WO2008154909A2 - Method for determining a direction of intervention of a tool and performing the tool intervention - Google Patents

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Definitions

  • navigation system offers. It is a system with a navigation camera capable of detecting reference points in space. If these reference points are fastened to the tool and to the workpiece, in the medical field to a body part, the spatial relationship between the workpiece and the tool can be established by means of the computer associated with the camera. It is clear to the person skilled in the art that the geometry of the tool and of the workpiece and the position of the reference points with respect to the tool and the workpiece must be known. These steps are well known because they are removable from the operating instructions of the navigation systems. To produce a bore, it is thus possible to display the workpiece together with the tool and the intended virtual drilling axis on a screen.
  • the drill is now guided by hand so that its spatial position and its forward movement, d. H. Bohrvorschubzi, coincides with the virtual drilling axis.
  • the surgeon must look at the monitor, d. H. away from the actually relevant work area, align and move the tool until the actual and target positions are identical.
  • This hand-eye coordination is exhausting and requires a good spatial imagination and a lot of training.
  • the tool should be aligned by such a tool guide so that the tool penetrates into the intended spatial orientation in the workpiece.
  • the method has the following method steps: a. Fixing a geometrically predetermined reference body to the workpiece to be machined, wherein the reference body
  • a reference body coupling piece is provided for the mechanically defined coupling of a tool guide, wherein the reference body coupling piece is either connected in one piece to the reference body or is connected to the reference body via a defined rigid connecting structure,
  • Providing a tool guide, which is either integrally connected to the reference body or in only a defined and known positional relationship to the reference body can be fastened and which is adapted to perform a suitable tool for machining the article. That is, there may be various embodiments in which either the tool guide is decoupled from the reference body or the tool guide is firmly connected to the reference body.
  • this latter step is eliminated if a one-piece design is present.
  • either the tool guide can be connected and disconnected by a separate setting device or the tool guide is fixedly connected to an adjusting device.
  • the method is performed, for example, with a C-arm X-ray machine.
  • a reference body of exactly known geometry is to be operated on, d. H. attached to machined workpiece.
  • This reference body must have structural features that are detectable by the respective imaging method (eg metal balls in X-ray-based methods), and whose spatial arrangement is unambiguous.
  • At least two X-ray images of different solid angles of the reference body and at least two X-ray images of different solid angles of the target structure are made.
  • Either the reference body as well as the target structure are simultaneously imaged on two images, or the coordinate systems of the images of reference body and target structure must be exactly known to each other (eg precisely measurable by path measuring systems in a mobile C-arm X-ray machine).
  • the solid angles of the images relative to one another are exactly determined by means of mathematical relationships and also the spatial position of the reference body relative to the 3D target structure.
  • the center of the target structure eg, a tumor to be biopsied
  • the image sequence is arbitrary, ie it is irrelevant whether this point is first marked in the first or in the second X-ray image (X-ray image 2).
  • the target structure is corresponding to X-ray image 2 on the epipolar line. If, on the epipolar line, a point is computer-aided or (semi-) automatically detected / marked, which is located in the center of the target structure, then an exact 3D target point is determined. This thus represents exactly the projection of the two corresponding points which were marked in X-ray images 1 and 2. In other words, if one imagines the determined 3D target point and the two X-ray image planes floating in space, the 3D target point projects exactly onto both the marked point in X-ray image 1 and the marked point in X-ray image 2.
  • the direction of the surgical procedure for example in the sense of a 3D target trajectory defining the tool engagement direction, can also be planned virtually at this time.
  • any point e.g. in the area of a favorable tool entry surface, mark in the X-ray image 1.
  • the reference body fixed to the workpiece also has a template receptacle with already described properties in a precisely known location, it is now possible to know the spatial relationship of the target structure with respect to the reference structure. and thus an exact 3D transformation can be calculated in relation to the template recording.

Abstract

The invention relates to a method for determining a direction of intervention of a tool and performing the tool intervention. Said method comprises the following steps: a. a geometrically predetermined reference body is mounted on the workpiece that is to be machined; b. at least two images, e.g. 2 X-ray images or ultrasound images, on which the geometry of the workpiece to be machined and the reference features of the reference body are reproduced, are created from different solid angles by means of imaging processes; c. direction coordinates are calculated starting from the three-dimensional position of the reference body and the space coordinates of the workpiece volume that is to be machined, i.e. the material that is to be removed from, modified, or added to the workpiece; d. a tool guide is provided which is monolithically connected to the reference body or can be mounted on the reference body in only one defined and known positional relation; e. the tool guide is adjusted by means of an adjusting device, starting from the direction coordinates determined in step c; f. the adjusted tool guide is connected to the coupling piece for the reference body; and g. the tool is placed against the tool guide, and the machining process is carried out.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer Werkzeugeingriffsrichtung und Durchführung des Werkzeugeingriffs Method for determining a tool engagement direction and performing tool engagement
Um an Werkstücken Bohrungen, Ausfräsungen oder Sägeschnitte mit einer vorbestimmten räumlichen Orientierung und Tiefe vornehmen zu können, sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Verfahren bekannt. Ein bekanntes Verfahren ist das Kennzeichnen des Werkstücks mit einem Punkt oder einer Linie, wobei der Punkt der Mittelpunkt einer Bohrung sein kann und die Linie den Verlauf eines Säge- Schnitts kennzeichnet.In order to make holes in workpieces, cutouts or saw cuts with a predetermined spatial orientation and depth, the most different methods are known from the prior art. One known method is to mark the workpiece with a point or line, where the point can be the center of a hole and the line indicates the course of a saw cut.
Um in ein Werkstück vorbestimmte Ausnehmungen einbringen zu können, sind grundsätzlich die erforderlichen geometrischen Beziehungen zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug herzustellen. Ist z. B. ein angekörntes Werkstück in einen Schraubstock eingespannt, der frei verschiebbar auf dem Tisch einer Ständerbohrmaschine aufliegt, so muß der Schraubstock von dem Arbeiter mit der einen Hand so verschoben werden, daß die Bohrerspitze genau über der Körnung liegt. Mit der anderen Hand betätigt der Arbeiter den Hebel zum Absenken der Bohrspindel, um das vorgesehene Loch zu bohren. Wenn das Loch eine vorbestimmte Tiefe aufweisen soll, wird der Arbeiter die an der Bohrspindel vorgesehene Skala beobachten, von der er das Maß der Absenkung des Bohrers ermitteln kann.In order to be able to introduce predetermined recesses into a workpiece, it is basically necessary to produce the required geometric relationships between the workpiece and the tool. Is z. B. clamped a workpiece in a vise clamped, which rests freely displaceable on the table of a drill press, so the vise of the worker with one hand must be moved so that the drill bit is exactly above the grain. With the other hand, the worker operates the lever to lower the drill spindle to drill the intended hole. If the hole is to have a predetermined depth, the worker will observe the scale provided on the drill spindle from which he can determine the amount of countersinking of the drill.
Um das gleiche Werkstück mit der gleichen Bohrung zu versehen, ist auch der Einsatz eines Bohrroboters denkbar, der mit einer Bilderkennungsvorrichtung ausgestat- tet ist, die automatisch die Lage des Werkstücks erkennt, sodass mittels eines Rechenprogramms bestimmt werden kann, wie der Roboterkopf mit dem Bohrer auszurichten und zu führen ist. Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, bei denen der meßtechnische Zugang zu dem zu bearbeiteten Werkstück schwierig ist. So kann es z. B. erforderlich sein, aus einem archäologischen Fund, wie z. B. einer Mumie, eine Probe zu nehmen. Ohne ausführliche Erläuterung der Notwendigkeit sei vorausgesetzt, dass dabei die Mumie nur minimal geöffnet werden darf.In order to provide the same workpiece with the same bore, it is also conceivable to use a drilling robot which is equipped with an image recognition device which automatically recognizes the position of the workpiece so that it can be determined by means of a computer program, such as the robot head with the drill to align and lead is. However, there are also applications in which the metrological access to the workpiece to be machined is difficult. So it may be z. B. be required from an archaeological find such. A mummy, to take a sample. Without a detailed explanation of the necessity, it is assumed that the mummy may only be opened minimally.
Zur Lösung dieser Aufgabe bietet sich ein aus der Medizintechnik bekanntes sogenanntes Navigationssystem an. Es handelt sich hier um ein System mit einer Navigationskamera, die in der Lage ist, Referenzpunkte im Raum zu erkennen. Werden die- se Referenzpunkte am Werkzeug und am Werkstück, im medizinischen Bereich an einem Körperteil, befestigt, so kann mittels des der Kamera zugeordneten Rechners die räumliche Beziehung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug hergestellt werden. Dem Fachmann ist klar, dass dazu auch die Geometrie des Werkzeugs und des Werkstücks und die Lage der Referenzpunkte bezüglich des Werkzeugs und des Werkstücks bekannt sein müssen. Diese Arbeitsschritte sind hinreichend bekannt, weil sie aus den Bedienungsanleitungen der Navigationssysteme entnehmbar sind. Zur Herstellung einer Bohrung ist es somit möglich, das Werkstück gemeinsam mit dem Werkzeug und der vorgesehenen virtuellen Bohrachse auf einem Bildschirm darzustellen. Die Bohrmaschine wird nun von Hand so geführt, daß ihre räumliche Lage und ihre Vorwärtsbewegung, d. h. Bohrvorschubbewegung, mit der virtuellen Bohrachse zusammenfällt. Dabei muß der Operateur mit Blick auf den Monitor, d. h. weg vom eigentlich relevanten Arbeitsfeld, das Werkzeug solange ausrichten und verschieben, bis die Ist- und Sollposition identisch sind. Diese Hand-Auge-Koordination ist anstrengend und setzt ein gutes räumliches Vorstellungsvermögen und viel Training voraus.To solve this problem, a known from medical technology so-called navigation system offers. It is a system with a navigation camera capable of detecting reference points in space. If these reference points are fastened to the tool and to the workpiece, in the medical field to a body part, the spatial relationship between the workpiece and the tool can be established by means of the computer associated with the camera. It is clear to the person skilled in the art that the geometry of the tool and of the workpiece and the position of the reference points with respect to the tool and the workpiece must be known. These steps are well known because they are removable from the operating instructions of the navigation systems. To produce a bore, it is thus possible to display the workpiece together with the tool and the intended virtual drilling axis on a screen. The drill is now guided by hand so that its spatial position and its forward movement, d. H. Bohrvorschubbewegung, coincides with the virtual drilling axis. The surgeon must look at the monitor, d. H. away from the actually relevant work area, align and move the tool until the actual and target positions are identical. This hand-eye coordination is exhausting and requires a good spatial imagination and a lot of training.
Diese Technik ist in den Dokumenten US 6,226,548; US 6,747,646; US 6,725,080; US 6,697,664; US 6,535,756; US 6,470,207; US 6,205,411 beschrieben. Neben den meist verwendeten optischen Navigationskameras kann die Positions- und Orien- tierungserkennung auch durch ultraschallbasierte oder elektromagnetische, u. a. De- tektionsverfahren erfolgen, wie z. B. in dem Dokument US Pat. 6,503,249 beschrieben. Die geschilderten Verfahrensabläufe sind aber identisch. Um dem Arbeiter oder dem Operateur, nachfolgend nur noch Operateur genannt, von der schwierigen Hand-Auge-Koordination zu entlasten, gibt es die Möglichkeit, mechanische Lehren zu verwenden, die das Werkzeug, wie z. B. den Bohrer oder ein Sägeblatt mechanisch führen, so daß der Operateur nur noch eine Bewegung mit z. B. einem einzigen Freiheitsgrad ausführen muß. Die Schwierigkeit bei dieser Technik besteht darin, diese mechanische Lehre in die richtige geometrische Position zum Werkstück oder zu dem zu bearbeitenden Körperabschnitt auszurichten und zu fixieren. Prinzipiell ist das möglich mit einem in dem Dokument US. 6,837,892 beschriebenen Roboter in Kombination mit einem Navigationssystem.This technique is described in documents US 6,226,548; US 6,747,646; US 6,725,080; US 6,697,664; US 6,535,756; US 6,470,207; US 6,205,411. In addition to the most commonly used optical navigation cameras, the position and orientation detection can also be performed by ultrasound-based or electromagnetic, including detection methods, such. As described in US Pat. No. 6,503,249. The described procedures are however identical. In order to relieve the worker or the surgeon, hereinafter referred to as surgeon, of the difficult hand-eye coordination, there is the possibility to use mechanical gauges, the tool, such. B. mechanically guide the drill or a saw blade, so that the surgeon only one movement with z. B. must perform a single degree of freedom. The difficulty with this technique is to align and fix this mechanical gauge in the correct geometric position to the workpiece or to the body portion to be machined. In principle, this is possible with a document US. 6,837,892 described in combination with a navigation system.
Es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen ein Roboter aufgrund seiner Größe und Sperrigkeit, seines Gewichts und seiner mechanischen Empfindlichkeit nicht geeignet ist. Solche Anwendungsfälle liegen sowohl im medizinischen, als auch im nichtmedizinischen Bereich. Es ist z. B. für den Fachmann klar, daß ein derartiger Robo- ter wenig geeignet ist, wenn eine medizinische Operation an einem lebenden Menschen vorgenommen werden soll und der sperrige Roboter steril zu halten ist. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Preis eines solchen Roboters.However, there are applications in which a robot is not suitable due to its size and bulkiness, its weight and its mechanical sensitivity. Such applications are both medical and non-medical. It is Z. For example, it will be apparent to those skilled in the art that such a robot is ill-suited to medical surgery on a living human and to keep the bulky robot sterile. Another disadvantage is the high price of such a robot.
Es besteht daher die Aufgabe der Erfindung, eine Technik zum Führen eines Werk- zeugs bereitzustellen, die eine Führung des Werkzeugs z. B. im Sinn einer Bohrlehre oder einer Anlage zum Anlegen einer Säge ermöglicht. Dabei soll das Werkzeug durch eine solche Werkzeugführung so ausgerichtet sein, dass das Werkzeug in der vorgesehenen räumlichen Orientierung in das Werkstück eindringt.It is therefore an object of the invention to provide a technique for guiding a tool, which guides the tool z. B. in the sense of a drilling jig or a system for applying a saw allows. In this case, the tool should be aligned by such a tool guide so that the tool penetrates into the intended spatial orientation in the workpiece.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren weist nachfolgende Verfahrensschritte auf: a. Befestigung eines geometrisch vorbestimmten Referenzkörpers an dem zu bearbeitenden Werkstück, wobei der ReferenzkörperThis object is achieved by a method according to claim 1. The method has the following method steps: a. Fixing a geometrically predetermined reference body to the workpiece to be machined, wherein the reference body
- Referenzmerkmale aufweist, die bei einer mathematischen Auswertung von Abbildungen, die aus unterschiedlichen Raumwinkeln von dem Referenzkörper erstellt wurden, eine eindeutige Bestimmung der Ausrichtung, d.h. Orientierung und Position, des Referenzkörpers im Raum zulassen und- Has reference features that in a mathematical evaluation of images that created from different solid angles of the reference body were to allow a clear determination of the orientation, ie orientation and position, of the reference body in space and
- ein Referenzkörper-Kupplungsstück zum mechanisch definierten Ankuppeln einer Werkzeugführung vorgesehen ist, wobei das Referenzkörper-Kupplungsstück entweder einstückig mit dem Referenzkörper verbunden ist oder mit dem Referenzkörper über eine definierte starre Verbindungskonstruktion verbunden ist,a reference body coupling piece is provided for the mechanically defined coupling of a tool guide, wherein the reference body coupling piece is either connected in one piece to the reference body or is connected to the reference body via a defined rigid connecting structure,
b. Erstellung von wenigstens 2 Bildern mittels der potenziell in dem jeweiligen An- Wendungsbereich einsetzbaren bildgebenden Verfahren, z.B. 2 Röntgen- oder Ultraschallbilder, aus unterschiedlichen Raumwinkeln, auf denen sowohl die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks als auch die Referenzmerkmale des Referenzkörper abgebildet sind. Sind die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks als auch die Referenzmerkmale des Referenzkörper nicht gleichzeitig auf 2 Bildern abbildbar, können auch alternativ mehr Bilder gemacht werden mit der Bedingung, dass mindestens 2 Bilder die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks und 2 Bilder die Referenzmerkmale des Referenzkörper abbilden und die Koordinatensysteme sämtlicher Bilder zueinander exakt bekannt sind z. B. durch Wegmesssysteme in mobilen C-Bogen-Röntgengeräten.b. Creation of at least 2 images by means of the imaging techniques potentially applicable in the respective field of application, e.g. 2 x-ray or ultrasound images, from different solid angles, on which both the geometry of the workpiece to be machined and the reference features of the reference body are shown. If the geometry of the workpiece to be machined as well as the reference features of the reference body can not be simultaneously imaged on two images, alternatively more images can be taken with the condition that at least two images depict the geometry of the workpiece to be processed and two images represent the reference features of the reference body and the coordinate systems of all images are known to each other exactly z. B. by Wegmesssysteme in mobile C-arm X-ray equipment.
c. Berechnung von Richtungskoordinaten, ausgehend von der Raumlage des Referenzkörpers und den Raumkoordinaten des Werkstückvolumens, das zu bearbeiten ist, wobei unter Bearbeiten das Entfernen, Verändern oder Hinzufügen von Material, z. B. Implantate zu verstehen ist,c. Calculation of direction coordinates, based on the spatial position of the reference body and the spatial coordinates of the workpiece volume to be processed, wherein under editing the removal, modification or addition of material, eg. B. implants is to understand
d. Bereitstellen einer Werkzeugführung, die entweder einstückig mit dem Referenzkörper verbunden ist oder in nur einer definierten und bekannten Lagebeziehung an dem Referenzkörper befestigbar ist und die geeignet ist, ein zur Bearbeitung des Gegenstandes geeignetes Werkzeug zu führen. D.h., es kann verschiedene Ausfüh- rungen geben, bei denen entweder die Werkzeugführung von dem Referenzkörper abkoppelbar ist oder die Werkzeugführung mit dem Referenzkörper fest verbunden ist. e. Einstellen der Werkzeugführung, ausgehend von den im Schritt c ermittelten Richtungskoordinaten mithilfe einer Einstellvorrichtung, wobei die Einstellvorrichtung entweder einstückig mit der Werkzeugführung verbunden ist oder ein Einstellvorrich- tungs-Kupplungsstück aufweist, auf das die Werkzeugführung definiert aufsetzbar ist und die Werkzeugführung dann in eine Raumlage justiert wird, in der das Werkzeug in der gewünschten Richtung geführt wird, wenn die Werkzeugführung mit dem Referenzkörper-Kupplungsstück verbunden ist. Dieser letztgenannte Schritt entfällt selbstverständlich, wenn eine einstückige Ausführung vorliegt. Mit anderen Worten, es kann verschiedene Ausführungen geben, bei denen entweder die Werkzeugfüh- rung von einer separaten Einstellvorrichtung definiert an- und abkoppelbar ist oder die Werkzeugführung mit einer Einstellvorrichtung fest verbunden ist.d. Providing a tool guide, which is either integrally connected to the reference body or in only a defined and known positional relationship to the reference body can be fastened and which is adapted to perform a suitable tool for machining the article. That is, there may be various embodiments in which either the tool guide is decoupled from the reference body or the tool guide is firmly connected to the reference body. e. Adjusting the tool guide, starting from the direction coordinates determined in step c by means of an adjusting device, wherein the adjusting device is either integrally connected to the tool guide or an adjustment device coupling piece, on which the tool guide is placed and defines the tool guide then adjusted to a spatial position in which the tool is guided in the desired direction when the tool guide is connected to the reference body coupling piece. Of course, this latter step is eliminated if a one-piece design is present. In other words, there may be various embodiments in which either the tool guide can be connected and disconnected by a separate setting device or the tool guide is fixedly connected to an adjusting device.
f. Verbinden der eingestellten Werkzeugführung mit dem Referenzkörper- Kupplungsstück. Dieser Schritt entfällt selbstverständlich, wenn eine einstückige Ausführung vorliegt, bei der die Werkzeugführung fest mit dem Referenzkörper verbunden ist.f. Connecting the set tool guide with the reference body coupling piece. Of course, this step is omitted if a one-piece design is present in which the tool guide is firmly connected to the reference body.
g. Ansetzen des Werkzeugs an die Werkzeugführung und Durchführung der Bearbeitung.G. Attaching the tool to the tool guide and performing the machining.
Es ist besonders zu betonen, dass in Verbindung mit den Punkten a-f folgende verschiedene Ausführungen möglich sind. So kann es Ausführungen geben, bei denen der Referenzkörper, die Werkzeugführung und die Einstellvorrichtung fest miteinander verbunden sind. Desweiteren kann es Ausführungen geben, bei denen der Refe- renzkörper und die Werkzeugführung fest miteinander verbunden sind und die Einstellvorrichtung mittels eines Einstellvorrichtungs-Kupplungsstücks an die Werkzeugführung definiert aufsetzbar ist. Desweiteren kann es Ausführungen geben, bei denen der Referenzkörper mittels eines Referenzkörper-Kupplungsstücks definiert mit der Werkzeugführung koppelbar ist und die Einstellvorrichtung ebenfalls mittels eines Einstellvorrichtungs-Kupplungsstücks an die Werkzeugführung definiert aufsetzbar ist. Schließlich kann es Ausführungen geben, bei denen zusätzlich die Kupplungs- stücke zwischen Referenzkörper und Werkzeugführung und/oder zwischen Werkzeugführung und Einstellvorrichtung definiert an- und abkoppelbar sind.It should be emphasized that in connection with the points af the following different embodiments are possible. Thus, there may be embodiments in which the reference body, the tool guide and the adjusting device are firmly connected. Furthermore, there may be embodiments in which the reference body and the tool guide are firmly connected to one another and the adjustment device can be placed on the tool guide by means of an adjusting device coupling piece. Furthermore, there may be embodiments in which the reference body by means of a reference body coupling piece defined with the tool guide can be coupled and the adjustment is also defined by means of a Einstellvorrichtungs coupling piece to the tool guide placed. Finally, there may be designs where additionally the coupling pieces between reference body and tool guide and / or defined between tool guide and setting and can be coupled off.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels aus dem medizinischen Bereich erläutert:The method according to the invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment from the medical field:
Das Verfahren wird beispielsweise mit einem C-Bogen-Röntgengerätes durchgeführt. Dabei wird als erster Schritt ein Referenzkörper exakt bekannter Geometrie an dem zu operierenden, d. h. zu bearbeitenden Werkstück befestigt. Dieser Referenzkörper muss Strukturmerkmale aufweisen, die durch das jeweilige bildgebende Verfahren detektierbar sind (z. B. Metallkugeln bei röntgenbasierten Verfahren), und deren räumliche Anordnung eineindeutig sind.The method is performed, for example, with a C-arm X-ray machine. Here, as a first step, a reference body of exactly known geometry is to be operated on, d. H. attached to machined workpiece. This reference body must have structural features that are detectable by the respective imaging method (eg metal balls in X-ray-based methods), and whose spatial arrangement is unambiguous.
Als nächster Schritt werden mindestens zwei Röntgenbilder aus verschiedenen Raumwinkeln von dem Referenzkörper und mindestens zwei Röntgenbilder aus verschiedenen Raumwinkeln von der Zielstruktur angefertigt. Entweder sind auf 2 Aufnahmen sowohl der Referenzkörper als auch die Zielstruktur gleichzeitig abgebildet oder die Koordinatensysteme der Aufnahmen von Referenzkörper und Zielstruktur müssen zueinander exakt bekannt sein (z.B. durch Wegmesssysteme in mobilem C- Bogen-Röntgengerät genau messbar). Damit sind die Aufnahmen zueinander virtuell in einer Rechnereinheit präzise ausrichtbar. Nun erfolgt eine rechnergestützte manuelle bzw. (semi-)automatische Detektion/Markierung sowohl der eindeutigen Strukturmerkmale des Referenzkörpers als auch der Zielstruktur auf den mindestens 2 Bildern. Nach exakter Detektion der Merkmale des Referenzkörpers bekannter Geo- metrie werden mittels mathematischer Beziehungen die Raumwinkel der Bilder zueinander exakt bestimmt und auch die räumliche Lage des Referenzkörpers gegenüber der 3D Zielstruktur. Zur Festlegung des 3D-Zielpunktes wird schließlich rechnergestützt manuell bzw. (semi-)automatisch das Zentrum der Zielstruktur, z.B. eines zu biopsierenden Tumors, im ersten Röntgenbild (Röntgenbild 1) markiert. Dabei ist die Bildreihenfolge willkürlich, d.h. es ist unerheblich, ob dieser Punkt zuerst im ersten oder im zweiten Röntgenbild (Röntgenbild 2) markiert wird. Nach der räumlichen Konstruktion einer Geraden, die senkrecht auf der Röntgenbildebene 1 steht und gleichzeitig durch die punktförmige Markierung des Zielpunktes in Röntgenbild 1 läuft, kann diese Gerade - durch die räumlich bekannte Abhängigkeit der beiden Röntgenbilder 1 und 2 - auf die Röntgenbildebene 2 als Linie - vom Fachmann Epi- polarlinie genannt - projiziert werden. Diese Beziehung gilt, wenn der Raumwinkel zwischen beiden Bildebenen größer als null ist. Deshalb ist oben ausgeführt, dass mindestens 2 Röntgenbilder aus unterschiedlichen Raumwinkeln notwendig sind. Mit anderen Worten ausgedrückt kann nach Markierung eines Zielpunktes in Röntgenbild 1 eine dem Fachmann bekannte, eindeutige Epipolarlinie in Röntgenbild 2 berechnet werden. Entsprechend den Gesetzen der Epipolargeometrie liegt die Ziel- Struktur korrespondierend in Röntgenbild 2 auf der Epipolarlinie. Wenn nun auf der Epipolarlinie ein Punkt rechnergestützt manuell bzw. (semi-)automatisch detek- tiert/markiert wird, der sich im Zentrum der Zielstruktur befindet, ist damit ein exakter 3D Zielpunkt bestimmt. Dieser stellt damit exakt die Projektion der beiden korrespondierenden Punkte dar, die in Röntgenbild 1 und 2 markiert wurden. D.h. stellt man sich den ermittelten 3D Zielpunkt und die beiden Röntgenbildebenen im Raum schwebend vor, projiziert sich der 3D Zielpunkt exakt sowohl auf den markierten Punkt in Röntgenbild 1 als auch auf den markierten Punkt in Röntgenbild 2.As a next step, at least two X-ray images of different solid angles of the reference body and at least two X-ray images of different solid angles of the target structure are made. Either the reference body as well as the target structure are simultaneously imaged on two images, or the coordinate systems of the images of reference body and target structure must be exactly known to each other (eg precisely measurable by path measuring systems in a mobile C-arm X-ray machine). This means that the images can be precisely aligned with one another virtually in a computer unit. Now there is a computer-aided manual or (semi-) automatic detection / marking of both the unique structural features of the reference body and the target structure on the at least two images. After exact detection of the features of the reference body of known geometry, the solid angles of the images relative to one another are exactly determined by means of mathematical relationships and also the spatial position of the reference body relative to the 3D target structure. Finally, in order to determine the 3D target point, the center of the target structure, eg, a tumor to be biopsied, is marked manually in the first X-ray image (X-ray image 1) manually or (semi-) automatically. The image sequence is arbitrary, ie it is irrelevant whether this point is first marked in the first or in the second X-ray image (X-ray image 2). After the spatial construction of a straight line which is perpendicular to the X-ray image plane 1 and at the same time runs through the punctiform marking of the target point in X-ray image 1, this straight line - by the spatially known dependence of the two X-ray images 1 and 2 - on the X-ray image plane 2 as a line - called by the expert epipolar - be projected. This relationship applies if the solid angle between the two image planes is greater than zero. Therefore, it is stated above that at least 2 x-ray images from different solid angles are necessary. In other words, after marking a target point in X-ray image 1, a unique epipolar line known to those skilled in the art can be calculated in X-ray image 2. According to the laws of Epipolargeometrie the target structure is corresponding to X-ray image 2 on the epipolar line. If, on the epipolar line, a point is computer-aided or (semi-) automatically detected / marked, which is located in the center of the target structure, then an exact 3D target point is determined. This thus represents exactly the projection of the two corresponding points which were marked in X-ray images 1 and 2. In other words, if one imagines the determined 3D target point and the two X-ray image planes floating in space, the 3D target point projects exactly onto both the marked point in X-ray image 1 and the marked point in X-ray image 2.
Ergänzend kann zu diesem Zeitpunkt auch die Richtung des operativen Eingriffes beispielsweise im Sinne einer 3D Zieltrajektorie mit Festlegung der Werkzeugeingriffsrichtung virtuell geplant werden. Dazu kann man einen beliebigen Punkt, z.B. im Bereich einer günstigen Werkzeug-Eintrittsfläche, im Röntgenbild 1 markieren. Daraus ergibt sich - analog zu dem oben beschriebenen Verfahren zur Festlegung des 3D Zielpunktes - direkt eine eindeutige Epipolarlinie in Röntgenbild 2, auf der ein zweiter Punkt markiert wird; dadurch ist ein exakter 3D Punkt bestimmt und die gerade Verbindung dieses geplanten Raumpunktes mit dem 3D Zielpunkt ergibt direkt die 3D Zieltrajektorie.In addition, the direction of the surgical procedure, for example in the sense of a 3D target trajectory defining the tool engagement direction, can also be planned virtually at this time. For this one can choose any point, e.g. in the area of a favorable tool entry surface, mark in the X-ray image 1. This results - analogous to the method described above for determining the 3D target point - directly a unique epipolar line in X-ray image 2, on which a second point is marked; This determines an exact 3D point and the straight connection of this planned space point with the 3D target point directly yields the 3D target trajectory.
Da der am Werkstück fixierte Referenzkörper außerdem an exakt bekannter Stelle eine Schablonenaufnahme mit bereits beschriebenen Eigenschaften aufweist, kann nun nach Kenntnis der räumlichen Beziehung der Zielstruktur gegenüber dem Refe- renzkörper und damit gegenüber der Schablonenaufnahme eine exakte 3D Transformation berechnet werden.Since the reference body fixed to the workpiece also has a template receptacle with already described properties in a precisely known location, it is now possible to know the spatial relationship of the target structure with respect to the reference structure. and thus an exact 3D transformation can be calculated in relation to the template recording.
Für die mechanische Umsetzung z. B. mit Einsatz eines Bohrers ist nun die individu- eile Einstellung einer mechanischen Werkzeugführung in Form einer Schablone mit Hilfe einer Justiervorrichtung anzufertigen und diese Schablone an der Schablonenaufnahme des Referenzkörpers zu fixieren. Nun kann das Werkzeug - z.B. Bohrer - durch die Bohrhülse exakt geführt bis zum Anschlag eingebracht werden. For the mechanical implementation z. B. with the use of a drill, the individual setting of a mechanical tool guide in the form of a template is now to be made using an adjusting device and to fix this template to the template receptacle of the reference body. Now the tool - e.g. Drill - exactly guided through the drill sleeve until it stops.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung einer Werkzeugeingriffsrichtung und zur Durchführung des Werkzeugeingriffs, wobei das Verfahren nachfolgende Verfahrensschritte aufweist:1. A method for determining a tool engagement direction and for performing the tool engagement, the method comprising the following method steps:
a. Befestigung eines geometrisch vorbestimmten Referenzkörpers an dem zu be- arbeitenden Werkstück, wobei der Referenzkörpera. Fixing a geometrically predetermined reference body to the workpiece to be processed, wherein the reference body
- Referenzmerkmale aufweist, die bei einer mathematischen Auswertung von Abbildungen, die aus unterschiedlichen Raumwinkeln von dem Referenzkörper erstellt wurden, eine Bestimmung der Ausrichtung des Referenzkörpers im Raum zulassen undHaving reference features that allow for a mathematical evaluation of images that were created from different solid angles of the reference body, a determination of the orientation of the reference body in space and
- ein Referenzkörper-Kupplungsstück zum mechanisch definierten Ankuppeln einer Werkzeugführung vorgesehen ist, wobei das Referenzkörper-Kupplungsstück entweder einstückig mit dem Referenzkörper verbunden ist oder mit dem Referenzkör- per über eine definierte starre Verbindungskonstruktion verbunden ist,a reference body coupling piece is provided for the mechanically defined coupling of a tool guide, wherein the reference body coupling piece is either connected in one piece to the reference body or is connected to the reference body via a defined rigid connecting structure,
b. Erstellung von wenigstens 2 Bildern mittels bildgebender Verfahren, z.B. 2 Röntgen- oder Ultraschallbilder, aus unterschiedlichen Raumwinkeln, auf denen sowohl die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks als auch die Referenzmerkmale des Referenzkörper abgebildet sind, c. Berechnung von Richtungskoordinaten, ausgehend von der Raumlage des Referenzkörpers und den Raumkoordinaten des Werkstückvolumens, das zu bearbeiten ist, wobei unter Bearbeiten das Entfernen, Verändern oder Hinzufügen von Material zu verstehen ist,b. Creation of at least 2 images by means of imaging techniques, eg 2 X-ray or ultrasound images, from different solid angles, on which both the geometry of the workpiece to be machined and the reference features of the reference body are depicted, c. Calculation of direction coordinates, based on the spatial position of the reference body and the spatial coordinates of the workpiece volume to be processed, where editing is to be understood as the removal, modification or addition of material,
d. Bereitstellen einer Werkzeugführung, die entweder einstückig mit dem Referenzkörper verbunden ist oder in nur einer definierten und bekannten Lagebeziehung an dem Referenzkörper befestigbar ist und die geeignet ist, ein zur Bearbeitung des Gegenstandes geeignetes Werkzeug zu führen,d. Providing a tool guide which is either integrally connected to the reference body or can be fastened in only one defined and known positional relationship to the reference body and which is suitable for guiding a tool suitable for machining the object,
e. Einstellen der Werkzeugführung, ausgehend von den im Schritt c ermittelten Richtungskoordinaten mit Hilfe einer Einstellvorrichtung, wobei die Einstellvorrichtung entweder einstückig mit der Werkzeugführung verbunden ist oder ein Einstellvorrich- tungs-Kupplungsstück aufweist, auf das die Werkzeugführung definiert aufsetzbar ist und die Werkzeugführung dann in eine Raumlage justiert wird, in der das Werkzeug in der gewünschten Richtung geführt wird, wenn die Werkzeugführung mit dem Referenzkörper-Kupplungsstück verbunden ist.e. Adjusting the tool guide, starting from the directional coordinates determined in step c by means of an adjusting device, wherein the adjusting device is either integrally connected to the tool guide or an adjustment device coupling piece, to which the tool guide is placed and the tool guide then placed in a spatial position is adjusted, in which the tool is guided in the desired direction when the tool guide is connected to the reference body coupling piece.
f. Verbinden der eingestellten Werkzeugführung mit dem Referenzkörper- Kupplungsstück undf. Connecting the set tool guide with the reference body coupling piece and
g. Ansetzen des Werkzeugs an die Werkzeugführung und Durchführung der Bearbeitung.G. Attaching the tool to the tool guide and performing the machining.
2. Justier- und Führungsverfahren für Werkzeuge nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß an der Werkzeugführung ein Anschlag zur Vortriebsbegrenzung des Werkzeugs vorgesehen ist. 2. adjustment and guide method for tools according to claim 1, characterized in that a stop for driving limit of the tool is provided on the tool guide.
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