WO2005000129A1

WO2005000129A1 - Verfahren und vorrichtung zur orientierung eines bearbeitungswerkzeuges

Info

Publication number: WO2005000129A1
Application number: PCT/EP2003/006806
Authority: WO
Inventors: François LEITNER
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2005-12-27
Also published as: AU2003246613A1

Abstract

Um bei einem Verfahren zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges (19) relativ zu einem Werkstück (1) mit einer Betrachtungseinrichtung (4) für das Werkstück die Dauer der Betrachtungszeit zu verkürzen, wird vorgeschlagen a) dass man die Betrachtungseinrichtung so auf das Werkstück richtet, dass ihre optische Achse auf das Werkstück gerichtet ist, b) dass man auf einer ersten Anzeigeeinrichtung (22) ein von der Betrachtungseinrichtung erzeugtes Bild des Werkstückes und eine Betrachtungsmarkierung (23) erzeugt, die der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung entspricht, c) dass man auf einer zweiten Anzeigeeinrichtung (24) ein Modell des Werkstückes und eine Markierung (25) anzeigt, die einer definierten Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges entspricht, d) dass man das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in die gewünschte Position und Orientierung bringt, e) dass man das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in eine Position und Orientierung bringt, die der Position und Orientierung des Werkstückes relativ zur Betrachtungsmarkierung auf der ersten Anzeigeeinrichtung entspricht, und die dabei vorgenommenen Werte der Drehungen und Verschiebungen des Modells bestimmt, f) und dass man die um diese Werte korrigierte optische Achse zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück verwendet. Es wird ausserdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ORIENTIERUNG EINES BEARBEITUNGSWERKZEUGES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einem Werkstück mit einer Betrachtungseinrichtung für das Werkstück.

In vielen Fällen kann ein Bearbeitungswerkzeug relativ zu einem Werkstück einfach dadurch orientiert werden, daß der Eingriffsort des Bearbeitungswerkzeuges über eine Betrachtungseinrichtung betrachtet und überprüft wird, ob das Werkstück relativ zu der Betrachtungseinrichtung die gewünschte Position einnimmt. Wenn dies erreicht ist, kann das Bearbeitungswerkzeug relativ zur Betrachtungseinrichtung eine definierte Position erhalten, so daß dann sichergestellt ist, daß das Bearbeitungswerkzeug auch in einer vorbestimmten relativen Position und Orientierung zum Werkstück steht.

Um diese Justierung des Werkstückes relativ zur Betrachtungseinrichtung und damit auch relativ zum Bearbeitungswerkzeug vornehmen zu können, ist eine längere Betrachtung des Werkstückes notwendig, da regelmäßig überprüft werden muß, wie eine Verschiebung und/oder Drehung des Werkstückes relativ zur Betrachtungseinrichtung die relative Zuordnung verändert hat.

Im medizinischen Bereich treten derartige Aufgabenstellungen häufig auf, wenn ein Implantat im Körper orientiert werden muß, beispielsweise ein Knochennagel in einem Röhrenknochen. Es ist dann notwendig, relativ zu dem Implantat den umgebenden Knochen zu bearbeiten, beispielsweise muß eine Bohrung in den Knochen eingebracht werden, die mit einer Öffnung des Im- plantates ausgerichtet ist. Als Betrachtungseinrichtung kommt dann nur ein Röntgengerät in Frage, und die relative Justierung der Betrachtungseinrichtung relativ zum Werkstück ist mit einer längeren Röntgenbestrahlung verbunden. Dies ist für den Patienten schädlich, insbesondere aber für den Operateur, der derartige Operationen häufig durchführt und dann jedes Mal längere Zeit der Röntgenstrahlung der Betrachtungseinrichtung ausgesetzt ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß eine Ausrichtung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück auch mit nur kurzzeitiger Aktivierung der Betrachtungseinrichtung möglich ist. Bei der Verwendung einer Betrachtungseinrichtung, die mit Röntgenstrahlen arbeitet, bedeutet dies, daß nur kurzzeitige Bestrahlungen erfolgen, um die Momentanpositionierung der Betrachtungseinrichtung relativ zum Werkstück zu überprüfen, der Justiervorgang selbst erfolgt aber ohne andauernde Röntgenbestrahlung.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst: a) man richtet die Betrachtungseinrichtung so auf das Werkstück, daß ihre optische Achse auf das Werkstück gerichtet ist, b) man erzeugt auf einer ersten Anzeigeeinrichtung ein von der Betrachtungseinrichtung erzeugtes Bild des Werkstückes und eine Betrachtungsmarkierung, die der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung entspricht, c) man zeigt auf einer zweiten Anzeigeeinrichtung ein Modell des Werkstückes und eine Markierung an, die einer definierten Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges entspricht, d) man bringt das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in die gewünschte Position und Orientierung, e) man bringt das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in eine Position und Orientierung, die der Position und Orientierung des Werkstückes relativ zur Betrachtungsmarkierung auf der ersten Anzeigeeinrichtung entspricht, und man bestimmt die dabei vorgenommenen Werte der Drehungen und Verschiebungen des Modells, und f) man verwendet die um diese Werte korrigierte optische Achse der Betrachtungseinrichtung zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück.

Mit diesem Verfahren wird also zunächst nur ein einziges Bild der Betrachtungseinrichtung notwendig, man orientiert nämlich diese etwa in der gewünschten Bearbeitungsrichtung relativ zum Werkstück und zeigt das von der Betrachtungseinrichtung festgestellte Bild des Werkstückes auf der ersten Anzeigeeinrichtung. Da es sich hier noch nicht um eine sehr genaue Orientierung handelt, wird die optische Achse nicht genau auf den gewünschten Bereich des Werkstückes fallen und die gewünschte Orientierung zum Werkstück einnehmen. Man erkennt dies durch eine Abweichung der Betrachtungsmarkierung von dem gewünschten Bearbeitungsort und gegebenenfalls durch eine Fehlorientierung des Werkstückes, beispielsweise eine Verdrehung, die sich an einer Ovalisierung von runden Bohrungen oder dergleichen erkennen läßt.

Auf der zweiten Anzeigeeinrichtung wird unter Kenntnis der geometrischen Daten des Werkstückes ein Modell des Werkstückes angezeigt, und eine fiktive Bearbeitungsachse wird relativ zum Modell so angeordnet, wie es gewünscht wird, also beispielsweise genau auf das zu bearbeitende Gebiet des Werkstückes gerichtet, und das Werkstück wird genau in der Weise zu der Bearbeitungsrichtung orientiert, wie es gewünscht ist. Dies läßt sich aufgrund der vorbekannten geometrischen Daten des Werkstückes ohne weiteres erreichen, beispielsweise kann die Bearbeitungsrichtung mit einer Bohrung im Werkstück ausgerichtet werden.

Anschließend verändert der Benutzer an der zweiten Anzeigeeinrichtung die Lage des Modells des Werkstückes und die Orientierung desselben so, daß die Abbildung auf der zweiten Anzeigeeinrichtung der Abbildung auf der ersten Anzeigeeinrichtung entspricht. Damit wird auf der zweiten Anzeigeeinrichtung eine Dejustierung der ursprünglich eingestellten optimalen Orientierung und Lage vorgenommen, und diese Dejustierung entspricht der Fehljustierung der optischen Achse relativ zum Werkstück. Die Größe der Drehung des Werkstük- kes und der Verschiebung des Werkstückes wird dabei bestimmt, und diese Größe ist ein Maß dafür, wie stark die optische Achse der Betrachtungseinrichtung von der gewünschten Bearbeitungsrichtung relativ zum Werkstück abweicht. Diese Abweichung kann nun verwendet werden, um aus der tatsächlichen Orientierung und Lage der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung die gewünschte optimale Lage und Orientierung zu berechnen, und diese Lage und Orientierung wird dann verwendet, um das Bearbeitungswerkzeug relativ zum Werkstück zu orientieren, beispielsweise kann längs dieser korrigierten optischen Achse die Längsachse eines Bohrers ausgerichtet werden. Bei diesem Verfahren muß der Benutzer nur ein einziges Mal eine tatsächliche Betrachtung des Werkstückes vornehmen, alle anderen Vorgänge erfolgen über die zweite Anzeigeeinrichtung und die Verschiebung und Drehung des Werkstückes relativ zu der dort dargestellten Betrachtungsmarkierung.

Vorteilhaft ist es, wenn man vor der Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück die Betrachtungseinrichtung entsprechend den bestimmten Werten relativ zum Werkstück verdreht und/oder verschiebt und danach auf der ersten Anzeigeeinrichtung ein Bild des Werkstückes und der Betrachtungsmarkierung erzeugt. Man kann damit kontrollieren, ob die Verstellung der optischen Achse so gut gelungen ist, daß tatsächlich der gewünschte Bereich des Werkstückes und die gewünschte Orientierung der optischen Achse relativ zum Werkstück erreicht ist.

Sollte dies nicht optimal gelungen sein, kann man gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Schritte d), e) und g) wiederholen, bis eine optimale Justierung erreicht ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß man die Lage und Orientierung der Betrachtungseinrichtung und/oder des Werkstückes und/oder des Bearbeitungswerkzeuges mittels eines Navigations- systemes bestimmt. Es handelt sich dabei um bekannte Systeme, die die Lage eines Gegenstandes im Raum dadurch bestimmen können, daß der Gegenstand mit im Abstand zueinander angeordneten Markierungselementen versehen ist, die von mehreren im Abstand zueinander angeordneten Kameras "gesehen" werden. Derartige Systeme sind an sich bekannt. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß man als Betrachtungseinrichtung ein Röntgengerät verwendet.

Zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück kann man vorzugsweise eine Führungslehre verwenden, auch deren Lage und Orientierung wird günstigerweise mittels eines Navigationssystems bestimmt.

Das Bearbeitungswerkzeug kann beispielsweise ein Bohrer sein.

Besonders vorteilhaft ist dieses beschriebene Verfahren, wenn es sich bei dem Werkstück um ein Implantat handelt, es kann sich aber auch beispielsweise um einen Knochen handeln, dessen Bewegungsachsen auf diese Weise bestimmt werden. Der Begriff "Bearbeitungswerkzeug" ist dementsprechend breit zu verstehen, das Bearbeitungswerkzeug kann auch einfach ein Taster sein, der eine Richtung bestimmt, oder aber ein Werkzeug, das tatsächlich eine Bearbeitung am Werkstück vornimmt, beispielsweise eine Bohrung einbringt.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des beschriebenen Verfahrens bei der Orientierung einer Bohreinrichtung relativ zu Bohrungen in einem Knochennagel.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einem Werkstück mit einer Betrachtungseinrichtung für das Werkstück. Erfindungsgemäß ist eine solche Vorrichtung versehen mit einer ersten Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines von der Betrachtungseinrichtung erzeugten Bildes des Werkstückes und einer Betrachtungsmarkierung, die der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung entspricht, mit einer zweiten Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines Modelies des Werkstückes und einer Markierung, die einer definierten Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges entspricht, mit einer Versteileinrichtung zur Veränderung der Lage und/oder Orientierung der Betrachtungseinrichtung relativ zum Werkstück, und mit einer der zweiten Anzeigeeinrichtung zugeordneten Steuerung zur Verschiebung und/oder Drehung des Bildes des Werkstückes auf der zweiten Anzeigeeinrichtung und zur Bestimmung der Werte dieser Verschiebung und/oder Drehung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Steuerung die Lage und/oder Orientierung der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung entsprechend der so ermittelten Werte korrigiert und damit eine Arbeitsrichtung für das Bearbeitungswerkzeug bestimmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Steuerung die Betrachtungseinrichtung entsprechend den bestimmten Werten relativ zum Werkstück verdreht und/oder verschiebt und danach auf der ersten Anzeige- einrichtung ein Bild des Werkstückes und der Betrachtungsmarkierung erzeugt.

Es ist günstig, wenn ein Navigationssystem vorgesehen ist, welches die Lage und Orientierung der Betrachtungseinrichtung und/oder des Werkstückes und/ oder des Bearbeitungswerkzeuges bestimmt.

Die Betrachtungseinrichtung kann vorzugsweise ein Röntgengerät sein.

Zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück kann eine Führungslehre vorgesehen sein, deren Lage und Orientierung vorzugsweise mittels eines Navigationssystems bestimmt wird.

Das Bearbeitungswerkzeug kann ein Bohrer sein, das Werkstück kann vorzugsweise ein Implantat sein, insbesondere ein Knochennagel.

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

Figur 1: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einem Werkstück mit zwei Anzeigeeinrichtungen;

Figur 2: ein Bild auf der ersten Anzeigeeinrichtung und Figur 3: ein Bild auf der zweiten Anzeigeeinrichtung.

Die Erfindung wird am Beispiel eines Knochennagels 1 erläutert, der als Schiene eines Röhrenknochens 2 in diesen eingeschoben wird und der Querbohrungen 3 trägt, durch die Verriegelungsschrauben hindurchgesteckt werden, die in das Material des umgebenden Röhrenknochens 2 eingeschraubt sind. Um das Einsetzen dieser Verriegelungsschrauben vornehmen zu können, muß in den Röhrenknochen 2 eine Bohrung eingebracht werden, die mit einer Querbohrung 3 des Knochennagels 1 fluchtet, und zu diesem Zweck muß ein Bohrwerkzeug hinsichtlich seiner Orientierung und seiner Lage mit einer der Querbohrungen 3 im Knochennagel 1 ausgerichtet werden, obwohl diese Querbohrungen 3 im Inneren des Röhrenknochens 2 angeordnet sind und von außen nicht sichtbar sind.

Man kann zu diesem Zweck Bohrlehren verwenden, die mechanisch mit dem oberen Ende des Röhrenknochens 2 verbunden sind, diese funktionieren jedoch nur dann einwandfrei, wenn der Knochennagel 1 bei der Implantatation nicht verformt wird. Tatsächlich treten aber derartige Verformungen des Knochennagels 1 bei der Implantatation auf, beispielsweise kann sich der Knochennagel 1 durch Torsion um seine Längsachse verformen oder durch Abbiegen, und dann kann mit derartigen mechanischen Bohrlehren nicht mehr zuverlässig die Querbohrung 3 getroffen werden.

Bei herkömmlichen Verfahren wird daher der Bereich der Querbohrung 3 mit Röntgenstrahlen betrachtet, so daß man die Kontur des Knochennagels 1 im Röntgenbild erkennen kann. Man erkennt dadurch die tatsächliche Lage der Querbohrung 3, und bei einer Torsion des Knochennagels 1 kann man die Verdrehung daran erkennen, daß die Querschnittsform der Querbohrung 3 verändert erscheint. Eine kreisförmige Bohrung erscheint im Röntgenbild nur dann kreisförmig, wenn die optische Achse des Röntgengerätes genau mit der Querbohrung 3 ausgerichtet ist, bei einer Verdrehung dagegen erscheint die Querbohrung im Querschnitt oval oder elliptisch. Bei herkömmlichen Verfahren wird das Röntgengerät so lange verschoben und verdreht, bis eine optimale Orientierung gefunden ist, dabei muß ununterbrochen die Röntgenstrahlung auf den Bereich der Querbohrung 3 gerichtet werden.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist dies nicht mehr notwendig.

Zur Betrachtung des Knochennagels 1 im Röhrenknochen 2 wird auch bei dem hier beschriebenen Verfahren eine Betrachtungseinrichtung in Form eines sogenannten C-Bogens 4 verwendet, es handelt sich dabei um ein Gerät mit einem C-förmigen Rahmen 5 mit zwei parallelen Schenkeln 6 und einem diese verbindenden Steg 7. An den freien Enden der beiden Schenkel 6 befinden sich eine Röntgenstrahlungsquelle 8 und ein Röntgenstrahlungsempfänger 9, die Röntgenstrahlen werden von der Röntgenstrahlungsquelle 8 längs einer optischen Achse 10 auf den Röntgenstrahlungsempfänger 9 gerichtet, die optische Achse 10 verläuft dabei parallel zum Steg 7. Die Abmessungen des C-Bogens sind so gewählt, daß das zu betrachtende Körperteil zwischen Röntgenstrahl- quelle 8 und Röntgenstrahlempfänger 9 eingeschoben werden kann, so daß der Bereich der Querbohrung 3 im Röhrenknochen 2 bestrahlt wird.

Der C-Bogen ist auf einer Verschiebeeinrichtung 11 montiert, so daß seine Lage relativ dem Röhrenknochen 2 veränderbar ist, diese Verschiebeeinrichtung 11 wird über eine Steuerleitung 12 von einer Steuerung 13 gesteuert. Diese Steuerung 13 steht mit einem Navigationssystem 14 in Verbindung, welches mehrere im Abstand zueinander angeordnete Sende- und Empfangseinrichtungen 15 für elektromagnetische Strahlung aufweist, die die Strahlung auf ein Markierelement 16 richten und von dort auch wieder empfangen, welches starr mit dem C-Bogen 4 verbunden ist. Das Markierelement 16 weist mehrere im Abstand zueinander angeordnete Reflexionselemente 17 auf, so daß das Navigationssystem die Lage des Markierelementes 16 und damit des C-Bogens 4 im Raum bestimmen kann.

Ein entsprechendes Markierelement 18 ist auch an dem Knochennagel 1 starr befestigt, so daß auch dessen Lage im Raum durch das Navigationssystem 14 bestimmt werden kann. Dasselbe gilt für eine Führungslehre 19, an der ein Markierelement 20 starr befestigt ist. Diese Führungslehre 19 dient dazu, ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Bearbeitungswerkzeug so zu führen, daß am Röhrenknochen 2 die gewünschte Bearbeitung erfolgen kann, also beispielsweise eine Bohrmaschine, die von der Führungslehre 19 zur Querbohrung 3 ausgerichtet von dieser geführt wird. Statt der Führungslehre 19 wäre es auch möglich, einen Roboter oder dergleichen zu verwenden, um die bestimmte Bearbeitungsrichtung relativ zum Knochennagel 1 und zum Röhrenknochen 2 einzuhalten.

Die Röntgenstrahlenempfangseinrichtung 9 ist über eine Steuerleitung 21 mit einer ersten Anzeigeeinrichtung 22 verbunden, beispielsweise einem üblichen Monitor. Auf dieser ersten Anzeigeeinrichtung 22 wird ein Bild des im C-Bogen mit Röntgenstrahlen bestrahlten Gegenstandes abgebildet, und zwar in einer Ebene, im dargestellten Beispiel also ein Teil des Röhrenknochens 2 mit dem darin eingesetzten Knochennagel 1. Außerdem wird auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 eine Betrachtungsmarkierung 23 angezeigt. Diese entspricht dem Durchstoßpunkt der optischen Achse 10 des C-Bogens 4 durch die Betrachtungsebene, mit anderen Worten zeigt diese Betrachtungsmarkierung 23, die beispielsweise die Form eines Kreuzes haben kann, wie die optische Achse 10 relativ zu dem Knochennagel 1 verläuft. Wenn die optische Achse genau mit einer Querbohrung 3 ausgerichtet ist, befindet sich die Betrachtungsmarkierung 23 direkt zentral über dem Bild der entsprechenden Querbohrung 3 auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22, bei einer anderen Justierung dagegen im Abstand dazu.

Die Steuerung 13 ist noch mit einer zweiten Anzeigeeinrichtung 24 verbunden, die ebenfalls die Form eines Monitors haben kann. Auf dieser zweiten Anzeigeeinrichtung 24 wird ein Modell des Knochennagels 1 angezeigt, dazu werden Datensätze verwendet, die die geometrischen Daten des verwendeten Knochennagels 1 repräsentieren, und zwar des unverformten Knochennagels 1. Außerdem wird auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 eine Betrachtungsmarkierung 25 dargestellt, beispielsweise ebenfalls in Form eines Kreuzes, diese ergibt sich durch die Lage des Durchstoßpunktes einer Bearbeitungsachse durch die Betrachtungsebene. Diese Bearbeitungsachse entspricht der Achse, längs der das Bearbeitungswerkzeug orientiert werden soll.

Um bei dem dargestellten Knochennagel 1 ein Bearbeitungswerkzeug oder in diesem Falle eine Führungslehre 19 mit einer Querbohrung 3 exakt auszurichten, wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird der C-Bogen 4 relativ zum Röhrenknochen 2 so angeordnet, daß seine optische Achse 10 ungefähr mit der Querbohrung 3 ausgerichtet ist. Dies kann beispielsweise mittels einer mechanischen Bohrlehre erfolgen, die mit dem Knochennagel 1 verbunden ist. Derartige Bohrlehren werden häufig verwendet, um damit eine Bohrung in den Röhrenknochen 2 einzubringen, die etwa mit der Orientierung der Querbohrung 3 zusammenfällt. Wenn der Knochennagel 1 nicht verformt ist, gelingt dies recht gut, weniger gut dann, wenn der Knochennagel 1 Verformungen erfahren hat. Auf jeden Fall kann eine solche mechanische Bohrlehre eine erste Grobjustierung des C-Bogens 4 relativ zum Knochennagel 1 ermöglichen.

Auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 erhält man dann ein Bild des Röhrenknochens 2, der für den Fall einer unbekannten Verformung des Knochennagels 1 so angeordnet ist, daß die Betrachtungsmarkierung 23, die durch die optische Achse 10 des C-Bogens 4 definiert wird, nicht mit einer Querbohrung 3 zusammenfällt, außerdem wird im allgemeinen Fall der Knochennagel 1 um seine Längsachse verdreht sein, so daß die Querbohrungen 3 nicht einen kreisrunden Querschnitt zeigen, sondern einen ovalen oder elliptischen.

Auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 zeigt die Steuerung das Modell des Knochennagels 1. Der Benutzer hat die Möglichkeit, mit Hilfe der Steuerung 13 dieses Bild des Modells zu verschieben und zu verdrehen. Zu Beginn des Verfahrens wird das Modell so positioniert, daß die gewünschte Querbohrung 3 genau mit der Betrachtungsmarkierung 25 zusammenfällt und daß der Knochennagel 1 um seine Längsachse so verdreht ist, daß die Querbohrung 3 einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Man geht also davon aus, daß die Bearbeitungsachse mit der Querbohrung 3 genau ausgerichtet wird. Dies kann durch unterschiedliche Eingabegeräte erfolgen, beispielsweise durch einen Fußschalter 26, durch eine Tastatur, eine Maus 27 oder dergleichen.

Die Steuerung speichert diese Ausgangsstellung, die einer optimalen Orientierung des Modells relativ zur Betrachtungsmarkierung 25 und damit der Bearbeitungsrichtung entspricht.

In einem nächsten Arbeitsschritt verändert der Benutzer die Darstellung auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 so, daß die Darstellung der Anzeige auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 entspricht, die von dem C-Bogen 4 erzeugt worden ist. Es wird also das Modell an der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 so weit in der Abbildungsebene verschoben, bis die Betrachtungsmarkierung 25 relativ zur Lage der Querbohrung 3 ähnlich angeordnet ist wie bei der Anzeige auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22, und es wird das Modell des Knochennagels 1 um dessen Längsachse so lange verdreht, bis die Verformung der kreisrunden Querbohrung 3 der Verformung auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 entspricht. Diese Verschiebungen und Verdrehungen des Modells auf der zweiten Anzeigeeinrichtung werden von der Steuerung 13 bestimmt und gespeichert. Diese Änderungen entsprechen der Fehljustierung der optischen Achse 10 gegenüber der Querbohrung 3. Die Steuerung 13 kann daher unter Verwendung dieser Werte aus der tatsächlichen Lage der optischen Achse 10 und deren Orientierung, die über das Navigationssystem 14 zu bestimmen sind, eine abweichende Richtung berechnen, die mit der Querbohrung 3 ausgerichtet ist, also hinsichtlich Lage und Orientierung mit dieser zusammenfällt. Damit erhält man eine Bearbeitungsrichtung, zu der die Führungslehre 19 ausgerichtet werden kann, so daß längs dieser Bearbeitungsachse beispielsweise eine Bohrung in den Röhrenknochen 2 eingebracht werden kann, diese Bohrung ist dann mit der Querbohrung 3 ausgerichtet.

Für das gesamte Verfahren ist nur eine einzige Röntgenaufnahme notwendig, alle anderen Manipulationen erfolgen über die Steuerung 13 und unter Betrachtung der beiden Anzeigeeinrichtungen.

Bevor man die Führungslehre 19 justiert und die Bohrung durchführt, ist es sinnvoll, das Ergebnis der vorgenommenen Korrektur zu kontrollieren. Dies läßt sich relativ einfach dadurch erreichen, daß man den C-Bogen 4 über die Verschiebeeinrichtung 11 entsprechend den von der Steuerung bestimmten Werten verschiebt. Man orientiert also zunächst nicht die Führungslehre 19, sondern den C-Bogen 4 so, daß dessen optische Achse 10 mit der Querbohrung 3 ausgerichtet wird.

Bei einer erneuten Aufnahme liefert der C-Bogen ein geändertes Bild auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22. Wenn die Korrektur gelungen ist, fällt die Betrachtungsmarkierung 23 auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 mit der Querbohrung 3 zusammen und die Querbohrungen 3 haben einen kreisförmigen Querschnitt. Sollte dies noch nicht optimal gelungen sein, kann der Benutzer das beschriebene Verfahren einfach wiederholen, er setzt also die Abbildung auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 wieder auf den Ausgangszustand zurück, bei dem die Betrachtungsmarkierung 25 genau mit der Querbohrung 3 übereinstimmt und bei der die Querbohrungen 3 genau kreisförmig erscheinen, und dann wird wieder die Darstellung auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 so lange verändert, bis sie mit der Darstellung auf der ersten Anzeigeeinrichtung übereinstimmt, man erhält dadurch einen erneuten Korrekturdatensatz, der in der gleichen Weise zur Verbesserung der Orientierung des C-Bogens 4 und dann der Führungslehre 19 relativ zum Knochennagel 1 verwendet werden kann. Dieses Verfahren kann gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden, bis eine optimale Orientierung der optischen Achse 10 relativ zur Querbohrung 3 erreicht ist, und diese Orientierung kann dann auch für die Orientierung der Führungslehre 19 verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRUCH E

Verfahren zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einem Werkstück mit einer Betrachtungseinrichtung für das Werkstück, dadurch gekennzeichnet, a) daß man die Betrachtungseinrichtung so auf das Werkstück richtet, daß ihre optische Achse auf das Werkstück gerichtet ist, b) daß man auf einer ersten Anzeigeeinrichtung ein von der Betrachtungseinrichtung erzeugtes Bild des Werkstückes und eine Betrachtungsmarkierung erzeugt, die der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung entspricht, c) daß man auf einer zweiten Anzeigeeinrichtung ein Modell des Werkstückes und eine Markierung anzeigt, die einer definierten Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges entspricht, d) daß man das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in die gewünschte Position und Orientierung bringt, e) daß man das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in eine Position und Orientierung bringt, die der Position und Orientierung des Werkstückes relativ zur Betrachtungsmarkierung auf der ersten Anzeigeeinrichtung entspricht, und die dabei vorgenommenen Werte der Drehungen und Verschiebungen des Modells bestimmt, f) und daß man die um diese Werte korrigierte optische Achse zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück verwendet.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, g) daß man die Betrachtungseinrichtung entsprechend den bestimmten Werten relativ zum Werkstück verdreht und/oder verschiebt und danach auf der ersten Anzeigeeinrichtung ein Bild des Werkstückes und der Betrachtungsmarkierung erzeugt.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schritte d), e) und g) wiederholt, wenn die Abweichung der Lage und Orientierung der Betrachtungsmarkierung von dem Werkstück auf der ersten Anzeigeeinrichtung einen bestimmten Wert übersteigt.

Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage und Orientierung der Betrachtungseinrichtung und/oder des Werkstückes und/oder des Bearbeitungswerkzeuges mittels eines Navigationssystems bestimmt.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Betrachtungseinrichtung ein Röntgengerät verwendet.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück eine Führungslehre verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage und Orientierung der Führungslehre mittels eines Navigationssystems bestimmt.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Bearbeitungswerkzeug einen Bohrer verwendet.

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein Implantat ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein Knochennagel ist.

11. Vorrichtung zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges (19) relativ zu einem Werkstück (1) und mit einer Betrachtungseinrichtung (4) für das Werkstück (1), mit einer ersten Anzeigeeinrichtung (22) zur Anzeige eines von der Betrachtungseinrichtung (4) erzeugten Bildes des Werkstückes (1) und einer Betrachtungsmarkierung (23), die der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung (4) entspricht, mit einer zweiten Anzeigeeinrichtung (24) zur Anzeige eines Modells des Werkstückes (1) und einer Betrachtungsmarkierung (25), die einer definierten Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges (19) entspricht, mit einer Versteileinrichtung (11) zur Veränderung der Lage und/oder Orientierung der Betrachtungseinrichtung (4) relativ zum Werkstück (1), mit einer der zweiten Anzeigeeinrichtung (24) zugeordneten Steuerung (13) zur Verschiebung und/oder Drehung des Bildes des Werkstückes (1) auf der zweiten Anzeigeeinrichtung (24) und zur Bestimmung der Werte dieser Verschiebung und/oder Drehung.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (13) die Lage und/oder Orientierung der optischen Achse (10) der Betrachtungseinrichtung (4) entsprechend der so ermittelten Werte korrigiert und damit eine Arbeitsrichtung für das Bearbeitungswerkzeug (19) bestimmt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (13) die Betrachtungseinrichtung (4) entsprechend den bestimmten Werten relativ zum Werkstück (1) verdreht und/oder verschiebt und danach auf der ersten Anzeigeeinrichtung (22) ein Bild des Werkstückes (1) und der Betrachtungsmarkierung (23) erzeugt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Navigationssystem (14) vorgesehen ist zur Bestimmung der Lage und Orientierung der Betrachtungseinrichtung (4) und/oder des Werkstückes (1) und/oder des Bearbeitungswerkzeuges (19).

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Betrachtungseinrichtung (4) ein Röntgengerät ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück (1) eine Führungslehre (19) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Navigationssystem (14) auch die Lage und Orientierung der Führungslehre (19) bestimmt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungswerkzeug ein Bohrer ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) ein Implantat ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) ein Knochennagel ist.