DE102011050240A1

DE102011050240A1 - Apparatus and method for determining the relative position and orientation of objects

Info

Publication number: DE102011050240A1
Application number: DE102011050240A
Authority: DE
Inventors: Henning Schumann; Christian Macke; Christian Krettek; Emmanouil Liodakis
Original assignee: Medizinische Hochschule Hannover
Current assignee: Medizinische Hochschule Hannover
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-15
Also published as: WO2012152264A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Position und der relativen Orientierung von zwei im Operationsumfeld relativ zueinander beweglichen Objekten, beispielsweise Knochensegmenten, an denen jeweils ein Sensormodul (1, 2) vorübergehend oder dauerhaft fixiert wird. Jedes der Sensormodule umfasst einen Lagesensor mit einem Drei-Achs-Accelerometer sowie einen optischen Sensor mit einer Infrarot-Kamera an einer Stirnseite. Weiterhin hat jedes Sensormodul (1, 2, 3) zwei als IR-LED ausgeführte Lichtquellen, einerseits an einer Oberseite, andererseits an einer Stirnseite des Sensormoduls (1, 2, 3). Beide Sensormodule (1, 2) werden von einem räumlich oberhalb dieser Sensormodule (1, 2) angeordneten, als Topviewmodul bezeichneten Sensormodul (3) erfasst. Zugleich werden die Sensormodule (1, 2, 3) so zueinander ausgerichtet, dass der optische Sensor des einen Sensormoduls (2) die beiden Lichtquellen an der Stirnseite des anderen Sensormoduls (1) erfassen kann. Aufgrund der mit dieser Anordnung ermittelten Messdaten der drei Sensormodule (1, 2, 3) werden der räumliche Abstand und die gegenseitige Winkellage der Sensormodule (1, 2, 3) ermittelt.The invention relates to a device and a method for determining the relative position and the relative orientation of two objects that are movable relative to one another in the operating environment, for example bone segments, on each of which a sensor module (1, 2) is temporarily or permanently fixed. Each of the sensor modules includes a position sensor with a three-axis accelerometer and an optical sensor with an infrared camera on one end. Furthermore, each sensor module (1, 2, 3) has two light sources designed as IR LEDs, on the one hand on an upper side and on the other hand on an end face of the sensor module (1, 2, 3). Both sensor modules (1, 2) are detected by a sensor module (3), which is arranged spatially above these sensor modules (1, 2) and is referred to as a top view module. At the same time, the sensor modules (1, 2, 3) are aligned with each other so that the optical sensor of one sensor module (2) can detect the two light sources on the end face of the other sensor module (1). On the basis of the measurement data of the three sensor modules (1, 2, 3) determined with this arrangement, the spatial distance and the mutual angular position of the sensor modules (1, 2, 3) are determined.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Position und der relativen Orientierung von zwei im Operationsumfeld relativ zueinander beweglichen Objekten, beispielsweise Knochensegmenten, zueinander mittels eines einen optischen Sensor aufweisenden Sensormoduls.The invention relates to a device and a method for determining the relative position and the relative orientation of two relatively movable in the surgical environment objects, for example, bone segments, each other by means of a sensor module having an optical sensor.

Ein solches insbesondere zur intraoperativen Bestimmung von Torsionswinkeln bei Frakturen bestimmtes Verfahren sowie eine derartige Vorrichtung werden in der medizinischen Praxis bereits vielfach eingesetzt und zählen daher aufgrund offenkundiger Vorbenutzung zum Stand der Technik.Such a method, especially for the intraoperative determination of torsion angles in fractures, and such a device are already widely used in medical practice and are therefore among the prior art due to obvious prior use.

Frakturen, beispielsweise Beinfrakturen, stellen einen häufigen Grund für operative Eingriffe und Krankenhausaufenthalte dar. Bei einem geringen Prozentsatz der Fälle heilt der Knochen jedoch nicht in der anatomisch korrekten Lage, was zu Achsfehlstellungen und Beinlängenverkürzungen führt, die eine spätere operative Korrektur erfordern.Fractures, such as leg fractures, are a frequent cause of surgical intervention and hospitalization. However, in a small percentage of cases, the bone does not heal in the anatomically correct position, resulting in axial misalignments and leg length shortenings that require later surgical correction.

Während der Korrekturosteotomie werden der proximale und der distale Teil des Bruchs getrennt und mit einer Platte in der korrekten Orientierung verbunden.During the correction osteotomy, the proximal and distal parts of the fracture are separated and connected to a plate in the correct orientation.

Entscheidend für den Behandlungserfolg ist die intraoperative Kontrolle der linearen Ausrichtung der Bruchstücke in der korrekten Winkelstellung in Bezug auf die Knochenlängsachse.Decisive for the success of treatment is the intraoperative control of the linear orientation of the fragments in the correct angular position with respect to the bone longitudinal axis.

Hierzu wird der Knochen meist nach den Vorgaben des Chirurgen manuell ausgerichtet und das Ergebnis nach dem Verschrauben der Osteosyntheseplatte über radiografische Aufnahmen überprüft. Sollte sich herausstellen, dass der gewünschte Winkel der Knochenstücke zueinander nicht getroffen wurde, muss die Platte noch einmal entfernt und die Fraktur erneut gerichtet werden.For this purpose, the bone is usually aligned manually according to the specifications of the surgeon and checked the result after screwing the osteosynthesis plate on radiographic images. If it turns out that the desired angle of the bone pieces to each other has not been hit, the plate must be removed again and the fracture should be repositioned.

In der klinischen Praxis werden Navigationseinrichtungen bereits vielfach eingesetzt. Zahlreiche Quellen, unter anderem die EP 1 652 487 A1 und die WO 2004/016178 A2 , zeigen, wie Instrumente mit Hilfe computergestützter Raumpositionierung in ihrer Lage und Orientierung erfasst werden. Diese Raumdaten stehen dann für weitere Behandlungen und Untersuchungen zur Verfügung oder werden während des Eingriffs verwendet. Beispielsweise werden aus anderen Untersuchungen wie der Computertomografie gewonnene Koordinatenpunkte mittels einer Navigationseinrichtung gezielt erreicht. Die Annäherung des Instruments an den Koordinatenpunkt kann dabei vom Operateur in einer grafischen Darstellung auf einem Bildschirm verfolgt werden.In clinical practice, navigation devices are already widely used. Numerous sources, including the EP 1 652 487 A1 and the WO 2004/016178 A2 show how instruments can be captured in their position and orientation with the aid of computer-assisted spatial positioning. This room data is then available for further treatment and examinations or will be used during the procedure. For example, coordinate points obtained from other examinations, such as computed tomography, are specifically reached by means of a navigation device. The approach of the instrument to the coordinate point can be followed by the operator in a graphical representation on a screen.

In der Chirurgie sind auch als CAS-Systeme (computer assisted surgery systems) bezeichnete computergestützte Chirurgiesysteme bekannt, die mit Infrarot-Sensoren ausgestattet sind und dazu genutzt werden, den Winkel der Fraktur zwischen dem distalen und dem proximalen Knochensegment zu bestimmen.Also known in surgery as computer assisted surgery (CAS) systems are computer-assisted surgery systems that are equipped with infrared sensors and are used to determine the angle of the fracture between the distal and proximal bone segments.

Als nachteilig erweist sich bei diesen Systemen, dass die verschiedenen Sichtlinien zur Erfassung der jeweiligen Position und der Orientierung der einzelnen, an den Knochensegmenten fixierten Sensoren durch den Operateur leicht unterbrochen werden können und dann eine zuverlässige Positionserfassung nicht mehr möglich ist. Dies führt in der klinischen Praxis zu einer umständlichen Arbeitsweise des Operateurs, um die Unterbrechung der Sichtlinie zu vermeiden. Weiterhin ist vor Beginn der Operation eine aufwendige Registrierung der anatomischen Landmarken notwendig.A disadvantage of these systems proves that the various lines of sight for detecting the respective position and the orientation of the individual, fixed to the bone segments sensors can be easily interrupted by the surgeon and then a reliable position detection is no longer possible. This leads to a cumbersome operation of the surgeon in clinical practice, to avoid the interruption of the line of sight. Furthermore, a complex registration of the anatomical landmarks is necessary before the start of surgery.

Die WO 2009/117832 A1 offenbart ein solches CAS-System, welches zumindest zwei mit jeweils einem Knochensegment verbundene Sensormodule aufweist, durch die Beschleunigungsmesswerte zur Lagebestimmung erfasst werden. Eine Rechnereinheit empfängt die so erfassten Daten der Lagebestimmung und errechnet die relative Position der beiden Sensormodule.The WO 2009/117832 A1 discloses such a CAS system which has at least two sensor modules, each connected to a bone segment, by which acceleration measurement values for position determination are detected. A computer unit receives the thus detected data of the position determination and calculates the relative position of the two sensor modules.

Es sind außerdem auch CAS-Systeme mit elektromagnetischem Tracking bekannt, deren Genauigkeit durch Metallimplantate, die in der Unfallchirurgie häufig verwendet werden, deutlich herabgesetzt ist.Also known are CAS systems with electromagnetic tracking, whose accuracy is significantly reduced by metal implants, which are commonly used in trauma surgery.

Die DE 10 2004 057 933 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Navigieren und Positionieren eines Gegenstands relativ zu einem Patienten während einer medizinischen Operation im Operationssaal. Hierzu werden mittels einer dreidimensionalen Inertialsensorik die Position und die Orientierung im Raum sowohl des Gegenstands als auch des Patienten oder eines betreffenden Bereichs des Patienten relativ zu einem referenzierenden Bezugssystem quasikontinuierlich entsprechend einer Abtastrate ermittelt. Daraus werden die momentane Position und Orientierung des Gegenstands relativ zu dem Patienten ermittelt und es wird angezeigt, in welcher Weise der Gegenstand lageverändert werden muss, um in die erwünschte vorbestimmte Position und Orientierung zu gelangen. Die erste und insbesondere auch die zweite Sensoreinrichtung weisen bevorzugtermaßen zum einen drei Beschleunigungssensoren auf, deren Signale zur Berechnung einer translatorischen Bewegung verwendbar sind, und zum anderen drei Drehratensensoren, deren Messwerte zum Bestimmen der Orientierung im Raum verwendbar sind.The DE 10 2004 057 933 A1 relates to a method and apparatus for navigating and positioning an object relative to a patient during a medical operation in the operating room. For this purpose, by means of a three-dimensional inertial sensor system, the position and the orientation in the space of both the object and the patient or a relevant region of the patient relative to a referencing reference system are determined quasi-continuously in accordance with a sampling rate. From this, the instantaneous position and orientation of the object relative to the patient are determined and it is indicated how the article has to be changed in position in order to reach the desired predetermined position and orientation. The first and in particular also the second sensor device preferably have, on the one hand, three acceleration sensors whose signals can be used to calculate a translatory movement and, on the other hand, three rotation rate sensors whose measured values can be used to determine the orientation in space.

Die US 2005/0197569 A1 beschreibt einen an einem Patienten fixierbaren Navigationssensors für den Gebrauch in der computergestützten Chirurgie mit zumindest zwei optischen Nachverfolgungskameras für die Erfassung der chirurgischen Referenzpunkte. Das Problem der Unterbrechung des Sichtkontakts bei der Positionserfassung mittels nur eines optischen Sensors soll dabei reduziert werden. The US 2005/0197569 A1 describes a patient-settable navigation sensor for use in computer-aided surgery with at least two optical tracking cameras for the detection of surgical reference points. The problem of interrupting the visual contact in the position detection by means of only one optical sensor is to be reduced.

Die WO 2010/005788 A2 offenbart bereits eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines implantierten medizinischen Geräts bei einem Patienten mittels eines Sensors für Beschleunigungssignale in drei orthogonalen Richtungen. Die Vorrichtung umfasst einen magnetischen Sensor, der ein unterschiedliches Magnetfeld abfragt, das auf dem magnetischen Sensor von einem externen Magneten ausgeübt wird, der entlang einer medial-lateralen Achse verschoben wird. Auf der Basis eines bekannten Verhältnisses zwischen dem Beschleunigungsmesser und dem magnetischen Sensor wird eine orthogonale Umwandlungsberechnung der Y-Achse und der Z-Achse durchgeführt, um die Lage der X-Achse zu bestimmen.The WO 2010/005788 A2 already discloses a device for determining the position of an implanted medical device in a patient by means of a sensor for acceleration signals in three orthogonal directions. The device includes a magnetic sensor that senses a different magnetic field exerted on the magnetic sensor by an external magnet that is translated along a medial-lateral axis. On the basis of a known relationship between the accelerometer and the magnetic sensor, an orthogonal conversion calculation of the Y-axis and the Z-axis is performed to determine the position of the X-axis.

Die US 2008/0081982 A1 beschreibt ein Instrument, das in das Gehirn eingesetzt werden kann und mit Elektroden verbunden ist, um die elektrische Tätigkeit des Gehirns abzufragen. Ein Positionssensor überträgt dabei ein Positionssignal des Instruments. Eine Steuereinheit erfasst die Position des Instruments in Bezug auf ein Bild des Gehirns und elektrophysiologische Informationen.The US 2008/0081982 A1 describes an instrument that can be inserted into the brain and connected to electrodes to interrogate the electrical activity of the brain. A position sensor transmits a position signal of the instrument. A control unit detects the position of the instrument with respect to an image of the brain and electrophysiological information.

Ferner bezieht sich die US 5,592,401 A auf die Erfassung schneller Bewegungen einer Person, die mit Athletik, Musik und anderen schnellen Tätigkeiten verbunden sind, durch eine Kombination genauer Sensoren, die ein verzögertes Signal liefern, und schneller Sensoren, die Ungenauigkeiten unterworfen sind. Indem man eine Kombination solcher Sensoren verwendet, sollen genaue, zuverlässige Positionsinformationen schnell verfügbar werden.Furthermore, the US 5,592,401 A to capture fast movements of a person associated with athletics, music, and other fast actions, through a combination of accurate sensors that provide a delayed signal, and faster sensors that are subject to inaccuracies. By using a combination of such sensors, accurate, reliable position information should become available quickly.

Darüber hinaus ist aus der WO 2004/001569 A2 noch eine Navigationseinrichtung für ein medizinisches Instrument bekannt, welche mittels einer Steuereinrichtung die von einem Positionsmessgerät aufgenommenen Koordinaten eines Operateurs, des Instruments oder des Körpers in eine Anweisung für den Operateur, der das Instrument manuell führt, umrechnet und Signalgeber ansteuert.In addition, from the WO 2004/001569 A2 nor a navigation device for a medical instrument is known, which converts by means of a control device recorded by a position measuring device coordinates of an operator, the instrument or the body in an instruction for the surgeon who manually performs the instrument, and controls the signal generator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Position oder Orientierung von Objekten mit hoher Genauigkeit zu schaffen, sodass die Vorrichtung schnell und einfach zu realisieren ist und ohne längere Vorbereitungsmaßnahmen unmittelbar einsatzbereit ist. Insbesondere sollen dabei Einschränkungen aufgrund ungewollter Sichtbehinderungen der Sensormodule weitgehend vermieden werden.The invention has for its object to provide a device and a method for determining the relative position or orientation of objects with high accuracy, so that the device is quick and easy to implement and without prolonged preparatory measures is immediately ready for use. In particular, restrictions due to unwanted visual obstructions of the sensor modules should be largely avoided.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.The first object is achieved with a device according to the features of claim 1. The further embodiment of the invention can be found in the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, die zur Erfassung der relativen Position und der relativen Orientierung der Sensormodule zueinander ein Sensormodul mit einem optischen Sensor zur Durchführung eines optischen Messverfahren und zumindest ein Sensormodul mit einem Lagesensor zur Erfassung der Orientierung der an dem jeweiligen Objekt fixierten Sensormodule relativ zur Wirkrichtung der Erdbeschleunigung aufweist. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise zunächst die Orientierung der Referenzebenen der an dem jeweiligen Objekt fixierten Sensormodule, die beispielsweise parallel zu einer Kontaktebene mit dem Objekt liegen können, mittels zumindest eines Lagesensors bestimmt. Diese relative Orientierung kann dabei ohne jeden Sichtkontakt und ohne eine vorhergehende Registrierung von Referenzpunkten mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Insbesondere wird also die Abweichung der frei bestimmbaren Referenzebene von einer horizontalen Ebene bestimmt. Eine mögliche Winkelabweichung innerhalb der horizontalen Ebene, insbesondere also eine Winkeldifferenz bezogen auf die Wirkrichtung der Schwerkraft als senkrechte Achse, wird demgegenüber in einfacher Weise durch einen optischen Sensor erfasst. Der hierzu erforderliche Sichtkontakt beschränkt sich bei einer einfachen Variante der Erfindung allein auf die Sichtlinie zwischen den an dem Objekt fixierten Sensormodulen, sodass eine mögliche Bewegungsbeschränkung bzw. Behinderung des Operateurs auf ein Minimum beschränkt ist.According to the invention, a device is provided which relative to one another for detecting the relative position and the relative orientation of the sensor modules to a sensor module with an optical sensor for performing an optical measurement method and at least one sensor module with a position sensor for detecting the orientation of the sensor modules fixed to the respective object has the effective direction of gravitational acceleration. As a result, the orientation of the reference planes of the sensor modules fixed to the respective object, which may for example lie parallel to a contact plane with the object, is determined in a surprisingly simple manner by means of at least one position sensor. This relative orientation can be performed without any visual contact and without a prior registration of reference points with high accuracy. In particular, therefore, the deviation of the freely determinable reference plane is determined by a horizontal plane. A possible angular deviation within the horizontal plane, in particular therefore an angular difference related to the effective direction of gravity as a vertical axis, is detected in contrast in a simple manner by an optical sensor. The visual contact required for this purpose is limited in a simple variant of the invention solely to the line of sight between the sensor modules fixed to the object, so that a possible restriction of movement or obstruction of the surgeon is restricted to a minimum.

Erfindungsgemäß werden so in einfacher Weise alle sechs Freiheitsgrade berücksichtigt, wobei die Gefahr von Bedienfehlern äußerst gering ist und zudem Fehlereinflüsse aufgrund des Operationsumfelds oder aufgrund der verwendeten Materialien weitgehend ausgeschlossen sind. Die Sensormodule werden hierzu bei einer Fraktur jeweils mit einem proximalen bzw. einem distalen Knochensegment verbunden. So kann die intraoperative Veränderung des Winkels zwischen dem distalen und dem proximalen Knochensegment verfolgt werden, ohne hierzu radiografische Aufnahmen anfertigen zu müssen.According to the invention, all six degrees of freedom are thus taken into account in a simple manner, whereby the risk of operating errors is extremely low and error effects due to the operating environment or due to the materials used are largely excluded. For this purpose, the sensor modules are in each case connected to a proximal or a distal bone segment in the case of a fracture. Thus, the intraoperative change in the angle between the distal and the proximal bone segment can be followed without having to make radiographic images.

Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn der Lagesensor zumindest einen Beschleunigungssensor, eine elektronische Wasserwaage, ein Drei-Achs-Accelerometer und einen Quecksilberschalter aufweist, um so die Winkellage gegenüber der Vertikalen in einfacher Weise bestimmen zu können. Selbstverständlich können hierbei auch an sich bekannte Mehrachs-Accelerometer zum Einsatz kommen. Aufgrund der hohen Genauigkeit ist eine Kontrolle der erfassten Messwerte entbehrlich. Eine redundante Ausstattung der Sensormodule mit mehreren Lagesensoren ist hingegen realisierbar und zur Erhöhung der Ausfallsicherheit gegebenenfalls auch sinnvoll.It proves to be particularly useful if the position sensor at least one acceleration sensor, an electronic spirit level, a three-axis accelerometer and a Has mercury switch, so as to determine the angular position relative to the vertical in a simple manner. Of course, it is also possible to use per se known multi-axis accelerometers. Due to the high accuracy, it is not necessary to check the recorded measured values. On the other hand, a redundant configuration of the sensor modules with a plurality of position sensors can be implemented and may also be useful for increasing the reliability.

Erfindungsgemäß kann die Erfassung der relativen Position und Orientierung der Objekte bereits durch lediglich zwei mit Lagesensoren ausgestattete Sensormodule realisiert werden, von denen lediglich ein Sensormodul einen optischen Sensor aufweisen muss. Besonders zweckmäßig ist hingegen eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein Sensormodul mit einem optischen Sensor zur Erfassung zumindest zwei weiterer Sensormodule ausgestattet ist. Hierbei wird die relative Lage nicht direkt zwischen den mit dem jeweiligen Objekt verbundenen Sensormodulen ermittelt, sondern ein als Topviewmodul bezeichnetes Sensormodul erfasst die übrigen Sensormodule. Diese Anordnung hat sich in der klinischen Praxis bereits als besonders sinnvoll erwiesen, wenn ein Sichtkontakt zwischen den mit dem jeweiligen Objekt verbundenen Sensormodulen nicht oder nur eingeschränkt realisierbar ist. Ein oberhalb des Operationsbereichs angeordnetes Sensormodul gestattet eine zuverlässige Erfassung der übrigen Sensormodule unter den auftretenden Umständen.According to the invention, the detection of the relative position and orientation of the objects can already be realized by only two sensor modules equipped with position sensors, of which only one sensor module must have an optical sensor. In contrast, a modification of the present invention is particularly expedient, in which a sensor module is equipped with an optical sensor for detecting at least two further sensor modules. In this case, the relative position is not determined directly between the sensor modules connected to the respective object, but rather a sensor module called a topview module detects the remaining sensor modules. This arrangement has already proven to be particularly useful in clinical practice, if a visual contact between the sensor modules connected to the respective object is not feasible or only to a limited extent. A sensor module arranged above the operating area permits reliable detection of the remaining sensor modules under the circumstances occurring.

Die erfassten Sensorsignale können mittels einer Steuereinheit in einer gewünschten Weise aufbereitet, mit vorhandenen Informationen verknüpft und entsprechend dargestellt werden. Vorzugsweise hat die Vorrichtung ein Mittel zur Erzeugung eines Signals in Abhängigkeit einer Übereinstimmung und einer relativen Abweichung der Objekte. Ein solches Mittel kann alternativ lediglich die Übereinstimmung oder die Abweichung darstellen oder aber Betrag und Richtung der Abweichung in geeigneter Weise aufzeigen. Beispielsweise eignen sich hierfür Displays im Sichtfeld des Operateurs.The detected sensor signals can be processed by a control unit in a desired manner, linked with existing information and displayed accordingly. Preferably, the apparatus has means for generating a signal in accordance with a match and a relative deviation of the objects. Alternatively, such means may merely represent the agreement or deviation or may suitably show the amount and direction of the deviation. For example, displays in the field of vision of the surgeon are suitable for this purpose.

Eine besonders einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dadurch erreicht, dass die an dem jeweiligen Objekt fixierbaren Sensormodule eine Markierung aufweisen, die zur Bestimmung der relativen Winkellage des Sensormoduls mittels des optischen Sensors eines anderen Sensormoduls erfassbar ist. Hierdurch wird in einfacher Weise durch eine Markierung, beispielsweise eine Linie in einer Kontrastfarbe, die Winkellage entsprechend erfasst. Dabei kann die Markierung in einfacher Weise durch ein Koordinatenkreuz oder auch durch andere, nicht punktsymmetrische grafische Darstellungen realisiert werden.A particularly simple embodiment of the device according to the invention is achieved in that the sensor modules which can be fixed to the respective object have a marking which can be detected for determining the relative angular position of the sensor module by means of the optical sensor of another sensor module. In this way, the angular position is detected in a simple manner by a marking, for example a line in a contrasting color. The marking can be realized in a simple manner by a coordinate system or by other, not point-symmetrical graphical representations.

Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Abwandlung weisen die an dem jeweiligen Objekt fixierbaren Sensormodule eine Lichtquelle zur Abstrahlung von Licht auf, das zur Bestimmung der relativen Winkellage des Sensormoduls mittels des optischen Sensors eines anderen Sensormoduls erfassbar ist. Das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht tritt an einem Referenzpunkt des Sensormoduls aus und ermöglicht so die Bestimmung der relativen Winkellage der Sensormodule. Selbstverständlich kann die Lichtquelle sowohl im sichtbaren als auch im unsichtbaren Lichtspektrum abstrahlen. Weiterhin kann das Licht zeitgleich oder abwechselnd aus zwei verschiedenen Referenzpunkten des Sensormoduls austreten, um so die Winkelerfassung zu erleichtern.In another, likewise particularly promising modification, the sensor modules which can be fixed to the respective object have a light source for emitting light which can be detected by means of the optical sensor of another sensor module for determining the relative angular position of the sensor module. The light emitted by the light source exits at a reference point of the sensor module and thus enables the determination of the relative angular position of the sensor modules. Of course, the light source can emit both in the visible and invisible light spectrum. Furthermore, the light can emerge simultaneously or alternately from two different reference points of the sensor module, so as to facilitate the angle detection.

Jedes Sensormodul ist grundsätzlich zur Fixierung an unterschiedlichen Objekten mittels gegebenenfalls verschiedener Fixiermittel geeignet. Bei einer bevorzugten Anwendung weist zumindest ein Sensormodul ein Fixiermittel zur vorübergehenden Fixierung an einem Knochensegment auf, um so in einfacher Weise die gewünschte Erfassung der relativen Position und Orientierung von zwei Knochensegmenten mit reproduzierbarer Genauigkeit, insbesondere entsprechend der hierfür vorgesehenen Operationsplanung, zu ermöglichen.Each sensor module is basically suitable for fixing to different objects by means of optionally different fixing means. In a preferred application, at least one sensor module has a fixation means for temporary fixation on a bone segment so as to enable in a simple manner the desired detection of the relative position and orientation of two bone segments with reproducible accuracy, in particular according to the operation planning provided for this purpose.

Bei einer weiteren sinnvollen Abwandlung der vorliegenden Erfindung weisen die Sensormodule zumindest eine Infrarot-Lichtquelle, einen im Wellenlängenbereich des abgestrahlten IR-Lichts empfindlichen Sensor als IR-Kamera und ein Drei-Achs-Accelerometer auf. Hierdurch können Störungen, verursacht durch die im Operationsumfeld eingesetzten Lichtquellen, zuverlässig vermieden und die Messgenauigkeit erhöht werden. Zugleich wird eine Ablenkung des Operateurs von seiner Tätigkeit durch die für ihn nicht sichtbare Lichtemission ausgeschlossen.In a further useful modification of the present invention, the sensor modules have at least one infrared light source, a sensitive in the wavelength range of the radiated IR light sensor as IR camera and a three-axis accelerometer. As a result, interference caused by the light sources used in the operating environment can be reliably avoided and the measurement accuracy can be increased. At the same time a distraction of the surgeon from his activity is excluded by the not visible to him light emission.

Eine besonders praxisgerechte Anordnung der Vorrichtung ergibt sich insbesondere dadurch, dass die jeweils an einem Knochensegment fixierbaren Sensormodule als Referenzmodul oder Goniometermodul und zumindest ein weiteres Sensormodul als Topviewmodul ortsfest an einem einstellbaren Haltemittel der Vorrichtung oberhalb des Operationsfelds fixierbar sind.A particularly practical arrangement of the device results, in particular, in that the respective sensor modules which can be fixed on one bone segment as a reference module or goniometer module and at least one further sensor module as topview module can be fixed in a stationary manner to an adjustable holding means of the device above the surgical field.

Bei einer ebenfalls sehr zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird die mittels des Lagesensors bestimmte Orientierung der Referenzebene des Sensormoduls als Korrekturgröße bei der Bewertung der mittels des optischen Sensors eines weiteren Sensormoduls erfassten relativen Orientierung der beiden Sensormodule berücksichtigt. Hierdurch wird eine Verzerrung des mittels des optischen Sensors erfassten Bildsignals aufgrund der nicht parallelen Anordnung der jeweiligen Referenzebenen der Sensormodule bei der Berechnung der relativen Orientierung berücksichtigt und gegebenenfalls durch einen Korrekturwert ausgeglichen. Hierdurch werden Fehlereinflüsse aufgrund einer möglichen Verzerrung des Bildsignals aufgrund der gegenüber der Sichtlinie geneigten Referenzfläche vermieden.In a likewise very expedient embodiment of the invention, the orientation of the reference plane of the sensor module determined by means of the position sensor is taken into account as a correction variable in the evaluation of the relative orientation of the two sensor modules detected by means of the optical sensor of a further sensor module. As a result, a distortion of the image signal detected by the optical sensor due to the non-parallel arrangement of the respective reference planes of the Sensor modules are considered in the calculation of the relative orientation and optionally compensated by a correction value. As a result, error influences due to a possible distortion of the image signal due to the reference line inclined with respect to the reference surface are avoided.

Im Sinne eines wirtschaftlich vorteilhaften Gleichteileprinzips kann jedes Sensormodul mit einem Lagesensor sowie einem optischen Sensor ausgestattet sein, sodass alle Sensormodule der Vorrichtung eine überstimmende Bauform aufweisen. Zugleich können weitere Sensormodule ergänzt werden, um das Einsatzspektrum der Vorrichtung wesentlich zu erweitern. Zusätzlich zu bzw. zugleich mit der Bestimmung der relativen Position und Orientierung von zwei Knochensegmenten könnten so mittels der Vorrichtung auch die Positionen von Instrumenten und Geräten im Operationsumfeld erfasst werden.In terms of an economically advantageous common part principle, each sensor module can be equipped with a position sensor and an optical sensor, so that all sensor modules of the device have an overarching design. At the same time, additional sensor modules can be supplemented to significantly expand the range of use of the device. In addition to or at the same time as determining the relative position and orientation of two bone segments, the position of instruments and devices in the surgical environment could also be detected by the device.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin auch gelöst mit einem Verfahren zur Bestimmung der relativen Position und der relativen Orientierung von zwei im Operationsumfeld relativ zueinander beweglichen Objekten, beispielsweise Knochensegmenten, mittels eines einen optischen Sensor aufweisenden Sensormoduls, indem an den Objekten jeweils zumindest ein Sensormodul fixiert wird, wobei die relative Position und die relative Orientierung der Sensormodule durch ein optisches Messverfahren mittels des optischen Sensors und zusätzlich die Orientierung der an dem jeweiligen Objekt fixierten Sensormodule relativ zur Wirkrichtung der Erdbeschleunigung jeweils mittels jeweiliger Lagesensoren des Sensormoduls erfasst werden. Dabei beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass die Abweichung der Referenzebene eines jeden mit dem jeweiligen Objekt verbundenen Sensormoduls schnell und präzise durch mehrere entsprechend in die Sensormodule integrierte Lagesensoren durchgeführt werden kann. Die beiden Referenzebenen können daher ohne weitere Kenntnisse problemlos in eine parallele Lage gebracht werden. Durch einen zusätzlichen optischen Sensor wird dann in einfacher Weise auch die relative Orientierung der Sensormodule innerhalb derselben Ebene bestimmt, beispielsweise indem ein eine Achse definierender Lichtstrahl des einen Sensormoduls in Übereinstimmung mit der Empfangsachse eines zweiten Sensormoduls gebracht wird. Weiterhin kann die relative Winkelstellung bezogen auf eine horizontale Ebene, die mit den Lagesensoren nicht erfasst werden kann, durch ein optisches Messverfahren, beispielsweise mittels Markierungen, die von einem optischen Sensor erfasst werden, bestimmt werden.The object according to the invention is furthermore also achieved with a method for determining the relative position and the relative orientation of two objects which are movable relative to one another in the operating environment, for example bone segments, by means of a sensor module having an optical sensor by at least one sensor module being fixed to the objects in each case, wherein the relative position and the relative orientation of the sensor modules are detected by an optical measuring method by means of the optical sensor and additionally the orientation of the sensor modules fixed to the respective object relative to the effective direction of the gravitational acceleration by means of respective position sensors of the sensor module. The invention is based on the recognition that the deviation of the reference plane of each sensor module connected to the respective object can be performed quickly and precisely by a plurality of position sensors integrated in the sensor modules. The two reference planes can therefore be easily brought into a parallel position without further knowledge. The relative orientation of the sensor modules within the same plane is then determined in a simple manner by means of an additional optical sensor, for example by bringing a light beam of one sensor module defining an axis into agreement with the reception axis of a second sensor module. Furthermore, the relative angular position relative to a horizontal plane, which can not be detected by the position sensors, can be determined by an optical measuring method, for example by means of markings, which are detected by an optical sensor.

Hierzu wird ein dreidimensionales Koordinatensystem gebildet, bei dem die Z-Achse der Richtung der Schwerkraft folgt und der Nullpunkt auf der Oberseite des Sensormoduls durch die Mitte des Abstands zwischen den an den Enden des Sensormoduls angebrachten Lichtquellen bestimmt wird. Das Messprinzip beruht auf der Ermittlung der relativen Position der an dem Objekt fixierten Sensormodule in der X-Y-Ebene über geometrische Berechnungen aus den Signalen des optischen Messverfahrens und zusätzlich der Berechnung des Abstands in der Z-Ebene aus den durch die Lagesensoren bestimmten Neigungswinkeln der Sensormodule.For this purpose, a three-dimensional coordinate system is formed in which the Z axis follows the direction of gravity and the zero point on the upper side of the sensor module is determined by the center of the distance between the light sources attached to the ends of the sensor module. The measuring principle is based on the determination of the relative position of the sensor modules fixed to the object in the X-Y plane via geometric calculations from the signals of the optical measuring method and additionally the calculation of the distance in the Z plane from the tilt angles of the sensor modules determined by the position sensors.

Obwohl die Erfindung vorzugsweise der lagerichtigen Zuordnung von Knochensegmenten dient, kann diese ebenso zweckmäßig im klinischen Umfeld dazu genutzt werden, die Position und Orientierung nahezu beliebiger Objekte relativ zueinander zu erfassen und bedarfsweise diese Position und Orientierung zu reproduzieren. Dadurch kann beispielsweise ein mobiles Röntgengerät bei einer späteren Untersuchung in exakt dieselbe Position gebracht werden, um die Vergleichbarkeit der Aufnahmen sicherzustellen. Selbstverständlich kann so auch die relative Position und Orientierung verschiedener Operationshilfsmittel, Untersuchungsgeräte, Instrumente oder auch von Liegen, OP-Tischen oder dergleichen sichergestellt und in einfacher Weise für Dokumentationszwecke gespeichert werden.Although the invention preferably serves the correct assignment of bone segments, this can also be useful in the clinical environment to capture the position and orientation of almost any objects relative to each other and, if necessary, to reproduce this position and orientation. As a result, a mobile X-ray device, for example, can be brought into exactly the same position during a subsequent examination in order to ensure the comparability of the images. Of course, the relative position and orientation of various surgical aids, examination devices, instruments or even couches, operating tables or the like can thus be ensured and stored in a simple manner for documentation purposes.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer PrinzipdarstellungThe invention allows for various embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below. This shows each in a schematic diagram

1 ein Sensormodul der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a sensor module of the device according to the invention;

2 eine Messanordnung mit zwei an einem Objekt fixierbaren Sensormodulen sowie ein weiteres Sensormodul; 2 a measuring arrangement with two sensor modules which can be fixed to an object and also a further sensor module;

3 ein bei dem Verfahren verwendetes Koordinatensystem; 3 a coordinate system used in the method;

4 die in 2 gezeigten Sensormodule in einer Darstellung der X-Y-Ebene; 4 in the 2 shown sensor modules in a representation of the XY plane;

5 die in 2 gezeigten Sensormodule in einer Darstellung der Z-X-Ebene; 5 in the 2 shown sensor modules in a representation of the ZX-plane;

6 eine Abstandsmessung der Sensormodule in der X-Y-Ebene; 6 a distance measurement of the sensor modules in the XY plane;

7 eine Abstandsmessung mittels des in 2 gezeigten weiteren Sensormoduls; 7 a distance measurement by means of in 2 shown further sensor module;

8 eine Abstandsmessung der Sensormodule in Richtung der Z-Achse; 8th a distance measurement of the sensor modules in the Z-axis direction;

9 eine Winkelmessung der Sensormodule in der X-Y-Ebene. 9 an angle measurement of the sensor modules in the XY plane.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und die einzelnen Verfahrensschritte zur Durchführung des Messverfahrens zur Bestimmung der relativen Position und der relativen Orientierung von zwei im Operationsumfeld relativ zueinander beweglichen Objekten wird anhand der 1 bis 9 nachstehend näher erläutert.The device according to the invention and the individual method steps for carrying out the measuring method for determining the relative position and the relative orientation of two objects that are movable relative to one another in the operating environment are described on the basis of FIG 1 to 9 explained in more detail below.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise in der Unfallchirurgie der räumliche Abstand sowie die relative Orientierung als Winkelstellung mehrerer nicht gezeigter Objekte bestimmt werden. Diese Objekte können im Hinblick auf den bevorzugten Einsatzzweck neben Knochensegmenten auch medizinische Geräte oder Instrumente sein. Zur Durchführung des Verfahrens werden hier beispielhaft drei Sensormodule 1, 2, 3 eingesetzt, um die erfassten Messwerte als Signale einer nicht gezeigten Steuereinheit zu übermitteln und mittels eines Steuerprogramms in einer Zentraleinheit weiter zu verarbeiten. Die Signalübertragung kann hierzu mittels drahtloser Datenübertragung, beispielsweise mittels einer Bluetooth-Schnittstelle, oder auch kabelgebunden erfolgen.With the method according to the invention, for example, in trauma surgery the spatial distance as well as the relative orientation can be determined as the angular position of several objects not shown. These objects may also be medical devices or instruments in addition to bone segments in view of their preferred use. For carrying out the method, three sensor modules are exemplified here 1 . 2 . 3 used to transmit the detected measured values as signals of a control unit, not shown, and to further process them by means of a control program in a central processing unit. For this purpose, the signal transmission can take place by means of wireless data transmission, for example by means of a Bluetooth interface, or else by cable.

Aus Gründen der angestrebten universellen Einsetzbarkeit der Vorrichtung sind die hier gezeigten Sensormodule 1, 2, 3 baugleich ausgeführt, obwohl gegebenenfalls nicht bei jedem Sensormodul 1, 2, 3 alle Funktionalitäten genutzt werden. Jedes der Sensormodule 1, 2, 3 umfasst, wie in 1 erkennbar, einen Lagesensor 4 mit einem Drei-Achs-Accelerometer sowie einen optischen Sensor 5 mit einer Infrarot-Kamera mit einer Auflösung von 1024 × 768 Pixeln an einer Stirnseite. Weiterhin hat das Sensormodul 1, 2, 3 jeweils zwei als IR-LED ausgeführte Lichtquellen 6, einerseits an einer Oberseite 7, andererseits an einer Stirnseite 8 des Sensormoduls 1, 2, 3. Nicht gezeigt ist ein Bluetooth-Modul zur Übertragung von Signalen an die Steuereinheit.For reasons of the intended universal applicability of the device, the sensor modules shown here are 1 . 2 . 3 identical construction, although not possible with each sensor module 1 . 2 . 3 all functionalities are used. Each of the sensor modules 1 . 2 . 3 includes, as in 1 recognizable, a position sensor 4 with a three-axis accelerometer and an optical sensor 5 with an infrared camera with a resolution of 1024 × 768 pixels at one end. Furthermore, the sensor module has 1 . 2 . 3 in each case two light sources designed as IR LEDs 6 , on the one hand on a top 7 , on the other hand on a front side 8th of the sensor module 1 . 2 . 3 , Not shown is a Bluetooth module for transmitting signals to the control unit.

Das Messprinzip wird anhand eines beispielhaften, schematischen Messaufbaus anhand 2 näher erläutert. Dabei werden drei baugleiche Sensormodule 1, 2, 3 eingesetzt, deren jeweilige Messergebnisse durch die Steuereinheit abgerufen und mittels der Auswertsoftware in Beziehung zueinander gesetzt werden.The measurement principle is based on an exemplary, schematic measurement setup based 2 explained in more detail. There are three identical sensor modules 1 . 2 . 3 whose respective measurement results are retrieved by the control unit and set in relation to each other by means of the evaluation software.

Aus Gründen der einfacheren Verständlichkeit wird ein erstes, an dem nicht gezeigten Objekt fixierbares Sensormodul 1 als Referenzmodul und ein zweites, an einem weiteren, ebenfalls nicht gezeigten Objekt fixierbares Sensormodul 2 als Goniometermodul bezeichnet. Beide Sensormodule 1, 2 werden von dem räumlich oberhalb dieser Sensormodule 1, 2 angeordneten, als Topviewmodul bezeichneten Sensormodul 3 erfasst. Hierzu werden das Referenzmodul sowie das Goniometermodul an jeweils einem oder auch demselben Knochensegment vorübergehend fixiert und das Topviewmodul mit einem Abstand von ca. einem Meter auf das Referenzmodul und das Goniometermodul ausgerichtet. Zugleich werden das Referenzmodul sowie das Goniometermodul so zueinander ausgerichtet, dass der optische Sensor 5 des Goniometermoduls die beiden Lichtquellen 6 an der Stirnseite 8 des Referenzmoduls erfassen kann. Aufgrund der mit dieser Anordnung ermittelten Messdaten der drei Sensormodule 1, 2, 3 wird der räumliche Abstand und die gegenseitige Winkellage des Referenzmoduls gegenüber dem Goniometermodul ermittelt.For reasons of easier comprehension, a first sensor module which can be fixed to the object which is not shown becomes 1 as a reference module and a second, on another, also not shown object fixable sensor module 2 referred to as goniometer module. Both sensor modules 1 . 2 are spatially above these sensor modules 1 . 2 arranged, referred to as Topviewmodul sensor module 3 detected. For this purpose, the reference module and the goniometer module are temporarily fixed to one or the same bone segment and the topview module is aligned with the reference module and the goniometer module at a distance of about one meter. At the same time, the reference module and the goniometer module are aligned with each other so that the optical sensor 5 the goniometer module the two light sources 6 at the front 8th of the reference module can capture. Due to the measured data of the three sensor modules determined with this arrangement 1 . 2 . 3 the spatial distance and the mutual angular position of the reference module relative to the goniometer module is determined.

Die Lagemessung wird, wie in 3 erkennbar, auf ein dreidimensionales (kartesisches) Koordinatensystem bezogen, in welchem die X-Achse und die Y-Achse in einer horizontalen Ebene liegen und senkrecht aufeinanderstehen. Die Z-Achse steht im Nullpunkt senkrecht auf der X-Y-Ebene parallel zur Richtung der Schwerkraft.The attitude measurement is, as in 3 recognizable, based on a three-dimensional (Cartesian) coordinate system, in which the X-axis and the Y-axis lie in a horizontal plane and perpendicular to each other. The Z axis is at zero perpendicular to the XY plane parallel to the direction of gravity.

4 zeigt in einer Draufsicht das Referenzmodul sowie das Goniometermodul mit ihren jeweiligen Lichtquellen 6 auf der Oberseite. Diese Ansicht entspricht dem Kamerabild des in 2 gezeigten Topviewmoduls. Dabei verläuft die X-Achse durch die beiden Lichtquellen 6 des Referenzmoduls und schneidet die Y-Achse in der geometrischen Mitte zwischen den Lichtquellen 6, die somit zugleich den Referenzpunkt B des Koordinatensystems bildet. 4 shows in a plan view the reference module and the goniometer module with their respective light sources 6 on the top. This view corresponds to the camera image of in 2 shown Topviewmoduls. The X-axis passes through the two light sources 6 of the reference module and intersects the Y axis in the geometric center between the light sources 6 , which thus also forms the reference point B of the coordinate system.

5 zeigt eine Seitenansicht der in 4 gezeigten Anordnung des Referenzmoduls und des Goniometermoduls. Der Nullpunkt des Koordinatensystems liegt auf der Oberseite 7 des Referenzmoduls in der geometrischen Mitte zwischen den Lichtquellen 6 auf der Oberseite 7 des Referenzmoduls, sodass alle Achsen durch diesen Referenzpunkt B verlaufen. Die Z-Achse verläuft vertikal durch den Referenzpunkt B, während die Orientierung der X-Y-Ebene horizontal verläuft. 5 shows a side view of in 4 shown arrangement of the reference module and the goniometer module. The zero point of the coordinate system lies on top 7 of the reference module in the geometric center between the light sources 6 on the top 7 of the reference module so that all axes pass through this reference point B. The Z axis passes vertically through the reference point B, while the orientation of the XY plane is horizontal.

Der relative Abstand und die relative Orientierung des Referenzmoduls gegenüber dem Goniometermodul und somit auch der mit dem Referenzmodul bzw. dem Goniometermodul verbundenen Objekte sind durch sechs Parameter bzw. Freiheitsgrade eindeutig beschrieben. Dies sind der:

– Abstand in Richtung der X-Achse
– Abstand in Richtung der Y-Achse
– Abstand in Richtung der Z-Achse
– Winkel A in der X-Y-Ebene
– Winkel B in der Z-X-Ebene
– Winkel C in der Z-Y-Ebene

The relative distance and the relative orientation of the reference module relative to the goniometer module and thus also the objects connected to the reference module or the goniometer module are unambiguously described by six parameters or degrees of freedom. These are:

- Distance in the direction of the X-axis
- Distance in the direction of the Y-axis
- Distance in the direction of the Z axis
- Angle A in the XY plane
- Angle B in the ZX plane
- Angle C in the ZY plane

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf Koordinatensysteme mit vertikalen oder horizontalen Achsen beschränkt. Vielmehr kann bedarfsweise auch eine Achse parallel zu einer Mittellängsachse eines Knochensegments ausgerichtet werden. Hierzu ist lediglich eine zusätzliche Koordinatentransformation erforderlich.Of course, the invention is not limited to coordinate systems with vertical or limited horizontal axes. Rather, if necessary, an axis can be aligned parallel to a central longitudinal axis of a bone segment. For this only an additional coordinate transformation is required.

Die Abstände in Richtung der X-Achse sowie in Richtung der Y-Achse werden durch ein optisches Messverfahren mittels des optischen Sensors des in 2 gezeigten Topviewmoduls bestimmt, wie dies in 6 gezeigt ist. Das Kamerabild des Topviewmoduls zeigt die Sicht von oben auf die vier Lichtquellen 6 des Referenzmoduls und des Goniometermoduls. Der jeweilige Abstand wird jeweils durch die geometrische Mitte zwischen den Lichtquellen 6 bestimmt. Falls abweichend von der dargestellten Messanordnung das Referenzmodul in der klinischen Praxis nicht horizontal ausgerichtet ist, kann seine Neigung aus den Messwerten seiner Lagesensoren ermittelt werden. Damit ist es möglich, aufgrund des Abstands der Lichtquellen des Referenzmoduls auch den Abstand in Richtung der X-Achse und der Y-Achse verzerrungsfrei zu berechnen.The distances in the direction of the X-axis and in the direction of the Y-axis are determined by an optical measuring method by means of the optical sensor of the in 2 Topviewmodule shown determines how this is done in 6 is shown. The camera image of the topview module shows the view from above onto the four light sources 6 of the reference module and the goniometer module. The respective distance is in each case through the geometric center between the light sources 6 certainly. If, unlike the illustrated measuring arrangement, the reference module is not aligned horizontally in clinical practice, its inclination can be determined from the measured values of its position sensors. This makes it possible to calculate the distance in the direction of the X-axis and the Y-axis without distortion due to the distance of the light sources of the reference module.

Der Abstand in Richtung der Z-Achse zwischen dem Referenzmodul und dem Goniometermodul kann alternativ auf zwei verschiedenen Wegen bestimmt werden.The distance in the Z-axis direction between the reference module and the goniometer module may alternatively be determined in two different ways.

Bei einem ersten Verfahren wird der Abstand in Richtung der Z-Achse aus dem Kamerabild des Topviewmoduls bestimmt, wie in 7 dargestellt. Die Bildebene E des optischen Sensors 5 des Topviewmoduls befindet sich rechnerisch in einem konstanten Abstand d vor dem optischen Sensor 5, wobei der Abstand d in Pixel angegeben wird, beispielsweise 1280 Pixel. Der Abstand A der Lichtquellen 6 auf der Oberseite 7 des Referenzmoduls oder des Goniometermoduls ist durch die Bauart bestimmt und kann bei einer geneigten Anordnung des Referenzmoduls bzw. des Goniometermoduls mittels der jeweiligen Lagesensoren 4 rechnerisch korrigiert werden. Dadurch kann aus dem Abstand a in der Bildebene E mit Hilfe des Strahlensatzes die Entfernung D zwischen dem Topviewmodul und dem Referenzmodul oder dem Goniometermodul berechnet werden aus D / d = A / a ⊳ D = d· A / a wobei a und d einer Anzahl von Pixeln sowie A und D jeweils einem Abstand in mm entspricht.In a first method, the distance in the direction of the Z-axis is determined from the camera image of the Topviewmodule, as in 7 shown. The image plane E of the optical sensor 5 The topview module is computationally at a constant distance d in front of the optical sensor 5 , where the distance d is given in pixels, for example 1280 pixels. The distance A of the light sources 6 on the top 7 of the reference module or the goniometer module is determined by the type and can with an inclined arrangement of the reference module or the goniometer module by means of the respective position sensors 4 be corrected mathematically. As a result, the distance D between the topview module and the reference module or the goniometer module can be calculated from the distance a in the image plane E with the aid of the beam set D / d = A / a ⊳ D = d · A / a where a and d correspond to a number of pixels, and A and D each correspond to a distance in mm.

Der Abstand in Richtung der Z-Achse zwischen dem Referenzmodul und dem Goniometermodul ergibt sich in einfacher Weise aus der Differenz der das Referenzmodul und das Goniometermodul jeweils gemessenen Abstände D_R bzw. D_G.The distance in the direction of the Z axis between the reference module and the goniometer module is obtained in a simple manner from the difference between the distances measured by the reference module and the goniometer module D _R or D _G.

Alternativ kann bei einem weiteren Verfahren der Abstand in Richtung der Z-Achse mittels der Lagesensoren 4 sowie der weiteren Lichtquellen 4 an der Stirnseite 8 des Referenzmoduls oder des Goniometermoduls bestimmt werden. Hierzu besitzt zumindest das Goniometermodul einen optischen Sensor 5, welcher die Lichtquellen 6 an der Stirnseite 8 des Referenzmoduls erfasst, um so den Abstand analog zu den vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten zu bestimmen.Alternatively, in another method, the distance in the direction of the Z-axis by means of the position sensors 4 as well as the other light sources 4 at the front 8th of the reference module or the goniometer module. For this purpose, at least the goniometer module has an optical sensor 5 which the light sources 6 at the front 8th of the reference module, so as to determine the distance analogous to the method steps described above.

Der Abstand des Referenzmoduls gegenüber dem Goniometermodul in Richtung der Z-Achse setzt sich aus drei Teilstrecken r, s und g zusammen, wie dies in 8 ersichtlich ist. Dabei lassen sich die beiden Teilstrecken r und g direkt aus den Neigungswinkeln des Referenzmoduls und des Goniometermoduls mittels der jeweiligen Lagesensoren 4 ermitteln. Die Teilstrecke s wird trigonometrisch durch den optischen Sensor des Goniometermoduls und der daraus abgeleiteten Länge der Strecke R-G errechnet.The distance of the reference module from the goniometer module in the Z-axis direction is made up of three partial sections r, s and g, as shown in FIG 8th is apparent. In this case, the two sections r and g can be directly from the angles of inclination of the reference module and the goniometer module by means of the respective position sensors 4 determine. The distance s is calculated trigonometrically by the optical sensor of the goniometer module and the length of the distance RG derived therefrom.

Die Bestimmung der relativen Winkelstellung des Referenzmoduls gegenüber dem Goniometermodul wird nachstehend anhand 9 näher erläutert. Der Winkel α entspricht dem eingeschlossenen Winkel zwischen dem Referenzmodul und dem Goniometermodul in der horizontalen X-Y-Ebene. Mittels des optischen Sensors 5 des in 2 gezeigten Topviewmoduls wird für das Referenzmodul und das Goniometermodul jeweils eine Verbindungslinie zwischen den Lichtquellen 6 auf ihren Oberseiten als Projektion in die X-Y-Ebene ermittelt und der Winkel α zwischen dem Referenzmodul und dem Goniometermodul daraus ermittelt. Die übrigen Winkel β und γ des Referenzmoduls einerseits und des Goniometermoduls andererseits werden für die Z-X-Ebene sowie die Z-Y-Ebene direkt aus den Signalen der jeweiligen Lagesensoren 4 ermittelt. Die relative Winkelstellung des Referenzmoduls gegenüber dem Goniometermodul ergibt sich aus der Differenz der jeweiligen Messwerte von Referenzmodul und Goniometermodul.The determination of the relative angular position of the reference module relative to the goniometer module will be described below 9 explained in more detail. The angle α corresponds to the included angle between the reference module and the goniometer module in the horizontal XY plane. By means of the optical sensor 5 of in 2 For the reference module and the goniometer module, a top-line connection module is used between the light sources 6 determined on their upper sides as a projection in the XY plane and the angle α between the reference module and the goniometer module determined therefrom. The other angles β and γ of the reference module on the one hand and the goniometer module on the other hand, for the ZX plane and the ZY plane directly from the signals of the respective position sensors 4 determined. The relative angular position of the reference module relative to the goniometer module results from the difference between the respective measured values of reference module and goniometer module.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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WO 2004/016178 A2 [0007]
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WO 2004/001569 A2 [0017]

Claims

Device for determining the relative position and relative orientation of a plurality of objects which are movable relative to one another in the operating environment by means of at least one optical sensor ( 5 ) sensor module ( 1 . 2 . 3 ), wherein at least one sensor module ( 1 . 2 ), characterized in that the device for detecting the relative position and the relative orientation of the sensor modules ( 1 . 2 . 3 ) at least one sensor module ( 1 . 2 . 3 ) with an optical sensor ( 5 ) for performing an optical measuring method and at least one further sensor module ( 1 . 2 . 3 ) with a position sensor ( 4 ) for detecting the orientation of the sensor modules fixed to the respective object ( 1 . 2 . 3 ) relative to the effective direction of the gravitational acceleration.

Device according to claim 1, characterized in that the position sensor ( 4 ) has at least one acceleration sensor, an electronic spirit level, a three-axis accelerometer and a mercury switch.

Device according to claims 1 or 2, characterized in that a sensor module ( 3 ) with an optical sensor ( 5 ) for the optical detection of at least two further sensor modules ( 1 . 2 ) Is provided.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the device comprises means for generating a signal as a function of a match and relative deviation of the objects.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor modules which can be fixed to the respective object ( 1 . 2 . 3 ) have a marking which is used to determine the relative angular position of the sensor module ( 1 . 2 . 3 ) by means of the optical sensor ( 5 ) of another sensor module ( 1 . 2 . 3 ) is detectable.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor modules which can be fixed to the respective object ( 1 . 2 . 3 ) a light source ( 6 ) for emitting light, which is used to determine the relative angular position of the sensor module ( 1 . 2 . 3 ) by means of the optical sensor ( 5 ) of another sensor module ( 1 . 2 . 3 ) is detectable.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one sensor module ( 1 . 2 . 3 ) has a fixing means for temporarily fixing to a bone segment.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor modules ( 1 . 2 . 3 ) have at least one infrared light source, a sensitive in the wavelength range of the radiated IR light sensor (IR camera) and a three-axis accelerometer.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the respective sensor modules which can be fixed on a bone segment ( 1 . 2 ) as a reference module or goniometer module with a fixing means for temporarily fixing to a respective bone segment and at least one further sensor module ( 3 ) is fixable as Topviewmodul stationary by means of another fixative above the surgical field.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that each sensor module ( 1 . 2 . 3 ) with a position sensor ( 4 ) as well as an optical sensor ( 5 ) Is provided.

Method for determining the relative position and the relative orientation of a plurality of objects which are movable relative to one another in the operating environment by means of at least one optical sensor ( 5 ) sensor module ( 1 . 2 . 3 ), wherein at least one sensor module ( 1 . 2 ), characterized in that the relative position and / or orientation of the sensor modules ( 1 . 2 . 3 ) by means of an optical measuring method and for the sensor modules connected to the object ( 1 . 2 ) by means of a position sensor ( 4 ) of the respective sensor module ( 1 . 2 ) the orientation is determined relative to the effective direction of gravitational acceleration.

Method according to claim 11, characterized in that by means of the position sensors ( 4 ) the orientation of a reference plane of the sensor modules fixed to the respective bone segment ( 1 . 2 . 3 ) relative to the horizontal plane and by means of the optical sensor ( 5 ) the orientation of the sensor module ( 1 . 2 . 3 ) is determined in the reference plane.

A method according to claim 11 or 12, characterized in that the means of the position sensor ( 4 ) certain orientation of the reference plane of the sensor module ( 1 . 2 . 3 ) as a correction variable in the evaluation of the optical sensor ( 5 ) of a further sensor module ( 1 . 2 . 3 ) detected relative orientation of the two sensor modules ( 1 . 2 . 3 ) is taken into account.

Method according to one of claims 11 to 13, characterized in that the relative position and the relative orientation of Operation tools are detected with each other and against at least one bone segment.