DE102005045665B4

DE102005045665B4 - Navigationssystem und Verfahren zur Bestimmung des Verschmutzungsgrads von Markerelementen einer chirurgischen Referenzierungseinheit

Info

Publication number: DE102005045665B4
Application number: DE102005045665A
Authority: DE
Inventors: Josef Dr.sc.hum. Dr. Kozak
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: DE102005045665A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Verschmutzungsgrades von Markerelementen (28; 36) einer chirurgischen Referenzierungsvorrichtung (26; 32), die mindestens zwei Markerelemente (28; 36) umfasst, deren Positionen im Raum mit einem chirurgischen Navigationssystem (10) bestimmbar sind,
– wobei ein chirurgisches Navigationssystem (10) bereitgestellt wird, mit dem Ist-Markerkoordinaten von Positionen der mindestens zwei Markerelemente (28; 36) im Raum bestimmbar sind,
– wobei ein erster Datensatz bereitgestellt wird, der Soll-Markerkoordinaten von Soll-Positionen (48) der mindestens zwei Markerelemente (28; 36) der Referenzierungsvorrichtung (26; 32) in einem ersten Bildraum (50) enthält,
– wobei mit dem Navigationssystem (10) ein zweiter Datensatz bestimmt wird, der die Ist-Markerkoordinaten von Ist-Positionen (54) der mindestens zwei Markerelemente (28; 36) in einem zweiten Bildraum (56) enthält,
– wobei eine Abbildungsfunktion zur Abbildung des einen Bildraums (56) auf den anderen Bildraum (50) bestimmt wird, so dass eine Fehlergröße, die einer Abweichung (64) der Ist-Positionen (48') von den Soll-Positionen (48) einzelner oder...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Verschmutzungsgrades von Markerelementen einer chirurgischen Referenzierungseinheit, die mindestens zwei Markerelemente umfasst, deren Positionen im Raum mit einem chirurgischen Navigationssystem bestimmbar sind.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein chirurgisches Navigationssystem zum Bestimmen von Lage und Orientierung einer chirurgischen Vorrichtung im Raum, mit mindestens einer chirurgischen, mindestens zwei Markerelemente umfassenden Referenzierungsvorrichtung, die an der chirurgischen Vorrichtung angeordnet oder mit dieser verbindbar ist, mit einer Nachweisvorrichtung zum Detektieren von den Markerelementen ausgesandter oder von den Markerelementen reflektierter Strahlung, wobei mit dem Navigationssystem Ist-Markerkoordinaten von Positionen der Markerelemente im Raum bestimmbar sind.
Navigationssysteme der eingangs beschriebenen Art werden seit einiger Zeit in Operationssälen eingesetzt, um Lage und Orientierung chirurgischer Vorrichtungen, beispielsweise chirurgischer Instrumente oder Implantate, hochpräzise zu bestimmen. Beispielsweise werden mit Hilfe von Navigationssystemen künstliche Knie- und Hüftgelenke in menschliche oder tierische Körper eingesetzt.
Ein Problem bei der Navigation chirurgischer Vorrichtungen ist der Zustand der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung. Als Markerelemente werden insbesondere aktive und passive Markerelemente verwendet, wobei die aktiven Markerelemente Strahlung, beispielsweise Infrarotlicht, aussenden und wobei passive Markerelemente Strahlung reflektieren können, die von einer Nachweisvorrichtung des Navigationssystems detektiert werden kann. Um eine genaue Position des jeweiligen Markerelements zu bestimmen, beispielsweise dessen Schwerpunkt- oder Symmetriezentrum, ist es erforderlich, dass von der Nachweisvorrichtung die gesamte Strahlung aussendende oder reflektierende Fläche des Markerelements erfasst werden kann. Ist die Strahlung reflektierende oder aussendende Oberfläche des Markerelements teilweise verschmutzt, so kann Strahlung nur von nicht verschmutzten Flächenbereichen reflektiert oder ausgesandt werden. Folge hiervon ist, dass mit der Nachweisvorrichtung unter Umständen eine Position des Markerelements bestimmt wird, die mit dem Schwerpunkt oder dem geometrischen Zentrum des Markerelements nicht übereinstimmt. Das Navigationssystem liefert also abhängig vom Verschmutzungsgrad entweder keine, wenn nämlich das gesamte Markerelement mit Schmutz bedeckt ist, oder falsche Koordinaten vom jeweiligen Markerelement. Eine solche Ungenauigkeit ist, wenn überhaupt, nur bis zu einem gewissen Grad tolerierbar, da zu große Abweichungen ermittelter Ist-Positionen der Markerelemente von Soll-Positionen der Markerelemente zu ungenauen Positionsmessungen und folglich zu Fehlern beim chirurgischen Eingriff führen können, beispielsweise könnte so eine Sägeebene für einen Sägeschnitt in einem Knochen falsch bestimmt werden.
Bei Navigationssystemen mit elektromagnetischen Referenzierungsvorrichtungen, sogenannten elektromagnetischen Localizern, wird die Position von durch Induktionsspulen gebildeten Markerelementen durch deren Beeinflussung eines vom Navigationssystem erzeugten Magnetfeldes bestimmt. Bei derartigen System ist eher von einer Beeinflussung der Markerelemente bildenden Induktionsspulen als von einem Verschmutzungsgrad auszugehen. Beispielsweise könnten bei einer Operation andere metallische Instrumente oder aber auch metallische Sägespäne in die Nähe einer solchen Induktionsspule kommen und dadurch die Ortsbestimmung des Markerelements beeinflussen. Nachfolgend werden die Begriffe Verschmutzungsgrad bzw. Verschmutzung und Beeinflussung synonym verwendet, um eine Beeinträchtigung der Funktion der Referenzierungsvorrichtung zu beschreiben.
Es ist üblich, bei bekannten Navigationssystemen Referenzierungsvorrichtungen, sogenannte ”Rigid Bodys”, mit mindestens drei Markerelementen auszustatten, um sowohl Lage als auch Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum angeben zu können. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, Referenzierungseinheiten mit nur einem Markerelement auszustatten, um beispielsweise nur einen Punkt bzw. eine definierte Kugelsphäre zu bestimmen. Des weiteren werden auch Referenzierungsvorrichtungen mit nur zwei Markerelementen verwendet, um lediglich eine Richtung bzw. Orientierung der chirurgischen Vorrichtung angeben zu können. Typischerweise sind die Relativkoordinaten der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung und deren Position relativ zu bestimmten Punkten der chirurgischen Vorrichtung, beispielsweise einer Tastspitze eines Zeigeinstruments oder einer Längsachse eines langgestreckten Implantats, bekannt.
Aus der WO 2004/002352 A2 ist ein Messsystem zum Verfolgen der Position und Orientierung eines beweglichen Objekts in einem Koordinatensystem bekannt. Ferner ist in der WO 01/67979 A1 ein automatisches Kalibriersystem für computerunterstützte chirurgische Instrumente beschrieben. Darüber hinaus befasst sich die DE 101 61 787 A1 mit einer Vorrichtung und einer Methode zur Insertion und Navigation nicht-diskriminierter passiver Marker und zur Diskriminierung passiver sowie semiaktiver Marker zur Instrumenten- und Knochensegment- sowie Gewebe- und Organnavigation.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass sowohl Lage als auch Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum mit dem Navigationssystem zuverlässig bestimmt werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,

– dass ein chirurgisches Navigationssystem bereitgestellt wird, mit dem Ist-Markerkoordinaten von Positionen der mindestens zwei Markerelemente im Raum bestimmbar sind,
– dass ein erster Datensatz bereitgestellt wird, der Soll-Markerkoordinaten von Soll-Positionen der mindestens zwei Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung in einem ersten Bildraum enthält,
– dass mit dem Navigationssystem ein zweiter Datensatz bestimmt wird, der die Ist-Markerkoordinaten von Ist-Positionen der mindestens zwei Markerelemente in einem zweiten Bildraum enthält,
– dass eine Abbildungsfunktion zur Abbildung des einen Bildraums auf den anderen Bildraum bestimmt wird, so dass eine Fehlergröße, die einer Abweichung der Ist-Positionen von den Soll-Positionen einzelner oder aller Markerelemente nach der Abbildung des einen Bildraums auf den anderen Bildraum zugeordnet ist, minimal wird,
– dass ein Vergleichsmaßstab für eine Beeinflussung oder einen Verschmutzungsgrad der mindestens zwei Markerelemente vorgegeben wird
– und dass die Beeinflussung oder der Verschmutzungsgrad der mindestens zwei Markerelemente durch Vergleich der Fehlergröße mit dem Vergleichsmaßstab bestimmt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Beeinflussung oder den Verschmutzungsgrad eines oder aller Markerelemente einer Referenzierungsvorrichtung zu bestimmen, und zwar einer Referenzierungsvorrichtung mit einem, insbesondere zwei oder mehr Markerelementen. Je größer der Grad der Verschmutzung, umso unpräziser werden die Messungen des Navigationssystems sein, mit dem Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung bestimmt werden sollen und folglich wird die Fehlergröße dann entsprechend groß. Daher eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, einen Anwender des Navigationssystems gezielt darauf hinzuweisen, dass eine Verschmutzung oder Beeinflussung vorliegt, und zusätzlich anzugeben, wie groß der Verschmutzungsgrad oder der Grad der Beeinflussung ist. Abhängig vom bestimmten Verschmutzungsgrad kann dann der Anwender entscheiden, ob er mit der gerade verwendeten Referenzierungsvorrichtung den Eingriff weiterführen möchte. Alternativ wäre es auch denkbar, dass das System eine Fortführung der Messung und damit des Eingriffs automatisch unterbindet, wenn die Fehlergröße einen bestimmten Wert übersteigt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Fehlergröße die Summe der Abstände zwischen den Ist-Positionen und den Soll-Positionen für jedes der Markelemente verwendet wird. Die Differenz zwischen Ist- und Soll-Positionen für jedes Markerelement, also deren Abstand, lässt sich rechnerisch auf einfache Weise bestimmen, beispielsweise durch Bildung der Differenz der einzelnen Koordinaten der jeweiligen Positionen, beispielsweise der X-, Y- und Z-Koordinaten. Die Summe der Abstände lässt sich insbesondere aus den beiden Datensätzen ermitteln.
Günstig ist es, wenn der eine der beiden Datensätze in einem ersten Koordinatensystem angegeben wird, wenn der andere der beiden Datensätze in einem zweiten Koordinatensystem angegeben wird und wenn die Abbildungsfunktion eine Koordinatentransformationsfunktion zur Abbildung des ersten Koordinatensystems auf das zweite Koordinatensystem ist unter der Bedingung, dass die Fehlergröße minimal wird. Unter Berücksichtigung der vorgegebenen Bedingung, dass die Fehlergröße minimal wird, kann somit der eine Bildraum auf den anderen Bildraum optimal abgebildet werden, es wird also ein so genannter ”Best-Fit”, eine beste Anpassung, ermittelt. Dies kann man sich leicht so vorstellen, dass die Referenzierungsvorrichtung im ersten Bildraum abgebildet wird auf eine Referenzierungsvorrichtung im zweiten Bildraum, und zwar so, dass die beiden Referenzierungsvorrichtungen, oder besser gesagt die Positionen der Marker der Referenzierungsvorrichtungen, möglichst genau zur Deckung gebracht werden. Ein Maß dafür kann beispielsweise die bereits oben angegebene Summe der Abstände zwischen Ist- und Soll-Positionen der Markerelemente sein. Denkbar wäre es aber auch, als Fehlergröße die Summe der Quadrate der Abstände von Ist- und Soll-Positionen der Markerelemente zu verwenden.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Fehlergrößenfunktion der Fehlergröße in Abhängigkeit der Abbildungsfunktion bestimmt wird, wenn das absolute Minimum der Fehlergrößenfunktion bestimmt wird und wenn als beste Abbildungsfunktion diejenige Abbildungsfunktion bestimmt wird, die dem absoluten Minimum der Fehlergrößenfunktion zugeordnet ist. Praktisch bedeutet dies, dass abhängig von der Abbildungsfunktion die Fehlergröße ermittelt wird. Zum Beispiel kann dies geschehen durch Bestimmung der Summe der Abstände von Ist- und Soll-Positionen der Markerelemente in Abhängigkeit der Abbildungsfunktion, beispielsweise der Koordinatentransformation, um den ersten Bildraum auf den zweiten Bildraum abzubilden. Aus dem Minimum der Fehlergrößenfunktion lässt sich die kleinste Fehlergröße bestimmen, die wiederum dem Verschmutzungsgrad der Markerelemente zugeordnet werden kann. Eine solche ”Best-Fit”-Anpassung lässt sich beispielsweise mit kommerziell verfügbaren Näherungs-Algorithmen durchführen, zum Beispiel mit dem Algorithmus ”ITRQ3d” der Firma Northern Digital Inc.
Damit eine Bewertung vorgenommen werden kann, ob die Verschmutzung der Referenzierungsvorrichtung für den weiteren chirurgischen Eingriff tolerabel ist oder nicht, ist es günstig, wenn ein Vergleichsmaßstab vorgegeben wird, der einen Grenzwert für einen maximalen Verschmutzungsgrad umfasst und wenn der Grenzwert einer vorgegebenen Mindestgenauigkeit für die Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum entspricht. Beispielsweise könnte der Vergleichsmaßstab so vorgegeben werden, dass der Grenzwert einer Abweichung von einem Millimeter oder zwei Millimeter entspricht. Denkbar wäre auch ein Bezug der Angabe der Mindestgenauigkeit bezogen auf eine Größe oder ein Volumen eines Markerelements, als eine relative Fehlergröße.
Günstigerweise wird dem Grenzwert ein Maximalwert der Fehlergröße zugeordnet. Abhängig von der ermittelten Fehlergröße kann dann das System durch Vergleich der bestimmten Fehlergröße mit dem vorgegebenen Grenzwert automatisch erkennen, ob die Ist-Koordinaten der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung präzise genug sind, um den chirurgischen Eingriff weiter auszuführen.
Auf einfache Weise lässt sich ein Maß für die Beeinflussung oder Verschmutzung der Markerelemente angeben, wenn dem Vergleichsmaßstab eine Skala zugeordnet wird, die einen Verschmutzungsgrad in Form einer Prozentangabe in einem Bereich von 0% bis 100% angibt. Auf einer solchen Skala lässt sich dann beispielsweise auch ein Grenzwert angeben, der einer gerade noch tolerablen Verschmutzung der Markerelemente entspricht. Ein solcher Wert könnte beispielsweise in einem Bereich von 10% bis 40% liegen und insbesondere 15% oder 20% betragen.
Damit eine Genauigkeit des Systems auf einfache Weise vorgegeben werden kann, ist es günstig, wenn ein Grenzwert vorgegeben wird, welcher einer Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position von höchstens dem halben Durchmesser eines der Markerelemente entspricht. Dies bedeutet, dass ein maximaler Verschmutzungsgrad erreicht ist, wenn die Ist-Position eines Markerelements von der Soll-Position desselben um einen halben Durchmesser eines beispielsweise scheibenförmigen oder kugelförmigen Markerelements abweicht. Es sei angemerkt, dass die Genauigkeit des Navigationssystems auch von einer Auflösung der Nachweisvorrichtung abhängt, beispielsweise von einer Auflösung verwendeter Kameras, mit denen zweidimensionale oder dreidimensionale Bilder des Operationssaals erzeugt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass aus dem zweiten Datensatz die Ist-Markerzahl der für das Navigationssystem sichtbaren oder vom Navigationssystem detektierten Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung bestimmt wird. Auf diese Weise kann dann durch einfachen Vergleich mit der Anzahl der an der Referenzierungsvorrichtung tatsächlich angeordneten Markerelemente bestimmt werden, also, ob beispielsweise ein Markerelement vollständig verschmutzt und für die Nachweisvorrichtung des Navigationssystems überhaupt nicht mehr sichtbar ist.
Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Variante des Verfahrens wird eine Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum nur dann vorgenommen, wenn die Ist-Markerzahl einen Wert von mindestens zwei oder drei aufweist. Da zur Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum Positionen von mindestens drei Markerelementen bestimmt werden müssen, bei der Bestimmung nur der Orientierung im Raum Positionen von mindestens zwei Markerelementen, wird auf diese Weise sichergestellt, dass der zweite Datensatz eine ausreichende Anzahl von Ist-Koordinaten der Markerelemente enthält.
Um eine Mindestqualität der Positionsbestimmung der Referenzierungsvorrichtung sicherzustellen, ist es gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Variante des Verfahrens günstig, wenn aus dem zweiten Datensatz keine Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum vorgenommen wird, wenn die Ist-Markerzahl kleiner als die Anzahl der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung ist. Dies bedeutet, dass für eine Auswertung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung stets alle Markerelemente sichtbar sein müssen. Kann eines der Markerelemente von der Nachweisvorrichtung nicht detektiert werden, wird automatisch keine Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung und damit der mit dieser verbundenen chirurgischen Vorrichtung vorgenommen.
Denkbar wäre es, nur zwei oder drei Markerelemente vorzusehen. Um jedoch eine ausreichende Redundanz bei der Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum zu gewährleisten, wird vorzugsweise eine sechs Markerelemente umfassende Referenzierungsvorrichtung verwendet. Alternativ könnten auch Referenzierungsvorrichtungen mit vier oder fünf Markerelementen verwendet werden. Selbstverständlich können auch mehr als sechs Markerelemente an der Referenzierungsvorrichtung angeordnet sein.
Ein Maß für den Verschmutzungsgrad kann noch schneller angegeben werden, wenn die Abbildungsfunktion nur dann bestimmt wird, wenn die Ist-Markerzahl einen Wert von mindestens zwei oder drei aufweist. Wenn weniger als zwei oder drei Markerelemente von der Nachweisvorrichtung detektiert werden, ist es nicht unbedingt erforderlich, das ganze Verfahren vollständig durchzuführen. Es kann bereits an dieser Stelle abgebrochen und dem Verwender signalisiert werden, dass mit der Referenzierungsvorrichtung eine Orientierung bzw. eine Position des beispielsweise mit dieser verbundenen Instruments nicht mehr genau genug oder gar nicht bestimmt werden kann.
Ebenso kann das Verfahren weiter verkürzt werden, wenn keine Abbildungsfunktion bestimmt wird, wenn die Ist-Markerzahl kleiner als die Anzahl der Anzahl der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung ist. Enthält also der zweite Datensatz nicht von allen Markerelementen Positionsdaten, so wird eine Lage- und Orientierungsbestimmung der Referenzierungsvorrichtung im Raum nicht durchgeführt. Da eine Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum umso genauer wird, je mehr Markerelemente tatsächlich ausgemessen und deren Ist- und Soll-Positionen verglichen werden können, wird durch diesen Verfahrensschritt die Qualität der Positionsbestimmung der Referenzierungsvorrichtung deutlich verbessert.
Günstig ist es, wenn vom Navigationssystem eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn die Ist-Markerzahl kleiner als die Anzahl der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung ist. Durch die ausgegebene Fehlermeldung kann ein Operateur oder Anwender des Navigationssystems sofort erkennen, dass mindestens eines der an der Referenzierungsvorrichtung angeordneten Markerelemente vollständig verschmutzt ist. Ein Anwender hat so die Möglichkeit, entweder die Referenzierungsvorrichtung auszutauschen oder diese zu reinigen, um einen optimalen Betrieb des Navigationssystems zu erreichen.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn vom Navigationssystem eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn die Ist-Markerzahl einen Wert aufweist, der kleiner als zwei oder drei ist. Damit kann ein Anwender sofort erkennen, dass weniger als die erforderliche Anzahl von Markerelementen von der Nachweisvorrichtung detektiert werden kann.
Um die Bedienungsfreundlichkeit des Navigationssystems für einen Anwender noch weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn als Fehlermeldung ausgegeben wird, dass mindestens eines der Markerelemente vollständig verschmutzt ist.
Um zu vermeiden, für jedes Markerelement eine Energieversorgung vorsehen zu müssen, ist es günstig, wenn passive Markerelemente verwendet werden, die geeignet sind, vom Navigationssystem ausgesandte und/oder von diesem detektierbare Strahlung zu reflektieren.
Deutlich unempfindlicher für Verschmutzungen wird das eingesetzte Navigationssystem, wenn aktive Markerelemente verwendet werden, die geeignet sind, vom Navigationssystem detektierbare Strahlung auszusenden. Je nach Verschmutzungsgrad sind aktive Markerelemente passiven Markerelementen überlegen, da Strahlung teilweise noch durch eine auf der Oberfläche der Markerelemente befindliche Verschmutzung hindurchstrahlen kann.
Der Aufbau des Navigationssystems und die Anwendung des Verfahrens vereinfacht sich, wenn als Strahlung elektromagnetische Strahlung verwendet wird. Denkbar wäre es auch, Ultraschall als Strahlung zu verwenden.
Um eine optimale Sichtbarkeit der Markerelemente zu erreichen und um zudem deren Position besonders genau bestimmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn Markerelemente verwendet werden, die kugelförmig, im Wesentlichen kugelförmig, scheibenförmig oder im Wesentlichen scheibenförmig sind.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem chirurgischen Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit dem Navigationssystem ein Verfahren zur Bestimmung der Beeinflussung oder des Verschmutzungsgrades der Markerelemente der chirurgischen Referenzierungsvorrichtung durchgeführt wird,

– bei dem ein erster Datensatz bereitgestellt und in der Datenverarbeitungseinheit hinterlegt wird, der Soll-Markerkoordinaten von Soll-Positionen der mindestens zwei Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung in einem ersten Bildraum enthält,
– bei dem mit dem Navigationssystem ein zweiter Datensatz bestimmt wird, der die Ist-Markerkoordinaten von Ist-Positionen der mindestens zwei Markerelemente in einem zweiten Bildraum enthält,
– bei dem eine Abbildungsfunktion zur Abbildung des einen Bildraums auf den anderen Bildraum bestimmt wird, so daß eine Fehlergröße, die einer Abweichung der Ist-Positionen von den Soll-Positionen einzelner oder aller Markerelemente nach der Abbildung des einen Bildraums auf den anderen Bildraum zugeordnet ist, minimal wird,
– bei dem ein Vergleichsmaßstab für eine Beeinflussung oder einen Verschmutzungsgrad der Markerelemente vorgegeben wird
– und bei dem der Verschmutzungsgrad oder die Beeinflussung der mindestens zwei Markerelemente durch Vergleich der Fehlergröße mit dem Vergleichsmaßstab bestimmt wird.

Mit einem solchen, erfindungsgemäß weitergebildeten Navigationssystem ist es möglich, auf einfache Weise die Beeinflussung oder den Verschmutzungsgrad einer Referenzierungsvorrichtung zu bestimmen. In Abhängigkeit von dem ermittelten Verschmutzungsgrad kann dann wahlweise das Navigationssystem automatisch oder nach Eingabe einer Bestätigung durch eine Bedienperson Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung bestimmen oder auch nicht. Dadurch wird vermieden, dass teilweise oder vollständige verschmutzte Referenzierungsvorrichtungen falsche Orientierungs- und/oder Positionsdaten liefern, wodurch ein navigierter chirurgischer Eingriff nachteilig beeinflusst werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem als Fehlergröße die Summe der Abstände zwischen den Ist-Positionen und den Soll-Positionen für jedes der Markerelemente verwendet wird. Abstände lassen sich aus Positionskoordinaten von Positionen auf einfache Weise errechnen durch Differenzbildung der jeweiligen Koordinaten, beispielsweise durch Differenzbildung von X-, Y- und Z-Koordinaten von Ist- und Soll-Positionen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Navigationssystems kann vorgesehen sein, dass mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem der eine der beiden Datensätze in einem ersten Koordinatensystem angegeben wird, bei welchem der andere der beiden Datensätze in einem zweiten Koordinatensystem angegeben wird und bei welchem die Abbildungsfunktion eine Koordinatentransformationsfunktion zur Abbildung des ersten Koordinatensystems auf das zweite Koordinatensystem ist unter der Bedingung, dass die Fehlergröße minimal wird. Derartige Optimierungen und Anpassungen eines ersten Datensatzes auf einen zweiten Datensatz lassen sich sehr einfach erreichen durch Anpassungsalgorithmen, beispielsweise durch eine ”Best-Fit”-Anpassung mittels des Algorithmus ”ITRQ3d” der Firma Northern Digital Inc., die auf einem Computer ausführbar sind.
Um auf einfache Weise die beste Abbildungsfunktion zu bestimmen, ist es günstig, wenn mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem eine Fehlergrößenfunktion der Fehlergröße in Abhängigkeit der Abbildungsfunktion bestimmt wird, bei welchem das absolute Minimum der Fehlergrößenfunktion bestimmt wird und bei welchem als beste Abbildungsfunktion diejenige Abbildungsfunktion bestimmt wird, die dem absoluten Minimum der Fehlergrößenfunktion zugeordnet ist. Das Navigationssystem ermittelt somit automatisch die beste Abbildungsfunktion, und zwar durch Bestimmung des absoluten Minimums der Fehlergrößenfunktion.
Damit ein Grad der Verschmutzung objektiv angebbar ist, ist es vorteilhaft, wenn ein Vergleichsmaßstab vorgegeben ist, der einen Grenzwert für einen maximalen Verschmutzungsgrad umfasst, und wenn der Grenzwert einer vorgegebenen Mindestgenauigkeit für die Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum entspricht.
Vorteilhafterweise ist dem Grenzwert ein Maximalwert der Fehlergröße zugeordnet. So lässt sich besonders einfach ausgehend von einer für den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Navigationssystems vorgebbaren Fehlergröße der Grenzwert angeben.
Ein anschauliches Maß für einen Verschmutzungsgrad lässt sich auf einfache Weise angeben, wenn dem Vergleichsmaßstab eine Skala zugeordnet ist, die einen Verschmutzungsgrad in Form einer Prozentangabe in einem Bereich von 0% bis 100% angibt. Selbstverständlich könnte der Vergleichsmaßstab auch eine andere Skala aufweisen und beispielsweise eine Verschmutzung in einem Bereich von 0 bis 1 oder 0 bis 1000 angeben.
Günstigerweise ist ein Grenzwert vorgegeben, welcher einer Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position von höchstens dem halben Durchmesser eines der Markerelemente entspricht. Damit kann eine gewünschte Genauigkeit bei der Bestimmung der Ist-Positionen bezogen auf eine Geometrie der Markerelemente vorgegeben werden, beispielsweise wenn diese in Form von Kugeln oder Scheiben ausgebildet sind.
Um auf einfache Weise angeben zu können, ob alle oder nur einige der an der Referenzierungsvorrichtung angeordneten Markerelemente für das Navigationssystem sichtbar oder von diesem detektierbar sind, ist es vorteilhaft, wenn mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem aus dem zweiten Datensatz die Ist-Markerzahl der für das Navigationssystem sichtbaren oder vom Navigationssystem detektierbaren Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung bestimmt wird. Abhängig vom Ergebnis kann das Navigationssystem automatisch einen Betriebsmodus wechseln oder das Ergebnis für einen Benutzer ausgeben.
Um zu vermeiden, dass falsche Ist-Positionskoordinaten mit dem Navigationssystem ermittelt werden, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem eine Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum nur dann vorgenommen wird, wenn die Ist-Markerzahl einen Wert von mindestens zwei oder drei aufweist. Die Positionskoordinaten von mindestens drei Markerelementen sind erforderlich, um eindeutig sowohl Lage als auch Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum zu ermitteln, zwei Markerelemente sind erforderlich, um eindeutig zumindest die Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum zu bestimmen. Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Navigationssystem wird vermieden, dass eine Bestimmung von Lage und/oder Orientierung der Referenzierungsvorrichtung vorgenommen wird, wenn nur zwei oder nur ein Markerelement ganz oder teilweise für die Nachweisvorrichtung sichtbar sind.
Günstig kann es ferner sein, wenn mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem aus dem zweiten Datensatz keine Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum vorgenommen wird, wenn die Ist-Markerzahl kleiner als die Anzahl der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung ist. Ist beispielsweise eines der Markerelemente vollständig verschmutzt, so kann das Navigationssystem nur eine Ist-Markerzahl bestimmen, die kleiner als die Anzahl der tatsächlich an der Referenzierungsvorrichtung angeordneten Markerelemente ist. Um Fehler bei der Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung zu vermeiden, kann daher mit dem erfindungsgemäßen Navigationssystem keine Positionsbestimmung der Markerelemente vorgenommen werden, wenn nicht alle Markerelemente für die Nachweisvorrichtung des Navigationssystems sichtbar oder detektierbar sind.
Um eine ausreichende Genauigkeit und Redundanz bei der Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum zu erreichen, ist es günstig, wenn die Referenzierungsvorrichtung sechs Markerelemente umfasst. Denkbar wäre es auch, Referenzierungsvorrichtungen mit drei, vier oder fünf Markerelementen einzusetzen. Selbstverständlich könnten auch Referenzierungsvorrichtungen mit mehr als sechs Markerelementen verwendet werden.
Denkbar wäre es, mit dem Navigationssystem die Abbildungsfunktion unabhängig von Randbedingungen in jedem Fall zu bestimmen. Vorteilhaft kann es gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform jedoch sein, wenn mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem die Abbildungsfunktion nur dann bestimmt wird, wenn die Ist-Markerzahl einen Wert von mindestens zwei oder drei aufweist. Dadurch kann eine zur Verfügung stehende Rechenleistung einer Datenverarbeitungseinrichtung des Navigationssystems optimiert werden, d. h. Berechnungen werden nur dann durchgeführt, wenn sie auch tatsächlich durchgeführt werden müssen. Ferner kann so vermieden werden, dass Lage und/oder Orientierung der Referenzierungsvorrichtung ermittelt und einem Anwender angezeigt werden, auch wenn die ermittelten Werte ungenau oder außerhalb eines tolerierbaren Genauigkeitsbereichs liegen.
Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform kann ferner vorgesehen sein, dass mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem keine Abbildungsfunktion bestimmt wird, wenn die Ist-Markerzahl kleiner als die Anzahl der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung ist. Mit einem solchen Navigationssystem kann vermieden werden, dass Lage und Orientierung einer Referenzierungsvorrichtung angegeben werden, wenn nicht alle Markerelemente für die Nachweisvorrichtung des Navigationssystems sichtbar oder von dieser detektierbar sind.
Die Bedienbarkeit des Navigationssystems wird deutlich vereinfacht, wenn mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem vom Navigationssystem eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn die Ist-Markerzahl kleiner als die Anzahl der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung ist. Für eine Bedienperson ist auf diese Weise sofort erkennbar, ob eines der Markerelemente vollständig verschmutzt ist.
Ferner kann es günstig sein, wenn mit dem Navigationssystem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem vom Navigationssystem eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn die Ist-Markerzahl einen Wert aufweist, der kleiner als drei oder zwei ist. Dadurch kann eine Bedienperson sofort erkennen, wenn weniger als drei, für eine Bestimmung von Lage und Orientierung oder nur der Orientierung der Referenzierungsvorrichtung erforderliche Markerelemente detektierbar sind.
Eine Bedienungsfreundlichkeit des Navigationssystems wird weiter verbessert, wenn mit diesem ein Verfahren durchführbar ist, bei welchem als Fehlermeldung ausgegeben wird, dass mindestens eines der Markerelemente vollständig verschmutzt ist.
Grundsätzlich wäre es denkbar, ein elektromagnetisches Navigationssystem mit elektromagnetischen Localizern, also Referenzierungsvorrichtungen mit Markerelementen in Form von Induktionsspulen zu verwenden. Hierfür wird durch das Navigationssystem ein Magnetfeld erzeugt, in welchem Positionen der Markerelemente bildenden Induktionsspulen bestimmt werden können. Besonders einfach wird der Aufbau des Navigationssystems, wenn passive Markerelemente vorgesehen sind, die geeignet sind, vom Navigationssystem ausgesandte und/oder von diesem detektierbare Strahlung zu reflektieren. Dadurch kann vollständig auf eine Energieversorgung der Markerelemente verzichtet werden.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn aktive Markerelemente vorgesehen sind, die geeignet sind, vom Navigationssystem detektierbare Strahlung auszusenden. Sind aktive Markerelemente beispielsweise geeignet, Strahlung mit hoher Intensität auszusenden, so kann deren Größe im Vergleich zu einem passiven Markerelement deutlich verringert werden, wodurch sich eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung im Raum ergibt.
Der Aufbau des Navigationssystems wird weiter vereinfacht, wenn die Strahlung elektromagnetische Strahlung ist. Vorzugsweise werden als Strahlungsquellen zur Erzeugung der Strahlung Leuchtdioden eingesetzt, die Licht im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich aussenden können. Alternativ wäre es auch denkbar, als Strahlung Ultraschall zu verwenden.
Die Herstellung des Navigationssystems wird deutlich vereinfacht, wenn die Markerelemente kugelförmig, im Wesentlichen kugelförmig, scheibenförmig oder im Wesentlichen scheibenförmig sind. Ferner können derartige Markerelemente von einer Nachweisvorrichtung des Navigationssystems, beispielsweise einer Kamera, besonders einfach detektiert werden.
Ferner wird ein computerlesbares Medium mit einem auf dem Computer lesbaren Medium gespeicherten Computerprogramm vorgeschlagen, wobei bei Ablauf des Computerprogramms auf einem Computer eines Navigationssystems eines der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt wird. Vorzugsweise wird als Navigationssystem eines der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Navigationssysteme verwendet.
Des weiteren wird die ein Computerprogramm vorgeschlagen, wobei bei Ablauf des Computerprogramms auf einem Computer eines Navigationssystems eines der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt wird. Dabei wird vorzugsweise eines der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Navigationssysteme eingesetzt.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines chirurgischen Navigationssystems;
2: eine perspektivische Darstellung einer chirurgischen Referenzierungsvorrichtung;
3: eine Darstellung der Soll-Koordinaten der Markerelemente einer Referenzierungsvorrichtung in einem ersten Bildraum;
4: eine Darstellung der mit dem Navigationssystem bestimmten Ist-Positionen der Markerelemente der Referenzierungsvorrichtung in einem zweiten Bildraum; und
5: eine Darstellung des mit einer Abbildungsfunktion auf dem ersten Bildraum abgebildeten zweiten Bildraums.
In 1 ist ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehenes chirurgisches Navigationssystem dargestellt, welches eine Nachweisvorrichtung 12 mit mindestens einer Sendeeinheit 14 zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung und mehreren Empfängern 16 aufweist, mit denen elektromagnetische Strahlung detektiert werden kann. Ferner umfasst das Navigationssystem 10 eine Datenverarbeitungseinrichtung in Form eines oder mehrerer Computer 18 sowie ein Eingabegerät in Form einer Tastatur 20 und ein Ausgabegerät 22 in Form eines mit dem Computer 18 verbundenen Bildschirms 22. Der Computer ist dazu geeignet, ein computerlesbares Medium aufzunehmen und auszulesen, welches ein ein auf diesem gespeichertes Computerprogamm umfasst. Das computerlesbare Medium kann beispielsweise eine Diskette, eine CD-Rom, eine transportable Festplatte oder ein sogenannter Flash-Speicher sein. Selbstverständlich wäre auch der Einsatz eines elektromagnetischen Navigationssystems denkbar, bei dem Referenzierungsvorrichtungen in einem Magnetfeld bewegt werden und Änderungen des Magnetfelds durch kleine, als Markerelemente dienende Induktionsspulen bewirkt werden, wenn sich diese im Magnetfeld bewegen.
Zur Bestimmung von Lage und Orientierung von Teilen eines menschlichen Körpers 24 im Raum dienen eine oder mehrere Referenzierungsvorrichtungen, so genannte Rigid Bodys 26, beispielsweise die in 1 dargestellten passiven Rigid Bodys mit vier an einem Rahmen angeordneten kugelförmigen Markerelementen 28. Die Rigid Bodys sind vorzugsweise lösbar verbindbar mit einem mit dem Körper 24 verbindbaren chirurgischen Vorrichtung, beispielsweise einem Befestigungselement in Form einer in 1 dargestellten Knochenschraube 30. Die kugelförmigen Markerelemente 28 sind mit einer nicht näher dargestellten Beschichtung versehen, die geeignet ist, von der Sendeeinheit 14 ausgesandte Strahlung, beispielsweise Infrarotstrahlung, zu reflektieren, die dann von den Empfängern 16 detektiert werden kann. Die Empfänger 16 können beispielsweise in Form einer Stereokamera ausgebildet sein, mit der sich durch Erzeugung und Auswertung eines Bildes des Raums eine Position des Markerelementes 28 im Raum eindeutig bestimmen lässt.
Lage und Orientierung des Rigid Bodys 26 im Raum lassen sich eindeutig angeben, wenn mindestens drei Markerelemente 28 am Rigid Body 26 angeordnet sind. Zumindest eine Orientierung des Rigid Bodys 26 im Raum lässt sich eindeutig angeben, wenn mindestens zwei Markerelemente 28 am Rigid Body 26 angeordnet sind. Des weiteren kann auch bei nur einem angeordneten Markerelement 28 am Rigid Body 26 zumindest eine kugelförmige Oberfläche angegeben werden, auf der sich beispielsweise eine Instrumentenspitze befindet oder auch nur die Position des Markerelements 28 im Raum. Aus Redundanzgründen ist es erwünscht, mehr als nur drei Markerelemente an einem Rigid Body vorzusehen. Ein solches Beispiel eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 32 versehenen Rigid Body ist in 2 dargestellt.
Der Rigid Body 32 umfasst einen Grundkörper 34, an dem insgesamt sechs, im Wesentlichen scheibenförmige Markerelemente 36 angeordnet sind. Jeweils drei Markerelemente 36 sind so angeordnet, dass sie eine Ebene definieren, wobei insgesamt zwei, relativ zueinander geneigte Ebenen von jeweils drei Markerelementen 36 aufgespannt werden. Der Rigid Body 32 umfasst ferner eine Kupplung 38, mit der der Rigid Body 32 in definierter Weise mit einer chirurgischen Vorrichtung, zum Beispiel einer Knochenschraube 40 oder einem anderen Befestigungselement, verbunden werden kann, welches an einem menschlichen oder tierischen Körper 24 festlegbar ist.
Mit dem Navigationssystem 10 lässt sich nicht nur die Lage und die Orientierung der Rigid Bodys 26 und 32 im Raum bestimmen, sondern auch ein Verschmutzungsgrad der Markerelemente 28 und 36.
In 2 ist beispielhaft dargestellt, welche Auswirkung die Verschmutzung eines Markerelements 36 hat. Ein unverschmutztes Markerelement 36, wie es in 2 unten links dargestellt ist, kann von der Nachweisvorrichtung 12 als Kreisscheibe oder als eine geometrisch ähnliche Form derselben detektiert werden, beispielsweise ein Oval, woraus sich ein Schwerpunkt 42 einer vom Markerelement 36 definierten Fläche bestimmen lässt.
Bei einem in 2 unten rechts dargestellten, teilweise durch Schmutz 44, beispielsweise Blut oder Gewebeteile, verschmutzten Markerelement 36 ist nur noch derjenige Teilbereich der Markerfläche von der Nachweisvorrichtung 12 erkennbar, der nicht mit Schmutz bedeckt ist. Aus dem detektierten Flächenbereich lässt sich ein Schwerpunkt 42' ermitteln, der einen Abstand 46 vom Schwerpunkt 42 des unverschmutzten Markerelements 36 aufweist. Es ergibt sich aufgrund der Verschmutzung somit ein Fehler bei der Ermittlung des Schwerpunkts des Markerelements 36 mit der Nachweisvorrichtung 12, also eine Abweichung einer Soll-Position, die definiert wird durch den Schwerpunkt 42 von einer Ist-Position, die definiert wird durch den Schwerpunkt 42'. Der ermittelte Abstand 46 kann also als eine Fehlergröße dienen, mit der eine Abweichung der Soll-Position von der tatsächlich ermittelten Ist-Position des Markerelements 36 angegeben werden kann.
Zur Bestimmung des Verschmutzungsgrads der Markerelemente 36 des Rigid Bodys 32 werden dem Navigationssystem 10 Soll-Markerkoordinaten von Soll-Positionen 48 der Markerelemente 36 in einem ersten Bildraum 50 angegeben und im Computer 18 hinterlegt. Die Soll-Markerkoordinaten der Soll-Positionen 48 beziehen sich auf ein erstes Koordinatensystem 52, das beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem ist. Die Soll-Markerkoordinaten bilden einen ersten Datensatz.
Ein zweiter Datensatz lässt sich mit dem Navigationssystem 10 bestimmen, wobei der zweite Datensatz Ist-Markerkoordinaten von Ist-Positionen 54 der Markerelemente 36 in einem zweiten Bildraum enthält. Die Ist-Markerkoordinaten der Ist-Positionen 54 werden in einem zweiten Koordinatensystem 58 angegeben, welches ebenfalls ein kartesisches Koordinatensystem ist. Selbstverständlich wäre es denkbar, die Koordinaten auch in anderen Koordinatensystemen anzugeben.
Um zu bestimmen, wie stark verschmutzt eines oder mehrere Markerelemente 36 sind, wird ein Bildraum auf den anderen Bildraum mittels einer Abbildungsfunktion, die eine Koordinatentransformation sein kann, abgebildet. Beispielsweise wird der zweite Bildraum 56 auf den ersten Bildraum 50 abgebildet. Die Abbildungsfunktion ist dabei nicht beliebig, sondern wird so gewählt, dass eine Fehlergröße, die eine Abweichung der Ist-Positionen 54 von den Soll-Positionen 48 nach Abbildung des zweiten Bildraums auf den ersten Bildraum zugeordnet ist, minimal wird. Als Fehlergröße eignet sich beispielsweise die Summe aller Abstände der Soll-Positionen 48 der Markerelemente 36 von den in den ersten Bildraum abgebildeten Ist-Positionen 48'. Die Fehlergröße kann beispielsweise angegeben werden durch den Abstand 64 der Schwerpunkte 60 und 62 der Soll-Position 48 von der abgebildeten Ist-Position 48' eines Markerelements 36 im ersten Bildraum 50. Die Abbildungsfunktion, bei der die Summe aller Abstände 64 für die Markerelemente 36 minimal wird, definiert dann die beste Abbildung oder die minimalste Abweichung der Ist-Positionen 54 von den Soll-Positionen 48.
Praktisch wird die beste Abbildungsfunktion durch eine so genannte ”Best-Fit” Anpassung mit dem Computer 18 ermittelt. Dabei werden Distanzen zweier korrelierender Punkte, also der Soll-Positionen 48 und der Ist-Positionen aufsummiert und eine Fehlerfunktion in Abhängigkeit der Abbildungsfunktion ermittelt, bei der die Fehlerfunktion ihr absolutes Minimum aufweist, also die Summe der Abstände 64 ihr absolutes Minimum erreicht. Diese Anpassung kann beispielsweise mit einem mathematischen Anpassungsalgorithmus bestimmt werden, beispielsweise mit dem Algorithmus ”ITRQ3d” der Firma Northern Digital Inc..
Im Computer 18 ist ferner eine Zuordnungstabelle hinterlegt, in welcher die Fehlergröße einem bestimmten Verschmutzungsgrad zugeordnet ist. Ist der maximale Fehler in der beschriebenen Weise bestimmt, wird der Verschmutzungsgrad der Markerelemente 36 durch Vergleich der Fehlergröße mit einem Vergleichsmaßstab bestimmt. Beispielsweise kann der Vergleichsmaßstab einen Verschmutzungsgrad in einem Bereich von 0% bis 100% angeben.
Abhängig vom ermittelten Verschmutzungsgrad, der beispielsweise am Bildschirm 32 in einem Ausgabefeld 66 angezeigt werden kann, können in einem weiteren Ausgabefeld 68 Lage und Orientierung des Rigid Body 32 im Raum angegeben werden.
Es kann vorkommen, dass eines der Markerelemente 36 vollständig verschmutzt ist. Dann enthält der zweite Datensatz, der die Ist-Markerkoordinaten von Ist-Positionen der Markerelemente 36 im zweiten Bildraum 56 enthält, nur Daten für eine Ist-Markeranzahl, die kleiner ist als die Zahl der tatsächlich am Rigid Body 32 angeordneten Markerelemente 36. In einem solchen Fall kann in einem Ausgabefeld 70 am Bildschirm 22 eine Fehlermeldung ausgegeben werden, beispielsweise derart, dass mindestens eines der Markerelemente vollständig verschmutzt ist. Eine solche Fehlermeldung kann auch ausgegeben werden, wenn im zweiten Datensatz nur so wenig Koordinaten enthalten sind, dass nur Ist-Positionen 54 von weniger als drei Markerelementen 36 angebbar sind. In diesem Fall lässt sich keine sinnvolle Bestimmung von Lage und Orientierung des Rigid Body 32 im Raum durchführen.
Ferner kann das Navigationssystem 10 auch derart ausgebildet sein, dass eine Bestimmung der Abbildungsfunktion zum Abbilden des zweiten Bildraums 56 auf den ersten Bildraum 50 nur dann vorgenommen wird, wenn mit der Nachweisvorrichtung 12 alle Markerelemente 36 detektierbar sind. Ferner kann vorgesehen sein, dass keine Bestimmung von Lage und Orientierung des Rigid Bodys 32 im Raum vorgenommen wird, wenn weniger als drei Markerelemente für die Nachweisvorrichtung 12 sichtbar sind.
Das Verfahren zur Bestimmung des Verschmutzungsgrades kann beispielsweise vor jeder Messung der Ist-Koordinaten der Markerelemente 36 vorgenommen werden oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen, beispielsweise alle fünf Sekunden. Ein Zeitintervall kann auch in einem Bereich von einer Sekunde bis sechzig Sekunden vorgebbar sein. Alternativ wäre es auch denkbar, dass mit der Tastatur 20 oder einem anderen Eingabegeräte von einer Bedienperson die Prüfung des Verschmutzungsgrads der Markerelemente 36 explizit angefordert wird.
Das Navigationssystem 10 eignet sich sowohl für den Einsatz von passiven als auch aktiven Referenzierungsvorrichtungen, wobei der Rigid Body 26 ein Beispiel für eine passive Referenzierungsvorrichtung ist, der Rigid Body 32 ein Beispiel für eine aktive Referenzierungsvorrichtung mit aktiven Markerelementen 36, die beispielsweise Infrarotlicht aussendende Leuchtdioden sein können.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Verschmutzungsgrades von Markerelementen (28; 36) einer chirurgischen Referenzierungsvorrichtung (26; 32), die mindestens zwei Markerelemente (28; 36) umfasst, deren Positionen im Raum mit einem chirurgischen Navigationssystem (10) bestimmbar sind, – wobei ein chirurgisches Navigationssystem (10) bereitgestellt wird, mit dem Ist-Markerkoordinaten von Positionen der mindestens zwei Markerelemente (28; 36) im Raum bestimmbar sind, – wobei ein erster Datensatz bereitgestellt wird, der Soll-Markerkoordinaten von Soll-Positionen (48) der mindestens zwei Markerelemente (28; 36) der Referenzierungsvorrichtung (26; 32) in einem ersten Bildraum (50) enthält, – wobei mit dem Navigationssystem (10) ein zweiter Datensatz bestimmt wird, der die Ist-Markerkoordinaten von Ist-Positionen (54) der mindestens zwei Markerelemente (28; 36) in einem zweiten Bildraum (56) enthält, – wobei eine Abbildungsfunktion zur Abbildung des einen Bildraums (56) auf den anderen Bildraum (50) bestimmt wird, so dass eine Fehlergröße, die einer Abweichung (64) der Ist-Positionen (48') von den Soll-Positionen (48) einzelner oder aller Markerelemente (28; 36) nach der Abbildung des einen Bildraums (56) auf den anderen Bildraum (50) zugeordnet ist, minimal wird, – wobei ein Vergleichsmaßstab für einen Verschmutzungsgrad der mindestens zwei Markerelemente (28; 36) vorgegeben wird – und wobei der Verschmutzungsgrad der mindestens zwei Markerelemente durch Vergleich der Fehlergröße mit dem Vergleichsmaßstab bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Fehlergröße die Summe der Abstände (64) zwischen den Ist-Positionen (48') und den Soll-Positionen (48) für jedes der Markerelemente (28; 36) verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der eine der beiden Datensätze in einem ersten Koordinatensystem (52) angegeben wird, der andere der beiden Datensätze in einem zweiten Koordinatensystem (56) angegeben wird und die Abbildungsfunktion eine Koordinatentransformationsfunktion zur Abbildung des ersten Koordinatensystems (52) auf das zweite Koordinatensystem (56) ist unter der Bedingung, dass die Fehlergröße minimal wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Fehlergrößenfunktion der Fehlergröße (64) in Abhängigkeit der Abbildungsfunktion bestimmt wird, das absolute Minimum der Fehlergrößenfunktion bestimmt wird und als beste Abbildungsfunktion diejenige Abbildungsfunktion bestimmt wird, die dem absoluten Minimum der Fehlergrößenfunktion zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Vergleichsmaßstab vorgegeben wird, der einen Grenzwert für einen maximalen Verschmutzungsgrad umfasst, und der Grenzwert einer vorgegebenen Mindestgenauigkeit für die Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung (26; 32) im Raum entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei dem Grenzwert ein Maximalwert der Fehlergröße (64) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei dem Vergleichsmaßstab eine Skala zugeordnet wird, die einen Verschmutzungsgrad in Form einer Prozentangabe in einem Bereich von 0% bis 100% angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein Grenzwert vorgegeben wird, welcher einer Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position von höchstens dem halben Durchmesser eines der Markerelemente (28; 36) entspricht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei aus dem zweiten Datensatz die Ist-Markerzahl der für das Navigationssystem (10) sichtbaren oder vom Navigationssystem (10) detektierten Markerelemente (28; 36) der Referenzierungsvorrichtung (26; 32) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung (26; 32) im Raum nur dann vorgenommen wird, wenn die Ist-Markerzahl einen Wert von mindestens zwei oder drei aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei aus dem zweiten Datensatz keine Bestimmung von Lage und Orientierung der Referenzierungsvorrichtung (26; 32) im Raum vorgenommen wird, wenn die Ist-Markerzahl kleiner als die Anzahl der Markerelemente (28; 36) der Referenzierungsvorrichtung (26; 32) ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine sechs Markerelemente (28; 36) umfassende Referenzierungsvorrichtung (26; 32) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei vom Navigationssystem (10) eine Fehlermeldung (70) ausgegeben wird, wenn die Ist-Markerzahl kleiner als die Anzahl der Markerelemente (28; 36) der Referenzierungsvorrichtung (26; 32) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei vom Navigationssystem (10) eine Fehlermeldung (70) ausgegeben wird, wenn die Ist-Markerzahl einen Wert aufweist, der kleiner als drei oder zwei ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei als Fehlermeldung (70) ausgegeben wird, dass mindestens eines der Markerelemente (28; 36) vollständig verschmutzt ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei passive Markerelemente (28) verwendet werden, die geeignet sind, vom Navigationssystem (10) ausgesandte und/oder von diesem detektierbare Strahlung zu reflektieren.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei aktive Markerelemente (36) verwendet werden, die geeignet sind, vom Navigationssystem (10) detektierbare Strahlung auszusenden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei als Strahlung elektromagnetische Strahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Markerelemente (28; 36) verwendet werden, die kugelförmig oder scheibenförmig sind.
Chirurgisches Navigationssystem (10) zum Bestimmen von Lage und Orientierung einer chirurgischen Vorrichtung (30; 40) im Raum, mit mindestens einer chirurgischen, mindestens zwei Markerelemente (28; 36) umfassenden Referenzierungsvorrichtung (26; 32), die an der chirurgischen Vorrichtung (30; 40) angeordnet oder mit dieser verbindbar ist, mit einer Nachweisvorrichtung (12) zum Detektieren von den Markerelementen (28; 36) ausgesandter oder von den Markerelementen (28; 36) reflektierter Strahlung und mit einer Datenverarbeitungseinheit (18), wobei mit dem Navigationssystem (10) Ist-Markerkoordinaten von Positionen der Markerelemente (28; 36) im Raum bestimmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Navigationssystem (10) ein Verfahren zur Bestimmung des Verschmutzungsgrades der Markerelemente (28; 36) der chirurgischen Referenzierungsvorrichtung (26; 32) nach einem der voranstehenden Ansprüche durchgeführt wird.