Vorrichtung zur Referenzierung eines Koordinatensystems Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Referenzierung eines Koordinatensystems gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 2.
In vielen Fällen werden ortsveränderliche Messgeräte oder bildgebende Geräte eingesetzt, wobei deren Lage je nach Messung verändert werden muss. Einige dieser Geräte verändern ihr Verhalten je nach Ausrichtung zum Gravitationsfeld der Erde, z. B. aufgrund von Materialdeformationen. Das kann zu Messfehlern bzw. zu fehlerhaften Bildern führen. Zur Korrektur oder Kompensation dieser Fehler ist eine akkurate Messung der Richtung des Gravitationsfeldes der Erde bezüglich der Ausrichtung des Messgerätes notwendig.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen im lokalen Schwerefeld ausgerichteten Vektor zu ermitteln. Dieser Vektor liegt innerhalb eines Raumes, zum Beispiel eines Operationsraumes, mit Gegenständen, welche im Raum und zu einem raumfesten Koordinatensystem ausgerichtet sind.
Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung soll ermöglicht werden, dass die gravitationsabhängige Deformation von Körpern im Raum ermittelt werden kann. Dies geschieht durch vorgängige Bestimmung der Deformation des Körpers abhängig von seiner Lage gegenüber dem im lokalen Gravitationsfeld ausgerichteten Vektor.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einem im Raum aufgehängten, sich im lokalen Schwerefeld ausrichtenden Körper, welcher die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2 aufweist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist so an einem Rahmen befestigt, dass sie frei schwingen und sich aufgrund ihrer Massenverteilung im Schwerefeld ausrichten kann.
Die Lage des zum Schwerefeld ausgerichteten Vektors wird mittels an die Vorrichtung montierter Light Emitting Dioden und einer im Operationsraum befindlichen Sensor-und Auswerteeinheit ermittelt. Anstelle der Light Emitting Dioden können auch andere elektromagnetische Wellen resp. Schallwellen emittierende Sender oder Reflektoren eingesetzt werden. Die Ermittlung der Lage der Raumkoordinaten kann über optische Sensoren oder Schallsensoren (Mikrophone), welche die von den beiden am Körper angebrachten Sendern emittierten resp. reflektierten elektromagnetische Wellen oder Schallwellen empfangen, und eine elektronische Auswerteeinrichtung erfolgen.
Falls Schallwellen eingesetzt werden, können auch die Sender irgendwo im Raum und die Empfänger an der erfindungsgemässen Vorrichtung angebracht werden. Ebenso möglich ist die Ermittlung der Lage der zum Schwerefeld ausgerichteten Koordinatenachsen mittels an die Vorrichtung montierter Spulen und anderen ebenfalls im Operationsraum installierten Spulen durch Induktionsmessung und deren Auswertung in der Auswerteeinheit.
Damit ist der Vorteil erzielbar, dass innerhalb eines Raumes, zum Beispiel innerhalb eines Operationsraumes ein Koordinatensystem ermittelt werden kann, dessen eine Achse mit der Richtung des lokalen Schwerefeldes übereinstimmt. Dieses Koordinatensystem kann als Referenzsystem zur Lageermittlung und zur Erfassung von Bewegungen von Gegenständen bei der Medizinischen Robotertechnik, bei der Computer assistierten Chirurgie und Navigation (CAS) sowie bei der bildgeführten Chirurgie (Image guided surgery) und Navigation dienen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass die Schwingfähigkeit des im Raum aufgehängten, sich im lokalen Schwerefeld ausrichtenden Körpers gedämpft ist. Als Dämpfungseinrichtungen können mechanische Vorrichtungen, wie Federn oder ein Wasserbad, oder auch elektromagnetische Dämpfungselemente eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass Erschütterungen keinen Einfluss auf die Ausrichtung des Körpers haben und dieser nicht zu schwingen beginnt oder ein schnelles Ausschwingen gewährleistet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass der Körper an einem Rahmen kardanisch aufgehängt ist und sich somit im örtlichen Schwerefeld ausrichten kann. Der Rahmen kann zum Beispiel der Operationstisch, eine Instrumentenablage oder ein anderer Gegenstand im Operationsraum sein. Die kardanische Aufhängung ermöglicht dem Körper die Orientierung im Raum in mindestens zwei Freiheitsgraden, so dass sich der Körper auch bei Lageänderungen des Rahmens immer nach dem Schwerefeld orientieren kann.
Wieder eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass sie mit mindestens zwei raumfesten Kameras und einer Auswerteeinheit ausgerüstet ist und sich damit videogrammetrisch die Lage der Raumkoordinaten des Koordinatensystems durch die Aufnahme der von den beiden am Körper angebrachten Sendern oder Reflektoren abgegebenen elektromagnetischen Wellen ermitteln lässt.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass sie zusätzlich mit mindestens zwei Kameras und einer Auswerteeinheit ausgerüstet ist und dass die zusätzlichen Kameras zur Aufnahme der von den beiden Sendern oder Reflektoren abgegebenen elektromagnetischen Wellen nicht raumfest angeordnet sind und dass der Gravitationsvektor bezüglich eines anderen im Raum befindlichen Starrkörpers berechnet wird.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass sie zusätzlich mit mindestens zwei raumfesten Kameras und einer Auswerteeinheit ausgerüstet ist und dass die zusätzlichen Kameras digitale Kameras sind. Wiederum eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass sie zusätzlich mit mindestens zwei optischen Sensoren ausgerüstet ist und die von den beiden Sendern oder Reflektoren abgegebenen elektromagnetischen Wellen von diesen optischen Sensoren detektiert werden.
Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass sie zusätzlich mit mindestens zwei zu einem Computer Assisted Surgery System (CAS) gehörenden, optischen Sensoren ausgerüstet ist und mit Hilfe der Sensoren und der zum Computer Assisted Surgery System gehörenden Auswerteeinheit die Lage der Raumkoordinaten des Koordinatensystems durch die Aufnahme der von den beiden Sendern oder Reflektoren abgegebenen elektromagnetischen Wellen mittels optischer zu einem Computer Assisted Surgery-System gehörenden Sensoren ermittelt wird.
Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass zusätzlich mindestens zwei raumfeste akustische Sensoren enthalten sind und die von den beiden Sendern emittierten Schallwellen von diesen akustischen Sensoren detektiert werden.
Wiederum eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass zusätzlich mindestens zwei raumfeste akustische Sender enthalten sind und die von den beiden Sendern emittierten Schallwellen von den an der erfindungsgemässen Vorrichtung angebrachten Empfängern detektiert werden. Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass an dem sich im lokalen Schwerefeld ausrichtenden Körper mindestens zwei im Abstand A angeordnete, akustische Wellen detektierende Mittel angebracht sind und diese Mittel Mikrophone sein können.
Wiederum eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass sie zusätzlich mit mindestens zwei Schallwellen emittierenden Sendern und einer Auswerteeinheit ausgerüstet ist und die von den mindestens zwei Sendern emittierten Schallwellen von den Mikrophonen an der erfindungsgemässen Vorrichtung detektiert werden und sich damit durch die Auswertung von Interferenzeffekten die Lage der Raumkoordinaten des Koordinatensystems ermitteln lässt.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass sie zusätzlich mit mindestens zwei zu einem Computer Assisted Surgery System (CAS) gehörenden, akustischen Sendern ausgerüstet ist und mit Hilfe der Mikrophone und der zum Computer Assisted Surgery System gehörenden Auswerteeinheit die Lage der Raumkoordinaten des Koordinatensystems durch die Aufnahme der von den mindestens zwei Sendern emittierten Schallwellen durch die Mikrophone ermittelt wird.
Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass an dem sich im lokalen Schwerefeld ausrichtenden Körper mindestens zwei im Abstand A angeordnete, ein Magnetfeld detektierende Mittel angebracht sind und diese Mittel Spulen sein können. Wiederum eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass sie zusätzlich mit mindestens einer ein Magnetfeld aufbauenden Spule und einer Auswerteeinheit ausgerüstet ist und das aufgebaute Magnetfeld von den Spulen an der erfindungsgemässen Vorrichtung detektiert wird und sich damit durch die Auswertung der magnetischen Induktion die Lage der Raumkoordinaten des Koordinatensystems ermitteln lässt.
Wieder eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass sie zusätzlich mit mindestens einer zu einem Computer Assisted Surgery System (CAS) gehörenden, ein Magnetfeld aufbauenden Spule ausgerüstet ist und mit Hilfe der Spulen an der erfindungsgemässen Vorrichtung und der zum Computer Assisted Surgery System gehörenden Auswerteeinheit die Lage der Raumkoordinaten des Koordinatensystems durch die Aufnahme des aufgebauten Magnetfeldes durch die Spulen an der erfindungsgemässen Vorrichtung ermittelt wird.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung liegt darin, dass durch eine relativ einfache Erweiterung mit einem minimalen apparativen Aufwand ein bestehendes CAS-System mit einem konstanten Referenz-Koordinatensystem ausgerüstet werden kann. Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der teilweise schematischen Darstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.
Es zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Anordnung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem Rahmen und einem Tisch und den Koordinatensystemen ; Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ; Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ; und Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsart des zur erfindungsgemässen Vorrichtung gehörenden, sich im Schwerefeld 3 ausrichtenden Körpers 4 zusammen mit einem Rahmen 8 und zwei Lichtwellen ausstrahlenden Sendern 5 dargestellt. Die Aufhängung 6 des Körpers 4 ist bei dieser Ausführungsform durch einen Draht 14 realisiert, welcher an einem Rahmen 8 befestigt ist. Dieser Rahmen 8 ist wiederum mit einem Operationstisch 9 oder anderen sich im Operationsraum befindenden Gegenständen verbunden. Die von den beiden Sendern 5 emittierten Lichtwellen werden von zwei mit einem CAS System 16 verbundenen optischen Sensoren 13 detektiert. Die durch die optischen Sensoren 13 empfangenen Signale lassen sich mittels Interferometrie oder Videogrammetrie in einem Computersystem 16 verarbeiten und als Koordinatensystem 1 im Raum 2 mit einer zur Schwerkraft parallelen Achse darstellen. Dieses Koordinatensystem 1 kann in der medizinischen Robotertechnik oder in der computerassistierten Chirurgie und Navigation als Referenzsystem zur Vermessung dienen und braucht nicht zwangsläufig zu einem am Operationstisch orientierten Koordinatensystem 12 parallele Achsen zu haben.
Fig. 2 stellt eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Körpers 4 mit den im Abstand A befestigten Lichtquellen 5 dar.
Der Körper 4 ist mittels eines Drahtes 14 an einem Rahmen 8 so aufgehängt, dass er sich im lokalen Schwerefeld 3 ausrichten kann. Die von den beiden Sendern 5 emittierten Lichtwellen werden von zwei mit einem CAS System 16 verbundenen Kameras 10 detektiert. Die durch die Kameras 10 empfangenen Signale lassen sich mittels Videogrammetrie in einem Computersystem 16 verarbeiten und als Koordinatensystem 1 im Raum 2 mit einer zur Schwerkraft parallelen Achse darstellen. Dieses Koordinatensystem 1 kann in der medizinischen Robotertechnik oder der computerassistierten Chirurgie und Navigation als Referenzsystem zur Vermessung dienen.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform nur dadurch, dass die Aufhängung 6 so gestaltet ist, dass der Körper 4 mittels einer kardanischen Aufhängung 15 am Rahmen 8 frei schwingbar aufgehängt ist und sich dadurch in Richtung des lokalen Schwerefeldes 3 ausrichten kann.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung nur dadurch, dass der Körper 4 teilweise in ein Flüssigkeitsbad 7 eingetaucht ist und damit Schwingungen gedämpft werden können.
