DE102011054730A1 - Surgical navigation system has detection unit for detecting position or orientation of marker unit equipped with surgical referencing unit in space, where detection unit has two detectors arranged movably relative to each other - Google Patents

The surgical navigation system (10) has a detection unit (18) for detecting a position or orientation of a marker unit (32) equipped with a surgical referencing unit (12) in space. The detection unit has two detectors (20,22) arranged movably relative to each other. Another detection unit is provided for detecting the relative position or relative orientation of the two detectors in real time. A third detector is provided in the form of a camera, particularly in the form of a charged coupled device camera or stereo camera (56).

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Navigationssystem mit einer ersten Nachweisvorrichtung zum Detektieren einer Position und/oder Orientierung mindestens einer mindestens ein Markerelement umfassenden chirurgischen Referenzierungseinheit im Raum, welche erste Nachweisvorrichtung zwei Detektoren umfasst.The invention relates to a surgical navigation system having a first detection device for detecting a position and / or orientation of at least one surgical referencing unit comprising at least one marker element in the space, which first detection device comprises two detectors.

Chirurgische Navigationssysteme der eingangs beschriebenen Art kommen insbesondere in der Chirurgie zum Einsatz, beispielsweise bei der Implantation von Hüft- und Kniegelenken. Mit ihnen werden Positionen und/oder Orientierungen von am Patienten und/oder an Instrumenten befestigten Referenzierungseinheiten, die auch als "Rigid Bodies" bezeichnet werden, bestimmt. Als erste Nachweiseinrichtung kommen häufig Stereokameras zum Einsatz, die zwei in einer definierten Position zueinander angeordnete CCD-Kameras umfassen. Statt der CCD-Kameras können auch Detektoren vorgesehen sein, mit denen Ultraschall nachgewiesen oder detektiert werden kann.Surgical navigation systems of the type described above are used in particular in surgery, for example in the implantation of hip and knee joints. Positions and / or orientations of referencing units attached to the patient and / or to instruments, which are also referred to as "rigid bodies", are determined with them. As the first detection means often stereo cameras are used, comprising two arranged in a defined position to each other CCD cameras. Instead of the CCD cameras, detectors can also be provided with which ultrasound can be detected or detected.

Problem bekannter chirurgischer Navigationssysteme sind jedoch stets die "Sichtbarkeit" der am Patienten und/oder den Instrumenten angeordneten Referenzierungseinheiten sowie die Genauigkeit der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung.However, the problem of known surgical navigation systems is always the "visibility" of the referencing units arranged on the patient and / or the instruments as well as the accuracy of the position and / or orientation determination.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein chirurgisches Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass eine Detektion von Position und/oder Orientierung der mindestens einen Referenzierungseinheit präziser wird.It is therefore an object of the present invention to improve a surgical navigation system of the type described above so that a detection of position and / or orientation of the at least one referencing unit becomes more precise.

Diese Aufgabe wird bei einem chirurgischen Navigationssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zwei Detektoren relativ zueinander definiert bewegbar angeordnet sind.This object is achieved in a surgical navigation system of the type described above according to the invention that the two detectors are arranged movable relative to each other defined.

Die vorgeschlagene Weiterbildung bekannter chirurgischer Navigationssysteme hat den Vorteil, dass die zwei Detektoren unabhängig voneinander bewegt werden können. Dies ermöglicht es, sie beispielsweise im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs so zu positionieren, dass die zu verfolgenden oder zu überwachenden Referenzierungseinheiten, deren Positionen und/oder Orientierungen erfasst werden sollen, bestens erkennbar sind. Sollte dies nicht mehr der Fall sein, besteht die Möglichkeit, die zwei Detektoren relativ zueinander so definiert zu bewegen, dass auch eine Lage und/oder Orientierung der Detektoren relativ zueinander immer bekannt bleibt. So ist es möglich, die zwei Detektoren nicht mehr wie bislang nur in einer festen Beziehung zueinander zum Einsatz zu bringen, beispielsweise an einer Halterung, die im Wesentlichen in einer festen räumlichen Beziehung zum Operationstisch steht, sondern sie insbesondere auch über dem Operationstisch anzuordnen und unabhängig voneinander definiert auszurichten.The proposed development of known surgical navigation systems has the advantage that the two detectors can be moved independently of each other. This makes it possible, for example, to position them in the course of a surgical procedure in such a way that the referencing units to be tracked or monitored, whose positions and / or orientations are to be detected, are best recognizable. If this is no longer the case, it is possible to move the two detectors so defined relative to one another that a position and / or orientation of the detectors relative to each other always remains known. Thus, it is possible to bring the two detectors not as hitherto only in a fixed relationship to each other used, for example, on a holder, which is essentially in a fixed spatial relationship to the operating table, but in particular also to arrange them over the operating table and independent to align each other.

Günstig ist es, wenn das chirurgische Navigationssystem eine zweite Nachweisvorrichtung zum Detektieren einer Relativposition und/oder oder einer relativen Orientierung der zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung relativ zueinander umfasst. Die zweite Nachweisvorrichtung muss somit nicht zwingend eine absolute Position der zwei Detektoren im Raum bestimmen können, sondern lediglich eine Relativposition und/oder eine relative Orientierung der zwei Detektoren zueinander. Die genaue Relativposition und/oder die genaue relative Orientierung der zwei Detektoren ist jedoch wichtig, um mit hoher Präzision die Position und/oder Orientierung einer am Patienten oder einem Instrument angeordneten Referenzierungseinheit ermitteln zu können. Durch die zweite Nachweisvorrichtung können insbesondere auch Änderungen von Position und/oder Orientierung der zwei Detektoren relativ zueinander im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs ermittelt werden, so dass Probleme bei am Markt verfügbaren chirurgischen Navigationssystemen, die zu einer Ungenauigkeit der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung von Referenzierungseinheiten führen, wie beispielsweise äußere Einflüsse durch Schlag, Temperaturänderung, Luftdruckänderung, Feuchtigkeit im Operationssaal sowie Alterung der Komponenten, automatisch durch den Einsatz der die vorgesehenen zweiten Nachweisvorrichtung eliminiert werden können.It is favorable if the surgical navigation system comprises a second detection device for detecting a relative position and / or a relative orientation of the two detectors of the first detection device relative to each other. The second detection device thus does not necessarily have to be able to determine an absolute position of the two detectors in space, but only a relative position and / or a relative orientation of the two detectors to one another. However, the exact relative position and / or the exact relative orientation of the two detectors is important in order to be able to determine the position and / or orientation of a referencing unit arranged on the patient or an instrument with high precision. In particular, changes in the position and / or orientation of the two detectors relative to one another during the course of a surgical procedure can also be determined by the second detection device, so that problems with surgical navigation systems available on the market lead to an inaccuracy of the position and / or orientation determination of referencing units such as external influences from impact, temperature change, air pressure change, moisture in the operating room and aging of the components, can be automatically eliminated by the use of the provided second detection device.

Grundsätzlich wäre es denkbar, die zwei Detektoren zunächst zu relativ zueinander zu positionieren und zueinander auszurichten und dann mittels der zweiten Nachweisvorrichtung deren Relativposition und/oder relative Orientierung zu ermitteln. Um einem Operateur einen uneingeschränkten Einsatz des chirurgischen Navigationssystems zu ermöglichen, das heißt insbesondere eine Veränderung von Position und/oder Orientierung der zwei Detektoren relativ zueinander im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs feststellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die zweite Nachweisvorrichtung ausgebildet ist zum Detektieren einer Relativposition und/oder einer relativen Orientierung der zwei Detektoren relativ zueinander in Echtzeit. Mit anderen Worten ist so zu jeder Zeit beim Betrieb des chirurgischen Navigationssystems eine Relativposition und/oder eine relative Orientierung der zwei Detektoren bestimmbar und damit bekannt. Auf diese Weise lassen sich Positionen und/oder Orientierungen von Referenzierungseinheiten im Raum jederzeit mit höchster Präzision ermitteln.In principle, it would be conceivable first to position the two detectors relative to one another and to align them with one another and then to determine their relative position and / or relative orientation by means of the second detection device. In order to enable a surgeon to use the surgical navigation system without restriction, that is to say in particular to detect a change in the position and / or orientation of the two detectors relative to one another during the course of a surgical procedure, it is advantageous if the second detection device is designed to detect a Relative position and / or a relative orientation of the two detectors relative to each other in real time. In other words, at any time during operation of the surgical navigation system, a relative position and / or a relative orientation of the two detectors can be determined and thus known. In this way, positions and / or orientations of referencing units in space can be determined at any time with the utmost precision.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweite Nachweiseinrichtung mindestens einen dritten Detektor umfasst, welcher einem ersten der zwei Detektoren zugeordnet ist und in einer festen räumlichen Beziehung zu diesem steht, und dass mit dem dritten Detektor eine Position und/oder eine Orientierung im Raum eines zweiten der zwei Detektoren relativ zum ersten Detektor bestimmbar ist. Selbstverständlich ist es auch denkbar, noch einen vierten Detektor vorzusehen, der in analoger Weise, wie der dritte Detektor dem ersten Detektor zugeordnet ist, dem zweiten Detektor zugeordnet ist. Mit der zweiten Nachweisvorrichtung ist so eine Position des ersten und zweiten Detektors relativ zueinander und/oder einer relativen Orientierung derselben ermittelbar. Um die Genauigkeit des Systems zu erhöhen und eine gewisse Redundanz vorzusehen, kann beispielsweise, wie angedeutet, ein vierter Detektor vorgesehen sein. Denkbar ist es auch, die zweite Nachweisvorrichtung nicht in einer festen räumlichen Beziehung zu einem oder zu beiden der zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung vorzusehen, sondern als dritten Detektor eine herkömmliche Nachweis- oder Detektionsvorrichtung chirurgischer Navigationssysteme zu nutzen, das heißt den ersten und den zweiten Detektor selbst mit einer Referenzierungseinheit auszustatten, die in einer festen Beziehung zum jeweiligen Detektor steht, um somit deren Position und indirekt damit die Position des ersten und des zweiten Detektors zu ermitteln. Auf diese Weise lassen sich auch relative Positions- und/oder Orientierungsänderungen bestimmen. According to a further preferred embodiment of the invention, it can be provided that the second detection device comprises at least one third detector, which is assigned to a first of the two detectors and in a fixed spatial relationship to this, and that with the third detector a position and / or an orientation in the space of a second of the two detectors relative to the first detector can be determined. Of course, it is also conceivable to provide a fourth detector, which is assigned to the second detector in an analogous manner as the third detector is assigned to the first detector. With the second detection device, a position of the first and second detector relative to one another and / or a relative orientation thereof can be determined. To increase the accuracy of the system and provide some redundancy, for example, as indicated, a fourth detector may be provided. It is also conceivable not to provide the second detection device in a fixed spatial relationship to one or both of the two detectors of the first detection device, but to use as a third detector a conventional detection or detection device of surgical navigation systems, that is, the first and the second detector itself equipped with a referencing unit, which is in a fixed relationship to the respective detector, so as to determine their position and thus indirectly determine the position of the first and the second detector. In this way, relative position and / or orientation changes can be determined.

Besonders einfach wird der Aufbau des chirurgischen Navigationssystems, wenn der dritte Detektor einen Sensor zum Nachweisen elektromagnetischer Strahlung oder Ultraschall umfasst. Es ist dann insbesondere denkbar, denjenigen Detektor der ersten Nachweisvorrichtung, dem der dritte Detektor nicht zugeordnet ist, mit einer Referenzierungseinheit auszustatten, so dass der dritte Detektor direkt eine Position und/oder Orientierung des zweiten Detektors der ersten Nachweisvorrichtung ermitteln kann.The structure of the surgical navigation system becomes particularly simple when the third detector comprises a sensor for detecting electromagnetic radiation or ultrasound. It is then in particular conceivable to equip the detector of the first detection device, to which the third detector is not assigned, with a referencing unit, so that the third detector can directly determine a position and / or orientation of the second detector of the first detection device.

In besonders einfacher und kostengünstiger Weise lässt sich das chirurgische Navigationssystem ausbilden, wenn der dritte Detektor in Form einer Kamera ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Kamera in Form einer CCD-Kamera ausgebildet.In a particularly simple and cost-effective manner, the surgical navigation system can be formed when the third detector is designed in the form of a camera. Preferably, the camera is in the form of a CCD camera.

Günstig ist es, wenn die Kamera in Form einer Stereokamera ausgebildet ist. Mit einer solchen lässt sich beispielsweise eine Relativposition und/oder eine relative Orientierung einer am zweiten Detektor angeordneten Referenzierungseinheit direkt ermitteln.It is favorable if the camera is designed in the form of a stereo camera. With such a system, for example, a relative position and / or a relative orientation of a referencing unit arranged on the second detector can be determined directly.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass einem ersten und/oder einem zweiten der zwei Detektoren mindestens ein Markerelement zugeordnet ist, welches in einer festen räumlichen Beziehung zum jeweiligen Detektor steht und dessen Position und/oder Orientierung im Raum mit dem dritten Detektor bestimmbar ist. Wie bereits dargelegt, kann so mittels des dritten Detektors direkt eine Relativposition des zweiten Detektors der ersten Nachweisvorrichtung zum ersten Detektor ermittelt werden. Bei einer Detektion in Echtzeit sind so eine Position und/oder eine Orientierung der zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung relativ zueinander jederzeit bekannt, so dass sich Positionen und/oder Orientierungen von mit der ersten Nachweisvorrichtung überwachten Referenzierungseinheiten mit hoher Präzision bestimmen lassen.According to a further preferred embodiment of the invention it can be provided that at least one marker element is associated with a first and / or a second of the two detectors, which is in a fixed spatial relationship to the respective detector and its position and / or orientation in space with the third Detector is determinable. As already explained, a relative position of the second detector of the first detection device relative to the first detector can be determined directly by means of the third detector. In the case of a detection in real time, a position and / or an orientation of the two detectors of the first detection device relative to each other are known at any time, so that positions and / or orientations of the referencing units monitored by the first detection device can be determined with high precision.

Günstig ist es, wenn das mindestens eine Markerelement Teil einer Referenzierungseinheit ist, deren Position und/oder Orientierung im Raum mit der zweiten Nachweisvorrichtung detektierbar ist. Es kann dabei insbesondere eine Referenzierungseinheit eingesetzt werden, die zur Positionsbestimmung markanter Punkte am Patienten oder von Instrumenten zum Einsatz kommt.It is favorable if the at least one marker element is part of a referencing unit whose position and / or orientation in space can be detected by the second detection device. In this case, it is possible in particular to use a referencing unit which is used for determining the position of prominent points on the patient or on instruments.

Vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Markerelement in Form eines aktiven Markerelements ausgebildet ist zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung oder von Ultraschall. Für den Einsatz derartiger Markerelemente ist es ausreichend, wenn der dritte Detektor ausgebildet ist, um elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall entsprechend nachweisen zu können. Allerdings ist für ein aktives Markerelement in der Regel eine Energieversorgung erforderlich.It is advantageous if the at least one marker element is designed in the form of an active marker element for emitting electromagnetic radiation or ultrasound. For the use of such marker elements, it is sufficient if the third detector is designed to detect electromagnetic radiation or ultrasound accordingly. However, an active marker element usually requires a power supply.

Um unabhängig von einer Energievorsorgung sein zu können, ist es günstig, wenn das mindestens eine Markerelement in Form eines passiven Markerelements ausgebildet ist zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung oder von Ultraschall. Elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall kann beispielsweise von einer dem dritten Detektor zugeordneten Sendeeinrichtung abgegeben werden.In order to be able to be independent of a power supply, it is favorable if the at least one marker element is designed in the form of a passive marker element for reflecting electromagnetic radiation or ultrasound. Electromagnetic radiation or ultrasound can be emitted, for example, from a transmitting device associated with the third detector.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass dem ersten und/oder dem zweiten Detektor mindestens ein Lagesensor zugeordnet ist, welcher in einer festen räumlichen Beziehung zum jeweiligen Detektor steht. Mit dem Lagersensor ist es möglich, Änderungen von dessen Lage im Raum zu bestimmen. Werden so beispielsweise die zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung zu Beginn ihres Einsatzes in eine relativ zueinander bekannte Position gebracht und ihre Orientierung entsprechend ausgerichtet, so ist es mit einem oder zwei Lagesensoren, die dem ersten und/oder dem zweiten Detektor zugeordnet sind, möglich, direkt Positions- und/oder Orientierungsänderungen des ersten und/oder des zweiten Detektors gegenüber ihrer ursprünglich Position zu bestimmen. Damit lässt sich jedoch deren unter Umständen geänderte Relativposition und/oder geänderte relative Orientierung gegenüber dem Ausgangszustand ermitteln. Mit derartigen Lagesensoren kann insbesondere auf eine zweite Navigationsvorrichtung sogar verzichtet werden.According to a further preferred embodiment of the invention it can be provided that at least one position sensor is associated with the first and / or the second detector, which is in a fixed spatial relationship to the respective detector. The bearing sensor makes it possible to determine changes in its position in space. If, for example, the two detectors of the first detection device are brought into a position known relative to one another at the beginning of their use and their orientation aligned accordingly, then it is possible to use one or two position sensors which are assigned to the first and / or the second detector directly Position and / or or to determine orientation changes of the first and / or the second detector from their original position. However, this can be used to determine their possibly changed relative position and / or changed relative orientation with respect to the initial state. Such position sensors can even be dispensed with, in particular, a second navigation device.

Vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Lagesensor ausgebildet ist zum Messen einer Positions- und/oder Lageänderung desjenigen Detektors, dem er zugeordnet ist. Damit kann eine Positionsänderung des jeweiligen Detektors im Raum oder eine Änderung von dessen Orientierung im Raum ermittelt werden. Damit kann jedoch eine Relativposition sowie eine relative Orientierung der zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung jederzeit rechnerisch ermittelt werden.It is advantageous if the at least one position sensor is designed to measure a position and / or position change of that detector to which it is assigned. Thus, a change in position of the respective detector in space or a change in its orientation in space can be determined. Thus, however, a relative position and a relative orientation of the two detectors of the first detection device can be determined at any time by calculation.

Günstig ist es, wenn der mindestens eine Lagesensor ausgebildet ist zum Detektieren von Bewegungsänderungen in mindestens drei Freiheitsgraden. Vorzugsweise kann er Bewegungsänderungen in bis zu sechs Freiheitsgraden ermitteln. Damit lassen sich mit hoher Präzision eine Änderung der Lage und/oder der Orientierung des Lagesensors im Raum und damit entsprechend auch des ihm zugeordneten Detektors ermitteln.It is advantageous if the at least one position sensor is designed to detect changes in movement in at least three degrees of freedom. Preferably, it can detect motion changes in up to six degrees of freedom. This makes it possible to determine with high precision a change in the position and / or orientation of the position sensor in space and thus also of the associated detector.

Besonders einfach und kostengünstig ausbilden lässt sich das chirurgische Navigationssystem, wenn der mindestens eine Lagesensor in Form eines Inertialsensors ausgebildet ist. So können insbesondere herkömmliche, am Markt verfügbare Lagesensoren zum Einsatz kommen. In Abhängigkeit von deren Präzision kann dann auch die Genauigkeit der Bestimmung von Position und/oder Orientierung von Referenzierungseinheiten im Raum mittels der ersten Nachweisvorrichtung vorgegeben werden.The surgical navigation system can be designed in a particularly simple and cost-effective manner if the at least one position sensor is designed in the form of an inertial sensor. In particular, conventional position sensors available on the market can be used. Depending on their precision, the accuracy of the determination of position and / or orientation of referencing units in space can then also be predetermined by means of the first detection device.

Die Handhabung des chirurgischen Navigationssystems lässt sich auf einfache Weise insbesondere dadurch verbessern, dass die zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung an voneinander räumlich getrennten Einrichtungen angeordnet oder ausgebildet sind. Räumlich voneinander getrennt ist hier insbesondere so zu verstehen, dass sie unabhängig voneinander an Boden, Decke oder Wänden eines Operationssaals befestigt sein können.The handling of the surgical navigation system can be improved in a simple manner, in particular, by the fact that the two detectors of the first detection device are arranged or formed on mutually spatially separate devices. Spatially separated from each other here is to be understood in particular that they can be independently fixed to the floor, ceiling or walls of an operating room.

Vorteilhafterweise sind die Einrichtungen in Form von Leuchten ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei den Leuchten um OP-Leuchten handeln. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass OP-Leuchten im Einsatz, also während eines chirurgischen Eingriffs, üblicherweise derart angeordnet und orientiert werden, dass das Operationsfeld optimal ausgeleuchtet ist. Damit kann gleichzeitig erreicht werden, dass beim chirurgischen Eingriff eingesetzte Referenzierungseinheiten, die am Patienten oder an Instrumenten befestigt sind, umgekehrt für die zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung auch gut sichtbar sind.Advantageously, the devices are designed in the form of lights. In particular, the lights may be surgical lights. This has the particular advantage that surgical lights in use, so during a surgical procedure, are usually arranged and oriented so that the surgical field is optimally illuminated. It can thus be achieved at the same time that referencing units used in the surgical procedure, which are attached to the patient or to instruments, are also clearly visible for the two detectors of the first detection device.

Günstigerweise umfassen die zwei Detektoren der ersten Nachweisvorrichtung einen Sensor zum Nachweisen elektromagnetischer Strahlung oder von Ultraschall. Damit ist es möglich, den Aufbau des chirurgischen Navigationssystems so einfach wie möglich zu halten, denn es können insbesondere Detektoren verwendet werden, die auch bei derzeit am Markt verfügbaren Navigationssystemen zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist es, wenn die zwei Detektoren jeweils in Form einer Kamera ausgebildet sind. Mit diesen lässt sich beispielsweise elektromagnetische Strahlung, insbesondere im Infrarotbereich, auf einfache Weise detektieren. Besonders einfach und kostengünstig ist es, wenn die Kamera in Form einer CCD-Kamera ausgebildet ist.Conveniently, the two detectors of the first detection device comprise a sensor for detecting electromagnetic radiation or ultrasound. This makes it possible to keep the structure of the surgical navigation system as simple as possible, because in particular detectors can be used, which are also used in navigation systems currently available on the market. It is advantageous if the two detectors are each designed in the form of a camera. With these, for example, electromagnetic radiation, in particular in the infrared range, can be detected in a simple manner. It is particularly simple and inexpensive if the camera is designed in the form of a CCD camera.

Die nachfolgende Beschreibung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.The following description is used in conjunction with the drawings for further explanation.

1 zeigt eine schematische Gesamtanordnung eines chirurgischen Navigationssystems. 1 shows a schematic overall arrangement of a surgical navigation system.

Das schematisch in 1 dargestellte und insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Navigationssystem ist ausgebildet zur Bestimmung von Lage und/oder Orientierung von Referenzierungseinheiten 12 im Raum, die am Patienten 14 oder an Instrumenten 16 angeordnet sind, um eine Position und/oder Orientierung beispielsweise markanter Punkte am Patienten 14 oder der Instrumente 16 im Raum zu bestimmen. The schematic in 1 represented and in total by the reference numeral 10 designated navigation system is designed to determine location and / or orientation of referencing units 12 in the room, the patient 14 or on instruments 16 are arranged to a position and / or orientation, for example, prominent points on the patient 14 or the instruments 16 to be determined in the room.

Zur Bestimmung von Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten im Raum umfasst das Navigationssystem 10 eine erste Nachweisvorrichtung 18 mit einem ersten Detektor 20 und einem zweiten Detektor 22, die relativ zueinander definiert bewegbar angeordnet sind. Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Detektoren 20 und 22 an zwei voneinander räumlich getrennten Einrichtungen 24 und 26 in Form von OP-Leuchten 28 und 30 angeordnet. The navigation system comprises for determining the position and / or orientation of the referencing units in space 10 a first detection device 18 with a first detector 20 and a second detector 22 which are arranged movable relative to each other defined. At the in 1 schematically illustrated embodiment, the detectors 20 and 22 at two spatially separated facilities 24 and 26 in the form of surgical lights 28 and 30 arranged.

Je nach Ausgestaltung des Navigationssystems können die zwei Detektoren 20 und 22 wahlweise Sensoren zum Nachweisen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung oder Funkwellen, oder von Ultraschall erfassen. Dies hängt im Wesentlichen davon ab, welcher Art die Referenzierungseinheiten 12 sind. Handelt es sich bei den Referenzierungseinheiten 12 um Referenzierungseinheiten mit aktiven Markerelementen 32, die elektromagnetische Strahlung aussenden, beispielsweise Infrarotstrahlung, sind die Detektoren 20 und 22 entsprechend zum Nachweis von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Infrarotstrahlung ausgebildet. Senden die Markerelemente 32 Ultraschall aus, werden vorzugsweise die Detektoren 20 und 22 eingesetzt, mit denen Ultraschall nachgewiesen werden kann.Depending on the design of the navigation system, the two detectors 20 and 22 optionally detecting sensors for detecting electromagnetic radiation, in particular infrared radiation or radio waves, or ultrasound. This essentially depends on which type the referencing units 12 are. Is it the referencing units 12 by referencing units with active marker elements 32 that emit electromagnetic radiation, such as infrared radiation, are the detectors 20 and 22 designed accordingly for the detection of electromagnetic radiation, in particular of infrared radiation. Send the marker elements 32 Ultrasound off, preferably the detectors 20 and 22 used to detect ultrasound.

Handelt es sich bei den Referenzierungseinheiten 12 um Referenzierungseinheiten mit sogenannten passiven Markerelementen 32, ist jedem Detektor 20 beziehungsweise 22 optional eine Sendeeinrichtung 34 beziehungsweise 36 zugeordnet, mit welchen elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall ausgesendet werden können. Passive Markerelemente 32 sind insbesondere ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall zu reflektieren. Diese benötigen im Gegensatz zu aktiven Markerelementen 32 keine Energieversorgung.Is it the referencing units 12 by referencing units with so-called passive marker elements 32 , is every detector 20 respectively 22 optionally a transmitting device 34 respectively 36 associated with which electromagnetic radiation or ultrasound can be emitted. Passive marker elements 32 are specially designed to reflect electromagnetic radiation or ultrasound. These require in contrast to active marker elements 32 no power supply.

Das Navigationssystem 10 umfasst ferner eine elektronische Datenverarbeitungsanlage 38 mit jeweils einer Recheneinheit 40 und einer Anzeigeeinrichtung 42 in Form eines Monitors 44, um einem Operateur Informationen über Lage und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum anzuzeigen. Diese werden mittels der EDV-Anlage 38 aus den ihr zugeleiteten Messwerten der Detektoren 20 und 22, die mit ihr über elektrische Leitungen oder drahtlos verbunden sein können, in bei chirurgischen Navigationssystem bekannter Weise ermittelt.The navigation system 10 also includes an electronic data processing system 38 each with a computing unit 40 and a display device 42 in the form of a monitor 44 To give a surgeon information about the location and / or orientation of the referencing units 12 to display in the room. These are done by means of the computer system 38 from the measured values of the detectors fed to it 20 and 22 , which may be connected to it via electrical lines or wireless, detected in surgical navigation system known manner.

Da die OP-Leuchten 28 und 30 relativ zueinander bewegbar sind, was es einem Operateur ermöglicht, ein Operationsfeld in optimaler Weise auszuleuchten, sind somit auch die Detektoren 20 und 22 relativ zueinander bewegbar. Um jedoch Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum mit hoher Präzision ermitteln zu können, ist es erforderlich, die relative Position und/oder relative Orientierung der Detektoren 20 und 22 relativ zueinander genau zu kennen. Um Änderungen der relativen Position und/oder der relativen Orientierung der Detektoren 20 und 22 bestimmen zu können, ist mindestens einer der Detektoren 20 und 22 mit einem Lagesensor 46 ausgestattet, welcher in einer festen räumlichen Beziehung zum jeweiligen Detektor 20 beziehungsweise 22 steht. Der Lagesensor 46 ist vorzugsweise in Form eines Inertialsensors 48 ausgebildet, mit dem bis zu sechs Freiheitsgrade der Bewegung detektierbar sind. So lässt sich infolge einer Bewegung der OP-Leuchte 28 beziehungsweise 30 mit dem jeweiligen Inertialsensor 48 eine Änderung der Position und/oder der Orientierung des Detektors 20 beziehungsweise 22 im Raum ermitteln. Messwerte der Inertialsensoren 48 werden ebenfalls an die EDV-Anlage 38 weitergeleitet, welche dann, vorzugsweise in Echtzeit, Relativposition und/oder die relative Orientierung der Detektoren 20 und 22 bestimmen kann, die als Voraussetzung zur präzisen Bestimmung von Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum erforderlich ist.Because the surgical lights 28 and 30 Relative to each other, which allows an operator to illuminate an operating field in an optimal manner, so are the detectors 20 and 22 movable relative to each other. However, the position and / or orientation of the referencing units 12 It is necessary to determine the relative position and / or relative orientation of the detectors in the room with high precision 20 and 22 to know each other exactly. To changes in the relative position and / or the relative orientation of the detectors 20 and 22 to be able to determine is at least one of the detectors 20 and 22 with a position sensor 46 equipped, which in a fixed spatial relationship to the respective detector 20 respectively 22 stands. The position sensor 46 is preferably in the form of an inertial sensor 48 formed, with which up to six degrees of freedom of movement can be detected. This is due to a movement of the surgical light 28 respectively 30 with the respective inertial sensor 48 a change in position and / or orientation of the detector 20 respectively 22 in the room. Measured values of the inertial sensors 48 will also be sent to the computer system 38 forwarded, which then, preferably in real time, relative position and / or the relative orientation of the detectors 20 and 22 which is a prerequisite for the precise determination of the position and / or orientation of the referencing units 12 in the room is required.

Die Vorgehensweise beim Einsatz des beschriebenen Navigationssystems 10 ist daher folgendermaßen. The procedure for using the described navigation system 10 is therefore as follows.

Nach Inbetriebnahme des Navigationssystems 10 werden zunächst die Position und/oder die Orientierung der Detektoren 20 und 22 relativ zueinander bestimmt. Hierfür können die OP-Leuchten 28 und 30 beispielsweise mit jeweils einer aktiven oder passiven Referenzierungseinheit 50 mit mindestens drei, vorzugsweise sechs Markerelementen 52 ausgestattet sein. Deren Position und/oder relative Orientierung zueinander im Raum lässt sich beispielsweise mit einer zweiten Nachweisvorrichtung 54 bestimmen. Abhängig von der Art der Referenzierungseinheiten 50 kann die zweite Nachweisvorrichtung 54 ausgebildet sein zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung und/oder Ultraschall. Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Nachweisvorrichtung 54 in Form einer Stereokamera 56 mit zwei CCD-Kameras 58. Die CCD-Kameras 58 stehen in einer festen räumlichen Beziehung zueinander. Allerdings weist die Nachweisvorrichtung 54 keine Vorkehrungen auf, um äußere Einflüsse wie Schlageinwirkung, Temperaturänderung, Luftdruckänderung, Feuchtigkeit oder Alterung von Komponenten zu kompensieren, so dass sich insbesondere im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs die relative Position und/oder die relative Orientierung der CCD-Kameras 58 zwar wenig, aber dennoch ändern können, was zu einer verminderten Genauigkeit bei der Bestimmung von Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum führt.After commissioning of the navigation system 10 First, the position and / or orientation of the detectors 20 and 22 determined relative to each other. For this, the surgical lights 28 and 30 For example, each with an active or passive homing unit 50 with at least three, preferably six marker elements 52 be equipped. Their position and / or relative orientation to each other in space can be, for example, with a second detection device 54 determine. Depending on the type of referencing units 50 may be the second detection device 54 be designed to detect electromagnetic radiation and / or ultrasound. At the in 1 schematically illustrated embodiment is the second detection device 54 in the form of a stereo camera 56 with two CCD cameras 58 , The CCD cameras 58 are in a fixed spatial relationship to each other. However, the detection device points 54 No provision is made for compensating for external influences such as impact, temperature change, changes in air pressure, moisture or aging of components, such that, in particular during the course of a surgical procedure, the relative position and / or the relative orientation of the CCD cameras 58 Although little, but still can change, resulting in a reduced accuracy in the determination of position and / or orientation of the referencing units 12 in the room leads.

Die zweite Nachweisvorrichtung 54 ist mit der EDV-Anlage 38 gekoppelt, so dass diese zumindest initial die genaue Lage und/oder Orientierung der Detektoren 20 und 22 berechnen kann. The second detection device 54 is with the computer system 38 coupled, so that these at least initially the exact location and / or orientation of the detectors 20 and 22 can calculate.

Sind die Lage und/oder Orientierung des ersten Detektors und des zweiten Detektors 22 relativ zueinander ermittelt, wird die zweite Nachweisvorrichtung 54, die lediglich ein Beispiel dafür ist, wie die relative Position und/oder die relative Orientierung der Detektoren 20 und 22 zu Beginn eines chirurgischen Eingriffs kalibriert werden können, nicht mehr benötigt. Änderungen von Lage und/oder Orientierung der Detektoren 20 und 22 relativ zueinander können nun mittels der Lagesensoren 46 bestimmt und von der EDV-Anlage 38 bei der Berechnung von Position und/oder Orientierung der Referenzierungseinheiten 12 im Raum berücksichtigt werden. Mit der Anzeigeeinrichtung 42 können dann lediglich diejenigen Informationen einem Operateur dargestellt werden, die er für den chirurgischen Eingriff überhaupt nur benötigt, nämlich insbesondere Lage und/oder Orientierung derjenigen markanten Punkte am Patienten 14 sowie der Instrumente 16, die für den Eingriff von Bedeutung sind.Are the location and / or orientation of the first detector and the second detector 22 determined relative to each other, the second detection device 54 , which is merely an example of how the relative position and / or the relative orientation of the detectors 20 and 22 Calibrated at the beginning of a surgical procedure, no longer needed. Changes in position and / or orientation of the detectors 20 and 22 relative to each other can now by means of the position sensors 46 determined and from the computer system 38 in the calculation of position and / or orientation of the referencing units 12 to be considered in the room. With the display device 42 then only those information can be presented to a surgeon, which he only needs for the surgical procedure, namely in particular position and / or orientation of those prominent points on the patient 14 as well as the instruments 16 that are important for the procedure.

Alternativ zum Einsatz der zweiten Nachweisvorrichtung 54 kann beispielsweise auch eine Spitze 66 eines mit einem Inertialsensor 62 ausgestatteten Kalibrierinstruments 60 genutzt werden, welches ausgehend von einer Ausgangsposition, die beispielsweise durch eine entsprechende Halterung 64 oder Aufnahme für die Spitze 66 definiert werden kann, in definierter Weise mit einer dem ersten Detektor 20 und mit einer dem zweiten Detektor 22 zugeordneten Kalibrieraufnahme 68 beziehungsweise 70 in Kontakt gebracht wird, wobei dann die relative Position der Kalibrieraufnahmen 68 beziehungsweise 70 relativ zur Ausgangsposition des Kalibrierinstruments 60 ermittelt und so rechnerisch eine relative Position und/oder Orientierung der Detektoren 20 und 22 zueinander im Raum ermittelbar ist.Alternatively to the use of the second detection device 54 can also be a tip 66 one with an inertial sensor 62 equipped calibration instrument 60 be used, which, starting from a starting position, for example, by a corresponding holder 64 or recording for the top 66 can be defined in a defined manner with a first detector 20 and with a second detector 22 associated calibration record 68 respectively 70 is brought into contact, in which case the relative position of the Kalibrieraufnahmen 68 respectively 70 relative to the starting position of the calibration instrument 60 determined and so computationally a relative position and / or orientation of the detectors 20 and 22 to each other in space can be determined.