DE20310618U1 - Marker for surgical navigation system, has radiation sources such as infrared diodes or ultrasound sources, powered by super-capacitor - Google Patents
Marker for surgical navigation system, has radiation sources such as infrared diodes or ultrasound sources, powered by super-capacitorInfo
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Abstract
Description
A 57 472 u AESCULAP AG & Co. KGA 57 472 u AESCULAP AG & Co. KG
u-214 Am Aesculap-Platzu-214 Am Aesculap-Platz
11. JuIi 2003 78532 Tuttlingen11 July 2003 78532 Tuttlingen
Die Erfindung betrifft ein Markierelement für ein chirurgisches Navigationssystem mit mehreren im Abstand zueinander angeordneten elektrisch aktivierbaren Strahlungsquellen und einer Energiequelle für diese.The invention relates to a marking element for a surgical navigation system with several electrically activatable radiation sources arranged at a distance from one another and an energy source for these.
Navigationssysteme werden bei chirurgischen Operationen in zunehmendem Maße eingesetzt, um die Lage von Körperteilen und / oder Instrumenten sowie Implantaten etc. relativ zueinander zu bestimmen. Es ist dazu üblich, an den Teilen, deren Lage und Orientierung im Raum und damit relativ zueinander bestimmt werden sollen, sogenannte Markierelemente starr festzulegen, beispielsweise über Knochenschrauben an Knochen oder über Halter an Instrumenten, und diese Markierelemente tragen im Abstand zueinander mehrere Strahlungssender, beispielsweise Infrarotdioden oder Ultraschallsender, die eine Strahlung aussenden. Diese Strahlung wird von einem Kamerasystem des Navigationssystems, das mehrere räumlich voneinander entfernte Kameras umfaßt, aufgenommen, und aus der aufgenommenen Strahlung kann die Lage und Orientierung des Markierelementes im Raum bestimmt werden. Diese Daten werden einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt und ermöglichen die Überwachung der Lage und Orientierung von Körperteilen, chirurgischen Instrumenten, Implantaten oder dergleichen relativ zueinander.Navigation systems are increasingly being used in surgical operations to determine the position of body parts and/or instruments and implants, etc. relative to one another. It is common practice to rigidly attach so-called marking elements to the parts whose position and orientation in space and thus relative to one another are to be determined, for example using bone screws on bones or holders on instruments. These marking elements carry several radiation transmitters, such as infrared diodes or ultrasound transmitters, which emit radiation at a distance from one another. This radiation is recorded by a camera system of the navigation system, which comprises several spatially separated cameras, and the position and orientation of the marking element in space can be determined from the recorded radiation. This data is fed to a data processing system and enables the position and orientation of body parts, surgical instruments, implants or the like relative to one another to be monitored.
Die Markierelemente dieser Art müssen zur Versorgung der Strahlungsquellen mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sein, häufig erfolgt dies über Kabel. Dies ist unbequem und bei Operationen störend, daher ist es auch be-The marking elements of this type must be connected to an electrical power source to supply the radiation sources, often this is done via cables. This is inconvenient and disruptive during operations, so it is also
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kannt, derartige Markierelemente mit herkömmlichen wiederaufladbaren oder nicht wiederaufladbaren Batterien zu bestücken, um damit die Strahlungsquellen zu aktivieren. Dabei ergeben sich allerdings Schwierigkeiten bei der Sterilisation der Markierelemente, da die Batterien für die hohen Temperaturen bei der Sterilisation nicht ausgelegt sind und daher bei der Sterilisation beschädigt werden können. Ein Schutz der Batterien durch thermische Isolation ist kaum möglich, da die Batterien regelmäßig mit Überdurckventilen ausgestattet sind, die eine Kapselung und damit eine thermische Isolation verbieten. Andererseits ist es fast unmöglich, die Markierelemente ohne Batterien zu sterilisieren und dann nicht sterile Batterien in sterile Markierelemente so einzusetzen, daß die Markierelemente insgesamt steril bleiben.It is known to equip such marking elements with conventional rechargeable or non-rechargeable batteries in order to activate the radiation sources. However, this creates difficulties when sterilizing the marking elements, as the batteries are not designed for the high temperatures during sterilization and can therefore be damaged during sterilization. Protecting the batteries by thermal insulation is hardly possible, as the batteries are usually equipped with pressure relief valves that prohibit encapsulation and thus thermal insulation. On the other hand, it is almost impossible to sterilize the marking elements without batteries and then insert non-sterile batteries into sterile marking elements in such a way that the marking elements remain sterile overall.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer Energiequelle für aktiv strahlende Markierelemente, die diese Probleme lösen und die außerdem die Verwendung von Kabeln unnötig machen.There is therefore a need for an energy source for actively radiating marking elements that solves these problems and also eliminates the need for cables.
Diese Aufgabe wird bei einem Markierelement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Energiequelle ein Superkondensator ist.This object is achieved according to the invention in a marking element of the type described above in that the energy source is a supercapacitor.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß Superkondensatoren als Energiequelle in Markierelementen diese Schwierigkeiten überwinden können. Derartige Superkondensatoren sind elektrochemische Kondensatoren, mit denen sehr hohe Kapazitäten in der Größenordnung einiger hundert Farad erreicht werden können und die in der Regel durch Verwendung elektrochemischer Redoxreaktionen arbeiten. An sich sind derartige Superkondensatoren beispielsweise aus der DE 100 53 276 Cl bekannt.Surprisingly, it has been found that supercapacitors as an energy source in marking elements can overcome these difficulties. Such supercapacitors are electrochemical capacitors with which very high capacitances in the order of several hundred farads can be achieved and which generally work by using electrochemical redox reactions. Such supercapacitors are known per se, for example from DE 100 53 276 Cl.
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Superkondensatoren können unter bestimmten Bedingungen auch bei relativ hohen Temperaturen schadensfrei betrieben werden, beispielsweise bei Temperaturen bis 140 0C, so daß sie bei entsprechender Abkapselung auch einen Sterilisiervorgang der üblichen Art schadensfrei überstehen, das Markierelement kann also zusammen mit dem Superkondensator sterilisiert werden.Under certain conditions, supercapacitors can be operated without damage even at relatively high temperatures, for example at temperatures up to 140 0 C, so that with appropriate encapsulation they can also survive a conventional sterilization process without damage, i.e. the marking element can be sterilized together with the supercapacitor.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß der Superkondensator von einer thermischen Isolierung umgeben ist. Da ein Superkondensator keine Entlüftung benötigt wie herkömmliche Batterien, ist dies ohne weiteres möglich.In particular, it can be provided that the supercapacitor is surrounded by thermal insulation. Since a supercapacitor does not require ventilation like conventional batteries, this is easily possible.
Weiterhin ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß dem Superkondensator eine Ladeschaltung zugeordnet ist, zu der elektrische Energie von einer externen Aufladeeinrichtung berührungslos übertragbar ist, beispielsweise induktiv. Es ist dadurch möglich, den Superkondensator aufzuladen, ohne daß das Markierelement oder der Superkondensator die Aufladeeinrichtung berühren, diese kann also gegebenenfalls unsteril bleiben und beispielsweise durch eine Folie von dem sterilen Markierelement mit Superkondensator getrennt bleiben. Trotzdem ist über die Ladeschaltung eine Aufladung des Superkondensators möglich. Diese Aufladung erfolgt bei Superkondensatoren in sehr kurzer Zeit, beispielsweise in der Größenordnung zwischen 1 und 30 Sekunden, mit einer Ladung können die Strahlungsquellen eines Markierelementes bei den üblicherweise erreichbaren Kapazitäten derartiger Superkondensatoren bis zu 30 Minuten betrieben werden, erst nach dieser Zeit ist eine erneute Aufladung notwendig, die einfach dadurch erfolgen kann, daß das Markierelement mit dem Superkondensator neben eine Aufladeeinrichtung gelegt wird.Furthermore, according to a preferred embodiment, the supercapacitor is assigned a charging circuit to which electrical energy can be transferred from an external charging device without contact, for example inductively. This makes it possible to charge the supercapacitor without the marking element or the supercapacitor touching the charging device, which can therefore remain unsterile if necessary and, for example, be separated from the sterile marking element with supercapacitor by a film. Nevertheless, the supercapacitor can be charged via the charging circuit. With supercapacitors, this charging takes place in a very short time, for example in the order of between 1 and 30 seconds. With one charge, the radiation sources of a marking element can be operated for up to 30 minutes with the capacities usually achievable with such supercapacitors. Only after this time is recharging necessary, which can be done simply by placing the marking element with the supercapacitor next to a charging device.
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Der Superkondensator und die Ladeschaltung können in einem gemeinsamen Gehäuse dicht eingeschlossen sein, dieses Gehäuse kann mit einer thermischen Isolierung versehen werden.The supercapacitor and the charging circuit can be tightly enclosed in a common housing, which can be provided with thermal insulation.
Die Strahlungsquellen können in herkömmlicher Weise Infrarotdioden oder Ultraschallsender sein, grundsätzlich sind auch andere Strahlungsquellen möglich, die elektrische oder Ultraschallwellen absenden.The radiation sources can be conventional infrared diodes or ultrasonic transmitters, but in principle other radiation sources that emit electrical or ultrasonic waves are also possible.
Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf ein Markierelement der beschriebenen Art, sondern auch auf ein Navigationssystem, in dem derartige Markierelemente eingesetzt werden.The invention relates not only to a marking element of the type described, but also to a navigation system in which such marking elements are used.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt schematisch ein Navigationssystem mit einem Markierelement mit Infrarotdioden und einem Superkondensator als Energiequelle.The following description of a preferred embodiment of the invention serves to explain it in more detail in conjunction with the drawing. The drawing schematically shows a navigation system with a marking element with infrared diodes and a supercapacitor as an energy source.
Das in der Zeichnung dargestellte Navigationssystem 1 umfaßt drei im Abstand zueinander angeordnete Empfangseinrichtungen 2, 3, 4, die jeweils von einem Markierelement 5 ausgesandte elektromagnetische oder Ultraschallstrahlung empfangen können. Das Markierelement 5 trägt im Abstand zueinander und relativ zueinander unverschiebbar eine größere Anzahl von Sendeeinrichtungen 6, 7, 8, 9, 10, 11, beispielsweise Infrarotdioden.The navigation system 1 shown in the drawing comprises three receiving devices 2, 3, 4 arranged at a distance from one another, each of which can receive electromagnetic or ultrasonic radiation emitted by a marking element 5. The marking element 5 carries a large number of transmitting devices 6, 7, 8, 9, 10, 11, for example infrared diodes, at a distance from one another and immovable relative to one another.
Diese Sendeeinrichtungen 6 bis 11 sind an einem Träger 12 befestigt, der an einer Struktur, deren Lage und Orientierung im Raum bestimmt werden soll,These transmitting devices 6 to 11 are attached to a carrier 12 which is attached to a structure whose position and orientation in space is to be determined.
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starr festgelegt ist, im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Träger 12 über eine Knochenschraube 13 starr mit einem Knochen 14 am Bein eines zu operierenden Patienten verbunden. Am Träger 12 ist in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 15 ein Superkondensator 16 angeordnet, außerdem eine nicht näher dargestellte elektrische Schaltung, mit welcher der Superkondensator 16 aufgeladen werden kann, wenn dieser Schaltung elektrische Energie zugeführt wird. Bei dem Superkondensator 16 handelt es sich um einen elektrochemischen Kondensator mit hoher Kapazität, beispielsweise in der Größenordnung von 100 Farad. Das Gehäuse 15 kann von einer thermischen Isolation umgeben sein, die in der Zeichnung nicht speziell dargestellt ist, gegebenenfalls kann das Gehäuse 15 selbst thermisch isoliert ausgebildet sein.is rigidly fixed, in the embodiment shown the carrier 12 is rigidly connected to a bone 14 on the leg of a patient to be operated on via a bone screw 13. A supercapacitor 16 is arranged on the carrier 12 in a hermetically sealed housing 15, as well as an electrical circuit (not shown in detail) with which the supercapacitor 16 can be charged when electrical energy is supplied to this circuit. The supercapacitor 16 is an electrochemical capacitor with a high capacity, for example in the order of 100 farads. The housing 15 can be surrounded by thermal insulation, which is not specifically shown in the drawing, if necessary the housing 15 itself can be designed to be thermally insulated.
Der Superkondensator 16 versorgt die Sendeeinrichtungen 6 bis 11 mit elektrischer Energie, so daß diese Strahlung absenden, die von den Empfangseinrichtungen 2, 3, 4 aufgefangen wird. Die entsprechenden Signale werden einer Datenverarbeitungsanlage 17 zugeführt, die aufgrund dieser Signale die Abstände der Sendeeinrichtungen 6 bis 11 des Markierelementes 5 von den einzelnen Empfangseinrichtungen 2 bis 4 bestimmt und daraus die Lage und Orientierung des Markierelementes 5 relativ zu der ortsfesten Empfangseinrichtung 2, 3, 4.The supercapacitor 16 supplies the transmitting devices 6 to 11 with electrical energy so that they emit radiation which is picked up by the receiving devices 2, 3, 4. The corresponding signals are fed to a data processing system 17 which, based on these signals, determines the distances of the transmitting devices 6 to 11 of the marking element 5 from the individual receiving devices 2 to 4 and from this the position and orientation of the marking element 5 relative to the stationary receiving device 2, 3, 4.
Entsprechende Positions- und Orientierungsdaten können dann verwendet werden, um beispielsweise die Lage des Knochens 14 auf einem Bildschirm 18 darzustellen.Corresponding position and orientation data can then be used, for example, to display the position of the bone 14 on a screen 18.
In gleicher Weise kann ein weiteres Markierelement 5 an einem chirurgischen Instrument befestigt werden, mit dem der Knochen 14 zu bearbeiten ist. Es istIn the same way, another marking element 5 can be attached to a surgical instrument with which the bone 14 is to be processed. It is
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dann möglich, die Lage und Orientierung sowohl des Knochens als auch des Instrumentes zu bestimmen und auf dem Bildschirm 18 darzustellen, so daß der Operateur deren relative Zuordnung am Bildschirm ablesen kann.It is then possible to determine the position and orientation of both the bone and the instrument and to display them on the screen 18 so that the surgeon can read their relative assignment on the screen.
Der Superkondensator 16 verfügt nur über eine begrenzte Ladekapazität und damit über einen begrenzten Energieinhalt, so daß die Sendeeinrichtungen 6 bis 11 des Markierelementes 5 nur über einen begrenzten Zeitraum versorgt werden können, beispielsweise über einen Zeitraum von 30 Minuten. Danach ist es möglich, den Superkondensator 16 innerhalb sehr kurzer Zeit wieder aufzuladen. Dies kann mit Hilfe eines Ladegerätes 19 erfolgen, das seinerseits mit einer elektrischen Spannungsquelle 20 verbunden ist. Das Ladegerät 19 enthält eine Schaltung, die mit der Ladeschaltung im Inneren des Gehäuses zusammenwirken kann, beispielsweise mittels eines induktiv arbeitenden Übertragers, durch den Energie vom Ladegerät 19 auf die Ladeschaltung übertragen wird, wenn die Ladeschaltung unmittelbar neben dem Ladegerät 19 angeordnet ist. Dazu kann eine entsprechende Halterung vorgesehen sein, die das Markierelement 5 am Ladegerät 19 so positioniert, daß eine Aufladung des Superkondensators 16 erfolgt. Zu diesem Zweck kann der Träger 12 mit der Knochenschraube 13 über eine lösbare Halterung 21 verbunden sein, über die der Träger 12 nach dem Aufladevorgang in genau definierter Position wieder mit der Knochenschraube 13 zu verbinden ist.The supercapacitor 16 has only a limited charging capacity and thus a limited energy content, so that the transmitting devices 6 to 11 of the marking element 5 can only be supplied for a limited period of time, for example over a period of 30 minutes. It is then possible to recharge the supercapacitor 16 within a very short time. This can be done with the aid of a charging device 19, which in turn is connected to an electrical voltage source 20. The charging device 19 contains a circuit that can interact with the charging circuit inside the housing, for example by means of an inductively operating transformer, through which energy is transferred from the charging device 19 to the charging circuit when the charging circuit is arranged directly next to the charging device 19. For this purpose, a corresponding holder can be provided which positions the marking element 5 on the charging device 19 in such a way that the supercapacitor 16 is charged. For this purpose, the carrier 12 can be connected to the bone screw 13 via a detachable holder 21, via which the carrier 12 can be reconnected to the bone screw 13 in a precisely defined position after the charging process.
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