richtungspfeilen kann eine Folge von Lichtpunkten oder Leuchtdioden vor- gesehen werden.

Während bei der Ausführungsform nach Fig. 2 die Sollposition durch den Nullpunkt des Ko- ordinatensystems fest vorgegeben ist, werden bei der Ausführungsform nach Fig. 3 nur Kor- rektursignale wiedergegeben, in welche Richtung eine Korrektur vorgenommen werden muss.

Die Sollposition selbst ist hierbei nicht dargestellt. Das Erreichen der Sollposition wird zweckmäßigerweise durch ein zusätzliches Signal wie die Leuchtdiode 18 angezeigt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Leiteinrichtung 7 als akustische Leiteinrichtung ausgebildet sein, die synthetisch erzeugte Sprachkommandos ausgibt, um dem Operateur an- zugeben, in welche Richtung er das chirurgische Instrument bewegen muss, um die Sollposi- tion zu erreichen. Anstelle von Sprachkommandos können auch Tonsignale verwendet wer- den, wobei unterschiedliche Tonfrequenzen zur Unterscheidung der erforderlichen Korrektur- richtung und eine der Abweichung proportionale Lautstärke verwendet werden können. Sol- che Tonsignale können auch zur Unterstützung der optischen Wiedergabe an der Leiteinrich- tung vorgesehen werden.

Weiterhin kann die Leiteinrichtung als Vibrationsgeber ausgebildet werden, der am Körper des Operateurs so angebracht wird, dass der Operateur durch die vom Vibrationsgeber abge- gebenen Schwingungen erkennt, in welche Richtung das chirurgische Instrument bewegt werden muss, um die Sollposition zu erreichen. Hierbei können auch mehrere Vibrationsge- ber vorgesehen werden, die an verschiedenen Stellen am Körper des Operateurs angebracht werden können. Die einzelnen Vibrationsgeber können durch die Anregungsfrequenz auch das Maß der Abweichung von der Sollposition dem Operateur als Information vermitteln.

Die Leiteinrichtung kann unabhängig von der Ausgestaltung auch auf drahtlosem Weg vom Zentralrechner 5 angesteuert werden, so dass keine störenden Kabel verlegt werden müssen.

Dies ist insbesondere bei einer Anbringung der Leiteinrichtung am Instrument 3 von Vorteil.

Insbesondere bei einer Anbringung der Leiteinrichtung direkt am Instrument 3 wird die Leiteinrichtung sterilisierbar ausgebildet.

Der bestimmungsgemäße Einsatz von Navigationssystemen im Operationssaal erfordert die sorgfältige Ausrichtung des stationären Empfängers 1 dergestalt, dass sein räumlicher Mess- bereich den Bewegungsraum der mit Sendeelementen 4 ausgestatteten chirurgischen Instru- mente im Operationsgebiet möglichst vollständig umfasst. Die Ausrichtung erfolgt überli- cherweise in zwei Ebenen durch Drehung des an einem Haltearm oder einem Stativ befestig- ten Empfängers um seine Horizontal-und Vertikalachse.

Bei bekannten Systemen besteht dabei die Schwierigkeit, dass das Bedienungspersonal, wel- . ches die Ausrichtung durchführt, allein aufgrund seines räumlichen Vorstellungsvermögens versuchen muss, eine möglichst optimale Einstellung zu finden. Der Stand der Technik be- kannter Systeme besteht darin, dass auf dem Bildschirm 6 des Zentralrechners 5 lediglich angezeigt wird, ob sich die Sendeelemente eines Instrumentes im Messbereich des Empfän- gers befinden oder nicht. Bei dem Ausrichtungsvorgang muss die ausführende Person durch zeitaufwendiges Probieren, das heißt durch Bewegen des Instrumentes in gewünschte Positio- nen, herausfinden, ob sich das Instrument bei den vorliegenden Einstellungen schon im Mess- bereich befindet oder wie die Drehwinkel des Empfängers um Horizontal-und Vertikalachse geändert werden müssen, um dies zu erreichen. Bekanntgewordene Einstellhilfen bestehen aus einer am Empfänger angebrachten Zusatzeinrichtung, die einen Lichtstrahl-beispiels- weise durch einen kleinen Laserzeiger-erzeugt, der genau auf der Messachse des Empfän- gers verläuft. Auch damit ist es der einrichtenden Person jedoch nicht möglich, das Zentrum und die Ausdehnung des beispielsweise kugelförmigen Messbereiches zu erkennen.

Die vorliegende Erfindung lehrt, dass die beliebig positionierbare Leiteinrichtung 7 auch dazu verwendet werden kann, um dem Bedienungspersonal eine wesentlich verbesserte Unterstüt- zung zur Erzielung der genauen, auf einfache Weise einstellbaren Ausrichtung des Empfän- gers 1 zu bieten. In der Einrichtungsphase des Navigationssystems wird dazu mit der Leitein- richtung 7 angezeigt, um welche Achsen und in welchen Drehrichtungen das Bedienungsper- sonal den Empfänger bewegen muss, um das Zentrum seines Messbereiches auf die momen- tane Position des mit Sendeelementen 4 ausgestatteten Instrumentes einzustellen. Ini Zentral- rechner 5 wird ein Programm implementiert, dessen Funktionalität erfindungsgemäß darin besteht, die Leiteinrichtung über die Verbindungsleitung 11 so anzusteuern, dass dem Bedie- nungspersonal über die Anzeigevorrichtung der Leiteinrichtung die erforderliche Änderung der Empfängerausrichtung signalisiert wird.

Die Einrichtung des Navigationssystems läuft im Einzelnen in folgenden Schritten ab. Das Bedienungspersonal führt das Instrument zunächst in eine Position, die im Messbereich des Empfängers 1 liegt. Die Software im Zentralrechner 5 berechnet erfindungsgemäß aus den gemessenen Raumkoordinaten des Instrumentes 3, wie die Empfängerausrichtung geändert werden muss, um das Zentrum des Messbereichs auf diese Instrumentenposition einzustellen.

Die Anzeigen der Leiteinrichtung werden darauf aufbauend so angesteuert, dass sie dem Be- dienungspersonal die erforderlichen Aktionen zur Änderung der Empfängerausrichtung si- gnalisieren. Sodann wird das Instrument langsam in Richtung auf das Zentrum des Operati- onsgebietes bewegt, wobei die Leiteinrichtung 7 fortlaufend signalisiert, wie die Empfän- gerausrichtung nachgestellt werden muss, um der Instrumentenbewegung zu folgen und die aktuelle Instrumentenposition weiterhin im Zentrum des Messbereiches zu halten. Unter An- wendung dieses Nachstellungsverfahrens wird das Instrument bis in das Zentrum des Opera- tionsgebietes geführt, so dass nach Abschluss der Nachstellung die Zentren von Operations- gebiet und Messbereich zusammenfallen. Das Operationsgebiet wird nun-'in bestmöglicher Weise durch den Messbereich des Empfängers 1 abgedeckt.

Gegenüber dem Stand der Technik bietet der erfindungsgemäße Einsatz der mobilen Leitein- richtung 7 wesentliche Vorteile. Die Ausrichtung des Empfängers 1 kann statt mittels Pro- bierverfahren zielgerichtet und damit wesentlich schneller erfolgen, es wird reproduzierbar das bestmögliche Ergebnis der Empfängerausrichtung erreicht, und es sind keine zusätzlichen Hardwarekomponenten, beispielsweise in Form eines Laserzeigers, erforderlich.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt, wie die Anzeigen zur Signalisierung der erforderlichen Drehbewegungen des Empfängers auf einer Leiteinrichtung 7 aussehen kön- nen, die in Form eines kleinen Bildschirmes 20 ausgeführt ist. Die Software im Zentralrech- ner 5 wird erfindungsgemäß so programmiert, dass sie auf dem Bildschirm entweder ein zweigeteiltes Bild oder zwei aufeinander folgende, jeweils ungeteilte Bilder erzeugt. Die Bil- der zeigen symbolisch in Aufsicht 22 und Seitenansicht 23 den Empfänger 1, den kugelförmig angenommenen Messbereich 24 des Empfängers, die momentane Position 25 des Instrumen- tes im Messbereich, die vertikale beziehungsweise horizontale Drehachse 26, Richtungspfeile 27 mit einer Gradzahl 28, die Richtung und Größe der erforderlichen Drehwinkel angeben, und in gestrichelter Darstellung die gewünschte Zielposition der Empfängerausrichtung. Aus der Darstellung der momentanen Instrumentenposition im Messbereich und den weiteren Richtungspfeilen 27 mit Millimeterangabe 29 kann auch entnommen werden, wie die Grund- position von Stativ oder Haltearm des Empfängers linear verschoben werden muss, wenn das Zentrum des Messbereiches nicht allein durch Drehbewegungen auf diese Instrumentenposi- tion justiert werden kann.

Bei einer anderen Ausfihrungsform der Leiteinrichtung 7 gemäß Fig. 3 geben die beleuchte- ten Richtungspfeile 17 die erforderlichen Bewegungen zur optimalen Ausrichtung des Emp- fängers an. Dabei zeigen die mit"z"gekennzeichneten Pfeile die erforderliche Drehung um die vertikale Achse des Empfängers, die mit"y"gekennzeichneten Pfeile die Drehung um die horizontale Achse des Empfängers und die mit"x"gekennzeichneten Pfeile die erforderliche lineare Bewegung des Stativs oder Haltearms des Empfängers an. Das Erreichen der optima- len Ausrichtung wird durch ein zusätzliches Signal wie die Leuchtdiode 18 angezeigt.

Die Erfindung lehrt weiter, dass die erforderlichen Bewegungen zur Ausrichtung des Emp- fängers außer durch die Leiteinrichtung 7 auch durch einef Anzeige auf demg Bildschirm 6 des Zentralrechners 5 angezeigt werden können. Ein Ausführungsbeispiel stellt die Erzeugung von ein oder zwei symbolischen Bildern dar, wie sie oben für eine Leiteinrichtung mit klei- nem Bildschirm 20 anhand von Fig. 4 erläutert wird.