Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kalibrierung von geometrischen Abmessungen, der Orientierung und der Position von chirurgischen Instrumenten im Raum, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Vorrichtungen eignen sich für die Kalibrierung von geometrischen Abmessungen, insbesondere des Durchmessers, sowie der Lage und/oder Orientierung von chirurgischen Instrumenten im Raum. Die Kalibrierung der Lage und Orientierung ist vor allem für chirurgische Instrumente notwendig, welche in der Computerunterstützten Chirurgie eingesetzt werden, mittels welcher die Lage und Orientierung verschiedener chirurgischer Instrumente während der Operation mittels eines eine Positionserfassungsvorrichtung umfassenden chirurgischen Navigationssystemes vermessen wird. Durch ein solches Navigationssystem ist nur die Position von am Instrument oder an einer das Instrument umfassenden Maschine, beispielsweise einer Bohrmaschine, angebrachten Marker bestimmbar. Beispielsweise bei Bohrvorgängen, wo der Bohrer, wenn er in-situ in die Bohrmaschine eingespannt wird, in einer vorgängig nicht bekannten Position relativ zur Bohrmaschine und den Markern eingespannt wird, ist daher eine intraoperative Kalibrierung unumgänglich.

Aus der EP-A 0 904 735 MESSNER ist eine gattungsgemässe Vorrichtung bekannt. Diese bekannte Kalibriervorrichtung gestattet neben dem Bestimmen der Lage einer Instrumentenspitze auch die Messung des Instrumentendurchmessers mittels zwei linear relativ zueinander verschiebbaren Backen. Die Backen müssen vor der Messung derart relativ zueinander verschoben werden, dass sie präzis auf ihrer ganzen zur Längsachse des chirurgischen Instrumentes parallelen Länge an der Mantelfläche des chirurgischen Instrumentes anliegen. Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist, dass bei nicht korrekt auf der gesamten Länge anliegenden Backen Messfehler auftreten können.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Messung von relevanten geometrischen Abmessungen, insbesondere des Durchmessers, der Breite oder der Höhe von longitudinalen, prismatischen oder zylindrischen Objekten mit einer zentralsymmetrischen Querschnittsfläche ermöglicht, ohne dass ein Verschieben der Backen notwendig ist.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Kalibrierung von geometrischen Abmessungen und der Orientierung von chirurgischen Instrumenten im Raum, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass dank der erfindungsgemässen Vorrichtung:

- unterschiedliche zylindrische oder prismatische, chirurgische Instrumente mit kreis- oder rechteckförmiger Querschnittsfläche in einer bezüglich der Position der Marker definierten Lage an der Andockstation andockbar sind;

- zylindrische oder prismatische, chirurgische Instrumente mit anderen als kreis- oder rechteckförmigen Querschnittsflächen, d.h. beispielsweise ovaler oder elliptischer Querschnittsfläche in einer durch den Operateur definierten Lage an der Andockstation andockbar sind;

- der Durchmesser von kreiszylindrischen Objekten oder die Breite oder Höhe von Objekten mit einer anderen Querschnittsfläche vermessbar sind, ohne dass ein Verschieben der Backen notwendig ist;

- die Orientierung unterschiedlicher prismatischer oder zylindrischer, chirurgischer Instrumente im Raum vermessbar ist;

- wegen der vorzugsweise am Instrumentengriff, d.h. vom Instrumentenschaft axial entfernt angebrachten Marker eine Verlängerung der den Winkel α einschliessenden Schenkel entsteht, so dass eine geringe Veränderung des Winkels α eine zusätzliche Vergrösserung der Abstände zwischen den Markern am Instrument und denjenigen an der Vorrichtung entsteht, womit eine höhere Kalibriergenauigkeit als bei linear verschiebbaren Backen erreichbar ist; - die Backen unbewegbar mit der Andockstation verbunden sind, so dass kein Verkanten oder Verklemmen bei der Messung stattfinden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Backen mindestens an ihren sich gegenüberliegenden Oberflächenpartien doppelkegelförmige ausgebildet und umfassen axial mittig eine quer zur Zentralachse eindringende Einkerbung. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt im wesentlichen darin, dass die gekerbte Form der Backen hilft, ein eingelegtes Instrument in einer definitiven Lage zu positionieren. Vorzugsweise sind die Einkerbungen der Backen zueinander fluchtend ausgebildet, wodurch der weitere zur Messung gewünschte Effekt, dass mit steigendem Durchmesser eine Zunahme des Winkels α erreichbar ist, vergrössert wird, da sich die beiden Auflagepunkte des Instrumentes mit steigendem Durchmesser weiter von den Zentralachsen der Backen entfernen.

Ferner sind die Einkerbungen vorzugsweise V-förmig ausgebildet und weisen quer zur Zentralachse eine Tiefe T auf.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich Positioniermittel, welche zur exakten Positionierung der vorderen Enden von unterschiedlichen chirurgischen Instrumenten relativ zur Andockstation geeignet sind. Damit sind die Vorteile erreichbar, dass die Position des vorderen Endes, beispielsweise einer Bohrerspitze mit derselben Vorrichtung erfassbar ist. Femer können die Position des vorderen Endes eines Instrumentes und seine Achse in unabhängigen Schritten nacheinander kalibriert werden. In der in der EP-A 0 904 735 MESSNER offenbarten Vorrichtung muss in einem einzigen Arbeitsschritt sichergestellt werden, dass das Instrument bis zum Anschlag in die Kalibriervorrichtung eingeschoben wurde und die beiden Backen korrekt am Instrumenten anliegen.

In wiederum einer anderen Ausführungsform sind die Backen relativ zueinander um mindestens zwischen 100 mm und 300 mm beabstandet, so dass durch den grossen Abstand der Backen bei der Winkelmessung eine hohe Genauigkeit bei der Kalibrierung der Lage der Instrumentenlängsachse ermöglicht wird. Ferner sind die Backen relativ zur Andockstation nicht bewegbar.

In wiederum einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Drehteller mit einer quer zur Oberfläche verlaufenden Drehachse und zwei über die Oberfläche vorstehende Klemmbacken, so dass das chirurgische Instrument mittels der Klemmbacken auf dem Drehteller lösbar an der Vorrichtung festklemmbar ist.

In einer anderen Ausführungsform ist an der Andockstation eine Torsionsfeder angeordnet, mittels welcher der Drehteller in eine erste Drehrichtung um die Drehachse gedrückt wird. Damit ist erreichbar, dass durch die Torisonsfeder ein schräg zwischen den Backen eingeführtes chirurgisches Instrument selbsttätig und ohne manuelle Kraftaufwendung an die Backen pressbar ist oder bei umgekehrtem Drehsinn ein chirurgisches Instrument zwischen die Backen einführbar ist. Des Weiteren wird gewährleistet, dass das Instrument an beide Backen gepresst wird und in der gewünschten, definierten Position anliegt.

Vorzugsweise ist der Drehteller mittels eines Bedienungselementes gegen die Federkraft in einer zweiten Drehrichtung um die Drehachse bewegbar. Damit ist der Vorteil erreichbar, dass der Drehteller mittels des Bedienungselementes so drehbar ist, dass ein chirurgisches Instrument zwischen die Backen eingeführt werden kann oder bei umgekehrtem Drehsinn gegen die Backen pressbar ist. Indem die eine Drehrichtung durch Federkraft und die andere durch Handkraft unterstützt wird, ist zudem eine einfache Handbedienung der Vorrichtung gewährleistet.

Vorzugsweise sind die Klemmbacken so auf dem Drehteller angeordnet, dass sie zentral von einer die Drehachse schneidenden Geraden durchdrungen werden, wobei bei einer Rotation des Drehtellers in der ersten Drehrichtung der zwischen der Geraden und der Referenzgeraden eingeschlossene Winkel ß verringert wird, so dass ein zwischen den Backen eingeführtes chirurgisches Instrument gegen die Backen pressbar ist.

In wiederum einer anderen Ausführungsform ist zwischen dem Bedienungselement und dem Drehteller ein Zahnradgetriebe eingesetzt. Vorzugsweise umfassen die Positioniermittel Vertiefungen, welche eine voneinander unterschiedliche Geometrie, insbesondere unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.

In einer weiteren Ausführungsform stehen die Zentralachsen der Backen senkrecht auf der Oberfläche. Femer sind die Backen mindestens auf den sich gegenüberliegenden Oberflächenpartien kreiszylindrisch ausgestaltet, während die Oberfläche eben ausgebildet ist. Die hiermit erreichbaren Vorteile liegen darin, dass flache Instrumente, beispielsweise Meissel oder Sägeblätter auf der Oberfläche aufgelegt werden können, so dass kein Verkanten zwischen den Backen stattfinden kann.

Das Verfahren zur Kalibrierung von geometrischen Abmessungen von chirurgischen Instrumenten sowohl als auch der Orientierung derselben im Raum beinhaltet im wesentlichen die Schritte: A) Einführen eines chirurgischen Instrumentes in einen U-artigen Durchgang, welcher durch die Oberfläche der Andockstation und zwei zur Andockstation zählenden, kreiszylindrischen oder doppelkegelförmigen Backen gebildet wird; B) Drehen des chirurgischen Instrumentes derart, dass der Winkel α, welcher von der Längsachse des chirurgischen Instrumentes und einer durch die Form der Backen oder die Form der Backen und die Oberfläche definierten Referenzgeraden eingeschlossen wird, so weit verringert wird, bis die Mantelfläche des chirurgischen Instrumenten an den Seitenwänden der Backen in einer durch die Form der Backen oder die Form der Backen und die Oberfläche definierten Orientierung zur Anlage kommt; C) Messen der räumlichen Position der Marker, welche an einem an der Andockstation befestigten Referenzmittel und an einem am chirurgischen Instrument befestigten Referenzmittel befestigt sind, mittels einer Positionserfassungsvorrichtung; D) Ermitteln des Winkels α aus den gemessenen Positionen aller Marker mittels eines Computers; und E) Ermitteln der sich senkrecht zu den Zentralachsen der Backen erstreckenden Abmessung des chirurgischen Instrumentes aus dem gemessenen Winkel α, der bekannten Geometrie der Backen relativ zu den Markern am Referenzmittel an der Andockstation mittels des Computers. In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte: F) Einführen des vorderen Endes eines chirurgischen Instrumentes in eine der an der Andockstation angebrachten Vertiefungen, wobei die Position des Grundes der Vertiefung relativ zu den Markern am Referenzmittel an der Andockstation bekannt ist; und G) Messen der räumlichen Position der Marker, welche an dem an der Andockstation befestigten Referenzmittel und an dem am chirurgischen Instrument befestigten Referenzmittel befestigt sind, mittels der Positionserfassungsvorrichtung; H) Ermitteln der räumlichen Position des vorderen Endes des chirurgischen Instrumentes aus den gemessenen Positionen aller Marker mittels des Computers.

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 Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zusammen mit einem chirurgischen Navigationssystem;

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung; und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 , welche im wesentlichen durch eine Andockstation 2 mit zwei Backen 3 und einem Referenzmittel 12a realisiert ist, zusammen mit einem koaxial zu seiner Längsachse 11 in einer Antriebsmaschine 15 eingespannten Bohrer als chirurgisches Instrument 10 sowie mit einer Positionserfassungsvorrichtung 14 und mit einem Computer 16. Die Backen 3 und die Oberfläche 21 schliessen einen U-artigen, zur Durchführung eines longitudinalen chirurgischen Instrumentes 10 geeigneten Durchgang 18 (Fig. 3) ein. Die kreiszylindrischen Backen 3 weisen parallele, senkrecht auf der ebenen Oberfläche 21 der Andockstation 2 stehende Zentralachsen 24 auf. Das chirurgische Instrument 10, d.h. der Bohrer ist zwischen den Backen 3 durchgeführt und liegt an zwei Stellen mit seiner zur Längsachse 11 konzentrischen Mantelfläche an den Backen 3 an und auf der Oberfläche 21 auf, wobei die Längsachse 11 mit einer die beiden Zentralachsen 24 (Fig. 3) der Backen 3 rechtwinklig schneidenden Referenzgeraden 4 ein Winkel α einschliesst. An der Antriebsmaschine 15 ist ein weiteres Referenzmittel 12b angebracht. Beide Referenzmittel 12 sind mit je vier elektromagnetisch oder akustisch erfassbaren Markern 9 versehen, so dass mittels der Positionserfassungsvorrichtung 14 die räumliche Position der Marker 9 vermessbar ist. Durch die Vermessung der räumlichen Position der Marker 9 kann anschliessend mittels des Computers 16 die Lage der Längsachse 11 und der Referenzgeraden 4 sowie der dazwischen eingeschlossene Winkel α ermittelt werden. Mit den bekannten Geometrien der zwei Backen 3 und des chirurgischen Instrumentes 10 lässt sich bei bekanntem Winkel α der Durchmesser des hier als Bohrer ausgestalteten chirurgischen Instrumentes 10 ermitteln. Bei anders ausgestalteten chirurgischen Instrumenten 10 wird die zwischen den Backen 3 eingeschlossene, senkrecht zu den Zentralachsen 24 stehende Abmessung ermittelt. Die Backen 3 sind fest an der Andockstation 2 angeordnet und hier kreiszylindrisch ausgebildet. Ferner umfasst die Andockstation 2 einen Drehteller 6 mit einer senkrecht zur Oberfläche 21 verlaufenden Drehachse 25, welcher zwei über die Oberfläche 21 vorstehende Klemmbacken 5 umfasst. Der Drehteller 6 ist mittels eines Bedienungshebels 17, welcher neben dem fest mit der Andockstation 2 verbundenen Handgriff 8 angeordnet ist, gegen die Federkraft einer Torsionsfeder 26 (Fig. 3) um die Drehachse 25 rotierbar. Bei nicht kraftbeaufschlagtem Bedienungshebel 17 wird der Drehteller 25 durch die Federkraft der Torsionsfeder 26 (Fig. 3) in einer ersten Drehrichtung 27 bewegt, so dass das zwischen den Backen 3 durchgeführte chirurgische Instrument 10 durch die auf dem Drehteller 6 angeordneten Klemmbacken 5 gegen die Backen 3 gepresst wird. Wenn der Bedienungshebel 17 gegen den Handgriff 8 gepresst wird, wird der Drehteller 6 in der entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung 28 bewegt, so dass ein chirurgisches Instrument 10, ohne durch die Klemmbacken 5 behindert zu werden, in die Andockstation 2 einführbar ist. Der Drehteller 6 ist hier zur Drehachse 25 konzentrisch kreisrund ausgebildet, wobei die beiden Klemmbacken 5 diametral angeordnet sind.

In den Fig. 2 und 3 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt, deren quaderartige Andockstation 2 zwei in einer Diagonalen auf der Oberfläche 21 stehende Backen 3 umfasst. Die Backen 3 sind auf den sich gegenüberliegenden Oberflächenpartien doppelkegelförmig ausgebildet und somit axial mittig mit einer V- förmigen, quer zu den Zentralachsen 24 in die Backen 3 eindringenden Einkerbungen 13 zur definierten Positionierung eines chirurgischen Instrumentes 10 an den Backen 3 versehen. Die Zentralachsen 24 werden durch die Zentren von zwei kreissektorförmigen Kegelquerschnittsflächen pro Backe 3 definiert. Die Einkerbungen 13 an den Seitenwänden 40 weisen quer zu den Zentralachsen 24 gemessen eine Tiefe T auf und fluchten zueinander. Das chirurgische Instrument 10 ist derart zwischen die Backen 3 eingeführt, dass seine Längsachse 11 zwischen den Backen 3 durchgeht und die zur Längsachse 11 konzentrische Mantelfläche des chirurgischen Instrumentes 10 an je zwei Punkten in jeder der zwei Einkerbungen 13 an den zwei Seitenwänden 40 der Backen 3 anliegt. Ferner ist zwischen der Achse 33 des Drehtellers 6 und dem vorderen Ende 34 des Bedienungshebels 17 ein Zahnradgetriebe 29 angeordnet. Die hier dargestellte Andockstation 2 weist vier Seitenflächen 41 ;42;43;44 auf, wobei an der ersten Seitenfläche 41 die Referenzmittel 12 mit vier elektromagnetisch oder akustisch erfassbaren Markern 9 angeordnet sind. Auf der gegenüberliegenden, zweiten Seitenfläche 42 ist der Handgriff 8 zusammen mit dem Bedienungshebel 17 angeordnet. Der Bedienungshebel 17 wird durch eine Öffnung 35 bis in den zentralen, gegen die Grundfläche 18 der Andockstation 2 offenen Hohlraum 36 geführt und ist mit seinem vorderen Ende 34 an der rotierbar mit der Andockstation 2 verbundenen Achse 38 des ersten Zahnrades 37 befestigt. Das erste Zahnrad 37 steht mit einem zweiten Zahnrad 39 im Eingriff, welches an der ebenfalls mit der Andockstation 2 rotierbar verbundenen Achse 33 des Drehtellers 6 befestigt ist. Die Achse 33 des Drehteller 6 verläuft koaxial zur Drehachse 25 des Drehtellers 6 und steht senkrecht zur Oberfläche 21. Ferner sind auf dem Drehteller 6 zwei über die Oberfläche 21 vorstehende Klemmbacken 5 angeordnet. Der Drehteller 6 ist in seiner zur Drehachse 25 orthogonalen Querschnittsfläche kreisrund ausgebildet, wobei die zwei Klemmbacken 5 auf einer Diagonalen angeordnet sind. Ferner ist zwischen der Andockstation 2 und dem zweiten Zahnrad 39 eine zur Drehachse 25 konzentrische Torsionsfeder 26 angeordnet, mittels welcher der Drehteller 6 in die erste Drehrichtung 27 gedrückt wird. Mittels des Bedienungshebels 8 ist der Drehteller 6 gegen die Federkraft in der zweiten Drehrichtung bewegbar. Durch die Federkraft der Torsionsfeder 26 wird erreicht, dass der Drehtellers 6 in der ersten Drehrichtung 27 so bewegt wird, dass der zwischen der Geraden 7, welche die Drehachse 25 schneidet und die Klemmbacken 5 zentral durchdringt, und der Referenzgeraden 4 eingeschlossene Winkel ß (Fig. 1 ) verringert wird, so dass ein zwischen den Backen 3 eingeführtes chirurgisches Instrument 10 gegen die Backen 3 gepresst wird.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, welche an einer dritten Seitenfläche 43 der Andockstation 2 angeordnete Positioniermittel 30 zur Positionierung der vorderen Enden 31 (Fig. 2) von unterschiedlichen chirurgischen Instrumenten 10 relativ zur Andockstation 2 umfasst. Diese Positioniermittel 30 umfassen Vertiefungen 32, welche eine voneinander unterschiedliche Geometrie zur definierten Aufnahme von unterschiedlichen chirurgischen Instrumenten 10 (Fig. 1 ;2) aufweisen. Insbesondere sind die Vertiefung 32a;32b;32c;32d so ausgebildet, dass:

- die Vertiefung 32a eine zur dritten Seitenfläche 43 parallele rechteckförmige Eintrittsöffnung aufweist und sich von den langen Seiten der Eintrittsöffnung gegen den Grund der Vertiefung 32a zuspitzt, so dass sie zur Aufnahme des vorderen Endes beispielsweise eines flachen Meisseis geeignet ist; - die Vertiefung 32b als Schlitz mit ebenem Grund der Vertiefung 32b ausgebildet ist, so dass sie zur Aufnahme des vorderen Endes beispielsweise eines Sägeblattes geeignet ist; - die Vertiefung 32c ist konisch ausgebildet und zur Zentrierung der Spitze beispielsweise eines Pointers geeignet; und - die Vertiefung 32d ist als kreiszylindrische Bohrung mit einem ebenen Grund ausgebildet, so dass sie zur Aufnahme von zylindrischen Instrumenten mit verschiedenen Spitzen geeignet ist.