Verfahren zur Bestimmung einer Werkzeugeingriffsrichtung und Durchführung des Werkzeugeingriffs

Um an Werkstücken Bohrungen, Ausfräsungen oder Sägeschnitte mit einer vorbestimmten räumlichen Orientierung und Tiefe vornehmen zu können, sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Verfahren bekannt. Ein bekanntes Verfahren ist das Kennzeichnen des Werkstücks mit einem Punkt oder einer Linie, wobei der Punkt der Mittelpunkt einer Bohrung sein kann und die Linie den Verlauf eines Säge- Schnitts kennzeichnet.

Um in ein Werkstück vorbestimmte Ausnehmungen einbringen zu können, sind grundsätzlich die erforderlichen geometrischen Beziehungen zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug herzustellen. Ist z. B. ein angekörntes Werkstück in einen Schraubstock eingespannt, der frei verschiebbar auf dem Tisch einer Ständerbohrmaschine aufliegt, so muß der Schraubstock von dem Arbeiter mit der einen Hand so verschoben werden, daß die Bohrerspitze genau über der Körnung liegt. Mit der anderen Hand betätigt der Arbeiter den Hebel zum Absenken der Bohrspindel, um das vorgesehene Loch zu bohren. Wenn das Loch eine vorbestimmte Tiefe aufweisen soll, wird der Arbeiter die an der Bohrspindel vorgesehene Skala beobachten, von der er das Maß der Absenkung des Bohrers ermitteln kann.

Um das gleiche Werkstück mit der gleichen Bohrung zu versehen, ist auch der Einsatz eines Bohrroboters denkbar, der mit einer Bilderkennungsvorrichtung ausgestat- tet ist, die automatisch die Lage des Werkstücks erkennt, sodass mittels eines Rechenprogramms bestimmt werden kann, wie der Roboterkopf mit dem Bohrer auszurichten und zu führen ist.

Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, bei denen der meßtechnische Zugang zu dem zu bearbeiteten Werkstück schwierig ist. So kann es z. B. erforderlich sein, aus einem archäologischen Fund, wie z. B. einer Mumie, eine Probe zu nehmen. Ohne ausführliche Erläuterung der Notwendigkeit sei vorausgesetzt, dass dabei die Mumie nur minimal geöffnet werden darf.

Zur Lösung dieser Aufgabe bietet sich ein aus der Medizintechnik bekanntes sogenanntes Navigationssystem an. Es handelt sich hier um ein System mit einer Navigationskamera, die in der Lage ist, Referenzpunkte im Raum zu erkennen. Werden die- se Referenzpunkte am Werkzeug und am Werkstück, im medizinischen Bereich an einem Körperteil, befestigt, so kann mittels des der Kamera zugeordneten Rechners die räumliche Beziehung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug hergestellt werden. Dem Fachmann ist klar, dass dazu auch die Geometrie des Werkzeugs und des Werkstücks und die Lage der Referenzpunkte bezüglich des Werkzeugs und des Werkstücks bekannt sein müssen. Diese Arbeitsschritte sind hinreichend bekannt, weil sie aus den Bedienungsanleitungen der Navigationssysteme entnehmbar sind. Zur Herstellung einer Bohrung ist es somit möglich, das Werkstück gemeinsam mit dem Werkzeug und der vorgesehenen virtuellen Bohrachse auf einem Bildschirm darzustellen. Die Bohrmaschine wird nun von Hand so geführt, daß ihre räumliche Lage und ihre Vorwärtsbewegung, d. h. Bohrvorschubbewegung, mit der virtuellen Bohrachse zusammenfällt. Dabei muß der Operateur mit Blick auf den Monitor, d. h. weg vom eigentlich relevanten Arbeitsfeld, das Werkzeug solange ausrichten und verschieben, bis die Ist- und Sollposition identisch sind. Diese Hand-Auge-Koordination ist anstrengend und setzt ein gutes räumliches Vorstellungsvermögen und viel Training voraus.

Diese Technik ist in den Dokumenten US 6,226,548; US 6,747,646; US 6,725,080; US 6,697,664; US 6,535,756; US 6,470,207; US 6,205,411 beschrieben. Neben den meist verwendeten optischen Navigationskameras kann die Positions- und Orien- tierungserkennung auch durch ultraschallbasierte oder elektromagnetische, u. a. De- tektionsverfahren erfolgen, wie z. B. in dem Dokument US Pat. 6,503,249 beschrieben. Die geschilderten Verfahrensabläufe sind aber identisch.

Um dem Arbeiter oder dem Operateur, nachfolgend nur noch Operateur genannt, von der schwierigen Hand-Auge-Koordination zu entlasten, gibt es die Möglichkeit, mechanische Lehren zu verwenden, die das Werkzeug, wie z. B. den Bohrer oder ein Sägeblatt mechanisch führen, so daß der Operateur nur noch eine Bewegung mit z. B. einem einzigen Freiheitsgrad ausführen muß. Die Schwierigkeit bei dieser Technik besteht darin, diese mechanische Lehre in die richtige geometrische Position zum Werkstück oder zu dem zu bearbeitenden Körperabschnitt auszurichten und zu fixieren. Prinzipiell ist das möglich mit einem in dem Dokument US. 6,837,892 beschriebenen Roboter in Kombination mit einem Navigationssystem.

Es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen ein Roboter aufgrund seiner Größe und Sperrigkeit, seines Gewichts und seiner mechanischen Empfindlichkeit nicht geeignet ist. Solche Anwendungsfälle liegen sowohl im medizinischen, als auch im nichtmedizinischen Bereich. Es ist z. B. für den Fachmann klar, daß ein derartiger Robo- ter wenig geeignet ist, wenn eine medizinische Operation an einem lebenden Menschen vorgenommen werden soll und der sperrige Roboter steril zu halten ist. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Preis eines solchen Roboters.

Es besteht daher die Aufgabe der Erfindung, eine Technik zum Führen eines Werk- zeugs bereitzustellen, die eine Führung des Werkzeugs z. B. im Sinn einer Bohrlehre oder einer Anlage zum Anlegen einer Säge ermöglicht. Dabei soll das Werkzeug durch eine solche Werkzeugführung so ausgerichtet sein, dass das Werkzeug in der vorgesehenen räumlichen Orientierung in das Werkstück eindringt.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren weist nachfolgende Verfahrensschritte auf: a. Befestigung eines geometrisch vorbestimmten Referenzkörpers an dem zu bearbeitenden Werkstück, wobei der Referenzkörper

- Referenzmerkmale aufweist, die bei einer mathematischen Auswertung von Abbildungen, die aus unterschiedlichen Raumwinkeln von dem Referenzkörper erstellt

wurden, eine eindeutige Bestimmung der Ausrichtung, d.h. Orientierung und Position, des Referenzkörpers im Raum zulassen und

- ein Referenzkörper-Kupplungsstück zum mechanisch definierten Ankuppeln einer Werkzeugführung vorgesehen ist, wobei das Referenzkörper-Kupplungsstück entweder einstückig mit dem Referenzkörper verbunden ist oder mit dem Referenzkörper über eine definierte starre Verbindungskonstruktion verbunden ist,

b. Erstellung von wenigstens 2 Bildern mittels der potenziell in dem jeweiligen An- Wendungsbereich einsetzbaren bildgebenden Verfahren, z.B. 2 Röntgen- oder Ultraschallbilder, aus unterschiedlichen Raumwinkeln, auf denen sowohl die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks als auch die Referenzmerkmale des Referenzkörper abgebildet sind. Sind die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks als auch die Referenzmerkmale des Referenzkörper nicht gleichzeitig auf 2 Bildern abbildbar, können auch alternativ mehr Bilder gemacht werden mit der Bedingung, dass mindestens 2 Bilder die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks und 2 Bilder die Referenzmerkmale des Referenzkörper abbilden und die Koordinatensysteme sämtlicher Bilder zueinander exakt bekannt sind z. B. durch Wegmesssysteme in mobilen C-Bogen-Röntgengeräten.

c. Berechnung von Richtungskoordinaten, ausgehend von der Raumlage des Referenzkörpers und den Raumkoordinaten des Werkstückvolumens, das zu bearbeiten ist, wobei unter Bearbeiten das Entfernen, Verändern oder Hinzufügen von Material, z. B. Implantate zu verstehen ist,

d. Bereitstellen einer Werkzeugführung, die entweder einstückig mit dem Referenzkörper verbunden ist oder in nur einer definierten und bekannten Lagebeziehung an dem Referenzkörper befestigbar ist und die geeignet ist, ein zur Bearbeitung des Gegenstandes geeignetes Werkzeug zu führen. D.h., es kann verschiedene Ausfüh- rungen geben, bei denen entweder die Werkzeugführung von dem Referenzkörper abkoppelbar ist oder die Werkzeugführung mit dem Referenzkörper fest verbunden ist.

e. Einstellen der Werkzeugführung, ausgehend von den im Schritt c ermittelten Richtungskoordinaten mithilfe einer Einstellvorrichtung, wobei die Einstellvorrichtung entweder einstückig mit der Werkzeugführung verbunden ist oder ein Einstellvorrich- tungs-Kupplungsstück aufweist, auf das die Werkzeugführung definiert aufsetzbar ist und die Werkzeugführung dann in eine Raumlage justiert wird, in der das Werkzeug in der gewünschten Richtung geführt wird, wenn die Werkzeugführung mit dem Referenzkörper-Kupplungsstück verbunden ist. Dieser letztgenannte Schritt entfällt selbstverständlich, wenn eine einstückige Ausführung vorliegt. Mit anderen Worten, es kann verschiedene Ausführungen geben, bei denen entweder die Werkzeugfüh- rung von einer separaten Einstellvorrichtung definiert an- und abkoppelbar ist oder die Werkzeugführung mit einer Einstellvorrichtung fest verbunden ist.

f. Verbinden der eingestellten Werkzeugführung mit dem Referenzkörper- Kupplungsstück. Dieser Schritt entfällt selbstverständlich, wenn eine einstückige Ausführung vorliegt, bei der die Werkzeugführung fest mit dem Referenzkörper verbunden ist.

g. Ansetzen des Werkzeugs an die Werkzeugführung und Durchführung der Bearbeitung.

Es ist besonders zu betonen, dass in Verbindung mit den Punkten a-f folgende verschiedene Ausführungen möglich sind. So kann es Ausführungen geben, bei denen der Referenzkörper, die Werkzeugführung und die Einstellvorrichtung fest miteinander verbunden sind. Desweiteren kann es Ausführungen geben, bei denen der Refe- renzkörper und die Werkzeugführung fest miteinander verbunden sind und die Einstellvorrichtung mittels eines Einstellvorrichtungs-Kupplungsstücks an die Werkzeugführung definiert aufsetzbar ist. Desweiteren kann es Ausführungen geben, bei denen der Referenzkörper mittels eines Referenzkörper-Kupplungsstücks definiert mit der Werkzeugführung koppelbar ist und die Einstellvorrichtung ebenfalls mittels eines Einstellvorrichtungs-Kupplungsstücks an die Werkzeugführung definiert aufsetzbar ist. Schließlich kann es Ausführungen geben, bei denen zusätzlich die Kupplungs-

stücke zwischen Referenzkörper und Werkzeugführung und/oder zwischen Werkzeugführung und Einstellvorrichtung definiert an- und abkoppelbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels aus dem medizinischen Bereich erläutert:

Das Verfahren wird beispielsweise mit einem C-Bogen-Röntgengerätes durchgeführt. Dabei wird als erster Schritt ein Referenzkörper exakt bekannter Geometrie an dem zu operierenden, d. h. zu bearbeitenden Werkstück befestigt. Dieser Referenzkörper muss Strukturmerkmale aufweisen, die durch das jeweilige bildgebende Verfahren detektierbar sind (z. B. Metallkugeln bei röntgenbasierten Verfahren), und deren räumliche Anordnung eineindeutig sind.

Als nächster Schritt werden mindestens zwei Röntgenbilder aus verschiedenen Raumwinkeln von dem Referenzkörper und mindestens zwei Röntgenbilder aus verschiedenen Raumwinkeln von der Zielstruktur angefertigt. Entweder sind auf 2 Aufnahmen sowohl der Referenzkörper als auch die Zielstruktur gleichzeitig abgebildet oder die Koordinatensysteme der Aufnahmen von Referenzkörper und Zielstruktur müssen zueinander exakt bekannt sein (z.B. durch Wegmesssysteme in mobilem C- Bogen-Röntgengerät genau messbar). Damit sind die Aufnahmen zueinander virtuell in einer Rechnereinheit präzise ausrichtbar. Nun erfolgt eine rechnergestützte manuelle bzw. (semi-)automatische Detektion/Markierung sowohl der eindeutigen Strukturmerkmale des Referenzkörpers als auch der Zielstruktur auf den mindestens 2 Bildern. Nach exakter Detektion der Merkmale des Referenzkörpers bekannter Geo- metrie werden mittels mathematischer Beziehungen die Raumwinkel der Bilder zueinander exakt bestimmt und auch die räumliche Lage des Referenzkörpers gegenüber der 3D Zielstruktur. Zur Festlegung des 3D-Zielpunktes wird schließlich rechnergestützt manuell bzw. (semi-)automatisch das Zentrum der Zielstruktur, z.B. eines zu biopsierenden Tumors, im ersten Röntgenbild (Röntgenbild 1) markiert. Dabei ist die Bildreihenfolge willkürlich, d.h. es ist unerheblich, ob dieser Punkt zuerst im ersten oder im zweiten Röntgenbild (Röntgenbild 2) markiert wird. Nach der räumlichen Konstruktion einer Geraden, die senkrecht auf der Röntgenbildebene 1 steht und

gleichzeitig durch die punktförmige Markierung des Zielpunktes in Röntgenbild 1 läuft, kann diese Gerade - durch die räumlich bekannte Abhängigkeit der beiden Röntgenbilder 1 und 2 - auf die Röntgenbildebene 2 als Linie - vom Fachmann Epi- polarlinie genannt - projiziert werden. Diese Beziehung gilt, wenn der Raumwinkel zwischen beiden Bildebenen größer als null ist. Deshalb ist oben ausgeführt, dass mindestens 2 Röntgenbilder aus unterschiedlichen Raumwinkeln notwendig sind. Mit anderen Worten ausgedrückt kann nach Markierung eines Zielpunktes in Röntgenbild 1 eine dem Fachmann bekannte, eindeutige Epipolarlinie in Röntgenbild 2 berechnet werden. Entsprechend den Gesetzen der Epipolargeometrie liegt die Ziel- Struktur korrespondierend in Röntgenbild 2 auf der Epipolarlinie. Wenn nun auf der Epipolarlinie ein Punkt rechnergestützt manuell bzw. (semi-)automatisch detek- tiert/markiert wird, der sich im Zentrum der Zielstruktur befindet, ist damit ein exakter 3D Zielpunkt bestimmt. Dieser stellt damit exakt die Projektion der beiden korrespondierenden Punkte dar, die in Röntgenbild 1 und 2 markiert wurden. D.h. stellt man sich den ermittelten 3D Zielpunkt und die beiden Röntgenbildebenen im Raum schwebend vor, projiziert sich der 3D Zielpunkt exakt sowohl auf den markierten Punkt in Röntgenbild 1 als auch auf den markierten Punkt in Röntgenbild 2.

Ergänzend kann zu diesem Zeitpunkt auch die Richtung des operativen Eingriffes beispielsweise im Sinne einer 3D Zieltrajektorie mit Festlegung der Werkzeugeingriffsrichtung virtuell geplant werden. Dazu kann man einen beliebigen Punkt, z.B. im Bereich einer günstigen Werkzeug-Eintrittsfläche, im Röntgenbild 1 markieren. Daraus ergibt sich - analog zu dem oben beschriebenen Verfahren zur Festlegung des 3D Zielpunktes - direkt eine eindeutige Epipolarlinie in Röntgenbild 2, auf der ein zweiter Punkt markiert wird; dadurch ist ein exakter 3D Punkt bestimmt und die gerade Verbindung dieses geplanten Raumpunktes mit dem 3D Zielpunkt ergibt direkt die 3D Zieltrajektorie.

Da der am Werkstück fixierte Referenzkörper außerdem an exakt bekannter Stelle eine Schablonenaufnahme mit bereits beschriebenen Eigenschaften aufweist, kann nun nach Kenntnis der räumlichen Beziehung der Zielstruktur gegenüber dem Refe-

renzkörper und damit gegenüber der Schablonenaufnahme eine exakte 3D Transformation berechnet werden.

Für die mechanische Umsetzung z. B. mit Einsatz eines Bohrers ist nun die individu- eile Einstellung einer mechanischen Werkzeugführung in Form einer Schablone mit Hilfe einer Justiervorrichtung anzufertigen und diese Schablone an der Schablonenaufnahme des Referenzkörpers zu fixieren. Nun kann das Werkzeug - z.B. Bohrer - durch die Bohrhülse exakt geführt bis zum Anschlag eingebracht werden.