WO2015032826A1 - Reference device for a surgical procedure in the field of computer-assisted surgery - Google Patents

Reference device for a surgical procedure in the field of computer-assisted surgery Download PDF

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WO2015032826A1 PCT/EP2014/068756 EP2014068756W WO2015032826A1 WO 2015032826 A1 WO2015032826 A1 WO 2015032826A1 EP 2014068756 W EP2014068756 W EP 2014068756W WO 2015032826 A1 WO2015032826 A1 WO 2015032826A1
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Abstract

The invention relates to a reference device (1) for a surgical procedure in the field of computer-assisted surgery, comprising at least one carrier element (2), at least one fastening element (3) for fastening the carrier element (2) to an osseous structure (4), and at least one marker (9), wherein the carrier element (2) is provided with the marker (9). An undesired position change of the reference device (1) can be reliably identified due to the carrier element (2) having at least one calibration element holder (13), wherein the calibration element holder (13) is configured such that one calibration element (14) can be held spatially defined to the carrier element (2) by the calibration element holder (13).

Description

Referenzvorrichtung für einen chirurgischen Eingriff im  Reference device for a surgical procedure in
Bereich der computerassistierten Chirurgie  Field of computer-assisted surgery
Die Erfindung betrifft eine Referenzvorrichtung für einen chirurgischen Eingriff im Bereich der computerassistierten Chirurgie, mit mindestens einem Trägerelement, mit mindestens einem Befestigungselement zur Befestigung des Trägerelements an einer knöchernen Struktur und mit mindestens einem Marker, wobei das Trägerelement den Marker aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Überprüfung der räumlichen Lage einer Referenzvorrichtung für einen chirurgischen Eingriff im Bereich der computerassistierten Chirurgie wie auch ein Verfahren zur Überprüfung der Konsistenz der relativen räumlichen Lage einer Referenzvorrichtung für einen chirurgischen Eingriff im Bereich der computerassistierten Chirurgie zu der räumlichen Lage eines robotisch navigierten chirurgischen Instruments. The invention relates to a reference device for a surgical procedure in the field of computer-assisted surgery, comprising at least one carrier element, with at least one fastening element for fastening the carrier element to a bony structure and having at least one marker, wherein the carrier element has the marker. Moreover, the invention also relates to a method for checking the spatial position of a reference device for a surgical procedure in the field of computer-assisted surgery as well as a method for checking the consistency of the relative spatial position of a reference device for a surgical procedure in the field of computer-assisted surgery to the spatial Location of a robotically navigated surgical instrument.
Die vorgenannten Referenzvorrichtungen sind seit einiger Zeit im Stand der Technik bekannt, wobei die computerassistierte Chirurgie insgesamt eine vergleichsweise junge technische Disziplin ist, in der bildgebende Verfahren zur Beschreibung von operativ zu behandelnden Patientenstrukturen und Techniken zur Lageerfassung eines Operationswerkzeuges relativ zur Lage des Patienten zusammengeführt werden. The aforementioned reference devices have been well known in the art for some time, with computer-assisted surgery as a whole being a relatively young technical discipline in which imaging techniques for describing patient structures to be surgically treated and techniques for detecting the location of a surgical tool relative to the patient's location are brought together.
Anhand von präoperativ erfassten und segmentierten Bilddaten über das operative Zielgebiet kann ein Eingriff zunächst geplant werden. Die präoperativ erfassten Bilddaten werden üblicherweise mittels Röntgen-Technik (konventionell oder Computer- Tomographie (CT)) oder Magnetresonanz-Tomographie (MRT) gewonnenen und bestehen aus einem räumlichen Bilddatensatz in einem Bildkoordinatensystem. Die räumlichen Bilddaten werden dann vor allem auch als Hilfestellung während der Operation verwendet. Dabei wird in die präoperativ erfassten Bilddaten das chirurgische Instrument des Operateurs virtuell eingeblendet, so dass der Operateur - am Bildschirm - einen räumlichen Eindruck davon gewinnen kann, an welcher Stelle sich das von ihm manuell, teilrobotisch oder gänzlich robotisch geführte Operations Werkzeug in Bezug auf den Patienten, also in Bezug zu der operativ zu behandelnden Patientenstruktur befindet. Zur Lageerfassung des Operationswerkzeugs werden im Operationssaal installierte 3D-Lokalisiersysteme verwendet, die bezogen auf ihr eigenes Koordinatensystem fortwährend die Ortskoordinaten des erfassten Operationswerkzeugs ermitteln und zur Verfügung stellen. Dabei kann von dem SD- Lokalisiersystem nicht nur der Raumpunkt ermittelt werden, an dem sich das Operationswerkzeug befindet, beispielsweise die Koordinaten der Werkzeugspitze oder die Spitze eines Pointers zum Antasten eines Raumpunktes, vielmehr wird meist die vollständige Lage des Operationswerkzeuges identifiziert, also auch die Orientierung des Operationswerkzeuges im Raum. Eine solche Lageerkennung ist wesentlich, da meist nicht nur von Interesse ist, ob sich die Werkzeug spitze an einem bestimmten Punkt der zu behandelnden Patientenstruktur befindet, sondern das Werkzeug muss häufig aus einer bestimmten Richtung an den interessierenden Punkt herangeführt werden, weil ein geeigneter Zugangs weg zu verwenden ist und/oder weil das Werkzeug eine definierte Einsatzrichtung hat, wie z. B. ein Bohrer. On the basis of preoperatively acquired and segmented image data about the operative target area, an intervention can be planned first. The image data acquired preoperatively are usually obtained by means of X-ray technology (conventional or computer tomography (CT)) or magnetic resonance tomography (MRT) and consist of a spatial image data record in an image coordinate system. The spatial image data are then used above all as an aid during the operation. In this case, the surgical instrument of the surgeon is virtually displayed in the preoperatively acquired image data, so that the surgeon - on screen - can gain a spatial impression of where the manual, semi-robotic or completely robotic guided operation tool in relation to the Patient, ie in relation to the patient structure to be treated surgically. To detect the position of the surgical tool, 3D localization systems installed in the operating room are used, which continuously determine and make available the spatial coordinates of the detected surgical tool relative to their own coordinate system. In this case, not only the spatial point at which the surgical tool is located can be determined by the SD localization system, for example the coordinates of the tool tip or the tip of a pointer for touching a spatial point, but rather the complete position of the surgical tool is usually identified, thus also the orientation of the operation tool in the room. Such a position detection is essential, since it is usually not only of interest whether the tool tip is at a certain point of the patient structure to be treated, but the tool must often be brought from a certain direction to the point of interest, because a suitable access away is to be used and / or because the tool has a defined direction of deployment, such. B. a drill.
Zur Lageidentifizierung werden die Operationswerkzeuge meist mit Markern ausgestattet, die für das eingesetzte 3D-Lokalisiersystem besonders gut erkennbar sind, die beispielsweise über eine retroreflektierende Oberfläche verfügen. Die Marker können kugelförmig sein, so dass ein einzelner Marker keine Vorzugsrichtung erkennen lässt. In diesem Fall müssen zur eindeutigen Lageidentifizierung gleichzeitig mindestens drei Marker am Operationswerkzeug erkennbar sein. Wenn nur ein einziger Marker zur eindeutigen Lageidentifizierung herangezogen werden soll, muss dieser durch Form- und/oder Farbgebung oder sonstige Eigenschaften eine hinreichende Anzahl an von dem Lokalisiersystem erkennbaren Merkmalen aufweisen, die dem Lokalisiersystem eine eindeutige Lageerkennung ermöglicht. To identify the location, the surgical tools are usually equipped with markers that are particularly well recognizable for the used 3D localization system, which have, for example, a retroreflective surface. The markers can be spherical, so that a single marker does not show any preferential direction. In this case, at least three markers on the surgical tool must be identifiable for a clear identification of the position at the same time. If only a single marker is to be used for unambiguous position identification, the latter must have a sufficient number of features that can be recognized by the localization system through shape and / or coloring or other properties, which enables the locating system to clearly identify the position.
Damit die dargestellte virtuelle Operationssituation - Lage des dargestellten virtuellen Operationswerkzeugs zur dargestellten virtuellen Patientenstruktur in Form der Bilddaten - der tatsächliche Operations Situation - Lage des realen Operationswerkzeuges zur realen Patientenstruktur - exakt wiedergibt, muss initial vor Beginn der Operation ein Abgleich zwischen Positionen in den Bilddaten im Bilddatenkoordinatensystem und entsprechenden realen Positionen an der Patientenstruktur im Koordinatensystem des 3 D-Lokalisiersystems hergestellt werden; mathematisch ausgedrückt muss durch Abgleich entsprechender Strukturen die Transformationsmatrix zwischen beiden Koordinatensystemen ermittelt werden. Zu diesem Abgleich können natürliche oder künstliche Landmarken in den Bilddaten und an der Patientenstruktur ausgewählt und "gematched" werden. Natürliche Landmarken sind dann ausreichend und praktikabel, wenn sie durch entsprechende Ausformungen der knöchernen Strukturen gut identifizierbar sind. Dazu müssen zum einen ihre 3D Koordinaten im Bilddatenkoordinatensystem der präoperativen Aufnahme bestimmt werden, und zum anderen die entsprechenden Punkte an dem realen Patienten mit einem Pointer angetastet werden, dessen Position und damit die Position der Landmarken von dem 3D-Lokalisiersystem erfasst wird. Durch Verwenden der Punktepaare von mindestens drei Landmarken wird die Transformationsmatrix bestimmt. In order for the represented virtual operating situation - position of the illustrated virtual operation tool to represent the represented virtual patient structure in the form of the image data - to exactly represent the actual operation situation - position of the real operation tool to the real patient structure, a comparison must first be made between positions in the image data in the Image data coordinate system and corresponding real positions on the patient structure in the coordinate system of the 3 D localization system getting produced; In mathematical terms, the transformation matrix between the two coordinate systems must be determined by matching corresponding structures. For this comparison, natural or artificial landmarks in the image data and in the patient structure can be selected and "matched". Natural landmarks are sufficient and practicable if they are well identifiable by appropriate formations of the bony structures. For this purpose, on the one hand, their 3D coordinates must be determined in the image data coordinate system of the preoperative recording and, on the other hand, the corresponding points on the real patient are to be touched with a pointer whose position and thus the position of the landmarks is detected by the 3D localization system. By using the pairs of points of at least three landmarks, the transformation matrix is determined.
Bei künstlichen Landmarken handelt es sich um Markierungen, die hier gemäß dem englischen Sprachgebrauch als "Fiducials" bezeichnet werden. Sie werden nach Möglichkeit fest an dem Patienten, möglichst in der Nähe der operativ zu behandelnden Patientenstruktur, angebracht. Diese Fiducials sind so ausgestaltet, dass sie von dem angewendeten präoperativ eingesetzten Verfahren zur Ermittlung der Bilddaten gut identifiziert werden können, also in dem Bilddatensatz in Erscheinung treten und dort segmentiert werden können. Dadurch sind die Positionen der Fiducials in Bezug auf die interessierende Patientenstruktur bekannt, sie lassen sich also in dem Bilddatenkoordinatensystem exakt beschreiben. Diese Fiducialpositionen werden dann zur Erstellung der Transformationsmatrix mit einem von dem 3 D-Lokalisiersystem erfassbaren Pointer angetastet. Artificial landmarks are markers that are referred to as "fiducials" in English. If possible, they are firmly attached to the patient, if possible in the vicinity of the patient structure to be treated surgically. These fiducials are designed in such a way that they can be well identified by the applied preoperatively used method for determining the image data, that is, they can appear in the image data record and can be segmented there. As a result, the positions of the fiducials with respect to the patient structure of interest are known, so they can be described exactly in the image data coordinate system. These fiducial positions are then probed to create the transformation matrix with a pointer detectable by the 3-D localization system.
Die Lage eines Operationswerkzeugs, das mit vom 3D-Lokalisiersystem erkennbaren Markern ausgestattet ist, kann im Koordinatensystem des SD- Lokalisiersystems relativ zur Patientenstruktur angegeben werden, deren Lage durch Antasten der Fiducialpositionen mit einem Pointer ermittelt wurde, der ebenfalls mit erkennbaren Markern ausgestattet ist. Da durch den beschriebenen Abgleich ("Matching") sich entsprechender Fiducialpositionen ein eindeutiger Bezug zwischen dem Koordinatensystem der Bilddaten und dem Koordinatensystem des 3D-Lokalisiersystems herstellbar ist, ist ohne Weiteres verständlich, dass das Operations Werkzeug oder ein anderes Instrument - wie ein Pointer - mittels der ermittelten Transformationsmatrix lagerichtig virtuell in die Bilddaten eingeblendet werden kann. Bei fortlaufender Messung der Lage des Operationswerkzeuges durch das 3D-Lokalisiersystem können seine Bewegungen fortlaufend in den Bilddaten virtuell angezeigt werden, das heißt, der operierende Chirurg kann das Operationswerkzeug in den Bilddaten„navigieren". The location of an operation tool equipped with markers recognizable by the 3D localization system can be specified in the coordinate system of the SD localization system relative to the patient structure whose position was determined by probing the fiducial positions with a pointer which is also provided with detectable markers. Since the described matching of corresponding fiducial positions makes it possible to establish a clear relationship between the coordinate system of the image data and the coordinate system of the 3D localization system, it is readily understandable that the operation tool or another instrument such as a Pointer - can be displayed in the correct position by means of the determined transformation matrix in the correct position in the image data. By continuously measuring the position of the surgical tool by the 3D localization system, its movements can be displayed virtually continuously in the image data, that is, the operating surgeon can "navigate" the surgical tool in the image data.
Die lagerichtige fortlaufende Einblendung des Operationswerkzeuges in den Bilddaten nach der bisher beschriebenen Methodik funktioniert nur korrekt, wenn die operativ zu behandelnde Patientenstruktur eine feste Lage bezüglich des 3D-Lokalisiersystems während der Operation beibehält. Um diese Voraussetzung zu umgehen, wird in der Regel vor Antasten der natürlichen oder künstlichen Landmarken die eingangs erwähnte Referenzvorrichtung an der knöchernen Patientenstruktur befestigt. Die Referenz Vorrichtung weist ein Trägerelement mit wenigstens einem Marker auf, wobei dieses Trägerelement an der knöchernen - und daher mechanisch stabilen - Struktur des Patienten rigide befestigt wird, wobei die Rigidität der Verbindung von elementarer Bedeutung ist. Über die von dem 3D-Lokalisiersystem erkennbaren Marker der Referenzvorrichtung ist die Lage der Referenzvorrichtung und damit auch die Lage der Patientenstruktur fortwährend bestimmbar. The correct position continuous insertion of the operation tool in the image data according to the methodology described so far only works correctly if the patient structure to be treated surgically retains a fixed position with respect to the 3D localization system during the operation. In order to circumvent this requirement, the reference device mentioned in the introduction is usually attached to the bony patient structure before touching the natural or artificial landmarks. The reference device has a carrier element with at least one marker, wherein this carrier element is rigidly attached to the bony - and therefore mechanically stable - structure of the patient, wherein the rigidity of the compound is of elementary importance. The position of the reference device and thus also the position of the patient structure can be continuously determined via the markers of the reference device which can be recognized by the 3D localization system.
Damit die tatsächliche Position des chirurgischen Instruments in Bezug auf die operativ zu behandelnde Patientenstruktur mit der Position übereinstimmt, die dem Chirurgen von dem computerassistierten chirurgischen System mittels bildgebender Verfahren angezeigt wird, ist es erforderlich, dass sich die Positionen der für die Lokalisierung der Patientenstruktur notwendigen Bestandteile des Systems gegenüber dem ursprünglichen Zustand, der sich bei ihrer Befestigung an der Struktur ergibt, nicht ändern. Derartige Fehler führen unweigerlich zu einer fehlerhaften Navigation des chirurgischen Instruments, was fatale Folgen für die Operationsdurchführung und damit den Patienten haben kann. In order for the actual position of the surgical instrument to be consistent with the position to be displayed to the surgeon by the computer-assisted surgical system via the imaging system, it is necessary that the positions of the components necessary for the localization of the patient's structure be consistent the system does not change from the original state resulting from its attachment to the structure. Such errors inevitably lead to incorrect navigation of the surgical instrument, which can have fatal consequences for the operation and thus the patient.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die beschriebene Referenzvorrichtung so auszugestalten und ein Verfahren zur Überprüfung der räumlichen Lage einer Referenzvorrichtung so anzugeben, dass unerwünschte Lage- änderungen, die insbesondere zu Navigationsfehlern führen können, sicher identifizierbar sind und identifiziert werden. The object of the present invention is therefore to design the described reference device in such a way and to specify a method for checking the spatial position of a reference device in such a way that undesired positioning Changes that can lead in particular to navigation errors, are certainly identifiable and identified.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, insbesondere Verschiebungen der Referenzvorrichtung gegenüber der knöchernen Struktur erkennbar zu machen, indem die relative Position von Referenzelement zum Patienten und damit zur knöchernen Struktur initial sicher erfasst und als fehlerfreie Sollposition abgelegt wird. Wenn eine gute Möglichkeit geschaffen werden könnte, zu einem späteren Zeitpunkt ebenso sicher eine Istposition zwischen dem Referenzelement und dem Patienten und damit der knöchernen Struktur zu ermitteln, ließe sich durch einen Vergleich von relativer Soll- und Istposition erkennen, ob - aus welchem Grund auch immer - eine Verschiebung des Referenzelements gegenüber der knöchernen Struktur erfolgt ist, wodurch grundsätzlich Operationsfehler durch Fehlnavigation vermieden werden könnten. The idea underlying the invention is to make it possible to detect, in particular, displacements of the reference device relative to the bony structure by initially reliably detecting the relative position of the reference element relative to the patient and thus to the bony structure and depositing it as an error-free desired position. If a good possibility could be created to ascertain as surely as possible an actual position between the reference element and the patient and thus the bony structure at a later date, it would be possible to determine whether - for whatever reason - by comparing the relative setpoint and actual position - There has been a shift of the reference element relative to the bony structure, which in principle operation errors could be avoided by Fehlnavigation.
Die zuvor aufgezeigte und hergeleitete Aufgabe wird bei der Eingangs beschriebenen Referenzvorrichtung zunächst und im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Trägerelement wenigstens eine Kalibrierelementhalterung aufweist, wobei die Kalibrierelementhalterung so ausgestaltet ist, dass ein Kalibrierelement räumlich definiert zum Trägerelement von der Kalibrierelementhalterung haltbar ist. Das von der Kalibrierelementhalterung definiert haltbare Kalibrierelement muss so ausgestaltet sein, dass es von dem SD-Lokalisiersystem detektierbar ist. Beispielsweise kann es sich um einen Pointer oder um ein Operationswerkzeug mit entsprechender Markerausstattung handeln. Die Kalibrierelementhalterung muss so ausgestaltet sein, dass eine räumlich definierte Halterung des Kalibrierelements zum Trägerelement gewährleistet ist, da andernfalls nicht unterscheidbar wäre, ob sich das Trägerelement gegenüber der knöchernen Struktur verschoben hat oder lediglich das Kalibrierelement abweichend von dem Vergleichszustand von der Kalibrierelementhalterung gehalten wird. The above-indicated and derived object is initially and essentially achieved in the reference device described at the beginning, in that the carrier element has at least one calibration element holder, wherein the calibration element holder is designed so that a calibration element is spatially defined to the carrier element of the Kalibrierelementhalterung durable. The calibration element, which is defined by the calibration element holder, must be designed in such a way that it can be detected by the SD localization system. For example, it may be a pointer or an operation tool with appropriate marker equipment. The Kalibrierelementhalterung must be designed so that a spatially defined mounting of the calibration element is ensured to the support member, otherwise it would be indistinguishable whether the support member has moved relative to the bony structure or only the calibration is held differently from the comparison state of the Kalibrierelementhalterung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Referenz Vorrichtung ist vorgesehen, dass auch das Befestigungselement der Referenzvorrichtung mit einer Kalibrierelementhalterung ausgestattet ist, wobei auch hier dafür Sorge zu tragen ist, dass das Kalibrierelement räumlich definiert zum Befestigungselement von der Kalibrierelementhalterung haltbar ist. Bei dieser Ausgestaltung der Referenzvorrichtung ist beispielsweise erkennbar, ob sich das Befestigungselement gegenüber dem Trägerelement verschoben hat, beispielsweise weil die Referenz Vorrichtung in sich verbogen oder verstellt ist. Diesem Merkmal kommt dann eine besondere Bedeutung zu, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, dass wenigstens eines der Befestigungselemente eine mechanische Einstellvorrichtung umfasst, mit der die relative Position zwischen dem Trägerelement und dem Befestigungselement einstellbar ist. Eine derartige Einstellvorrichtung ermöglicht eine einfachere Positionierung der Befestigungselemente gegenüber der knöchernen Struktur des Patienten, so dass die Befestigung der Referenzvorrichtung am Patienten einfacher gelingt und flexibler möglich ist. Auch wenn die Einstellvorrichtung mechanisch fixierbar ist, birgt sie natürlich die Gefahr, dass durch eine Lockerung der Einstellvorrichtung eine ungewollte in- sich- Verformung der Referenzvorrichtung erfolgt, was unter Verwendung der erfindungsgemäßen Referenzvorrichtung ohne Weiteres detektierbar ist. In an advantageous embodiment of the reference device is provided that also the fastening element of the reference device is equipped with a Kalibrierelementhalterung, which is here to ensure that the calibration element spatially defined to the fastener is durable from the Kalibrierelementhalterung. In this embodiment of the reference device, for example, it can be seen whether the fastening element has moved relative to the carrier element, for example because the reference device is bent or displaced in itself. This feature is of particular importance if, according to a further preferred embodiment, it is provided that at least one of the fastening elements comprises a mechanical adjusting device with which the relative position between the carrier element and the fastening element can be adjusted. Such an adjustment device enables a simpler positioning of the fastening elements relative to the bony structure of the patient, so that the attachment of the reference device to the patient succeeds more easily and is more flexible. Of course, even if the setting device is mechanically fixable, it involves the risk that unwanted intrinsic deformation of the reference device occurs due to loosening of the setting device, which can be readily detected using the reference device according to the invention.
Die Kalibrierelementhalterung kann beispielsweise hülsenförmig ausgestaltet sein, wobei die Hülse vorzugsweise nicht ideal zylindrisch ist, sondern durch ihre Formgebung so mechanisch kodiert ist, dass ein geeignetes Kalibrierelement nur in einer einzigen Position in der Kalibrierelementhalterung gehalten werden kann, insbesondere also keine Rotation des Kalibrierelements in der Kalibrierelementhalterung möglich ist. Die Kalibrierelementhalterung sollte also so ausgestaltet sein, dass praktisch alle Freiheitsgrade einer möglichen Bewegung des Kalibrierelements beschränkt sind, abgesehen möglicherweise von einem axialen Freiheitsgrad, um ein Kalibrierelement wieder aus der Kalibrierelementhalterung zu entnehmen. The Kalibrierelementhalterung can be configured, for example, sleeve-shaped, wherein the sleeve is preferably not ideally cylindrical, but is mechanically coded by their shape that a suitable calibration can be kept only in a single position in the Kalibrierelementhalterung, ie in particular no rotation of the calibration in the Calibration element holder is possible. The Kalibrierelementhalterung should therefore be designed so that virtually all degrees of freedom of a possible movement of the calibration are limited, except perhaps an axial degree of freedom to remove a calibration again from the Kalibrierelementhalterung.
Besonders vorteilhaft ist ein System aus der zuvor beschriebenen Referenzvorrichtung mit einer Kalibrierelementhalterung und mit einem geeigneten Kalibrierelement, wenn das von der Kalibrierelementhalterung ordnungsgemäß gehaltene Kalibrierelement mit seinen auf ihm vorgesehenen Markern deutlich beabstandet ist von der Referenz Vorrichtung, so dass die Sichtbarkeit des Kalibrierelements durch das 3D-Lokalisiersystem mit hoher Wahrscheinlichkeit gewährleistet ist. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Kalibrierelementhalterung so ausgestaltet ist, dass das gehaltene Kalibrierelement im Wesentli- chen in die entgegengesetzte Raumrichtung zeigt, in die das Befestigungselement erstreckt ist. Dies ist deshalb sinnvoll, weil Befestigungselemente üblicherweise im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Patienten in eine knöcherne Struktur eingebracht werden und ein in die entgegengesetzte Richtung ragendes Kalibrierelement von dem Patienten deshalb größtmöglich beabstandet ist, so dass die Sichtbarkeit des gehaltenen Kalibrierelements bei einem solchen System aus Referenzvorrichtung mit Kalibrierelementhalterung und Kalibrierelement besonders gut sichtbar ist. Particularly advantageous is a system of the above-described reference device with a Kalibrierelementhalterung and with a suitable calibration when properly held by the Kalibrierelementhalterung calibration element with its markers provided on it is clearly spaced from the reference device, so that the visibility of the calibration by the 3D Likalisiersystem is ensured with high probability. For this purpose, it is advantageous if the calibration element holder is designed such that the held calibration element essentially Chen in the opposite direction in space, in which the fastener is extended. This is useful because fasteners are usually introduced substantially perpendicular to the surface of the patient in a bony structure and a protruding in the opposite direction calibration is therefore as far as possible spaced from the patient, so that the visibility of the held calibration in such a system Reference device with calibration element holder and calibration is particularly visible.
Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Referenzvorrichtung und eines an sich aus dem Stand der Technik bekannten computerassistierten chirurgischen Systems mit einem 3D-Lokalisiersystem wird die zuvor aufgezeigte Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Überprüfung der räumlichen Lage der Referenzvorrichtung für einen chirurgischen Eingriff gelöst, wobei die Referenzvorrichtung mindestens ein Trägerelement, mindestens ein Befestigungselement zur Befestigung des Trägerelements an einer knöchernen Struktur des Patienten und mindestens einen Marker aufweist, das Trägerelement wenigstens eine erste Kalibrierelementhalterung aufweist, wobei die Kalibrierelementhalterung so ausgestaltet ist, dass ein Kalibrierelement räumlich definiert zum Trägerelement von der Kalibrierelementhalterung haltbar ist, und wobei die Referenzvorrichtung mit dem Befestigungselement in der knöchernen Struktur befestigt ist. Using the reference device according to the invention and a computer-assisted surgical system known per se with a 3D localization system, the above-described object is also achieved by a method for checking the spatial position of the reference device for a surgical procedure, wherein the reference device comprises at least one Carrier element, at least one fastening element for attachment of the support member to a bony structure of the patient and at least one marker, the support member having at least a first Kalibrierelementhalterung, wherein the Kalibrierelementhalterung is configured so that a calibration element is spatially defined to the support member of the Kalibrierelementhalterung durable, and wherein the reference device is secured to the fastener in the bony structure.
Das mit dem computerassistierten chirurgischen System durchführbare Verfahren sieht vor, dass zu einem ersten Zeitpunkt in zumindest die erste Kalibrierelementhalterung ein Kalibrierelement eingebracht wird und mit einem 3D-Lokalisiersystem die relative räumliche Lage des Kalibrierelements zu einer definierten Patientenstruktur als relative Sollposition erfasst und gespeichert wird. Dies ist ohne Weiteres mit der Referenz Vorrichtung möglich, die eine Kalibrierelementhalterung aufweist. Der genannte erste Zeitpunkt wird ein Zeitpunkt zu Beginn der Operation sein, beispielsweise der Zeitpunkt, zu dem auch das Matching des Bilddaten-Koordinatensystems mit dem Koordinatensystem des 3D-Lokalisiersystems erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt unmittelbar nach der Befestigung des Referenzelementes an der knöchernen Struktur ist davon auszugehen, dass alle Elemente der Referenzvorrichtung noch fest miteinander und mit der knöchernen Struktur verbunden sind und noch keine zu Fehlern führende Lockerungen aufgetreten sind. Durch das Einstecken des Kalibrierelements in die Kalibrierelementhalterung besteht praktisch eine definierte Relativlage des Kalibrierelements zu allen Punkten des Patienten, wobei es sinnvoll ist, hier einen solchen Punkt oder mehrere solche Punkte des Patienten auszuwählen, die ohne Schwierigkeiten mit einem von dem SD- Lokalisiersystem detektierbaren Werkzeug - Pointer, Kalibrierelement, chirurgisches Werkzeug - angetastet werden kann. The method that can be carried out with the computer-assisted surgical system provides that a calibration element is introduced into at least the first calibration element holder at a first time and the relative spatial position of the calibration element with respect to a defined patient structure is detected and stored as relative target position using a 3D localization system. This is readily possible with the reference device having a Kalibrierelementhalterung. Said first time will be a time at the beginning of the operation, for example, the time at which the matching of the image data coordinate system with the coordinate system of the 3D localization system. At this time, immediately after the attachment of the reference element to the bony structure, it can be assumed that all elements of the reference device are still firmly connected to each other and to the bony structure and not yet Errors leading to errors have occurred. By inserting the calibration element in the Kalibrierelementhalterung there is practically a defined relative position of the calibration to all points of the patient, it makes sense to select here such a point or more such points of the patient, without difficulty with a detectable by the SD localization tool - Pointer, calibration element, surgical tool - can be touched.
Ferner ist vorgesehen, dass zu einem zweiten Zeitpunkt in wenigstens die erste Kalibrierelementhalterung ein Kalibrierelement eingebracht wird und mit dem 3D-Lokalisiersystem die relative räumliche Lage des Kalibrierelements in der ersten Kalibrierelementhalterung zu der definierten Patientenstruktur als relative Istposition erfasst wird. Diese relative Istposition kann beispielsweise aufgenommen werden, indem zunächst die Position des Kalibrierelements in der Kalibrierelementhalterung erfasst wird und dann noch einmal die definierte Patientenstruktur angetastet wird, woraus sich die relative Istposition ergibt. Furthermore, it is provided that a calibration element is introduced into at least the first calibration element holder at a second time and the relative spatial position of the calibration element in the first calibration element holder relative to the defined patient structure is detected as a relative actual position with the 3D localization system. This relative actual position can be recorded, for example, by first detecting the position of the calibration element in the calibration element holder and then again scanning the defined patient structure, which results in the relative actual position.
Nach dem Erfassen von relativer Sollposition und relativer Istposition lassen sich beide Relativpositionen computergestützt vergleichen, entweder mit den technischen Mitteln des computerassistierten chirurgischen Systems oder durch eine weitere Auswerteeinheit, wobei es vorteilhaft ist, wenn eine Abweichung - beispielsweise jenseits einer akzeptierten Fehlergrenze - ausgegeben wird, so dass bei Erkennen einer Abweichung die Operation abgebrochen werden kann und beispielsweise zunächst eine Überprüfung der Befestigung der Referenzvorrichtung in der knöchernen Patientenstruktur erfolgen kann und eine Neukalibrierung des Systems veranlasst werden kann. Bei Überschreiten einer Fehlergrenze wird vorzugsweise ein akustisches Warnsignal ausgegeben und/oder es wird auf der Anzeigevorrichtung, auf dem die virtuelle Operations Situation dargestellt wird, eine Warnung ausgegeben. Insbesondere ist vorgesehen, dass die aus dem Vergleich von Soll- und Istposition erhaltene Information der Dislokation des Referenzelements zu einer korrigierten Darstellung der Position des virtuellen Operationswerkzeugs verwendet wird. After detecting the relative setpoint position and relative actual position, both relative positions can be compared computer-aided, either with the technical means of the computer-assisted surgical system or by another evaluation unit, it being advantageous if a deviation is output, for example beyond an accepted error limit that upon detection of a deviation, the operation can be aborted and, for example, first a review of the attachment of the reference device in the bony patient structure can be done and a recalibration of the system can be prompted. If an error limit is exceeded, an acoustic warning signal is preferably output and / or a warning is issued on the display device, on which the virtual operation situation is displayed. In particular, it is provided that the information obtained from the comparison of desired and actual position of the dislocation of the reference element is used for a corrected representation of the position of the virtual operation tool.
Das beschriebene Verfahren zur Erkennung der Verschiebung der Referenzvorrichtung gegenüber der Patientenstruktur ist unabhängig davon wie das Kalibrierelement in die Kalibrierelementhalterung verbracht wird und wie die definierte Patienten struktur angetastet wird, dies kann manuell aber auch robotisch geführt geschehen. Die Auswertung der erfassten relativen Soll- und Istposition geschieht jedenfalls automatisch, genau wie beispielsweise automatisch ein Steuersignal erzeugt werden kann, das zu einer geeigneten Beeinflussung des chirurgischen Werkzeugs dient, z. B. in Form einer Notabschaltung. The described method for detecting the displacement of the reference device relative to the patient structure is independent of this Calibration is spent in the calibration element holder and how the defined patient structure is touched, this can be done manually but also robotic guided. The evaluation of the detected relative desired and actual position happens in any case automatically, just as, for example, a control signal can be generated automatically, which serves to appropriately influence the surgical tool, for. B. in the form of an emergency shutdown.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Referenz Vorrichtung und die erfindungsgemäßen Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen In particular, there are now a large number of possibilities for designing and developing the reference apparatus and methods according to the invention. Reference is made on the one hand to the claims subordinate to claim 1, on the other hand, to the following description of embodiments in conjunction with the drawings. In the drawing show
Fig. 1 schematisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur computerassistierten Chirurgie, 1 shows schematically a method known from the prior art for computer-assisted surgery,
Fig. 2 schematisch das Verfahren gemäß Fig. 1 im Fehlerfall bei Verschiebung einer Referenzvorrichtung gegenüber einer knöchernen Patientenstruktur, 2 schematically shows the method according to FIG. 1 in the case of an error when a reference device is displaced relative to a bony patient structure, FIG.
Fig. 3 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren und eine erfindungsgemäße Referenzvorrichtung zur Erkennung von Fehlern in der Ausrichtung des Referenz Vorrichtung, 3 schematically the method according to the invention and a reference device according to the invention for detecting errors in the alignment of the reference device,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Referenzvorrichtung, 4 shows a further embodiment of a reference device according to the invention,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Referenzvorrichtung, 5 shows a further embodiment of a reference device according to the invention,
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Referenzvorrichtung mit Einstellvorrichtung am Befestigungselement und Fig. 7 ein letztes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Referenzvorrichtung mit mechanisch rotativ kodierter Kalibrierelementhalte- rung. 6 shows a reference device according to the invention with adjusting device on the fastening element and 7 shows a last exemplary embodiment of a reference device according to the invention with a mechanically rotationally coded calibration element holder.
Die Fig. 1 und 2 beschreiben die typische Vorgehensweise in der computerassistierten Chirurgie, wobei in Fig. 1 der fehlerfreie Fall und in Fig. 2 ein Fehlerfall aufgezeigt sind. Die Darstellungen sind mit Absicht schematisch gehalten, um das Prinzip zu verdeutlichen. FIGS. 1 and 2 describe the typical procedure in computer-assisted surgery, in which FIG. 1 shows the error-free case and in FIG. 2 an error case. The representations are intentionally schematic in order to clarify the principle.
In den Figuren la und 2a ist jeweils zu erkennen eine Referenzvorrichtung 1 mit einem Trägerelement 2 und mit einem Befestigungselement 3 zur Befestigung des Trägerelements 2 an einer knöchernen Patientenstruktur 4, die hier durch einen Kubus dargestellt ist. Das Trägerelement 2 weist mehrere von einem 3D-Lokalisiersystem erfassbare Marker 9 auf. In der Patientenstruktur 4 ist durch einen Kreis angedeutet ein operativ zu bearbeitender Bereich 6, der typischerweise innerhalb des Patienten liegt und Teil der knöchernen Struktur 4 ist. Die Referenzvorrichtung 1 ist beispielsweise über das Befestigungselement 3 in die knöcherne Struktur 4 eingeschraubt. An der Struktur 4 sind außerdem Fiducials 5 angebracht, die von einem Bilderfassungssystem zur Erstellung eines 3D-Bilddatensatzes der Patientenstruktur detektierbar sind. FIGS. 1a and 2a each show a reference device 1 with a carrier element 2 and with a fastening element 3 for fastening the carrier element 2 to a bony patient structure 4, which is represented here by a cube. The carrier element 2 has a plurality of markers 9 detectable by a 3D localization system. In the patient structure 4, indicated by a circle is an area 6 to be treated surgically, which typically lies within the patient and is part of the bony structure 4. The reference device 1 is screwed, for example via the fastener 3 in the bony structure 4. Attached to the structure 4 are also fiducials 5 which are detectable by an imaging system for creating a 3D image data set of the patient structure.
In den Fig. lb und 2b ist dargestellt die mit einem bildgebenden Verfahren präoperativ gewonnene Aufnahme der interessierenden Patientenstruktur 4 gemäß den Fig. la und 2a. In den Bilddaten ist die Patientenstruktur 4 und der interessierende Bereich 6 erfasst und segmentiert genauso wie auch die Fiducials 5 grundsätzlich in den Bilddaten enthalten sind. Es handelt sich um dreidimensionale Bilddaten, also um Bildinformationen, die in dem angedeuteten Bildkoordinatensystem 7 eine definierte räumliche Position haben, genau wie die in den Bilddaten enthaltenen Markerpositionen. 1 b and 2 b show the image of the patient structure 4 of interest according to FIGS. 1 a and 2 a preoperatively obtained by an imaging method. In the image data, the patient structure 4 and the region of interest 6 are recorded and segmented, just as the fiducials 5 are basically included in the image data. These are three-dimensional image data, ie image information which has a defined spatial position in the indicated image coordinate system 7, just like the marker positions contained in the image data.
In den Figuren lc und 2c ist die intraoperative Situation dargestellt. Die Referenzvorrichtung 1 ist hier nunmehr mit solchen Markern 9 ausgestattet, die durch das Lokalisiersystem 8 erfasst werden können. Mit dem SD- Lokalisiersystem 8 lassen sich demnach die Positionen der Marker 9 und damit der Referenzvorrichtung 1 im Koordinatensystem 10 des SD- Lokalisiersystems 8 beschreiben. Darüber hinaus ist in den Figuren lc und 2c ein Operationswerkzeug 11 dargestellt, dessen Lage im Koordinatensystem 10 des 3D-Lokalisiersystems 8 erfassbar ist, im vorliegenden Fall über die Marker 12. FIGS. 1c and 2c show the intraoperative situation. The reference device 1 is here now equipped with such markers 9, which can be detected by the Lokalisiersystem 8. Accordingly, the positions of the markers 9 and thus of the reference device 1 in the coordinate system 10 of the SD localization system 8 can be described with the SD localization system 8. In addition, in the figures lc and 2c an operation tool 11, the position of which can be detected in the coordinate system 10 of the 3D localization system 8, in the present case via the markers 12.
Um einen Bezug zwischen den Bilddaten in den Figuren lb und 2b und der Patientenstruktur 4 bzw. dem Operationswerkzeug 11 herzustellen und damit zwischen dem Koordinatensystem 7 der Bilddaten und dem Koordinatensystem 10 des 3D-Lokalisiersy stems 8, wird ein Abgleich zwischen sich entsprechenden Positionen im Bildbereich und im Überwachungsraum des SD- Lokalisiersystems 8 vorgenommen, beispielsweise durch Antasten der Fiduci- alpositionen 5; dies ist hier im Einzelnen nicht dargestellt. Über den ermittelten Zusammenhang zwischen den Koordinatensystemen 7, 10 ist es dann möglich, wie in Fig. ld dargestellt, in die Bilddaten der Patientenstruktur 4, hier symbolisiert durch den Kubus 4', auch das Operationswerkzeug 11 virtuell einzublenden. In den Fig. lb, ld und 2b, 2d sind die Abbildungen der Patientenstruktur 4 mit 4' bezeichnet und ist die Abbildung des Operationsinstruments 11 mit 1 Γ bezeichnet, da es sich nicht um die Patientenstruktur 4 bzw. das Operationswerkzeug 11 selbst handelt, sondern nur um deren Abbildungen. In order to establish a relationship between the image data in FIGS. 1 b and 2 b and the patient structure 4 or the surgical tool 11 and thus between the coordinate system 7 of the image data and the coordinate system 10 of the 3D localization system 8, an alignment between corresponding positions in the image area is established and made in the interstitial space of the SD localization system 8, for example by probing the fiducial positions 5; this is not shown here in detail. Via the determined relationship between the coordinate systems 7, 10, it is then possible, as shown in FIG. 1 d, to virtually overlay the surgical tool 11 into the image data of the patient structure 4, here symbolized by the cube 4 '. In FIGS. 1b, 1d and 2b, 2d, the illustrations of the patient structure 4 are labeled 4 ', and the image of the operation instrument 11 is designated 1 1, since it is not the patient structure 4 or the surgical tool 11 itself, but rather only to their pictures.
In Fig. 2 ist dargestellt, welche Auswirkungen eine Lageänderung des Referenzelementes 1 gegenüber der Patientenstruktur 4 hat. In Fig. 2c ist angedeutet, dass die Referenz Vorrichtung 1 gegenüber der knöchernen Struktur 4 verkippt wird (Pfeil), was während einer Operation durchaus passieren kann. Zwar wird auf eine möglichst rigide Verbindung zwischen der Referenzvorrichtung 1 und der knöchernen Struktur 4 geachtet, eine wie auch immer geartete Dislokation der Referenzvorrichtung 1 aus ihrer ursprünglichen Position kann jedoch vorkommen, insbesondere auch weil bei vielen Operationen zum Teil erhebliche Kräfte auf den Patienten ausgeübt werden und eine unbeabsichtigte Kraftwirkung auf die Referenzvorrichtung 1 zu einer Biegung, Drehung oder anderweitigen Verformung oder Verschiebung führen kann. FIG. 2 shows the effects of a change in position of the reference element 1 relative to the patient structure 4. In Fig. 2c is indicated that the reference device 1 is tilted relative to the bony structure 4 (arrow), which may well happen during an operation. Although attention is paid to the most rigid possible connection between the reference device 1 and the bony structure 4, any kind of dislocation of the reference device 1 from its original position may occur, in particular because in many operations considerable forces are sometimes exerted on the patient and unintentional force acting on the reference device 1 may result in bending, rotation, or other deformation or displacement.
Die virtuelle Einblendung des Operations Werkzeuges 11 in die Bildtaten gemäß Fig. 2d funktioniert jedoch nur dann, wenn die ursprüngliche Position der Referenzvorrichtung 1 gegenüber der Patientenstruktur 4 - wie bei der Kalibrierung und dem Matching des Systems - erhalten bleibt. Bei einer Verschie- bung der Referenzvorrichtung 1 geht der ursprüngliche Zusammenhang zwischen der Referenz Vorrichtung 1 und der Patientenstruktur 4 verloren, das computerassistierte System geht aber nach wie vor von fehlerfreien Verhältnissen aus. Das 3D-Lokalisiersystem erfasst unabhängig von der fehlerhaften Verschiebung der Referenzvorrichtung 1 die relative Position zwischen der Referenzvorrichtung 1 und dem Operationswerkzeug 11 richtig, wobei jedoch der Bezug zu den Bilddaten und damit zu der knöchernen Struktur 4 fehlerhaft ist. Im Ergebnis führt dies zu einer fehlerhaften Darstellung des Operationswerkzeugs 1 Γ in den Bilddaten der knöchernen Struktur 4, 4', was in Fig. 2d dargestellt ist. Obwohl sich das Operations Werkzeug 11 tatsächlich noch in der interessierenden Struktur 6 befindet (Figur 2c) wird das virtuelle Operationswerkzeug 1 Γ versetzt dazu dargestellt (Figur 2d). However, the virtual insertion of the operation tool 11 into the image data according to FIG. 2d only works if the original position of the reference device 1 relative to the patient structure 4 -as in the calibration and matching of the system-is preserved. In a move 1, the original relationship between the reference device 1 and the patient structure 4 is lost, but the computer-assisted system still assumes error-free conditions. The 3D localization system correctly detects the relative position between the reference device 1 and the operation tool 11 regardless of the erroneous displacement of the reference device 1, but the reference to the image data and thus to the bony structure 4 is erroneous. As a result, this leads to a faulty representation of the surgical tool 1 Γ in the image data of the bony structure 4, 4 ', which is shown in Fig. 2d. Although the operation tool 11 is actually still in the structure 6 of interest (FIG. 2 c), the virtual operation tool 1 Γ is shown offset thereto (FIG. 2 d).
Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Verschiebung der Referenzvorrichtung gegenüber der Patientenstruktur 4 sicher erkennbar zu machen, wobei zunächst die fehlerfreie relative räumliche Lage der Referenz Vorrichtung zu der Patientenstruktur 4 erfasst und gespeichert wird und zu einem späteren Zeitpunkt ebenso sicher die relative Lage der Referenzvorrichtung 1 gegenüber der Patientenstruktur 4 erfassbar ist und erfasst wird, so dass eine Abweichung zwischen den beiden Relativpositionen erkennbar ist. The idea of the present invention is to make the displacement of the reference device relative to the patient structure 4 reliably recognizable, wherein first the error-free relative spatial position of the reference device to the patient structure 4 is detected and stored and at a later time just as certain the relative position of the Reference device 1 relative to the patient structure 4 can be detected and is detected, so that a deviation between the two relative positions can be seen.
Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass das Trägerelement 2 mit wenigstens einer Kalibrierelementhalterung 13 ausgestattet ist, wobei die Kalibrierelementhalterung 13 so ausgestaltet ist, dass ein Kalibrierelement 14 räumlich definiert zum Trägerelement 2 von der Kalibrierelementhalterung 13 haltbar ist, wie dies beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist. Durch die Kalibrierelementhalterung 13 wird die Möglichkeit geschaffen, ein Kalibrierelement 14 eindeutig positioniert zu dem Trägerelement 2 und damit zu dem Marker 9 auszurichten, so dass über das Kalibrierelement 14, das für das SD- Lokalisiersystem 8 detektierbar ausgestaltet sein muss, immer ein eindeutiger Bezug zu der Patientenstruktur 4 herstellbar ist. Die Kalibrierelementhalterung 13 ist idealerweise so an dem Trägerelement 2 angeordnet, dass das von der Kalibrierelementhalterung 13 gehaltene Kalibrierelement 14 so von der Patientenstruktur 4 beabstandet ist, dass eine verbesserte Sichtbarkeit des Kalibrierelements 14 durch das 3D-Lokalisiersystem gegeben ist. Wenn die Lage des von der Kalibrierelementhalterung 13 definiert gehaltenen Kalibrierele- ments 14 bekannt ist, ist auch die Lage der Referenzvorrichtung 1 in Gänze bekannt. According to the invention, provision is made for the carrier element 2 to be equipped with at least one calibration element holder 13, wherein the calibration element holder 13 is designed so that a calibration element 14 can be held spatially defined to the carrier element 2 by the calibration element holder 13, as shown for example in FIG , By Kalibrierelementhalterung 13 the possibility is created, a calibration element 14 uniquely positioned to align the support member 2 and thus to the marker 9, so that on the calibration element 14, which must be designed detectable for the SD localization 8, always a clear reference to the patient structure 4 can be produced. The calibration element holder 13 is ideally arranged on the carrier element 2 in such a way that the calibration element 14 held by the calibration element holder 13 is so spaced from the patient structure 4 that improved visibility of the calibration element 14 is provided by the 3D localization system. If the position of the calibration element held by the calibration element holder 13 is ment 14 is known, the position of the reference device 1 is known in its entirety.
Wie in Fig. 3 oben dargestellt ist, ermöglicht die Kalibrierelementhalte- rung 13, dass zu einem ersten Zeitpunkt in die Kalibrierelementhalterung 13 das Kalibrierelement 14 eingebracht wird und mit dem 3D-Lokalisiersystem 8 die relative räumliche Lage des Kalibrierelements 14 zu einer definierten Patientenstruktur 15 als relative Sollposition PI erfasst und gespeichert werden kann. In dem fehlerfreien Fall (Figur 3 oben) hat das Kalibrierelement 14 zu praktisch jedem Punkt der Patientenstruktur 4 eine definierte Position, solange nur die Lage des Kalibrierelements 14 bekannt ist. In Fig. 3 ist die relative Sollposition zu der definierten Patientenstruktur 15 in Form einer Ecke des Kubus angedeutet. As shown in FIG. 3 above, the calibration element holder 13 allows the calibration element 14 to be introduced into the calibration element holder 13 at a first time and the relative spatial position of the calibration element 14 to a defined patient structure 15 with the 3D localization system 8 relative target position PI can be recorded and stored. In the error-free case (FIG. 3, top), the calibration element 14 has a defined position at virtually every point of the patient structure 4, as long as only the position of the calibration element 14 is known. In Fig. 3, the relative target position is indicated to the defined patient structure 15 in the form of a corner of the cube.
Die Referenz Vorrichtung ermöglicht, dass zu einem zweiten Zeitpunkt in die Kalibrierelementhalterung 13 das Kalibrierelement 14 eingebracht werden kann und mit dem 3D-Lokalisiersystem 8 die relative räumliche Lage des Kalibrierelements 14 in der Kalibrierelementhalterung 13 zu der definierten Patientenstruktur 15 als relative Istposition P2 erneut erfasst werden kann. Diese relative Position P2 kann beispielsweise durch Antasten der definierten Patientenstruktur 15 ermittelt werden. Mit der Kalibrierelementhalterung 13 ist diese relative Position P2 mit hoher Sicherheit feststellbar. Durch Vergleich der relativen Istposition P2 mit der relativen Sollposition PI kann eine Abweichung ermittelt werden, so dass eine Verschiebung der Referenz Vorrichtung 1 erkennbar ist. The reference device enables the calibration element 14 to be introduced into the calibration element holder 13 at a second time and the relative spatial position of the calibration element 14 in the calibration element holder 13 to the defined patient structure 15 to be re-detected as a relative actual position P2 with the 3D localization system 8 can. This relative position P2 can be determined, for example, by touching the defined patient structure 15. With the Kalibrierelementhalterung 13, this relative position P2 is detected with high security. By comparing the relative actual position P2 with the relative target position PI, a deviation can be determined so that a displacement of the reference device 1 can be detected.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Referenzvorrichtung 1 dargestellt. Das Trägerelement 2 ist hier rahmenartig ausgestaltet und weist stiftförmige Befestigungselemente 3 auf, mit denen eine möglichst rigide Verbindung mit einer knöchernen Struktur 4 des Patienten hergestellt werden kann. Auf dem Trägerelement 2 sind ferner Marker 9 realisiert, die eine Lageerkennung der Referenzvorrichtung durch ein 3D-Lokalisiersystem 8 ermöglichen. Die Kalibrierelementhalterung 13 ist so ausgestaltet, dass das Kalibrierelement 14 räumlich definiert zum Trägerelement 2 von der Kalibrierelementhalterung 13 haltbar ist. Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, ist das Kalibrierelement 14 ebenfalls mit Markern 9 ausgestattet, die eine eindeutige Lageerkennung des Kalibrie- relements 14 durch das 3D-Lokalisiersystem 8 ermöglichen. Die Kalibrierelementhalterung 13 ist hier so ausgestaltet, dass das Kalibrierelement 14 praktisch in eine Richtung entgegengesetzt zur Er Streckungsrichtung des Befestigungselements 3 weist. Dadurch wird konstruktiv gewährleistet, dass das Kalibrierelement 14 von dem Patienten weg weist und so durch ein SD- Lokalisiersystem 8 besonders gut detektierbar ist. 4, an embodiment of a reference device 1 is shown. The carrier element 2 is designed here like a frame and has pin-shaped fastening elements 3, with which the most rigid possible connection with a bony structure 4 of the patient can be made. Furthermore, markers 9 are realized on the carrier element 2, which enable a position detection of the reference device by means of a 3D localization system 8. The Kalibrierelementhalterung 13 is configured so that the calibration element 14 spatially defined to the support member 2 of the Kalibrierelementhalterung 13 is preserved. As can be seen in FIG. 4, the calibration element 14 is likewise equipped with markers 9, which provide a clear position detection of the calibration enable relements 14 through the 3D localization system 8. The calibration element holder 13 is configured here in such a way that the calibration element 14 points in a direction opposite to the direction of extension of the fastening element 3. As a result, it is structurally ensured that the calibration element 14 faces away from the patient and is thus particularly easily detectable by an SD localization system 8.
Anstelle des in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Kalibrierelements 14 sind auch andere Kalibrierelemente denkbar, beispielsweise in Form eines zu dem SD- Lokalisiersystem 8 gehörenden Pointers oder in Form eine Operationswerkzeugs, wobei Pointer und Operationswerkzeug ihrerseits mit Markern ausgestattet sind, so dass eine Erkennbarkeit durch das 3D-Lokalisiersystem gegeben ist. Instead of the calibration element 14 shown in FIGS. 4 to 7, other calibration elements are also conceivable, for example in the form of a pointer belonging to the SD localization system 8 or in the form of an operation tool, wherein the pointer and surgical tool are in turn provided with markers, so that a recognizability given by the 3D localization system.
In Fig. 5 ist dargestellt, dass ein Befestigungselement 3 eine Kalibrierelementhalterung 13 aufweist, die so ausgestaltet ist, dass ein in die Kalibrierelementhalterung 13 eingesetztes Kalibrierelement 14 räumlich definiert zum Befestigungselement 3 von der Kalibrierelementhalterung 13 haltbar ist. Dadurch wird zusätzlich die Möglichkeit eröffnet, ein Verbiegen der Referenzvorrichtung 1 in sich detektieren zu können. In Fig. 5 it is shown that a fastening element 3 has a Kalibrierelementhalterung 13, which is designed so that a calibration element 14 inserted into the Kalibrierelementhalterung 13 spatially defined to the fastener 3 of the Kalibrierelementhalterung 13 is preserved. This additionally opens up the possibility of being able to detect a bending of the reference device 1 in itself.
In Fig. 6 ist dargestellt, dass eines der Befestigungselemente 3 eine mechanische Einstellvorrichtung 16 aufweist, mit der die relative Position zwischen dem Trägerelement 2 und dem Befestigungselement 3 - bzw. einem Teil des Befestigungselements 3 - einstellbar ist, wobei die Referenzvorrichtung 1 dadurch insgesamt besser an eine Patientenstruktur angepasst werden kann, mit der die Referenz Vorrichtung 1 zu verbinden ist. FIG. 6 shows that one of the fastening elements 3 has a mechanical adjusting device 16 with which the relative position between the carrier element 2 and the fastening element 3 or a part of the fastening element 3 is adjustable, the reference device 1 thereby being better overall can be adapted to a patient structure with which the reference device 1 is to be connected.
In allen Figuren ist zu erkennen, dass die Kalibrierelementhalterung 13 hül- senförmig ausgestaltet ist, so dass das - zumindest teilweise - entsprechend bolzenförmig ausgestaltete Kalibrierelement 14 definiert in die Kalibrierelementhalterung 13 einsteckbar ist. Bei anderen - hier nicht dargestellten - Referenzvorrichtungen, kann die Kalibrierelementhalterung selbstverständlich auch bolzenförmig ausgestaltet sein, so dass ein entsprechend hülsenförmig ausgestaltetes Kalibrierelement auf die Kalibrierelementhalterung aufgesteckt werden kann. Auch andere Anschlüsse sind denkbar, beispielsweise in Form eines feinmechanischen Bajonettanschlusses. It can be seen in all the figures that the calibration element holder 13 is configured sleeve-shaped, so that the - at least partially - appropriately bolt-shaped configured calibration element 14 can be inserted into the calibration element holder 13. In other - not shown here - reference devices, the Kalibrierelementhalterung can of course also be configured bolt-shaped, so that a corresponding sleeve-shaped ausgestaltetes calibration placed on the Kalibrierelementhalterung can be. Other connections are conceivable, for example in the form of a precision mechanical bayonet connection.
Die dargestellten Kalibrierelementhalterungen 13 sind damit so ausgestaltet, dass das Kalibrierelement 14 axial definiert von der Kalibrierelementhalterung 13 haltbar ist. The illustrated Kalibrierelementhalterungen 13 are thus designed so that the calibration element 14 axially defined by the Kalibrierelementhalterung 13 is preserved.
In Fig. 7 ist dargestellt, dass die Kalibrierelementhalterung 13 so ausgestaltet ist, dass das axial eingesteckte Kalibrierelement 14 nicht mehr um die Steckachse rotiert werden kann, das Kalibrierelement 14 wird also axial und rotativ definiert von der Kalibrierelementhalterung 13 gehalten. In Fig. 7 it is shown that the Kalibrierelementhalterung 13 is designed so that the axially inserted calibration element 14 can not be rotated about the insertion axis, the calibration element 14 is thus axially and rotatably defined by the Kalibrierelementhalterung 13 held.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Referenzvorrichtung (1) für einen chirurgischen Eingriff im Bereich der computerassistierten Chirurgie, mit mindestens einem Trägerelement (2), mit mindestens einem Befestigungselement (3) zur Befestigung des Trägerelements (2) an einer knöchernen Struktur (4) und mit mindestens einem Marker (9), wobei das Trägerelement (2) den Marker (9) aufweist, 1. Reference device (1) for a surgical procedure in the field of computer-assisted surgery, comprising at least one support element (2), with at least one fastening element (3) for attachment of the support element (2) to a bony structure (4) and with at least one marker (9), wherein the carrier element (2) has the marker (9),
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das Trägerelement (2) wenigstens eine Kalibrierelementhalterung (13) aufweist, wobei die Kalibrierelementhalterung (13) so ausgestaltet ist, dass ein Kalibrierelement (14) räumlich definiert zum Trägerelement (2) von der Kalibrierelementhalterung (13) haltbar ist. in that the carrier element (2) has at least one calibration element holder (13), wherein the calibration element holder (13) is designed so that a calibration element (14) can be held spatially defined relative to the carrier element (2) by the calibration element holder (13).
2. Referenzvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Befestigungselement (3) wenigstens eine Kalibrierelementhalterung (13) aufweist, wobei die Kalibrierelementhalterung (13) so ausgestaltet ist, dass ein Kalibrierelement (14) räumlich definiert zum Befestigungselement (3) von der Kalibrierelementhalterung (13) haltbar ist. 2. Reference device (1) according to claim 1, characterized in that at least one fastening element (3) has at least one Kalibrierelementhalterung (13), wherein the Kalibrierelementhalterung (13) is designed so that a calibration element (14) spatially defined to the fastening element (3 ) from the Kalibrierelementhalterung (13) is durable.
3. Referenz Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Befestigungselemente (3) eine mechanische EinStellvorrichtung (16) umfasst, mit der die relative Position zwischen dem Trägerelement (2) und dem Befestigungselement (3) einstellbar ist. 3. Reference device (1) according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of the fastening elements (3) comprises a mechanical adjusting device (16), with the relative position between the support element (2) and the fastening element (3) adjustable is.
4. Referenzvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierelementhalterung (13) hülsenförmig oder bol- zenförmig ausgestaltet ist, so dass ein entsprechend bolzenförmig oder hülsenförmig ausgestaltetes Kalibrierelement (14) definiert in die Kalibrierelementhalterung (13) einsteckbar oder auf die Kalibrierelementhalterung aufsteckbar ist. 4. reference device (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Kalibrierelementhalterung (13) is sleeve-shaped or bolt-shaped, so that a corresponding bolt-shaped or sleeve-shaped ausgestaltetes calibration (14) defined in the Kalibrierelementhalterung (13) insertable or attachable to the calibration element holder.
5. Referenz Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierelementhalterung (13) so ausgestaltet ist, dass ein Kalibrierelement (14) axial definiert von der Kalibrierelementhalterung (13) haltbar ist. 5. Reference device (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Kalibrierelementhalterung (13) is designed so that a calibration element (14) axially defined by the Kalibrierelementhalterung (13) is durable.
6. Referenzvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierelementhalterung (13) so ausgestaltet ist, dass ein Kalibrierelement (14) axial und rotativ definiert von der Kalibrierelementhalterung (13) haltbar ist. 6. Reference device (1) according to claim 5, characterized in that the Kalibrierelementhalterung (13) is designed so that a calibration element (14) axially and rotatably defined by the Kalibrierelementhalterung (13) is durable.
7. Verfahren zur Überprüfung der räumlichen Lage einer Referenzvorrichtung (1) für einen chirurgischen Eingriff im Bereich der computerassistierten Chirurgie, wobei die Referenz Vorrichtung (1) mindestens ein Trägerelement (2), mindestens ein Befestigungselement (3) zur Befestigung des Trägerelements (2) an einer knöchernen Struktur (4) und mindestens einen Marker (9) aufweist, das Trägerelement (2) wenigstens eine erste Kalibrierelementhalterung (13) aufweist, wobei die Kalibrierelementhalterung (13) so ausgestaltet ist, dass ein Kalibrierelement (14) räumlich definiert zum Trägerelement (2) von der Kalibrierelementhalterung (13) haltbar ist, und wobei die Referenzvorrichtung (1) mit dem Befestigungselement (3) in der knöchernen Struktur (4) befestigt ist, 7. A method for checking the spatial position of a reference device (1) for a surgical procedure in the field of computer-assisted surgery, wherein the reference device (1) at least one support element (2), at least one fastening element (3) for fixing the support element (2) at a bony structure (4) and at least one marker (9), the carrier element (2) at least a first Kalibrierelementhalterung (13), wherein the Kalibrierelementhalterung (13) is configured so that a calibration element (14) spatially defined to the support element (2) is durable by the calibration element holder (13), and wherein the reference device (1) is secured to the attachment element (3) in the bony structure (4),
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zu einem ersten Zeitpunkt in zumindest die erste Kalibrierelementhalterung (13) ein Kalibrierelement (14) eingebracht wird und mit einem 3D-Lokalisiersystem (8) die relative räumliche Lage des Kalibrierelements (14) zu einer definierten Patientenstruktur (15) als relative Sollposition (Pj) erfasst und gespeichert wird, dass zu einem zweiten Zeitpunkt in wenigstens die erste Kalibrierelementhalterung (13) das Kalibrierelement (14) eingebracht wird und mit dem SD- Lokalisiersystem (8) die relative räumliche Lage des Kalibrierelements (14) in der ersten Kalibrierelementhalterung (13) zu der definierten Patientenstruktur (15) als relative Istposition (P2) erfasst wird, dass eine Abweichung der relativen Istposition (P2) von der relativen Sollposition (P^ von einer Auswerteeinheit ermittelt wird. a calibration element (14) is introduced into at least the first calibration element holder (13) at a first time, and the relative spatial position of the calibration element (14) with a 3D localization system (8) to a defined patient structure (15) as a relative nominal position (Pj ) is detected and stored, that at a second time in at least the first Kalibrierelementhalterung (13) the calibration element (14) is introduced and with the SD localization system (8) the relative spatial position of the calibration element (14) in the first Kalibrierelementhalterung (13 ) to the defined patient structure (15) is detected as a relative actual position (P 2 ), that a deviation of the relative actual position (P 2 ) from the relative desired position (P ^) is determined by an evaluation unit.
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