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Dokumentenidentifikation DE202005015080U1 12.01.2006
Titel Chirurgisches Markerelement, chirurgisches Referenzelement und chirurgisches Navigationssystem
Anmelder AESCULAP AG & Co. KG, 78532 Tuttlingen, DE
Vertreter HOEGER, STELLRECHT & PARTNER Patentanwälte, 70182 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 202005015080
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 12.01.2006
Registration date 08.12.2005
Application date from patent application 20.09.2005
IPC-Hauptklasse A61B 19/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein chirurgisches Markerelement für ein mindestens drei Markerelemente umfassendes Referenzelement eines chirurgischen, mindestens eine Nachweisvorrichtung zum Detektieren der Position des Referenzelementes umfassenden Navigationssystems, wobei das Markerelement eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von Strahlung umfasst.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein chirurgisches Referenzelement umfassend mindestens drei Markerelemente für ein chirurgisches, mindestens eine Nachweisvorrichtung zum Detektieren der Position des Referenzelementes umfassenden Navigationssystems.

Des weiteren betrifft die Erfindung ein chirurgisches Navigationssystem mit mindestens einem mindestens drei Markerelemente umfassenden Referenzelement und mit mindestens einer Nachweisvorrichtung zum Detektieren der Position des Referenzelementes.

Chirurgische Navigationssysteme mit Referenzelementen, die mehrere Markerelemente umfassen, werden seit einigen Jahren in der Chirurgie eingesetzt, um Operationen unter Bestimmung der Lage und des Ortes sowohl des Patienten, von Instrumenten und Implantaten durchzuführen. Voraussetzung für einen präzisen chirurgischen Eingriff ist dabei stets das genaue Erfassen der Position der einzelnen Markerelemente der verwendeten Referenzelemente durch die Nachweisvorrichtung des Navigationssystems. Wichtig ist dabei insbesondere, dass die Geometrie des Markerelements, zum Beispiel dessen Mittelpunkt und dessen Position an einem zu navigierenden Objekt, beispielsweise einem Instrument oder einem Implantatteil, genau bekannt ist. Von besonderer Bedeutung ist dies vor allem bei der Navigation mit optischen Positionssensoren, wenn beispielsweise optische Markerelemente mit einer Stereokamera detektiert werden.

Bekannt sind sowohl passive Markerelemente in Form von Licht unterschiedlicher Wellenlängen reflektierenden Kugeln oder auch aktive optische Markerelemente in Form von Infrarotleuchtdioden.

Problematisch bei bekannten aktiven Markerelementen ist, dass deren Geometrie, aus welcher sich insbesondere ihr geometrischer oder optischer Mittelpunkt oder Schwerpunkt bestimmen lässt, mit der Nachweisvorrichtung nur ungenau bestimmt werden können, sodass auch die Position des Markerelements nicht exakt ermittelt werden kann. Gründe hierfür sind insbesondere die Verwendung unterschiedlicher Strahlungsquellen sowie Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Markerelemente, da es praktisch unmöglich ist, die Strahlenquellen bei allen Markerelementen an exakt der gleichen Position anzuordnen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein chirurgisches Markerelement, ein chirurgisches Referenzelement sowie ein chirurgisches Navigationssystem so zu verbessern, dass die Position des Markerelements genauer bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem chirurgischen Markerelement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Markerelement ein Leuchtfleckerzeugungselement zum Erzeugen eines von der Nachweisvorrichtung detektierbaren Leuchtflecks umfasst und dass das Leuchtfleckerzeugungselement von der Strahlungsquelle beabstandet und mit von der Strahlungsquelle erzeugter Strahlung beaufschlagbar ist.

Das Markerelement mit einem Leuchtfleckerzeugungselement auszustatten hat den Vorteil, dass mit der Nachweisvorrichtung nicht mehr die von der Strahlungsquelle direkt abgestrahlte Strahlung detektiert wird, sondern der vom Leuchtfleckerzeugungselement erzeugte Leuchtfleck, also die vom Leuchtfleckerzeugungselement ausgesandte Strahlung. Dadurch können unterschiedliche Strahlungsquellen verwendet und an unterschiedlichen Positionen am Markerelement angeordnet werden, wobei trotzdem sichergestellt wird, dass die Position des Markerelements eindeutig und hochgenau mit der Nachweisvorrichtung bestimmt werden kann. Das Leuchtfleckerzeugungselement ermöglicht es, einen Leuchtfleck definiert zu erzeugen und somit die Genauigkeit des Navigationssystems unabhängig von Fertigungstoleranzen und der Art der verwendeten Strahlungsquelle zu machen. Ein Leuchtfleck im Sinne der Anmeldung kann ein leuchtender Flächenbereich einer ebenen oder gekrümmten Fläche sein.

Vorteilhaft ist es, wenn die Strahlungsquelle eine elektromagnetische Strahlungsquelle zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung ist. Diese Weiterbildung eines chirurgischen Markerelements gestattet es, herkömmliche, am Markt zur Verfügung stehende elektromagnetische Strahlungsquellen einzusetzen, beispielsweise Glühlampen oder Leuchtdioden, insbesondere auch Infrarotleuchtdioden.

Damit die von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung sicher und mit kostengünstigen Nachweiselementen detektiert werden kann, ist es günstig, wenn mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 10–2 m bis 10–8 m erzeugbar ist.

Vorteilhafterweise sind mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle optische Wellen erzeugbar. Unter dem Begriff optische Welle ist im Sinne dieser Anmeldung insbesondere elektromagnetische Strahlung zu verstehen, die eine Wellenlänge nicht nur im sichtbaren Spektralbereich aufweist, sondern auch im benachbarten Spektralbereich, nämlich sowohl im infraroten als auch im ultravioletten Spektralbereich.

Besonders einfach wird der Aufbau des chirurgischen Markerelements und damit dessen Herstellung, wenn die Strahlungsquelle ein Leuchtmittel ist.

Vorteilhaft ist es, wenn die Strahlungsquelle eine Glühlampe, eine Metalldampflampe oder eine Gaslampe ist. Derartige Strahlungsquellen haben insbesondere den Vorteil, dass mit ihnen auch isotrope Strahlung erzeugbar ist, also Strahlung, die sich in allen Raumrichtungen oder im Wesentlichen in allen Raumrichtungen mit derselben Intensität ausbreitet.

Besonders kostengünstig und sparsam im Energieverbrauch können chirurgische Markerelemente hergestellt werden, wenn die elektromagnetische Strahlungsquelle eine Infrarotlicht oder im sichtbaren Spektralbereich Licht aussendende Leuchtdiode ist. Zudem sind derartige Strahlungsquellen sehr klein, so dass auch die Baugröße des Markerelements miniaturisierbar ist.

Grundsätzlich wäre es denkbar, die Strahlungsquelle zwar beabstandet zum Leuchtfleckerzeugungsmittel anzuordnen, jedoch nicht mit einer Hülle zu umschließen. Um äußere Einwirkungen auf die Strahlungsquelle zu verhindern und diese somit zu schützen, ist es günstig, wenn das Markerelement einen Hohlraum aufweist, wenn die Strahlungsquelle in dem Hohlraum angeordnet ist und wenn der Hohlraum eine Strahlungsaustrittsöffnung aufweist. Unabhängig von der Anordnung der Strahlungsquelle im Hohlraum kann die erzeugte Strahlung so nur durch die Strahlungsaustrittsöffnung austreten. Dadurch lässt sich ein definierter Leuchtfleck erzeugen, und zwar unabhängig von der Art und der Position der Strahlungsquelle, die verwendet wird.

Der Aufbau des Markerelements vereinfacht sich weiter, wenn der Hohlraum in Form einer Ausnehmung oder Vertiefung ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Hohlraum in Form eines Quaders oder Würfels oder auch in Form einer Hohlkugel ausgebildet sein. Denkbar wäre aber auch jede beliebige unregelmäßige Hohlform.

Günstig ist es, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement die Strahlungsaustrittsöffnung umfasst. Durch die Begrenzung der Durchtrittsfläche für die austretende Strahlung durch Vorsehen der Strahlungsaustrittsöffnung kann die räumliche Position und Lage eines Leuchtflecks sehr genau vorgegeben werden. Dadurch lässt sich auch die Position des Markerelements sehr genau bestimmen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strahlungsaustrittsöffnung das Leuchtfleckerzeugungselement bildet. Der für die Nachweisvorrichtung sichtbare Leuchtfleck entsteht durch Austritt von Strahlung aus der Strahlungsaustrittsöffnung. Bei Kenntnis der Geometrie der Strahlungsaustrittsöffnung lässt sich so in definierter Weise bei Ermittlung des Leuchtflecks die Position des Markers und folglich auch die Position der Vorrichtung genau angeben, an welcher der Marker beziehungsweise das mehrere Marker umfassende Referenzelement angeordnet ist.

Um Größe und Geometrie des Leuchtflecks in definierter Weise vorgeben zu können, ist es günstig, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement die Strahlungsaustrittsöffnung mindestens teilweise bedeckt. Das Leuchtfleckerzeugungselement ist so mit von der Strahlungsquelle erzeugter Strahlung beaufschlagbar und kann einen Leuchtfleck definierter Größe erzeugen, der mit der Nachweisvorrichtung detektierbar ist.

Besonders einfach wird der Aufbau des chirurgischen Markerelements, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement transparent oder semi-transparent und derart ausgebildet ist, dass auf das Leuchtfleckerzeugungselement auftreffende, eine Strahlrichtung aufweisende Strahlung unabgelenkt durchtreten kann. Ein solches Leuchtfleckerzeugungselement kann beispielsweise eine Glasplatte oder eine lichtdurchlässige Kunststoffplatte umfassen. Bei besonders hell strahlenden Strahlungsquellen kann durch die semi-transparente Ausbildung des Leuchtfleckerzeugungselements eine zu große Leuchtdichte verhindert werden, die unter Umständen zu einer Beschädigung einer hochempfindlichen Nachweisvorrichtung führen kann.

Damit das chirurgische Markerelement unabhängig von einer räumlichen Orientierung im Raum von der Nachweisvorrichtung einfach und sicher detektiert werden kann, ist es vorteilhaft, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement transparent oder semi-transparent und derart ausgebildet ist, dass auf das Leuchtfleckerzeugungselement auftreffende Strahlung diffus abgestrahlt wird. Durch die diffuse Abstrahlung der auf das Leuchtfleckerzeugungselement auftreffenden Strahlung ist der erzeugte Leuchtfleck praktisch unter beliebigen Betrachtungswinkeln eindeutig nachweisbar.

Eine diffuse Abstrahlung der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung lässt sich auf einfache Weise erreichen, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement eine Streuscheibe umfasst.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement derart ausgebildet ist, dass die von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung in definierter Weise umlenkbar ist. Auf diese Weise kann insbesondere eine Leuchtdichte des Leuchtflecks auf einfache und gezielte Weise erhöht werden.

Kostengünstig und einfach in der Herstellung wird das chirurgische Markerelement, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement ein optisches Element ist.

Günstigerweise ist das optische Element eine Linse oder ein Hohlspiegel. Damit lässt sich die erzeugte Strahlung auf einfache Weise bündeln und gegebenenfalls umlenken, beispielsweise auf eine Strahlungsaustrittsöffnung eines Hohlraums abbilden, in dem die Strahlungsquelle angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Leuchtfleckerzeugungselement mindestens einen Teil einer äußeren Oberfläche des Markerelements bildet. Es ist so insbesondere möglich, das Markerelement beliebig zu formen und ein oder mehrere Leuchtfleckerzeugungselemente auf der Oberfläche des Markerelements anzuordnen, mit dem oder mit denen definierte Leuchtflecke erzeugbar sind, die von der Nachweisvorrichtung detektiert werden können.

Günstig kann es auch sein, wenn das Leuchtfleckerzeugungselement die gesamte äußere Oberfläche des Markerelements bildet. Beispielsweise könnte das Markerelement derart ausgebildet sein, dass seine gesamte äußere Oberfläche in Form einer Streuscheibe ausgebildet ist, die einen Hohlraum umgibt, in welchem die Strahlungsquelle angeordnet ist. Unabhängig von der genauen Position der Strahlungsquelle im Innern eines solchen Markerelements, wird praktisch die gesamte Oberfläche nahezu homogen leuchten, sodass ein von der Nachweisvorrichtung erkennbarer genau definierter Leuchtfleck erzeugbar ist.

Grundsätzlich wäre es denkbar, jedem Leuchtfleckerzeugungselement des Markerelements eine eigene Strahlungsquelle zuzuordnen. Besonders kostengünstig ist es jedoch und besonders einfach wird der Aufbau des chirurgischen Markerelements, wenn die Strahlungsquelle zwei oder mehr Leuchtfleckerzeugungselementen zugeordnet ist. Beispielsweise könnte eine Strahlungsquelle in einem Hohlraum des Markerelements angeordnet sein, welcher zwei oder mehr Strahlungsaustrittsöffnungen aufweist, die jeweils einen Leuchtfleck definieren. Auf diese Weise ließe sich sogar mit nur einer Strahlungsquelle ein mindestens drei Leuchtflecke erzeugendes Referenzelement ausbilden, mit dem sowohl Position als auch Orientierung eines Gegenstands im Raum eindeutig angebbar sind.

Damit Verluste von durch die Strahlungsquelle erzeugter Strahlung minimiert werden können oder damit eine Energieversorgung der Strahlungsquelle miniaturisiert werden kann, ist es günstig, wenn eine Strahlungsbündelungsvorrichtung vorgesehen ist zum Bündeln der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung. Je nach Ausgestaltung der Strahlungsbündelungsvorrichtung kann zumindest theoretisch die gesamte Strahlung zur Erzeugung eines definierten Leuchtflecks genutzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Strahlungsbündelungsvorrichtung die von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung auf das Leuchtfleckerzeugungselement hin bündelt oder auf dieses abbildet. Beispielsweise kann so die erzeugte Strahlung auf eine Strahlungsaustrittsöffnung eines Hohlraums des Markerelements abgebildet oder auf diese hin gebündelt werden, damit möglichst die gesamte von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung aus dem Hohlraum austreten und von der Nachweisvorrichtung nachgewiesen werden kann.

Besonders einfach wird der Aufbau des chirurgischen Markerelements, wenn die Strahlungsbündelungsvorrichtung eine mindestens einen Reflektor umfassende Reflektoranordnung und/oder ein mindestens eine Linse umfassendes Linsensystem umfasst. Eine Reflektoranordnung kann für sich oder gemeinsam mit einem Linsensystem eingesetzt werden, um die Strahlungsbündelungsvorrichtung zu bilden oder zumindest einen Teil derselben. Beispielsweise kann ein Hohlspiegel verwendet werden, um Licht von der im Brennpunkt des Hohlspiegels angeordneten Strahlungsquelle zu bündeln und gezielt abzustrahlen oder auf das Leuchtfleckerzeugungselement abzubilden, beispielsweise auf die Strahlungsaustrittsöffnung oder eine Streuscheibe.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem chirurgischen Referenzelement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eines der mindestens drei Markerelemente eines der oben beschriebenen Markerelemente ist. Vorzugsweise sind alle Markerelemente des Referenzelements in einer Form ausgebildet, die derjenigen der oben beschriebenen Markerelemente entspricht. Mit einem mit mindestens einem der oben beschriebenen Markerelemente ausgestatteten Referenzelement wird eine noch genauere Navigation von Instrumenten oder Implantatteilen oder dergleichen möglich, an denen das Referenzelement angeordnet sein kann.

Des weiteren wird die eingangs gestellte Aufgabe bei einem chirurgischen Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Referenzelement eines der oben beschriebenen Referenzelemente ist, bei dem mindestens eines der mindestens drei Markerelemente eines der oben beschriebenen Markerelemente ist.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines chirurgischen Navigationssystems in einem Operationssaal;

2: eine Schnittansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements;

3: eine teilweise durchbrochene, perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Referenzelements;

4: eine Schnittansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements;

5: eine Schnittansicht durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements;

6: eine Schnittansicht durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements.

In 1 ist ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehenes chirurgisches Navigationssystem dargestellt, wie es insbesondere in Operationssälen eingesetzt werden kann. Es umfasst eine Nachweisvorrichtung 12 mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung in Form eines Computersystems 14, welches zur Anzeige und Verarbeitung von mit Empfängern 16 in Form von Kameras aufgenommenen Bildern dient. Mit der Nachweisvorrichtung 12 wird sowohl die Lage als auch die Orientierung von Referenzelementen detektiert, beispielsweise eines Referenzelements 18, welches beispielhaft an einem Tastinstrument 20 angeordnet ist. Mit dem Tastinstrument 20 lassen sich beispielsweise Punkte im Raum, vorzugsweise am Körper eines Patienten palpieren.

Das Referenzelement 18, welches auch als sogenannter "Rigid Body" bezeichnet wird, umfasst mindestens drei, bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sogar sechs, sogenannte Markerelemente 24. Die Markerelemente 24 können auf verschiedene Weisen ausgebildet sein. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen passiver und aktiver Technologie, wobei beispielsweise reflektierende Kugeln als passive Markerelemente eingesetzt werden.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Markerelemente betreffen ausschließlich aktive Markerelemente, die geeignet sind, von der Nachweisvorrichtung 12 detektierbare Strahlung, insbesondere elektromagnetische Strahlung, auszusenden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements ist in 2 dargestellt. Es ist Teil eines Referenzelements 18 und umfasst einen Hohlraum in Form einer quaderförmigen Ausnehmung 26 in einem Grundkörper 28 des Referenzelements 18, das nur ausschnittsweise dargestellt ist. Innere Wandflächen der Ausnehmung 26 sind mit einer elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung 30 versehen. Die Ausnehmung 26 ist verschlossen durch eine Streuscheibe 32, die gleichzeitig einen Teil einer äußeren Oberfläche 34 des Referenzelements 18 bildet.

Die Streuscheibe 32 dient als Leuchtfleckerzeugungselement, um von einer Strahlungsquelle in Form einer flächigen Leuchtdiode 36 ausgesandte elektromagnetische Strahlung in definierter Weise für die Empfänger 16 sichtbar zu machen, und zwar durch Erzeugung eines definierten, in 2 symbolisch dargestellten Leuchtflecks 38. Die von der Leuchtdiode 36 emitierte Strahlung 40 trifft auf eine Innenseite der Streuscheibe 32 auf, wird durch diese hindurchgeleitet und von einer Außenseite derselben in Form diffuser Strahlung 42 im Wesentlichen in alle Richtungen mit gleicher Intensität, also im Wesentlichen isotrop, abgestrahlt. Unabhängig von der genauen Position der Leuchtdiode 36 wird die erzeugte Strahlung gleichmäßig von der Streuscheibe 32 abgestrahlt. Somit entsteht ein definierter Leuchtfleck 38, der mittels der Empfänger 16 der Nachweisvorrichtung 12 unabhängig von der Orientierung des Referenzelements 18 detektiert werden kann. Bei Kenntnis der geometrischen Beziehung zwischen Lage und Orientierung der Streuscheibe 32 relativ zum Grundkörper 28 des Referenzelements 18 und bezogen auf das Tastinstrument 20 kann daher beispielsweise die Position einer Spitze 21 des Tastinstruments 20 im Raum eindeutig bestimmt und eine Bewegung derselben im Raum nachverfolgt werden.

Die mit der Beschichtung 30 versehene Ausnehmung 26 bildet eine Art Strahlungsbündelungsvorrichtung, denn sie stellt sicher, dass die gesamte von der Leuchtdiode 36 emitierte Strahlung 40 auch auf die Streuscheibe 32 auftreffen und zur Erzeugung des Leuchtsflecks 28 dienen kann.

In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 50 versehenen navigierten Tastinstruments dargestellt, welches eine Tastspitze 52 an einem langgestreckten Schaft 54 aufweist. An einem der Tastspitze 52 gegenüberliegenden Ende des Schaftes 54 ist ein Referenzelement 56 in Form eines unregelmäßigen Körpers angeordnet, welcher einen Hohlraum 58 aufweist, in dem eine als Strahlungsquelle dienende Glühbirne 60 angeordnet ist. Eine äußere Oberfläche 62 des Referenzelements 56 ist mit mehreren Strahlungsdurchtrittsöffnungen bildende Durchbrechungen 64 versehen, deren Begrenzungslinien 66 ebenfalls unregelmäßig geformt sind. Die Durchbrechungen 64 können entweder offen oder, ähnlich wie bei dem in 2 dargestellten Markerelement 24, mit einer Streuscheibe verschlossen sein. Das Abdichten des Hohlraums 58 hat bei Verwendung des Tastinstruments 50 in einem Operationssaal insbesondere den Vorteil, dass keine Keime in den Operationssaal eingeschleppt werden können.

Das Referenzelement 56 umfasst mindestens drei Durchbrechungen 64, die mit der Glühbirne 60 zusammenwirkend jeweils ein Markerelement 68 bilden, welches von der Glühbirne 60 erzeugte Strahlung 70 nach außen in Form von diffuser Strahlung 72 abstrahlt, die von der Nachweisvorrichtung 12 detektiert werden kann.

Sind sowohl Form als auch Lage der Durchbrechungen 64 relativ zur Tastspitze 52 bekannt, so kann durch Verfolgen der Bahn der Markerelemente 68 auch eine Bewegung der Tastspitze 52 im Raum nachvollzogen werden.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 80 versehenen Markerelements 80 ist in 4 dargestellt. Ein Grundkörper 82 eines nicht näher dargestellten Referenzelements ist mit einer im Wesentlichen quaderförmigen Ausnehmung 84 versehen, in der eine Leuchtdiode 86 angeordnet ist. Eine offene Seitenfläche der Ausnehmung 84 ist mit einer im Wesentlichen sphärischen Hülle 88 verschlossen, die optische Eigenschaften einer Streuscheibe aufweist. Die Ausnehmung 84 zusammen mit einem Innenraum der Hülle 88 bildet einen Hohlraum, in dem die eine Strahlungsquelle bildende Leuchtdiode 86 angeordnet ist. Von der Leuchtdiode 86 ausgesandte Strahlung 90 wird durch die Hülle 88 in diffuse Strahlung 92 umgewandelt, die im Wesentlichen isotrop von einer äußeren Oberfläche der Hülle 88 abgestrahlt wird. Die Hülle 88 bildet somit ein von der Strahlungsquelle beabstandetes Leuchtfleckerzeugungselement und erzeugt einen Leuchtfleck in Form einer von der Hülle 88 definierten Sphärenoberfläche.

Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements ist in 5 insgesamt mit dem Bezugszeichen 100 versehen. Es umfasst eine in einem Grundkörper 102 eines mehrere Markerelemente umfassenden Referenzelements 104 ausgebildete, im Wesentlichen quaderförmige Ausnehmung 106. In die Ausnehmung 106 ist ein dünnwandiger Kasten 108 eingesetzt, der einen quaderförmigen Teil aufweist, welcher korrespondierend zur Ausnehmung 106 ausgebildet ist. Die offene Seite des Kastens 108 wird durch vier geneigte Seitenflächen 110 bis auf eine Strahlungsdurchtrittsöffnung 112 verschlossen, wobei die Seitenflächen 110 derart angeordnet sind, dass der von einer äußeren Oberfläche 114 des Grundkörpers 102 vorstehende Teil des Kastens 108 in Form einer gleichseitigen Pyramide ausgebildet ist.

Eine innere Oberfläche 116 des Kastens 108 ist mit einer elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen, sodass die von einer am Boden der Ausnehmung 106 angeordneten Leuchtdiode 118 erzeugte Strahlung auf der Oberfläche 116 vollständig reflektiert wird und nur durch die Strahlungsdurchtrittsöffnung 112 austreten kann. Diese definiert einen schematisch dargestellten Leuchtfleck 120, der für die Empfänger 16 der Nachweisvorrichtung 12 sichtbar ist.

Unabhängig von der Anordnung der Leuchtdiode 118 im Innern des Kastens 108 wird stets ein definierter Leuchtfleck 120 durch das Markerelement 100 erzeugt, dessen Position und Größe durch die Strahlungsdurchtrittsfläche 112 vorgegeben ist. Optional könnte die Strahlungsdurchtrittsfläche 112 auch durch eine transparente oder semi-transparente Scheibe verschlossen sein, die entweder die durchtretende Strahlung unabgelenkt passieren lässt oder diffus streut.

Ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Markerelements ist in 6 insgesamt mit dem Bezugszeichen 130 versehen. Es umfasst eine in einem Grundkörper 132 eines Referenzelements eingelassene, im Wesentlichen quaderförmige Vertiefung 134, in die ein Hohlspiegel 136 symmetrisch eingesetzt ist, dessen hohlkonkave Fläche in Richtung auf die offene Seite der Vertiefung 134 weist. Der Hohlspiegel 136 dient dazu, von einer vorzugsweise im Brennpunkt des Hohlspiegels 136 angeordneten Leuchtdiode 138 erzeugte Strahlung 140 in Richtung auf die offene Seite hin umzulenken, was durch den Strahl 142 in 6 schematisch dargestellt ist. Der Hohlspiegel 136 bildet damit eine Strahlungsbündelungsvorrichtung zum Bündeln der Strahlung 140 in Richtung auf das durch die offene Seite der Vertiefung 134 gebildete Leuchtfleckerzeugungselement hin.

Auch bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird überwiegend nicht die direkt von der Leuchtdiode 138 ausgesandte Strahlung detektiert, sondern ein symbolisch dargestellter Leuchtfleck 144 in einer von der offenen Seite definierten, eine äußere Oberfläche 146 des Grundkörpers 132 ergänzenden Ebene. Dadurch wird erreicht, dass unabhängig von Fertigungstoleranzen hinsichtlich der Ausgestaltung der Vertiefung 134 und der Anordnung der Leuchtdiode 138 sowie des Hohlspiegels 136 stets eine definierte Beziehung zwischen dem erzeugten Leuchtfleck 144 und beispielsweise einer Tastspitze eines Instruments vorgegeben wird, sodass bei Navigation des Leuchtflecks 144 des Markerelements 130 sowie bei Navigation weiterer Markerelemente eindeutig eine Position der Tastspitze des Instruments im Raum bestimmt werden kann.

Vorzugsweise sind sämtliche Markerelemente, wie sie im Zusammenhang mit den 1 bis 6 beschrieben wurden, sterilisierbar ausgebildet.

An den oben beschriebenen Referenzelementen sind üblicherweise mindestens drei Markerelemente vorgesehen, aus Redundanzgründen können weitere Markerelemente vorgesehen sein, beispielsweise vier, fünf oder sechs Markerelemente.

Selbstverständlich können unterschiedliche Arten von Strahlungsquellen verwendet werden, nicht nur die beschriebenen Leuchtdioden, die zudem Licht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen können, oder Glühbirnen, sondern prinzipiell auch jede andere beliebige Strahlungsquelle, mit der elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 10–2 m bis 10–8 m erzeugbar ist. Selbstverständlich wird jede verwendete Strahlungsquelle, auch die in den 2 bis 6 dargestellten Strahlungsquellen, von einer Energieversorgung gespeist, beispielsweise einer Batterie oder einem Netzgerät, die jedoch der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt wurden.

Des weiteren sei angemerkt, dass auch die in den 2 bis 5 dargestellten Markerelemente zusätzlich mit einer Strahlungsbündelungsvorrichtung ausgestattet sein können, beispielsweise einem Hohlspiegel, wie er bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist. Alternativ können auch einzelne Linsen oder Linsensysteme zur Anwendung kommen, beispielsweise eine in die Strahlungsdurchtrittsöffnung 112 des Markerelements 100 eingesetzte Linse. Denkbar sind insbesondere konvexe Linsen zum Bündeln auftreffender Strahlung oder Konkavlinsen zum definierten Streuen der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung.


Anspruch[de]
  1. Chirurgisches Markerelement (24; 68; 80; 100; 130) für ein mindestens drei Markerelemente (24; 68; 80; 100; 130) umfassendes Referenzelement (18; 56; 104) eines chirurgischen, mindestens eine Nachweisvorrichtung (12) zum Detektieren der Position des Referenzelementes (18; 56; 104) umfassenden Navigationssystems (10), wobei das Markerelement (24; 68; 80; 100; 130) eine Strahlungsquelle (36; 60; 86; 118; 138) zum Erzeugen von Strahlung (40; 70; 90; 140) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Markerelement (24; 68; 80; 100; 130) ein Leuchtfleckerzeugungselement (32; 64; 88; 112) zum Erzeugen eines von der Nachweisvorrichtung (12) detektierbaren Leuchtflecks (38; 120; 144) umfasst und dass das Leuchtfleckerzeugungselement von der Strahlungsquelle (36; 60; 86; 118; 138) beabstandet und mit von der Strahlungsquelle (36; 60; 86; 118; 138) erzeugter Strahlung (40; 70; 90; 140) beaufschlagbar ist.
  2. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (36; 60; 86; 118; 138) eine elektromagnetische Strahlungsquelle (36; 60; 86; 118; 138) zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung (40; 70; 90; 140) ist.
  3. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle (36; 60; 86; 118; 138) elektromagnetische Strahlung (40; 70; 90; 140) in einem Wellenlängenbereich von 102 m bis 10–8 m erzeugbar ist.
  4. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle (36; 60; 86; 118; 138) optische Wellen (40; 70; 90; 140) erzeugbar sind.
  5. Chirurgisches Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (36; 60; 86; 118; 138) ein Leuchtmittel (36; 60; 86; 118; 138) ist.
  6. Chirurgisches Markerelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (60) eine Glühlampe (60), eine Metalldampflampe oder eine Gaslampe ist.
  7. Chirurgisches Markerelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlungsquelle (36; 86; 118; 138) eine Infrarotlicht oder im sichtbaren Spektralbereich Licht (40; 70; 90; 140) aussendende Leuchtdiode (36; 86; 118; 138) ist.
  8. Chirurgisches Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Markerelement (24; 68; 80; 100; 130) einen Hohlraum (26; 58; 84; 106; 134) aufweist, dass die Strahlungsquelle (36; 60; 86; 118; 138) in dem Hohlraum (26; 58; 84; 106; 134) angeordnet ist und dass der Hohlraum (26; 58; 84; 106; 134) eine Strahlungsaustrittsöffnung (64; 112) aufweist.
  9. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (26; 58; 84; 106; 134) in Form einer Ausnehmung (26; 58; 84; 106; 134) oder Vertiefung (26; 58; 84; 106; 134) ausgebildet ist.
  10. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfleckerzeugungselement (32; 64; 88; 112) die Strahlungsaustrittsöffnung (64; 112) umfasst.
  11. Chirurgisches Markerelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsaustrittsöffnung (64; 112) das Leuchtfleckerzeugungselement (64; 112) bildet.
  12. Chirurgisches Markerelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfleckerzeugungselement (32; 88) die Strahlungsaustrittsöffnung mindestens teilweise bedeckt.
  13. Chirurgisches Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfleckerzeugungselement (32; 88) transparent oder semi-transparent und derart ausgebildet ist, dass auf das Leuchtfleckerzeugungselement (32; 88) auftreffende, eine Strahlrichtung aufweisende Strahlung (40; 70; 90; 140) unabgelenkt durchtreten kann.
  14. Chirurgisches Markerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfleckerzeugungselement (32; 88) transparent oder semi-transparent und derart ausgebildet ist, dass auf das Leuchtfleckerzeugungselement (32; 88) auftreffende Strahlung (40; 70; 90; 140) diffus abgestrahlt wird.
  15. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfleckerzeugungselement (32; 88) eine Streuscheibe (32; 88) umfasst.
  16. Chirurgisches Markerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfleckerzeugungselement (136) derart ausgebildet ist, dass die von der Strahlungsquelle (138) erzeugte Strahlung (140) in definierter Weise umlenkbar ist.
  17. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfleckerzeugungselement (32; 88; 136) ein optisches Element (32; 88; 136) ist.
  18. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (136) eine Linse oder ein Hohlspiegel (136) ist.
  19. Chirurgisches Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfleckerzeugungselement (32; 64; 88; 112) mindestens einen Teil einer äußeren Oberfläche (34; 62; 114; 146) des Markerelements (24; 68; 80; 100; 130) bildet.
  20. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfleckerzeugungselement (88) die gesamte äußere Oberfläche des Markerelements (80) bildet.
  21. Chirurgisches Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (60) zwei oder mehr Leuchtfleckerzeugungselementen (64) zugeordnet ist.
  22. Chirurgisches Markerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsbündelungsvorrichtung (136) vorgesehen ist zum Bündeln der von der Strahlungsquelle (138) erzeugten Strahlung (140).
  23. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsbündelungsvorrichtung (136) die von der Strahlungsquelle (138) erzeugte Strahlung (140) auf das Leuchtfleckerzeugungselement hin bündelt oder auf dieses abbildet.
  24. Chirurgisches Markerelement nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsbündelungsvorrichtung (136) eine mindestens einen Reflektor (136) umfassende Reflektoranordnung (136) und/oder ein mindestens eine Linse umfassendes Linsensystem umfasst.
  25. Chirurgisches Referenzelement (18; 56; 104) umfassend mindestens drei Markerelemente (24; 68; 80; 100; 130) für ein chirurgisches, mindestens eine Nachweisvorrichtung (12) zum Detektieren der Position des Referenzelementes (18; 56; 104) umfassenden Navigationssystems (10), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der mindestens drei Markerelemente (24; 68; 80; 100; 130) ein Markerelement (24; 68; 80; 100; 130) nach einem der voranstehenden Ansprüche ist.
  26. Chirurgisches Navigationssystem (10) mit mindestens einem mindestens drei Markerelemente (24; 68; 80; 100; 130) umfassenden Referenzelement (18; 56; 104) und mit mindestens einer Nachweisvorrichtung (12) zum Detektieren der Position des Referenzelementes (18; 56; 104), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Referenzelement (18; 56; 104) ein Referenzelement (18; 56; 104) nach Anspruch 25 ist.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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