DE60320254T2

DE60320254T2 - Optische Vorrichtung zur Bestimmung der longitudinalen Position und des Drehwinkels eines rotationssymmetrischen Körpers

Info

Publication number: DE60320254T2
Application number: DE60320254T
Authority: DE
Inventors: Ivan Vecerina; Stephane Betrisey; Jurjen Zoethout
Original assignee: XiTact SA
Current assignee: XiTact SA
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2023-09-23
Also published as: ATE391900T1; EP1517119A1; DE60320254D1; US20050075558A1; EP1517119B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Längsposition und des Drehwinkels eines rotationssymmetrischen Körpers zur Verwendung in einem System bei simulierten oder echten chirurgischen Eingriffen und insbesondere einen optischen Navigationssensor, der die Bewegung der Oberfläche eines Instruments beim Durchdringen eines dieses umgebenden statischen Elements, wie eines Trokars, einer Kanüle oder eines Gefäßes, misst.
Allgemeiner Stand der Technik
Operationssimulatoren und computergestützte Operationssysteme und andere Anwendungen erfordern eine ununterbrochene Messung der Position von Instrumenten, die von Benutzern benutzt werden. Bei minimal-invasiven chirurgischen Eingriffen, bei denen Instrumente üblicherweise durch einen Einführungsport, wie einen Trokar oder eine Kanüle, geführt werden, ist es üblich, dass die Bewegung eines Instruments relativ zum Einführungsport kontinuierlich ermittelt und bestimmt, oder „gemessen", werden muss.
Diese Messung verlangt in der Regel zwei Arten von Informationen: (1) die kontinuierliche und präzise Ermittlung der Bewegung eines eingesetzten Instruments und (2) ein Mittel zur Festlegung der Absolutposition des Instruments. Der Bedarf nach Letzterem ergibt sich aus der Tatsache, dass zahlreiche Bewegungsmessungssysteme nur Verschiebungsinformationen relativ zu einer früheren Position bereitstellen, sodass eine bekannte Referenzposition, von der aus die Verschiebungen ermittelt werden, festgelegt sein muss. Eine derartige anfängliche Referenzposition kann durch die Forderung festgelegt werden, dass der Benutzer das System nach dem Einschalten des Systems oder nach Aufforderung durch das System in einen bestimmten Zustand bringt. Ferner akkumuliert sich bei mehreren Bewegungsmessungssystemen ein Messfehler, sodass eine periodische Identifizierung eines Referenzpunkts erforderlich sein kann.
In WO 02/71369 stellt die Anmelderin einen Ansatz für die periodische Festlegung der Absolutposition eines Instruments und für den Ausgleich akkumulierter Fehler vor. WO 02/71369 verwendet einen veränderten Magnetfluss zur Durchführung einer präzisen Positions- und Winkelermittlung, ohne dass es beim Führen eines rotationssymmetrischen Körpers, der im Inneren einer diesen umgebenden Aufhängevorrichtung geführt ist, zu wesentlichem Schlupf kommt. Der rotationssymmetrische Körper bildet einen Teil des simulierten chirurgischen Instruments und die Aufhängevorrichtung bildet einen simulierten Trokar. Ein Element, das einen veränderten Magnetfluss bewirkt, erreicht eine lokal unterschiedliche Verteilung in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung auf, um die besagte präzise Positions- und Winkelermittlung zu ermöglichen.
Im Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Messung der relativen Bewegung von Instrumenten, Kathetern oder anderen länglichen Instrumenten unter Verwendung eines mechanischen Systems, das mit dem bewegten Instrument in Kontakt ist, offenbart. Einige Systeme verwenden Messräder oder einen ähnlichen Mechanismus, der direkt von Kabeln oder Zahnrädern angetrieben ist, die an dem bewegten Instrument befestigt sind. Dies ermöglicht eine zuverlässige Ermittlung der Bewegung des instruments, erfordert aber üblicherweise, dass das bewegte Instrument an der Messvorrichtung befestigt ist, was Benutzer daran hindert, das Instrument einfach und vollständig zurückzuziehen. Zwar stellen derartige Systeme eine zuverlässige Ermittlung der Bewegung des Instruments potenziell ohne akkumulierte Fehler bereit, es besteht jedoch in der Regel weiterhin der Bedarf nach Festlegung einer Referenzposition.
US 6,323,837 offenbart ein anderes kontaktloses Messverfahren zur Messung der Winkelposition eines Stabs, der bei der Simulierung von chirurgischen Eingriffen verwendet wird. Die Vorrichtung gemäß besagter Veröffentlichung verwendet schwarz codierte durchsichtige Räder mit optischen Codierern als Transducer zur Erfassung der besagten Winkelposition.
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung einer engen gitterartigen oder streifenförmigen Markierung der Oberfläche des Instruments. Dieser Ansatz ist in WO 98/10387 beschrieben. Dieser Ansatz ermöglicht ein kontaktloses Lesen der Bewegung des Instruments, kann aber nur speziell ausgebildete Oberflächen messen. Die zu messende Oberfläche muss in ihrer Gesamtheit mit einem streifenförmigen oder gitterähnlichen Muster mit geringen Zwischenräumen bedeckt sein, um die Registrierung von Bewegung zu ermöglichen. Dadurch werden die Herstellungskosten erhöht und die Art der zu messenden Instrumente und Oberflächen eingeschränkt. Die Oberflächenbeschichtung muss auch geschützt werden, da Flecken und Kratzer die Messung wahrscheinlich stören. Die Auflösung, die mit einem derartigen System erhalten werden kann, ist ebenfalls begrenzt. Die Analyse des Stands der Technik in US 6,256,016 beschreibt ausführlich mehrere Nachteile dieser Technik. Dieser Ansatz wird zwar nicht durch die Akkumulierung von Messfehlern beeinträchtigt, er verlangt jedoch weiterhin ein Mittel zur Festlegung einer anfänglichen Referenzposition.
Optische Messvorrichtungen auf der Grundlage von Bilderfassung und -analyse, so genannte optische Navigationssensoren, wurden vor kurzem eingeführt. Sie werden in erster Linie zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Leistung von Computermäusen verwendet ( US 5,578,813 , US 5,644,139 , US 6,256,016 , US 6,281,882 ). Im Gegensatz zu bekannten Techniken, die eine bestimmte Behandlung oder Herstellung der darunter liegenden Oberfläche verlangen ( US 4,409,479 ), erfassen diese optischen Navigationssensoren aufeinander folgende Bilder einer sich bewegenden Oberfläche und gleichen jedes dieser neu erfassten Bilder mit translatierten Kopien der vorigen Bilder ab. Das ermöglicht die Analyse und präzise Ermittlung der Bewegung einer nahe gelegenen Oberfläche durch die Sensoren, ohne dass dies einen physischen Kontakt verlangt, und ermöglicht die Messung fast jeder Art von Oberfläche.
Diese Sensoren werden zur Ermittlung der Verschiebung von Vorrichtungen entlang zwei orthogonaler linearer Achsen in einer flachen Ebene verwendet, insbesondere in Computermäusen. Die Verwendung dieser Sensoren in bestimmten Konfigurationen ist ebenfalls offenbart, beispielsweise zum Messen der Bewegung eines Fingers eines Benutzers entlang 2 orthogonaler Achsen ( US 6,057,540 ), als Teil von Vorrichtungen zum bildgebenden Abtasten von Oberflächen ( US 5,994,710 ) oder in Instrumenten zum Lesen von Strichcodes ( US 6,585,158 ).
Es besteht jedoch weiterhin ein Bedarf nach kleineren Vorrichtungen zur Durchführung einer präzisen Positions- und Winkelermittlung eines rotationssymmetrischen Instruments ohne Schlupf, um die Verwendung von beispielsweise drei simulierten Instrumenten innerhalb des beengten Raumes des simulierten chirurgischen Bereichs zu ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe ist die Beschreibung, wie Informationen, die durch die Verarbeitung von Bildern, welche von dem optischen Navigationssensor erfasst wurden, erhalten wurden, als ein Mittel zur Festlegung der Absolutposition in Längs- und Drehrichtung des Instruments durch Detektieren der Gegenwart oder der Abwesenheit eines Instruments innerhalb der Messungsvorrichtung und durch Registrieren optischer Markierungen auf der Oberfläche des Instruments verwendet werden können. Weiterhin ermöglicht die Detektierung von Oberflächenmarkierungen die Identifizierung des Instruments. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung der Möglichkeit, die Gegenwart eines simulierten Instruments ohne weiteres zu erkennen und/oder die Art des vorhandenen simulierten Instruments und/oder seiner Absolut-/Referenzposition innerhalb der Messungsvorrichtung zu bestimmen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Erkenntnis, dass optische Navigationssensoren, die in so genannten optischen Mäusen für flache Oberflächen verwendet werden, zur Messung der Bewegung eines rotationssymmetrischen Instruments zur präzisen Bestimmung seiner Längsposition und seines Drehwinkels durch Ermittlung der Bewegung des Instruments und Bereitstellung eines Mittels zur Festlegung seiner Absolutposition angewendet werden können.
Die dargestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß dem Wortlaut von Anspruch 1 unter Verwendung eines optischen Navigationssensors zur Messung der Längsbewegung und der Drehung um eine Längsachse eines rotationssymmetrischen Körpers gelöst.
Die Merkmale gemäß Anspruch 1 ermöglichen eine direkte kontaktlose Bestimmung der Position einer Vorrichtung, die zur Simulierung chirurgischer Operationen verwendet wird. Die Drehung und Translation des Instruments kann somit ohne Kontakt gemessen und berechnet werden und die Messtechnik verlangt keine spezifische Behandlung der Oberfläche des Instruments.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Eine Vorrichtung als Schnittstelle für die Bewegung eines Schafts und eines Computers weist einen Träger mit zwei Freiheitsgraden und einen daran befestigten optischen Navigationssensor auf. Wenn ein Schaft in den Träger eingreift, kann er sich mit zwei Freiheitsgraden bewegen, wobei der optische Navigationssensor jeden Freiheitsgrad erfasst. Der optische Navigationssensor stellt eine direkte, kontaktlose und zeitgleiche Messung der vereinigten translatorischen und rotierenden Verschiebung des Objekts bereit. Insbesondere bei Anwendungen in Verbindung mit sogenanntem Force-Feedback (Kraftrückkopplung) ist eine direkte und kontaktlose Bestimmung der Position der Vorrichtung bevorzugt.
Die Erfindung verbessert die Messung von rotationssymmetrischen Instrumenten, die sich durch eine umgebende Struktur bewegen – bei der es sich um einen speziellen Einführungsport, wie einen Trokar, handeln kann oder um ein anderes Instrumenthaltestück, das als eine Referenz für die Positionsermittlungen verwendet wird, z. B. ein Gefäß oder eine Kanüle.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, das ein flexibles oder steifes Instrument sowie jede beliebige andere Vorrichtung oder der Finger eines Benutzers in die Messungsvorrichtung eingesetzt werden können, die deren bzw. dessen Längstranslation und Drehbewegung erfassen können. Eine spezielle Vorbereitung des Instruments oder eine dedizierte Oberfläche ist nicht erforderlich.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung trägt das rotationssymmetrische instrument selbst den optischen Navigationssensor. Dies ermöglicht die Messung der Längsbewegung und der Drehbewegung des Instruments, das mit dem optischen Navigationssensor einstückig verbunden ist, relativ zu dessen Umgebung, die ein Schlauch mit einem entsprechenden Durchmesser oder jedes beliebige Material oder Gewebe sein kann, das von dem Instrument selbst durchdrungen oder getrennt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Methode zur Implementierung einer Vorrichtung wie vorstehend beschrieben während einer chirurgischen Simulierung, wobei die Methode nicht an einem Teil des menschlichen Körpers durchgeführt wird. Dieser Rechtsverzicht, der nicht in dem eingereichten Text offenbart ist, wurde eingeführt, sodass Ansprüche für eine Methode hinzugefügt werden können, die nicht unter die Ausnahmen von der Patentierbarkeit gemäß Artikel 52(4) EPÜ fallen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Überblick über eine extern angebrachte optische Messungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 zeigt eine schematische Ansicht der Oberflächenbewegung, die von dem Sensor erfasst wird, und der Bewegung des Instruments gemäß 1,
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Instrumentenschafts, der aus einer Folge von gefärbten Segmenten hergestellt ist, die entlang der Oberfläche eines Instruments sichtbar sind,
4 zeigt eine schematische Ansicht von quer verlaufenden und schraubenartigen visuellen Markierungen am Instrument, die zur Identifizierung von dessen Ausrichtung verwendet werden können,
5 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels des optischen Navigationssensors, der einstückig mit dem Instrument selbst ausgebildet ist, zur Ermittlung der Bewegung des umgebenden Schlauchs oder der Umgebung,
6 zeigt Beispiele von Bildern, die von einem optischen Navigationssensor erfasst wurden, der zur Bewegungsmessung verwendet wird.
Genaue Beschreibung der Erfindung
1 zeigt einen schematischen Überblick über eine extern angebrachte optische Messungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Eine Instrumenthaltevorrichtung 1 enthält eine Öffnung oder einen durchsichtigen Bereich 11, durch den ein optischer Navigationssensor 2 die darunter liegende Oberfläche 13 eines eingeführten Instruments 3 messen kann. Die Haltevorrichtung 1 kann verschiedene Formen aufweisen. Insbesondere kann sie ähnlich eines beliebigen Instrumenttrokars sein, der während medizinischer Eingriffe verwendet wird, wobei einige die Einführung von Instrumenten unterschiedlicher Durchmesser ermöglichen. Die Instrumenthaltevorrichtung 1 ist vorzugsweise ein hohles zylindrisches Element. Es kann sich, wie in 1 dargestellt, um eine kurze Hülse handeln, die die Einführung eines flexiblen Elements oder Instruments 3 ermöglicht. Die Öffnung oder der durchsichtige Bereich 11 der Instrumenthaltevorrichtung 1 ist mindestens genauso groß wie das maximale Sichtfeld des bildgebenden optischen Navigationssensors 2; ersatzweise kann die gesamte Haltevorrichtung 1 durchsichtig sein. Die darunter liegende Oberfläche 13 hat eine nicht vernachlässigbare Krümmung, die bei der Bereitstellung des durchsichtigen Bereichs 11 und/oder der bildgebenden Elemente (Linsen, Prismen usw.) berücksichtigt wird.
Die Instrumenthaltevorrichtung 1 ist mit einem optischen Brechungselement 12 des optischen Navigationssensors 2 derart verbunden, dass das Instrument 3 in einem ausreichenden Abstand zum optischen Navigationssensor 2 gehalten wird, sodass die Oberfläche 13 des Instruments 3 im Brennpunkt der Bilderfassung bleibt, die für die Messung des Instruments verwendet wird.
Zwar ist die Erfindung in Verbindung mit der Messung von Instrumenten 3 mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern beschrieben, sie kann aber gleichwohl auch zur Messung dünner wie auch flexibler Instrumente, wie Katheter, verwendet werden.
2 zeigt die Korrespondenz der Oberflächenbewegung, die von dem Sensor erfasst wird, und der Bewegung des Instruments. Die Achsen der Oberflächenbewegung, die von dem optischen Navigationssensor 2 angegeben werden und durch die Pfeile 21 bzw. 22 mit X und Y bezeichnet sind, messen die Längstranslation und die axiale Drehung des Instruments.
Der optische Navigationssensor 2 umfasst eine Lichtquelle 31 und einen Licht detektierenden und bilderfassenden Transducer 32. Die Lichtquelle 31 kann eine LED oder ein anderes geeignetes Licht aussendendes Element sein. Der Transducer 32 kann eine geeignete Anordnung von Fotodetektoren oder z. B. eine CCD-Vorrichtung sein. Der optische Navigationssensor 2 detektiert fakultativ Bewegung durch direkte Bildgebung der verschiedenen spezifischen optischen Merkmale, die auf der Oberfläche 13 sichtbar sind, in Form einer Anordnung von Pixeln. Das Licht von der Lichtquelle 31, das von der Oberfläche 13 reflektiert wird, wird auf den Transducer 32 im Inneren des optischen Navigationssensors 2 fokussiert. Die Reaktionen der einzelnen Fotodetektoren oder CCD-Vorrichtungen werden mit einer geeigneten Auflösung digitalisiert und als ein Rahmen an entsprechenden Orten innerhalb einer Speicheranordnung gespeichert. Der bilderfassende Transducer 32 kann in einen Chip eingebettet sein, der auch einen Prozessor enthält, welcher die aufeinander folgenden Rahmen verarbeitet und laufend deren relative Verschiebung ermittelt.
Die Lichtquelle 31 und der Licht detektierende Transducer 32 sind in der Messungsvorrichtung in der Nähe der Oberfläche des Instruments angebracht. Sie können in Längsrichtung 23 des Instruments sowie in Querrichtung angebracht sein. Das optische Brechungselement 12 ist zwischen zwei Elementen 31, 32 und der Oberfläche 13 des Instruments angebracht. Dieses optische Element hat dieselbe Funktion wie eine PC-Maus, welche ist: 1) Fokussieren des Bilds, das vom Transducer 32 erfasst wurde, auf einen festgelegten Abstand, 2) Sicherstellen, dass das Licht, das von dem Element 31 emittiert wird, einen Bereich um die Symmetrieachse 15 des Elements 12 beleuchtet. Ein Teil des reflektierten Lichts gelangt erneut in die Linse 12 und wird auf die lichtempfindliche Oberfläche des Transducers 32 geführt.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Instruments 3, das aus einer Folge von gefärbten, getönten oder verschieden texturierten Segmenten hergestellt ist, die auch bemalt oder graviert sein können. Bei der Ermittlung der Bewegung des Instruments kann der optische Navigationssensor über das Bild abgefragt werden, das er gerade erfasst. Diese eindeutigen Bereiche können somit detektiert werden, während sie unterhalb des bildgebenden optischen Navigationssensors 2 passieren und die Länge jedes Segments kann während der Längsbewegung des Instruments (in der Richtung 21, die als X-Achse gekennzeichnet ist) ermittelt werden. Die resultierenden Muster der Segmentfarben und -längen (schwarz-S1, weiß-S2, grau- S3, schwarz-S4, weiß-S5, grau-S6 und schwarz-S7) können zum Codieren von Informationen verwendet werden. Diese Informationen können als einzigartige Signatur jedes Instruments verwendet werden, sodass eine automatisierte Identifizierung des Instruments bei dessen Einführen bereitgestellt ist, oder zur Identifizierung eines bestimmten Bereichs entlang der Länge des Instruments.
Fakultativ kann ein einfacher optischer Brechungssensor 99 mit hoher Auflösung, wie der REDS-1100, hergestellt von Agilent Technologies, zur Ermittlung der Leuchtkraft eines einzigen Punkts auf der Oberfläche des Instruments mit einer höheren Genauigkeit in der Vorrichtung vorgesehen sein. Ein derartiger optischer Brechungssensor ist ein vollständig integriertes Modul, das einen LED-Emitter und einen entsprechenden IC-Fotodetektor in einem einzigen Gehäuse aufweist. Eine dichotomische asphärische Linse wird zur Bildgebung der aktiven Bereiche des Emitters und des Detektors auf einem einzigen Fleck verwendet.
4 zeigt eine schematische Ansicht von quer verlaufenden und schraubenartigen Markierungen am Instrument, die zur Identifizierung von dessen Ausrichtung verwendet werden können.
Eine schraubenartige Markierungslinie 51 verläuft entlang der Länge des Instruments 3. Mehrere quer verlaufende Markierungslinien 52 verlaufen entlang des Instruments. In der in 4 dargestellten Ausführungsform haben alle quer verlaufenden Linien dieselbe Breite, aber der Abstand einer bestimmten Anzahl an aufeinander folgenden Linien kann auch derart gewählt sein, dass er einmalig (einmalig codiert) ist, was die Festlegung der Absolutposition entlang der Länge des Instruments ermöglicht. Wie in 4 dargestellt, kann auch eine einmalige Tönung zur Identifizierung der schraubenartigen Markierung, wenn man auf diese trifft, verwendet werden. Es können auch andere Ansätze verwendet werden.
Schraubenartige Markierungen 51 auf der Oberfläche 13 werden zur Bestimmung der Drehrichtung 22 des Instruments 3 während dessen Längsbewegung unterhalb des optischen Navigationssensors 2 verwendet.
Der Abstand 33 zwischen der Detektierung einer quer verlaufenden Markierung 52 (in 4 schwarz) und der folgenden schraubenartigen Markierung 51 (in 4 grau) wird (d). Die axiale Drehung 34 des Instruments (α) relativ zu einem Referenzpunkt, an dem sich die schraubenartigen 51 und die quer verlaufenden 52 Markierungen kreuzen, kann mittels einfacher Proportionalität berechnet werden: α = k × d, wobei k 2 × PI dividiert durch den Abstand in Längsrichtung zwischen zwei aufeinander folgenden Drehungen der Schraube ist, die von der schraubenartigen Markierung 51 bereitgestellt wird. Und α ist der axiale Drehwinkel des Instruments in dem Augenblick, in dem die schraubenartige Markierung sichtbar ist.
Andere Arten von Markierungen können auf ähnliche Weise verwendet werden. Die schraubenartige Form der grauen Markierung 51 wird während der einfachen Längsbewegung 21 (d. h. entlang der Achse 23) des Instruments 3 auch dann gekreuzt, wenn das Instrument 3 selbst nicht rotiert.
5 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels des optischen Navigationssensors 2, der einstückig mit dem Instrument 103 selbst ausgebildet ist, zur Ermittlung der relativen Bewegung des umgebenden Schlauchs oder der Umgebung 5. Unter Verwendung derselben Techniken wie im Rest dieser Offenbarung dargestellt ermöglicht diese Ausführungsform, dass das Instrument 103 seine Längstranslation 21 (X) und seine axiale Drehung 22 (Y) relativ zu seiner Umgebung 5, z. B. der inneren Oberfläche 113 eines Blutgefäßes, selbst ermittelt.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der optische Navigationssensor 2 an der Innenseite einer ringförmigen oder schlauchförmigen Messungsvorrichtung befestigt. Dieses Element kann unabhängig oder als Teil eines Stücks zur Einführung von Instrumenten, wie eines Trokars, verwendet werden, der in minimal-invasiven chirurgischen Eingriffen genutzt wird. Die Messungsvorrichtung kann auch mit einer motorisierten Vorrichtung kombiniert werden, die die Bewegung des eingeführten Instruments steuert oder Kräfte darauf überträgt.
Der optische 2-D-Navigationssensor 2 mit integrierter Bildverarbeitung kann eine von mehreren vorhandenen Vorrichtungen sein, wie der ADNS-2001 oder ADNS-2030 oder ADNS-2051, hergestellt von Agilent Technologies. Dieser Sensor auf der Grundlage der Verarbeitung einer Folge von erfassten Bildern ist hinter dem Brechungs- und Linsensystem 12 angebracht, das auf ein Bilderfassungsgitter in einem bestimmten Abstand zum Sensor selbst fokussiert. Eine Leuchtdiode 31 befindet sich in der Nähe, um eine ausreichende Beleuchtung der Oberfläche unterhalb des Sensors zu gewährleisten.
Das umgebende Stück gewährleistet, dass die Oberfläche eines eingeführten Instruments im Brennpunkt des optischen Navigationssensors bleibt, während das Instrument frei in Längsrichtung translatiert und um die eigene Achse gedreht werden kann. Zwei Halteringe, ein Schlauch 1 oder jedes beliebige System, das mehrere Instrumentendurchmesser aufnehmen kann, können bzw. kann verwendet werden.
6 zeigt Beispiele von Bildern, die von einem optischen Navigationssensor zur Messung der Bewegung einer Oberfläche erfasst wurden. Die Informationen, die von einem derartigen optischen Navigationssensor 2 zur bildgestützten Bewegungsmessung extrahiert werden können, werden wie folgt erhalten und verarbeitet.
Die Bilder 41 und 42 zeigen zwei aufeinander folgende Bilder, die von einem Bildgebungssensor 2 erfasst wurden, der für die Oberflächenmessung verwendet wird. Ein Vergleich des ersten Bilds 41 (links) mit dem Anschließenden 42 (rechts) ermöglicht die Detektierung von Umfang und Richtung der Bildbewegung.
Die Bilder 43 und 44 zeigen den Unterschied, der üblicherweise zwischen einem Bild, bei dem kein Instrument in der Messungsvorrichtung 43 (links) vorhanden ist, und nach dem Einführen eines Instruments 44 (rechts) erkennbar ist. Der Kontrast zwischen den Bereichen des Bilds erhöht sich auf eine Weise, die detektierbar ist. Auch nimmt in der Regel die Leuchtkraft zu.
Die Bilder 45 und 46 zeigen zwei Bilder, die von einer bildgestützten Vorrichtung zur Bewegungsmessung erfasst wurden, abhängig davon, ob die darunter liegende gemessene Oberfläche eine helle oder dunkle Farbe aufweist, wie bei den Oberflächen gemäß 3 und 4 verwendet wird. Der optische Navigationssensor kann jedoch versuchen, durch Justieren seiner Belichtungszeit, die auch als Verschlusszeit bekannt ist, eine durchschnittliche optimale Beleuchtung des erfassten Bilds aufrechtzuerhalten.
Die Informationen über die Oberflächentranslation werden durch den integrierten Bewegungsmessungsprozessor berechnet, der die Translationsinformationen entlang zweier orthogonaler Achsen im Bildraum extrahiert und angibt. Beim Betrachten der Probenbilder in 6 können diese als senkrechte und waagerechte Verschiebung des Bilds interpretiert werden. Wenn der Sensor in einer Vorrichtung wie denjenigen, die in dieser Erfindung beschrieben sind (1, 2 und 6) beschrieben sind, integriert ist, kann diese Bewegungsinformation in die Längs- und Drehbewegung des Instruments 3 translatiert werden.
Die Oberflächenverschiebung wird in eine Längskomponente (= x) parallel zur Mittelachse des ringförmigen Sensors und eine quer verlaufende Komponente (= y) senkrecht zur vorigen Achse aufgeteilt. Die Längskomponente misst direkt die Längsbewegung des Instruments durch die Messungsvorrichtung. Die quer verlaufende Verschiebung der Oberfläche des Instruments wird durch Division mit dem Radius des Instruments in ein Maß für die Drehung des Instruments relativ zur Messungsvorrichtung translatiert.
Die Bewegung entlang der beiden Freiheitsgrade der Bewegung jedes beliebigen eingeführten Instruments kann mit einer guten Genauigkeit ermittelt werden. Schlupfprobleme, die mit denjenigen vergleichbar sind, die bei Mechanismen zur Bewegungsmessung auf Reibungsbasis beobachtet werden, treten nur bei hohen Geschwindigkeiten auf, die bei der normalen Verwendung von medizinischen Instrumenten nicht vorkommen und der akkumulierte Fehler ist im Vergleich zu diesen bekannten Ansätzen ebenfalls minimal. Da auch kein direkter Kontakt erforderlich ist, ist die Reibung, die die freie Bewegung des Instruments durch den Benutzer behindert, wesentlich herabgesetzt.
Neben der Bewegung des Instruments können andere Eigenschaften des Bilds, das von dem Sensor erfasst wird, dazu verwendet werden, die Gegenwart oder die Abwesenheit des Instruments zu detektieren und die optischen Markierungen auf der Oberfläche des Instruments zu detektieren.
In einer Ausführungsform dieser Erfindung werden zwei Eigenschaften des Bilds, das von dem optischen Navigationssensor erfasst wird, verwendet: 1. Die durchschnittliche Stärke des Lichts, das diffus von der Oberfläche reflektiert wird, auch als die Helligkeit des Bilds (B) bezeichnet. 2. Die Veränderlichkeit der Leuchtkraft an verschiedenen Bereichen des erfassten Bilds, was in einem gewissen Zusammenhang zum Kontrast des Bilds (C) steht. Bei einer Vorrichtung, wie dem ADNS-2030, steht die Kontrastinformation (C) als ein Maß der Oberflächenqualität (SQUAL-Register) zur Verfügung und die Gesamthelligkeit des Bilds (B) kann durch Division des durchschnittlichen Pixelwerts durch die Verschlusszeit (Durchschnitt_Pixel/Verschluss_unterer oder Verschluss_oberer) extrapoliert werden.
Wenn kein Instrument in die Messungsvorrichtung eingeführt ist, ist das Bild, das vom optischen Navigationssensor erfasst wurde, nicht im Brennpunkt und deswegen verschwommen und das Licht, das von der LED emittiert wird, wird nicht in Richtung des optischen Navigationssensors reflektiert. Das Bild ist daher dunkel und verschwommen (6, Bezugsziffer 43), was als ein Abfall der vorstehend beschriebenen Werte (B) und (C) ermittelt wird. Dies signalisiert die Abwesenheit eines Instruments. Wenn ein Instrument eingeführt ist, gibt der Bildgebungssensor einen Anstieg der Wert für (C) und (B) an, der Klarheit der Helligkeit des Bilds (6, Bezugsziffer 44). Beim Zurückziehen des Instruments werden diese Parameter wieder kleiner. Aus diesem Grund kann die in dieser Erfindung beschriebene Vorrichtung das Einführen oder Zurückziehen eines Instruments detektieren und an ein externes System, wie einen Computer, weitergeben. Darüber hinaus kann bei jedem Einführen des Instruments die genaue Längsposition der Instrumentenspitze detektiert werden, sobald das Einsetzen des Instruments detektiert ist. Unter Verwendung nachfolgender Messungen der Längsbewegung des Instruments kann die Absolutposition der Instrumentenspitze gemessen werden.
Helle und dunkle Segmente des Instrumentenschafts können ebenfalls detektiert werden, wenn sie unterhalb des optischen Navigationssensors erscheinen, da die Stärke des Leuchtkraftsignals (B) zunimmt, wenn ein hell gefärbtes Segment angetroffen wird, und abnimmt, wenn ein dunkles Segment angetroffen wird. Durch Kombination von Positions- und Helligkeitsinformationen können die Breite und der Farbton jedes Segments des Instruments ermittelt werden. Diese Informationen können dazu benutzt werden, das Instrument, das eingeführt wurde, eindeutig zu identifizieren oder die Absolutposition des Instruments in Längsrichtung unterhalb des Sensors (3) zu detektieren.
Anstatt von oder zusätzlich zu gefärbten Segmenten können auch spiralförmige Bereiche unterschiedlicher Farbtöne oder Farben auf die Oberfläche des Instruments aufgedruckt, graviert oder auf andere Weise eingebettet werden. Wenn die Position eines schrägen Streifens einer bestimmten Form oder die gegenwärtige Einführungstiefe des Streifens bekannt ist, kann der absolute Drehwinkel des Instruments innerhalb der Messungsvorrichtung bestimmt werden (4).
Ersatzweise kann in allen vorigen Beschreibungen, die die Verwendung eines Helligkeitssignals (B) beinhalten, das von dem optischen Navigationssensor abgerufen wurde, ein separater optischer Navigationssensor zur Ermittlung der Helligkeit mit höherer Genauigkeit verwendet werden. Dieses Helligkeitssignal kann auf dieselbe Weise wie vorstehend beschrieben mit den Bewegungsinformationen kombiniert werden.
In einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung ist der optische Navigationssensor innerhalb des Instruments selbst angebracht. Die Messung kann durch ein durchsichtiges Oberflächenmaterial des Instruments hindurch durchgeführt werden, sodass kein bewegliches Teil oder Messsystem exponiert zu sein braucht. Unter Verwendung derselben vorstehend beschriebenen Techniken kann das Instrument die Gegenwart und die Bewegung eines Schlauchs, eines Führungsstücks oder eines beliebigen weichen Gewebes oder Materials, das dieses umgibt, messen (5). Sowohl die Längsverschiebung als auch die Drehverschiebung des Instruments 103 können wie vorstehend beschrieben ermittelt werden. Das Einführen und Zurückziehen des Instruments 103 lässt sich identifizieren, z. B. durch einen plötzlichen Anstieg der Werte für (B) und (C), wenn das Segment des Instruments, das den optischen Navigationssensor enthält, in das umgebende Gewebe eingesetzt wird. Von dieser Referenzposition aus lässt sich die Einführungstiefe des Instruments 103 messen. Wenn das Instrument 103 in ein dediziertes Element 5 eingeführt ist, das bekannte Segment mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften aufweist, wie in 3 und 4 beschrieben, können Informationen über die Leuchtkraft des Bilds und dessen Kontrast/Qualität ebenfalls wie vorstehend beschrieben zur Festlegung der präzisen Position des Instruments 103 und zur Identifizierung, wo es eingeführt wurde, verwendet werden.
In dieser Ausführungsform kann die Erfindung für Instrumente angewendet werden, die in bereits bestehende Höhlungen (Schläuche, Rohre, Blutgefäße) eingeführt sind, oder Instrumente, die weiche Gewebestrukturen durchdringen.
Die Vorrichtung gemäß den Figuren zeigt die Anwendung der optischen Messung zur Analyse der Bewegung eines Instruments durch ein umgebendes statisches Element, wie es für medizinische Simulationen verwendet wird, dieselbe Vorrichtung kann aber auch im Operationsbereich zur Messung von Instrumenten verwendet werden, die von dem Chirurgen verwendet werden (computergestützte Operationsanwendungen) oder in anderen Umgebungen.
Die wichtigsten Vorteile sind:

– Kontaktfreie und reibungslose Messung der Bewegung des Instruments mit zwei Freiheitsgraden (Translation und Drehung).
– In einem System, das Kraftrückkopplung bereitstellt, ist die optische Ermittlung unabhängig von den Kraft ausübenden Elementen (z. B. ein Reibrad) und unterliegt keinem Schlupf (Entkoppeln der Bewegung des Rads und des Instruments).
– Vorhandene optische Navigationssensoren stellen auch Informationen über die Qualität des Bilds bereit, das für die Messung erfasst wurde (z. B. Verschwommenheit, wenn das Bild nicht im Brennpunkt war), und die Leuchtkraft des Bilds. Das ermöglicht die Detektierung der Gegenwart des Instruments innerhalb der Führungsvorrichtung – da der Sensor keinen Gegenstand im Brennpunkt erkennt, wenn kein Instrument eingeführt ist. Insbesondere ermöglicht es die Detektierung des Vorbeipassierens der Spitze des Instruments vor dem Sensor, was Informationen über die Absolutposition des Instruments bereitstellt, wenn dieses eingeführt wird. Die Informationen über die Leuchtkraft können auch zur Detektierung von Markierungen auf der Oberfläche des Instruments verwendet werden, was die Erfassung einer Absolutposition ermöglicht.

Oder wenn der optische Navigationssensor auf dem sich bewegenden Instrument angeordnet ist wird detektiert, dass das Instrument in eine andere Struktur eingeführt ist.
Die Informationen, die von einem Bewegungssensor (optisch oder anderes) übertragen werden, der das Instrument misst, werden mit dem Signal kombiniert, das von den optischen Sensoren kommt. Die Breite oder der Abstand zwischen den Markierungen, die von den Sensoren detektiert werden, oder die aufeinander folgende Breite/der aufeinander folgende Abstand mehrerer Sensoren entlang eines Instruments kann einmalig sein, was die Festlegung der Absolutposition des Instruments relativ zu dem umgebenden Stück ermöglicht. Das Muster kann auch für das Instrument einmalig sein. Dies ermöglicht dem System die Identifizierung eines eingeführten Instruments auf der Grundlage seines einmaligen Musters.
Die Position des Instruments, wie sie von Bewegungsdetektoren (optischen, mechanischen oder anderen) gemessen wird, kann auf der Grundlage der Absolutposition, die durch die Musterdetektierung festgelegt wurde, erneut kalibriert werden. Eine fortschreitende Korrektur durch Erhöhung oder Verkleinerung der nachfolgenden Instrumentenbewegungen kann angewendet werden, um die angegebene Position des Instruments fortschreitend zu korrigieren.
In einer anderen Ausführungsform, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, sind zwei LED einander gegenüber an verschiedenen Seiten des Instruments 3 angebracht. Wenn beide der gegenüberliegenden LED gleichzeitig eine dunkle Linie sehen, ist bekannt, dass eine quer verlaufende Markierungslinie angetroffen wurde. Die Längsposition dieser Markierungslinie relativ zu zuvor angetroffenen quer verlaufenden Markierungslinien wird registriert. Durch eindeutige Codierung des Abstands von aufeinander folgenden Linien kann die Absolutposition entlang des Instrumentenschafts angegeben werden. Wenn nur eine LED eine Markierung sieht, ist bekannt, dass die schraubenartige Markierung angetroffen wurde. Auf der Grundlage der aktuell bekannten Längsposition kann die Drehung des Instruments zuverlässig berechnet werden (um für Schlupf entlang der Drehungsmessung zu kompensieren).
Die zwei Lichtquellen können auch an unterschiedlichen Orten der Vorrichtung angeordnet werden (nicht zwangsläufig einander gegenüber und nicht in derselben Längsposition). Dann erzeugen zwei korrespondierende Lichtdetektoren zwei Positionssignale, die jeweils eine lokal variierende Verteilung in Längsrichtung und in Umfangsrichtung anzeigen, was die besagte präzise Positions- und Winkelermittlung, die mit den Signalen der zwei Positionen korreliert, ermöglicht.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind insbesondere:

– Verwendung eines optischen Navigationssensors zur Messung der Längs- und Drehbewegung eines rotationssymmetrischen Instruments. Der Sensor befindet sich in einem umgebenden Stück, das das Instrument in einem geeigneten Abstand zum Brennpunkt hält, oder im Instrument selbst. Das Instrument kann steif oder flexibel sein.
– Verwendung eines Bildbewegungssensors als Teil eines länglichen Instruments zur Ermittlung von dessen Bewegung relativ zu dessen Umgebung.
– Verwendung der Bildqualitäts-/-kontrastinformationen zur Detektierung der Gegenwart des Instruments innerhalb der Messungsvorrichtung oder der Einführung des Instruments innerhalb einer umgebenden Struktur. Verwendung der Detektierung der Einführung des Instruments zur Bestimmung der Absolutposition der Spitze des Instruments.
– Verwendung von Leuchtstärkeinformationen von dem Bewegungssensor selbst oder von einem separaten optischen Ein-Punkt-Sensor zur Detektierung von Segmenten oder schrägen Bereichen auf der Oberfläche des Instruments. Verwendung dieser Informationen, die mit der aktuellen Position des Instruments korreliert werden, zur Identifizierung des Instruments oder zur Festlegung der aktuellen Drehposition des Instruments.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen von relativen Längs- und Drehbewegungen zwischen einem rotationssymmetrischen Instrument und einem Längselement, in welchem das Erstere während einer chirurgischen Simulation oder einer tatsächlichen Operation geführt werden soll, umfassend einen optischen Navigationssensor (2), der zumindest eine Lichtquelle (31) und zumindest einen Lichtdetektor (32) beinhaltet, und der zum Erfassen aufeinander folgender Bilder einer Oberfläche (13, 113) sowohl vom besagten Instrument als auch vom besagten Element in Bezug auf eine vordefinierte Position des jeweils anderen angeordnet ist, wobei sie des Weiteren einen Bewegungsmessungsprozessor umfasst, der angeordnet ist, um eine relative Längs- und Drehbewegungsinformation zwischen dem besagten Instrument und dem besagten Element auf Basis eines Vergleichs zu melden, der zwischen einem ersten (41, 43, 45) der besagten erfassten Bilder und einem nachfolgenden (42, 44, 46) der besagten erfassten Bilder durchgeführt wird, und wobei der besagte optische Navigationssensor (2) des Weiteren ein bildgebendes Element (12) umfasst, um das besagte emittierte Licht auf die besagte Oberfläche (13) zu fokussieren, wobei der besagte Bewegungsmessungsprozessor des Weiteren angeordnet ist, um eine Einführung oder eine Entnahme des besagten rotationssymmetrischen Instruments (3) innerhalb des besagten Längselements (1) auf Basis des besagten Vergleichs festzustellen und zu melden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der besagte optische Navigationssensor so angeordnet ist, dass das von der besagten Lichtquelle (31) emittierte Licht auf eine äußere Oberfläche (13) des besagten rotationssymmetrischen instruments (3) oder auf eine innere Oberfläche (113) des besagten Längselements (1) gelenkt wird, und dass zumindest ein Teil des von der Oberfläche reflektierten Lichtes vom besagten Lichtdetektor (32) erfasst wird, um ein Positionssignal zu erzeugen, das für eine lokale Oberflächenverteilung kennzeichnend ist und zumindest einem der besagten erfassten Bilder entspricht, die zwecks Durchführung des besagten Vergleichs verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der besagte Bewegungsmessungsprozessor des Weiteren angeordnet ist, um eine Anzeige der Absolutposition des besagten rotationssymmetrischen instruments (3) innerhalb des besagten Längselements (1) auf Basis von sowohl der besagten relativen Längs- und Drehbewegungsinformation als auch einer Einführungsmeldung zu melden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die besagte Lichtquelle (31) und der besagte Lichtdetektor (32) im Inneren des besagten rotationssymmetrischen instruments (103) eingebaut sind, wobei das besagte Längselement (1) eine Sonde, eine Nadel oder ein Gefäß ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die besagte Oberfläche (13) des Weiteren Positionsmarkierungen (51) umfasst, die über unterschiedliche Reflexions- und Glätte-/Granularitäts-/Textureigenschaften verfügen, so dass eine Identifizierung der Art des besagten rotationssymmetrischen Instruments in Verbindung mit der besagten relativen Längs- und Drehbewegungsinformation durchgeführt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die besagten Positionsmarkierungen ein Muster aus der Gruppe schiefer, länglicher und quer verlaufender Linien, schraubenartiger Linien und Kombinationen davon aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei die besagten Positionsmarkierungen eine unterschiedliche Breite und/oder Farbe und/oder Reflexionsvermögen und/oder Textur haben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die besagten Positionsmarkierungen derart ausgeführt sind, dass sie eine Bestimmung einer Absolutposition des besagten rotationssymmetrischen Instruments (3) innerhalb des besagten Längselements (1) auf Basis der besagten erfassten Bilder ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sie zumindest einen optischen Ein-Punkt-Sensor umfasst, um die Helligkeit eines einzigen Punktes auf der besagten Oberfläche zu messen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sie zwei Lichtquellen (31), die sich an zwei unterschiedlichen, vordefinierten Positionen befinden, und zwei entsprechende Lichtdetektoren (32) umfasst, die ausgeführt sind, um zwei Sets aus erfassten Bildern (41 bis 46) zu erzeugen, von denen jedes einer lokalen Oberflächenverteilung entspricht, wobei der besagte Bewegungsmessungsprozessor angeordnet ist, um eine relative Längs- (21) und Drehbewegungsinformation (22) zwischen dem besagten Instrument (3) und dem besagten Element (1) auf Basis eines in Verbindung mit jedem Set aus den besagten erfassten Bildern durchgeführten Vergleichs zu melden, und zwar durch den Vergleich zwischen einem ersten (41, 43, 45) der besagten erfassten Bilder und einem nachfolgenden (42, 44, 46) der besagten erfassten Bilder des gleichen Sets.
Methode zum Bestimmen von relativen Längs- (21) und Drehbewegungen (22) zwischen einem rotationssymmetrischen Instrument (3, 103) und einem Längselement (1), in welchem das Erstere während einer chirurgischen Simulation geführt wird, wobei die besagte chirurgische Simulation an keinem Teil des menschlichen Körpers durchgeführt wird, und zwar durch Implementierung einer Vorrichtung, die einen optischen Navigationssensor (2) umfasst, der zumindest eine Lichtquelle (31) und zumindest einen Lichtdetektor (32) zum Erfassen aufeinander folgender Bilder einer Oberfläche (13, 113) sowohl vom besagten Instrument als auch vom besagten Element in Bezug auf eine vordefinierte Position des jeweils anderen beinhaltet, ebenso wie ein bildgebendes Element (12), um das besagte emittierte Licht auf die besagte Oberfläche (13) zu fokussieren, wobei die besagte Vorrichtung einen Bewegungsmessungsprozessor umfasst, der angeordnet ist, um eine relative Längs- und Drehbewegungsinformation zwischen dem besagten Instrument und dem besagten Element in einem Vergleichsschritt zu melden, und zwar durch Vergleichen eines ersten (41, 43, 45) der besagten erfassten Bilder mit einem nachfolgenden (42, 44, 46) der besagten erfassten Bilder, wobei der besagte Bewegungsmessungsprozessor des Weiteren angeordnet ist, um eine Einführung oder eine Entnahme des besagten rotationssymmetrischen Instruments (3) innerhalb des besagten Längselements (1) auf Basis des besagten Vergleichsschrittes festzustellen und zu melden.
Methode nach Anspruch 11, wobei die besagte Implementierung der besagten Vorrichtung des Weiteren einen Schritt des Meldens einer Anzeige der Absolutposition des besagten rotationssymmetrischen Instruments (3) innerhalb des besagten Längselements (1) auf Basis von sowohl der besagten relativen Längs- und Drehbewegungsinformation als auch einer Einführungsmeldung umfasst.
Methode nach Anspruch 11 oder 12, wobei das besagte rotationssymmetrische Instrument (3) ein chirurgisches Instrument ist, und wobei das besagte Längselement (1) ein Trokar ist.