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WO2005000129A1 - Method and device for orienting a machining tool - Google Patents

Method and device for orienting a machining tool Download PDF

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Publication number
WO2005000129A1
WO2005000129A1 PCT/EP2003/006806 EP0306806W WO2005000129A1 WO 2005000129 A1 WO2005000129 A1 WO 2005000129A1 EP 0306806 W EP0306806 W EP 0306806W WO 2005000129 A1 WO2005000129 A1 WO 2005000129A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
workpiece
viewing
orientation
display device
relative
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2003/006806
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
François LEITNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aesculap AG
Original Assignee
Aesculap AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aesculap AG filed Critical Aesculap AG
Priority to PCT/EP2003/006806 priority Critical patent/WO2005000129A1/en
Priority to AU2003246613A priority patent/AU2003246613A1/en
Publication of WO2005000129A1 publication Critical patent/WO2005000129A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/22—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring existing or desired position of tool or work
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    • A61B17/16—Instruments for performing osteoclasis; Drills or chisels for bones; Trepans
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations

Definitions

  • the invention relates to a method for orienting a machining tool relative to a workpiece with a viewing device for the workpiece.
  • a machining tool can be oriented relative to a workpiece simply by viewing the point of engagement of the machining tool via a viewing device and checking whether the workpiece is in the desired position relative to the viewing device. When this is achieved, the machining tool can be given a defined position relative to the viewing device, so that it is then ensured that the machining tool is also in a predetermined relative position and orientation to the workpiece.
  • Such tasks often occur in the medical field when an implant has to be oriented in the body, for example a bone nail in a long bone. It is then necessary to process the surrounding bone relative to the implant; for example, a hole must be drilled in the bone which opens with an opening in the implant. plantates. Only one X-ray device can be considered as the viewing device, and the relative adjustment of the viewing device relative to the workpiece is associated with longer X-ray radiation. This is detrimental to the patient, but particularly to the surgeon who frequently carries out such operations and is then exposed to the X-ray radiation of the viewing device for a prolonged period each time.
  • the viewing device is aimed at the workpiece in such a way that its optical axis is directed at the workpiece
  • a model of the workpiece and a marking that corresponds to a defined orientation of the machining tool are displayed on a second display device
  • the model is brought into the desired position and orientation on the second display device by shifting and / or rotating the model relative to the machining mark
  • the model is brought in on the second display device by displacing and / or rotating the model relative to the machining mark a position and orientation which corresponds to the position and orientation of the workpiece relative to the observation mark on the first display device, and the values of the rotations and displacements of the model which have been made are determined
  • a model of the workpiece, and a fictitious one, is displayed on the second display device with knowledge of the geometric data of the workpiece
  • the machining axis is arranged relative to the model as it is desired, for example, it is directed precisely at the area of the workpiece to be machined, and the workpiece is oriented exactly in the manner of the machining direction as is desired. This can easily be achieved on the basis of the previously known geometric data of the workpiece, for example the machining direction can be aligned with a hole in the workpiece.
  • the user then changes the position of the model of the workpiece and the orientation of the workpiece on the second display device such that the image on the second display device corresponds to the image on the first display device.
  • the originally set optimal orientation and position are misaligned on the second display device, and this misalignment corresponds to the misalignment of the optical axis relative to the workpiece.
  • the size of the rotation of the workpiece and the displacement of the workpiece is determined, and this size is a measure of how much the optical axis of the viewing device deviates from the desired machining direction relative to the workpiece.
  • This deviation can now be used to calculate the desired optimal position and orientation from the actual orientation and position of the optical axis of the viewing device, and this position and orientation is then used to orient the machining tool relative to the workpiece, for example along it corrected optical axis to align the longitudinal axis of a drill.
  • the user only has to carry out an actual observation of the workpiece once, all other processes take place via the second display device and the displacement and rotation of the workpiece relative to the observation mark shown there.
  • the viewing device is rotated and / or shifted relative to the workpiece in accordance with the determined values and then an image of the workpiece and the viewing marking is generated on the first display device. It can be used to check whether the adjustment of the optical axis has succeeded so well that the desired area of the workpiece and the desired orientation of the optical axis relative to the workpiece have actually been achieved.
  • steps d), e) and g) can be repeated in accordance with a preferred embodiment until an optimal adjustment is achieved.
  • the position and orientation of the viewing device and / or the workpiece and / or the machining tool is determined by means of a navigation system.
  • a navigation system which can determine the position of an object in space by providing the object with marking elements which are arranged at a distance from one another and which are "seen" by several cameras arranged at a distance from one another.
  • marking elements which are arranged at a distance from one another and which are "seen" by several cameras arranged at a distance from one another.
  • Such systems are known per se.
  • an X-ray device is used as the viewing device.
  • a guide gauge can preferably be used to orient the machining tool relative to the workpiece, and its position and orientation are also advantageously determined using a navigation system.
  • the machining tool can be a drill, for example.
  • machining tool is accordingly to be understood broadly; the machining tool can also simply be a button that determines a direction, or else a tool that actually carries out machining on the workpiece, for example making a hole.
  • the use of the described method is particularly advantageous when orienting a drilling device relative to bores in a bone nail.
  • the invention further relates to a device for orienting a machining tool relative to a workpiece with a viewing device for the workpiece.
  • a device for orienting a machining tool relative to a workpiece with a viewing device for the workpiece is provided with a first display device for displaying an image of the workpiece generated by the observation device and a viewing marking that corresponds to the optical axis of the viewing device, with a second display device for displaying a model of the workpiece and a marking that corresponds to a defined orientation corresponds to the machining tool, with an adjusting device for changing the position and / or orientation of the viewing device relative to the workpiece, and with a controller assigned to the second display device for shifting and / or rotating the image of the workpiece on the second display device and for determining the values of this shift and / or rotation.
  • control corrects the position and / or orientation of the optical axis of the viewing device in accordance with the values determined in this way and thus determines a working direction for the machining tool.
  • control rotates and / or shifts the viewing device relative to the workpiece according to the determined values and then on the first display device creates an image of the workpiece and the observation mark.
  • a navigation system which determines the position and orientation of the viewing device and / or the workpiece and / or the machining tool.
  • the viewing device can preferably be an X-ray device.
  • a guide gauge can be provided for orienting the machining tool relative to the workpiece, the position and orientation of which is preferably determined by means of a navigation system.
  • the processing tool can be a drill, the workpiece can preferably be an implant, in particular a bone nail.
  • Figure 1 is a schematic view of a device for orienting a machining tool relative to a workpiece with two display devices;
  • Figure 2 an image on the first display device
  • Figure 3 an image on the second display device.
  • the invention is explained using the example of a bone nail 1, which is inserted as a splint of a tubular bone 2 and which carries cross bores 3, through which locking screws are inserted, which are screwed into the material of the surrounding tubular bone 2.
  • a bore must be made in the long bones 2, which is aligned with a transverse bore 3 of the bone nail 1, and for this purpose a drilling tool must be aligned with one of the transverse bores 3 in the bone nail 1 with regard to its orientation and position be aligned, although these cross bores 3 are arranged inside the tubular bone 2 and are not visible from the outside.
  • Drilling jigs can be used for this purpose, which are mechanically connected to the upper end of the tubular bone 2, but they only function properly if the bone nail 1 is not deformed during the implantation. In fact, however, such deformations of the bone nail 1 occur during implantation, for example the bone nail 1 can deform about its longitudinal axis due to torsion or due to bending, and then the transverse bore 3 can no longer be reliably hit with such mechanical drilling jigs.
  • the area of the transverse bore 3 is therefore viewed with X-rays so that the contour of the bone nail 1 can be seen in the X-ray image.
  • a circular hole appears circular in the x-ray image only when the optical axis of the x-ray device is exactly aligned with the transverse hole 3, whereas when the screw is rotated, the cross hole appears oval or elliptical in cross section.
  • the x-ray device is shifted and rotated until an optimal orientation is found, in which case the x-ray radiation must be directed continuously at the area of the transverse bore 3.
  • a viewing device in the form of a so-called C-arm 4 is also used in the method described here, it is a device with a C-shaped frame 5 with two parallel legs 6 and one connecting them Web 7. At the free ends of the two legs 6 there is an X-ray source 8 and an X-ray receiver 9, the X-rays are directed from the X-ray source 8 along an optical axis 10 to the X-ray receiver 9, the optical axis 10 runs parallel to the web 7.
  • the dimensions of the C-arm are selected so that the body part to be viewed can be inserted between the X-ray source 8 and the X-ray receiver 9, so that the area of the transverse bore 3 in the long bones 2 is irradiated.
  • the C-arm is mounted on a displacement device 11 so that its position can be changed relative to the long bone 2, this displacement device 11 is controlled by a controller 13 via a control line 12.
  • This control 13 is connected to a navigation system 14 which has a plurality of transmitting and receiving devices 15 for electromagnetic radiation which are arranged at a distance from one another and which direct the radiation onto a marking element 16 and from there receive it again, which is rigid with the C-arm 4 connected is.
  • the marking element 16 has a plurality of reflection elements 17 arranged at a distance from one another, so that the navigation system can determine the position of the marking element 16 and thus of the C-arm 4 in space.
  • a corresponding marking element 18 is also rigidly attached to the bone nail 1, so that its position in space can also be determined by the navigation system 14.
  • This guide gauge 19 is used to guide a processing tool, not shown in the drawing, so that the desired machining can be carried out on the long bones 2, for example a drill which is guided by the guide gauge 19 to the transverse bore 3 and guided by the latter.
  • a robot or the like in order to maintain the specific machining direction relative to the bone nail 1 and the long bone 2.
  • the x-ray receiving device 9 is connected via a control line 21 to a first display device 22, for example a conventional monitor.
  • a first display device 22 for example a conventional monitor.
  • An image of the object irradiated with X-rays in the C-arm is depicted on this first display device 22, specifically in one plane, ie in the example shown a part of the tubular bone 2 with the Bone nail 1 inserted therein.
  • a viewing marker 23 is displayed on the first display device 22. This corresponds to the point of penetration of the optical axis 10 of the C-arm 4 through the viewing plane, in other words this viewing marking 23, which can have the shape of a cross, for example, shows how the optical axis 10 runs relative to the bone nail 1. If the optical axis is exactly aligned with a transverse bore 3, the viewing marking 23 is located directly above the image of the corresponding transverse bore 3 on the first display device 22, however, in the case of another adjustment, it is at a distance from it.
  • the controller 13 is also connected to a second display device 24, which can also have the form of a monitor.
  • a model of the bone nail 1 is displayed on this second display device 24, for this purpose data records are used which represent the geometric data of the bone nail 1 used, namely of the undeformed bone nail 1.
  • a viewing marking 25 is shown on the second display device 24, for example also in FIG Shape of a cross, this results from the position of the point of intersection of a machining axis through the viewing plane. This machining axis corresponds to the axis along which the machining tool is to be oriented.
  • the procedure is as follows: First, the C-arm 4 is arranged relative to the long bones 2 so that its optical axis 10 is approximately aligned with the transverse bore 3. This can be done, for example, by means of a mechanical drilling jig that is connected to the bone nail 1. Drilling jigs of this type are frequently used in order to make a bore in the tubular bones 2 which coincides approximately with the orientation of the transverse bore 3. If the bone nail 1 is not deformed, this succeeds quite well, less well if the bone nail 1 has undergone deformation. In any case, such a mechanical drilling jig can enable a first rough adjustment of the C-arm 4 relative to the bone nail 1.
  • An image of the tubular bone 2 is then obtained on the first display device 22, which, in the event of an unknown deformation of the bone nail 1, is arranged in such a way that the viewing marking 23, which is defined by the optical axis 10 of the C-arm 4, does not have one Cross bore 3 coincides, moreover, in the general case, the bone nail 1 will be rotated about its longitudinal axis, so that the cross bores 3 do not show a circular cross section, but an oval or elliptical one.
  • the controller shows the model of the bone nail 1 on the second display device 24.
  • the user has the option of using the controller 13 to shift and rotate this image of the model.
  • the model is positioned so that the desired transverse bore 3 exactly coincides with the observation mark 25 and that the bone nail 1 is rotated about its longitudinal axis so that the transverse bore 3 has a circular cross section. It is therefore assumed that the machining axis is exactly aligned with the transverse bore 3.
  • This can by different input devices, for example by a foot switch 26, by a keyboard, a mouse 27 or the like.
  • the control saves this starting position, which corresponds to an optimal orientation of the model relative to the observation mark 25 and thus the machining direction.
  • the user changes the display on the second display device 24 so that the display corresponds to the display on the first display device 22, which was generated by the C-arm 4.
  • the model on the second display device 24 is thus shifted so far in the imaging plane until the observation mark 25 is arranged relative to the position of the transverse bore 3 in a manner similar to the display on the first display device 22, and it becomes the model of the bone nail 1 around it
  • the longitudinal axis is rotated until the deformation of the circular transverse bore 3 corresponds to the deformation on the first display device 22.
  • These displacements and rotations of the model on the second display device are determined and stored by the controller 13. These changes correspond to the misalignment of the optical axis 10 with respect to the transverse bore 3.
  • the controller 13 can therefore use these values to calculate a different direction from the actual position of the optical axis 10 and its orientation, which can be determined via the navigation system 14 is aligned with the transverse bore 3, that is to say coincides with the latter in terms of position and orientation.
  • the C-arm When the picture is taken again, the C-arm provides a changed image on the first display device 22. If the correction has been successful, the observation mark 23 on the first display device 22 coincides with the transverse bore 3 and the transverse bores 3 have a circular cross section. If this has not yet been optimally successful, the user can simply repeat the described method, that is, he resets the image on the second display device 24 to the initial state in which the viewing marking 25 exactly matches the transverse bore 3 and in which the transverse bore 3 appear exactly circular, and then the display on the second display device 24 is changed again until it matches the display on the first display device, this results in a new correction data record which is shown in FIG the same way to improve the orientation of the C-arm 4 and then the guide 19 relative to the bone nail 1 can be used. This method can optionally be repeated several times until an optimal orientation of the optical axis 10 relative to the transverse bore 3 is reached, and this orientation can then also be used for the orientation of the guide gauge 19.

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Abstract

The invention relates to a method for orienting a machining tool (19) relative to a workpiece (1), comprising an viewing device (4) for the workpiece. In order to reduce the duration of viewing, a) the viewing device is oriented towards the workpiece in such a manner that its optical axis is oriented towards the workpiece, b) an image produced by the viewing device and a viewing mark (23) corresponding to the optical axis of the viewing device are produced on a first display device (22), c) a template of the workpiece and a mark (25) corresponding to a defined orientation of the machining tool are displayed on a second display device (24), d) the template on the second display device is brought into the desired position and orientation by displacing and/or rotating the template relative to the machining mark, e) the template on the second display device is brought into a position and orientation that corresponds to the position and orientation of the workpiece relative to the viewing mark on the first display device by displacing and/or rotating the template relative to the machining mark, and the values corresponding to the rotations and displacements carried out on the template are determined, f) the optical axis corrected by these values is used to orient the machining tool relative to the workpiece. The invention further relates to a device for carrying out the inventive method.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ORIENTIERUNG EINES BEARBEITUNGSWERKZEUGES METHOD AND DEVICE FOR ORIENTING A MACHINING TOOL

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einem Werkstück mit einer Betrachtungseinrichtung für das Werkstück.The invention relates to a method for orienting a machining tool relative to a workpiece with a viewing device for the workpiece.

In vielen Fällen kann ein Bearbeitungswerkzeug relativ zu einem Werkstück einfach dadurch orientiert werden, daß der Eingriffsort des Bearbeitungswerkzeuges über eine Betrachtungseinrichtung betrachtet und überprüft wird, ob das Werkstück relativ zu der Betrachtungseinrichtung die gewünschte Position einnimmt. Wenn dies erreicht ist, kann das Bearbeitungswerkzeug relativ zur Betrachtungseinrichtung eine definierte Position erhalten, so daß dann sichergestellt ist, daß das Bearbeitungswerkzeug auch in einer vorbestimmten relativen Position und Orientierung zum Werkstück steht.In many cases, a machining tool can be oriented relative to a workpiece simply by viewing the point of engagement of the machining tool via a viewing device and checking whether the workpiece is in the desired position relative to the viewing device. When this is achieved, the machining tool can be given a defined position relative to the viewing device, so that it is then ensured that the machining tool is also in a predetermined relative position and orientation to the workpiece.

Um diese Justierung des Werkstückes relativ zur Betrachtungseinrichtung und damit auch relativ zum Bearbeitungswerkzeug vornehmen zu können, ist eine längere Betrachtung des Werkstückes notwendig, da regelmäßig überprüft werden muß, wie eine Verschiebung und/oder Drehung des Werkstückes relativ zur Betrachtungseinrichtung die relative Zuordnung verändert hat.In order to be able to carry out this adjustment of the workpiece relative to the viewing device and thus also relative to the machining tool, a longer viewing of the workpiece is necessary, since it must be checked regularly how a displacement and / or rotation of the workpiece relative to the viewing device has changed the relative assignment.

Im medizinischen Bereich treten derartige Aufgabenstellungen häufig auf, wenn ein Implantat im Körper orientiert werden muß, beispielsweise ein Knochennagel in einem Röhrenknochen. Es ist dann notwendig, relativ zu dem Implantat den umgebenden Knochen zu bearbeiten, beispielsweise muß eine Bohrung in den Knochen eingebracht werden, die mit einer Öffnung des Im- plantates ausgerichtet ist. Als Betrachtungseinrichtung kommt dann nur ein Röntgengerät in Frage, und die relative Justierung der Betrachtungseinrichtung relativ zum Werkstück ist mit einer längeren Röntgenbestrahlung verbunden. Dies ist für den Patienten schädlich, insbesondere aber für den Operateur, der derartige Operationen häufig durchführt und dann jedes Mal längere Zeit der Röntgenstrahlung der Betrachtungseinrichtung ausgesetzt ist.Such tasks often occur in the medical field when an implant has to be oriented in the body, for example a bone nail in a long bone. It is then necessary to process the surrounding bone relative to the implant; for example, a hole must be drilled in the bone which opens with an opening in the implant. plantates. Only one X-ray device can be considered as the viewing device, and the relative adjustment of the viewing device relative to the workpiece is associated with longer X-ray radiation. This is detrimental to the patient, but particularly to the surgeon who frequently carries out such operations and is then exposed to the X-ray radiation of the viewing device for a prolonged period each time.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß eine Ausrichtung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück auch mit nur kurzzeitiger Aktivierung der Betrachtungseinrichtung möglich ist. Bei der Verwendung einer Betrachtungseinrichtung, die mit Röntgenstrahlen arbeitet, bedeutet dies, daß nur kurzzeitige Bestrahlungen erfolgen, um die Momentanpositionierung der Betrachtungseinrichtung relativ zum Werkstück zu überprüfen, der Justiervorgang selbst erfolgt aber ohne andauernde Röntgenbestrahlung.It is an object of the invention to further develop a method of the generic type such that the machining tool can be aligned relative to the workpiece even with only a brief activation of the viewing device. When using a viewing device that works with X-rays, this means that only brief irradiations are carried out in order to check the momentary positioning of the viewing device relative to the workpiece, but the adjustment process itself is carried out without continuous X-ray radiation.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst: a) man richtet die Betrachtungseinrichtung so auf das Werkstück, daß ihre optische Achse auf das Werkstück gerichtet ist, b) man erzeugt auf einer ersten Anzeigeeinrichtung ein von der Betrachtungseinrichtung erzeugtes Bild des Werkstückes und eine Betrachtungsmarkierung, die der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung entspricht, c) man zeigt auf einer zweiten Anzeigeeinrichtung ein Modell des Werkstückes und eine Markierung an, die einer definierten Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges entspricht, d) man bringt das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in die gewünschte Position und Orientierung, e) man bringt das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in eine Position und Orientierung, die der Position und Orientierung des Werkstückes relativ zur Betrachtungsmarkierung auf der ersten Anzeigeeinrichtung entspricht, und man bestimmt die dabei vorgenommenen Werte der Drehungen und Verschiebungen des Modells, und f) man verwendet die um diese Werte korrigierte optische Achse der Betrachtungseinrichtung zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück.This object is achieved according to the invention in a method of the type described at the outset by the following steps: a) the viewing device is aimed at the workpiece in such a way that its optical axis is directed at the workpiece, b) one generated by the viewing device on a first display device Image of the workpiece and a viewing marking that corresponds to the optical axis of the viewing device, c) a model of the workpiece and a marking that corresponds to a defined orientation of the machining tool are displayed on a second display device, d) the model is brought into the desired position and orientation on the second display device by shifting and / or rotating the model relative to the machining mark, e) the model is brought in on the second display device by displacing and / or rotating the model relative to the machining mark a position and orientation which corresponds to the position and orientation of the workpiece relative to the observation mark on the first display device, and the values of the rotations and displacements of the model which have been made are determined, and f) the optical axis of the observation device corrected by these values is used for the Orientation of the processing tool relative to the workpiece.

Mit diesem Verfahren wird also zunächst nur ein einziges Bild der Betrachtungseinrichtung notwendig, man orientiert nämlich diese etwa in der gewünschten Bearbeitungsrichtung relativ zum Werkstück und zeigt das von der Betrachtungseinrichtung festgestellte Bild des Werkstückes auf der ersten Anzeigeeinrichtung. Da es sich hier noch nicht um eine sehr genaue Orientierung handelt, wird die optische Achse nicht genau auf den gewünschten Bereich des Werkstückes fallen und die gewünschte Orientierung zum Werkstück einnehmen. Man erkennt dies durch eine Abweichung der Betrachtungsmarkierung von dem gewünschten Bearbeitungsort und gegebenenfalls durch eine Fehlorientierung des Werkstückes, beispielsweise eine Verdrehung, die sich an einer Ovalisierung von runden Bohrungen oder dergleichen erkennen läßt.With this method, therefore, initially only a single image of the viewing device is necessary, namely it is oriented approximately in the desired machining direction relative to the workpiece and the image of the workpiece determined by the viewing device is shown on the first display device. Since this is not yet a very precise orientation, the optical axis will not fall exactly on the desired area of the workpiece and assume the desired orientation to the workpiece. This can be recognized by a deviation of the observation marking from the desired machining location and possibly by a misorientation of the workpiece, for example a twist, which can be recognized from an ovalization of round bores or the like.

Auf der zweiten Anzeigeeinrichtung wird unter Kenntnis der geometrischen Daten des Werkstückes ein Modell des Werkstückes angezeigt, und eine fiktive Bearbeitungsachse wird relativ zum Modell so angeordnet, wie es gewünscht wird, also beispielsweise genau auf das zu bearbeitende Gebiet des Werkstückes gerichtet, und das Werkstück wird genau in der Weise zu der Bearbeitungsrichtung orientiert, wie es gewünscht ist. Dies läßt sich aufgrund der vorbekannten geometrischen Daten des Werkstückes ohne weiteres erreichen, beispielsweise kann die Bearbeitungsrichtung mit einer Bohrung im Werkstück ausgerichtet werden.A model of the workpiece, and a fictitious one, is displayed on the second display device with knowledge of the geometric data of the workpiece The machining axis is arranged relative to the model as it is desired, for example, it is directed precisely at the area of the workpiece to be machined, and the workpiece is oriented exactly in the manner of the machining direction as is desired. This can easily be achieved on the basis of the previously known geometric data of the workpiece, for example the machining direction can be aligned with a hole in the workpiece.

Anschließend verändert der Benutzer an der zweiten Anzeigeeinrichtung die Lage des Modells des Werkstückes und die Orientierung desselben so, daß die Abbildung auf der zweiten Anzeigeeinrichtung der Abbildung auf der ersten Anzeigeeinrichtung entspricht. Damit wird auf der zweiten Anzeigeeinrichtung eine Dejustierung der ursprünglich eingestellten optimalen Orientierung und Lage vorgenommen, und diese Dejustierung entspricht der Fehljustierung der optischen Achse relativ zum Werkstück. Die Größe der Drehung des Werkstük- kes und der Verschiebung des Werkstückes wird dabei bestimmt, und diese Größe ist ein Maß dafür, wie stark die optische Achse der Betrachtungseinrichtung von der gewünschten Bearbeitungsrichtung relativ zum Werkstück abweicht. Diese Abweichung kann nun verwendet werden, um aus der tatsächlichen Orientierung und Lage der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung die gewünschte optimale Lage und Orientierung zu berechnen, und diese Lage und Orientierung wird dann verwendet, um das Bearbeitungswerkzeug relativ zum Werkstück zu orientieren, beispielsweise kann längs dieser korrigierten optischen Achse die Längsachse eines Bohrers ausgerichtet werden. Bei diesem Verfahren muß der Benutzer nur ein einziges Mal eine tatsächliche Betrachtung des Werkstückes vornehmen, alle anderen Vorgänge erfolgen über die zweite Anzeigeeinrichtung und die Verschiebung und Drehung des Werkstückes relativ zu der dort dargestellten Betrachtungsmarkierung.The user then changes the position of the model of the workpiece and the orientation of the workpiece on the second display device such that the image on the second display device corresponds to the image on the first display device. Thus, the originally set optimal orientation and position are misaligned on the second display device, and this misalignment corresponds to the misalignment of the optical axis relative to the workpiece. The size of the rotation of the workpiece and the displacement of the workpiece is determined, and this size is a measure of how much the optical axis of the viewing device deviates from the desired machining direction relative to the workpiece. This deviation can now be used to calculate the desired optimal position and orientation from the actual orientation and position of the optical axis of the viewing device, and this position and orientation is then used to orient the machining tool relative to the workpiece, for example along it corrected optical axis to align the longitudinal axis of a drill. With this method, the user only has to carry out an actual observation of the workpiece once, all other processes take place via the second display device and the displacement and rotation of the workpiece relative to the observation mark shown there.

Vorteilhaft ist es, wenn man vor der Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück die Betrachtungseinrichtung entsprechend den bestimmten Werten relativ zum Werkstück verdreht und/oder verschiebt und danach auf der ersten Anzeigeeinrichtung ein Bild des Werkstückes und der Betrachtungsmarkierung erzeugt. Man kann damit kontrollieren, ob die Verstellung der optischen Achse so gut gelungen ist, daß tatsächlich der gewünschte Bereich des Werkstückes und die gewünschte Orientierung der optischen Achse relativ zum Werkstück erreicht ist.It is advantageous if, prior to the orientation of the machining tool relative to the workpiece, the viewing device is rotated and / or shifted relative to the workpiece in accordance with the determined values and then an image of the workpiece and the viewing marking is generated on the first display device. It can be used to check whether the adjustment of the optical axis has succeeded so well that the desired area of the workpiece and the desired orientation of the optical axis relative to the workpiece have actually been achieved.

Sollte dies nicht optimal gelungen sein, kann man gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Schritte d), e) und g) wiederholen, bis eine optimale Justierung erreicht ist.If this has not been achieved optimally, steps d), e) and g) can be repeated in accordance with a preferred embodiment until an optimal adjustment is achieved.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß man die Lage und Orientierung der Betrachtungseinrichtung und/oder des Werkstückes und/oder des Bearbeitungswerkzeuges mittels eines Navigations- systemes bestimmt. Es handelt sich dabei um bekannte Systeme, die die Lage eines Gegenstandes im Raum dadurch bestimmen können, daß der Gegenstand mit im Abstand zueinander angeordneten Markierungselementen versehen ist, die von mehreren im Abstand zueinander angeordneten Kameras "gesehen" werden. Derartige Systeme sind an sich bekannt. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß man als Betrachtungseinrichtung ein Röntgengerät verwendet.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the position and orientation of the viewing device and / or the workpiece and / or the machining tool is determined by means of a navigation system. These are known systems which can determine the position of an object in space by providing the object with marking elements which are arranged at a distance from one another and which are "seen" by several cameras arranged at a distance from one another. Such systems are known per se. In particular, it can be provided that an X-ray device is used as the viewing device.

Zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück kann man vorzugsweise eine Führungslehre verwenden, auch deren Lage und Orientierung wird günstigerweise mittels eines Navigationssystems bestimmt.A guide gauge can preferably be used to orient the machining tool relative to the workpiece, and its position and orientation are also advantageously determined using a navigation system.

Das Bearbeitungswerkzeug kann beispielsweise ein Bohrer sein.The machining tool can be a drill, for example.

Besonders vorteilhaft ist dieses beschriebene Verfahren, wenn es sich bei dem Werkstück um ein Implantat handelt, es kann sich aber auch beispielsweise um einen Knochen handeln, dessen Bewegungsachsen auf diese Weise bestimmt werden. Der Begriff "Bearbeitungswerkzeug" ist dementsprechend breit zu verstehen, das Bearbeitungswerkzeug kann auch einfach ein Taster sein, der eine Richtung bestimmt, oder aber ein Werkzeug, das tatsächlich eine Bearbeitung am Werkstück vornimmt, beispielsweise eine Bohrung einbringt.This described method is particularly advantageous if the workpiece is an implant, but it can also be a bone, for example, whose axes of movement are determined in this way. The term “machining tool” is accordingly to be understood broadly; the machining tool can also simply be a button that determines a direction, or else a tool that actually carries out machining on the workpiece, for example making a hole.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des beschriebenen Verfahrens bei der Orientierung einer Bohreinrichtung relativ zu Bohrungen in einem Knochennagel.The use of the described method is particularly advantageous when orienting a drilling device relative to bores in a bone nail.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einem Werkstück mit einer Betrachtungseinrichtung für das Werkstück. Erfindungsgemäß ist eine solche Vorrichtung versehen mit einer ersten Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines von der Betrachtungseinrichtung erzeugten Bildes des Werkstückes und einer Betrachtungsmarkierung, die der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung entspricht, mit einer zweiten Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines Modelies des Werkstückes und einer Markierung, die einer definierten Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges entspricht, mit einer Versteileinrichtung zur Veränderung der Lage und/oder Orientierung der Betrachtungseinrichtung relativ zum Werkstück, und mit einer der zweiten Anzeigeeinrichtung zugeordneten Steuerung zur Verschiebung und/oder Drehung des Bildes des Werkstückes auf der zweiten Anzeigeeinrichtung und zur Bestimmung der Werte dieser Verschiebung und/oder Drehung.The invention further relates to a device for orienting a machining tool relative to a workpiece with a viewing device for the workpiece. According to the invention, such a device is provided with a first display device for displaying an image of the workpiece generated by the observation device and a viewing marking that corresponds to the optical axis of the viewing device, with a second display device for displaying a model of the workpiece and a marking that corresponds to a defined orientation corresponds to the machining tool, with an adjusting device for changing the position and / or orientation of the viewing device relative to the workpiece, and with a controller assigned to the second display device for shifting and / or rotating the image of the workpiece on the second display device and for determining the values of this shift and / or rotation.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Steuerung die Lage und/oder Orientierung der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung entsprechend der so ermittelten Werte korrigiert und damit eine Arbeitsrichtung für das Bearbeitungswerkzeug bestimmt.In a preferred embodiment it is provided that the control corrects the position and / or orientation of the optical axis of the viewing device in accordance with the values determined in this way and thus determines a working direction for the machining tool.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Steuerung die Betrachtungseinrichtung entsprechend den bestimmten Werten relativ zum Werkstück verdreht und/oder verschiebt und danach auf der ersten Anzeige- einrichtung ein Bild des Werkstückes und der Betrachtungsmarkierung erzeugt.In a preferred embodiment it is provided that the control rotates and / or shifts the viewing device relative to the workpiece according to the determined values and then on the first display device creates an image of the workpiece and the observation mark.

Es ist günstig, wenn ein Navigationssystem vorgesehen ist, welches die Lage und Orientierung der Betrachtungseinrichtung und/oder des Werkstückes und/ oder des Bearbeitungswerkzeuges bestimmt.It is advantageous if a navigation system is provided which determines the position and orientation of the viewing device and / or the workpiece and / or the machining tool.

Die Betrachtungseinrichtung kann vorzugsweise ein Röntgengerät sein.The viewing device can preferably be an X-ray device.

Zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück kann eine Führungslehre vorgesehen sein, deren Lage und Orientierung vorzugsweise mittels eines Navigationssystems bestimmt wird.A guide gauge can be provided for orienting the machining tool relative to the workpiece, the position and orientation of which is preferably determined by means of a navigation system.

Das Bearbeitungswerkzeug kann ein Bohrer sein, das Werkstück kann vorzugsweise ein Implantat sein, insbesondere ein Knochennagel.The processing tool can be a drill, the workpiece can preferably be an implant, in particular a bone nail.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments of the invention serves in conjunction with the drawing for a more detailed explanation. Show it:

Figur 1: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einem Werkstück mit zwei Anzeigeeinrichtungen;Figure 1 is a schematic view of a device for orienting a machining tool relative to a workpiece with two display devices;

Figur 2: ein Bild auf der ersten Anzeigeeinrichtung und Figur 3: ein Bild auf der zweiten Anzeigeeinrichtung.Figure 2: an image on the first display device and Figure 3: an image on the second display device.

Die Erfindung wird am Beispiel eines Knochennagels 1 erläutert, der als Schiene eines Röhrenknochens 2 in diesen eingeschoben wird und der Querbohrungen 3 trägt, durch die Verriegelungsschrauben hindurchgesteckt werden, die in das Material des umgebenden Röhrenknochens 2 eingeschraubt sind. Um das Einsetzen dieser Verriegelungsschrauben vornehmen zu können, muß in den Röhrenknochen 2 eine Bohrung eingebracht werden, die mit einer Querbohrung 3 des Knochennagels 1 fluchtet, und zu diesem Zweck muß ein Bohrwerkzeug hinsichtlich seiner Orientierung und seiner Lage mit einer der Querbohrungen 3 im Knochennagel 1 ausgerichtet werden, obwohl diese Querbohrungen 3 im Inneren des Röhrenknochens 2 angeordnet sind und von außen nicht sichtbar sind.The invention is explained using the example of a bone nail 1, which is inserted as a splint of a tubular bone 2 and which carries cross bores 3, through which locking screws are inserted, which are screwed into the material of the surrounding tubular bone 2. In order to be able to insert these locking screws, a bore must be made in the long bones 2, which is aligned with a transverse bore 3 of the bone nail 1, and for this purpose a drilling tool must be aligned with one of the transverse bores 3 in the bone nail 1 with regard to its orientation and position be aligned, although these cross bores 3 are arranged inside the tubular bone 2 and are not visible from the outside.

Man kann zu diesem Zweck Bohrlehren verwenden, die mechanisch mit dem oberen Ende des Röhrenknochens 2 verbunden sind, diese funktionieren jedoch nur dann einwandfrei, wenn der Knochennagel 1 bei der Implantatation nicht verformt wird. Tatsächlich treten aber derartige Verformungen des Knochennagels 1 bei der Implantatation auf, beispielsweise kann sich der Knochennagel 1 durch Torsion um seine Längsachse verformen oder durch Abbiegen, und dann kann mit derartigen mechanischen Bohrlehren nicht mehr zuverlässig die Querbohrung 3 getroffen werden.Drilling jigs can be used for this purpose, which are mechanically connected to the upper end of the tubular bone 2, but they only function properly if the bone nail 1 is not deformed during the implantation. In fact, however, such deformations of the bone nail 1 occur during implantation, for example the bone nail 1 can deform about its longitudinal axis due to torsion or due to bending, and then the transverse bore 3 can no longer be reliably hit with such mechanical drilling jigs.

Bei herkömmlichen Verfahren wird daher der Bereich der Querbohrung 3 mit Röntgenstrahlen betrachtet, so daß man die Kontur des Knochennagels 1 im Röntgenbild erkennen kann. Man erkennt dadurch die tatsächliche Lage der Querbohrung 3, und bei einer Torsion des Knochennagels 1 kann man die Verdrehung daran erkennen, daß die Querschnittsform der Querbohrung 3 verändert erscheint. Eine kreisförmige Bohrung erscheint im Röntgenbild nur dann kreisförmig, wenn die optische Achse des Röntgengerätes genau mit der Querbohrung 3 ausgerichtet ist, bei einer Verdrehung dagegen erscheint die Querbohrung im Querschnitt oval oder elliptisch. Bei herkömmlichen Verfahren wird das Röntgengerät so lange verschoben und verdreht, bis eine optimale Orientierung gefunden ist, dabei muß ununterbrochen die Röntgenstrahlung auf den Bereich der Querbohrung 3 gerichtet werden.In conventional methods, the area of the transverse bore 3 is therefore viewed with X-rays so that the contour of the bone nail 1 can be seen in the X-ray image. This shows the actual location of the Cross bore 3, and with a torsion of the bone nail 1, the twist can be recognized by the fact that the cross-sectional shape of the cross bore 3 appears to be changed. A circular hole appears circular in the x-ray image only when the optical axis of the x-ray device is exactly aligned with the transverse hole 3, whereas when the screw is rotated, the cross hole appears oval or elliptical in cross section. In conventional methods, the x-ray device is shifted and rotated until an optimal orientation is found, in which case the x-ray radiation must be directed continuously at the area of the transverse bore 3.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist dies nicht mehr notwendig.With the method described here, this is no longer necessary.

Zur Betrachtung des Knochennagels 1 im Röhrenknochen 2 wird auch bei dem hier beschriebenen Verfahren eine Betrachtungseinrichtung in Form eines sogenannten C-Bogens 4 verwendet, es handelt sich dabei um ein Gerät mit einem C-förmigen Rahmen 5 mit zwei parallelen Schenkeln 6 und einem diese verbindenden Steg 7. An den freien Enden der beiden Schenkel 6 befinden sich eine Röntgenstrahlungsquelle 8 und ein Röntgenstrahlungsempfänger 9, die Röntgenstrahlen werden von der Röntgenstrahlungsquelle 8 längs einer optischen Achse 10 auf den Röntgenstrahlungsempfänger 9 gerichtet, die optische Achse 10 verläuft dabei parallel zum Steg 7. Die Abmessungen des C-Bogens sind so gewählt, daß das zu betrachtende Körperteil zwischen Röntgenstrahl- quelle 8 und Röntgenstrahlempfänger 9 eingeschoben werden kann, so daß der Bereich der Querbohrung 3 im Röhrenknochen 2 bestrahlt wird.To view the bone nail 1 in the long bones 2, a viewing device in the form of a so-called C-arm 4 is also used in the method described here, it is a device with a C-shaped frame 5 with two parallel legs 6 and one connecting them Web 7. At the free ends of the two legs 6 there is an X-ray source 8 and an X-ray receiver 9, the X-rays are directed from the X-ray source 8 along an optical axis 10 to the X-ray receiver 9, the optical axis 10 runs parallel to the web 7. The dimensions of the C-arm are selected so that the body part to be viewed can be inserted between the X-ray source 8 and the X-ray receiver 9, so that the area of the transverse bore 3 in the long bones 2 is irradiated.

Der C-Bogen ist auf einer Verschiebeeinrichtung 11 montiert, so daß seine Lage relativ dem Röhrenknochen 2 veränderbar ist, diese Verschiebeeinrichtung 11 wird über eine Steuerleitung 12 von einer Steuerung 13 gesteuert. Diese Steuerung 13 steht mit einem Navigationssystem 14 in Verbindung, welches mehrere im Abstand zueinander angeordnete Sende- und Empfangseinrichtungen 15 für elektromagnetische Strahlung aufweist, die die Strahlung auf ein Markierelement 16 richten und von dort auch wieder empfangen, welches starr mit dem C-Bogen 4 verbunden ist. Das Markierelement 16 weist mehrere im Abstand zueinander angeordnete Reflexionselemente 17 auf, so daß das Navigationssystem die Lage des Markierelementes 16 und damit des C-Bogens 4 im Raum bestimmen kann.The C-arm is mounted on a displacement device 11 so that its position can be changed relative to the long bone 2, this displacement device 11 is controlled by a controller 13 via a control line 12. This control 13 is connected to a navigation system 14 which has a plurality of transmitting and receiving devices 15 for electromagnetic radiation which are arranged at a distance from one another and which direct the radiation onto a marking element 16 and from there receive it again, which is rigid with the C-arm 4 connected is. The marking element 16 has a plurality of reflection elements 17 arranged at a distance from one another, so that the navigation system can determine the position of the marking element 16 and thus of the C-arm 4 in space.

Ein entsprechendes Markierelement 18 ist auch an dem Knochennagel 1 starr befestigt, so daß auch dessen Lage im Raum durch das Navigationssystem 14 bestimmt werden kann. Dasselbe gilt für eine Führungslehre 19, an der ein Markierelement 20 starr befestigt ist. Diese Führungslehre 19 dient dazu, ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Bearbeitungswerkzeug so zu führen, daß am Röhrenknochen 2 die gewünschte Bearbeitung erfolgen kann, also beispielsweise eine Bohrmaschine, die von der Führungslehre 19 zur Querbohrung 3 ausgerichtet von dieser geführt wird. Statt der Führungslehre 19 wäre es auch möglich, einen Roboter oder dergleichen zu verwenden, um die bestimmte Bearbeitungsrichtung relativ zum Knochennagel 1 und zum Röhrenknochen 2 einzuhalten.A corresponding marking element 18 is also rigidly attached to the bone nail 1, so that its position in space can also be determined by the navigation system 14. The same applies to a guide gauge 19 to which a marking element 20 is rigidly attached. This guide gauge 19 is used to guide a processing tool, not shown in the drawing, so that the desired machining can be carried out on the long bones 2, for example a drill which is guided by the guide gauge 19 to the transverse bore 3 and guided by the latter. Instead of the guide gauge 19, it would also be possible to use a robot or the like in order to maintain the specific machining direction relative to the bone nail 1 and the long bone 2.

Die Röntgenstrahlenempfangseinrichtung 9 ist über eine Steuerleitung 21 mit einer ersten Anzeigeeinrichtung 22 verbunden, beispielsweise einem üblichen Monitor. Auf dieser ersten Anzeigeeinrichtung 22 wird ein Bild des im C-Bogen mit Röntgenstrahlen bestrahlten Gegenstandes abgebildet, und zwar in einer Ebene, im dargestellten Beispiel also ein Teil des Röhrenknochens 2 mit dem darin eingesetzten Knochennagel 1. Außerdem wird auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 eine Betrachtungsmarkierung 23 angezeigt. Diese entspricht dem Durchstoßpunkt der optischen Achse 10 des C-Bogens 4 durch die Betrachtungsebene, mit anderen Worten zeigt diese Betrachtungsmarkierung 23, die beispielsweise die Form eines Kreuzes haben kann, wie die optische Achse 10 relativ zu dem Knochennagel 1 verläuft. Wenn die optische Achse genau mit einer Querbohrung 3 ausgerichtet ist, befindet sich die Betrachtungsmarkierung 23 direkt zentral über dem Bild der entsprechenden Querbohrung 3 auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22, bei einer anderen Justierung dagegen im Abstand dazu.The x-ray receiving device 9 is connected via a control line 21 to a first display device 22, for example a conventional monitor. An image of the object irradiated with X-rays in the C-arm is depicted on this first display device 22, specifically in one plane, ie in the example shown a part of the tubular bone 2 with the Bone nail 1 inserted therein. In addition, a viewing marker 23 is displayed on the first display device 22. This corresponds to the point of penetration of the optical axis 10 of the C-arm 4 through the viewing plane, in other words this viewing marking 23, which can have the shape of a cross, for example, shows how the optical axis 10 runs relative to the bone nail 1. If the optical axis is exactly aligned with a transverse bore 3, the viewing marking 23 is located directly above the image of the corresponding transverse bore 3 on the first display device 22, however, in the case of another adjustment, it is at a distance from it.

Die Steuerung 13 ist noch mit einer zweiten Anzeigeeinrichtung 24 verbunden, die ebenfalls die Form eines Monitors haben kann. Auf dieser zweiten Anzeigeeinrichtung 24 wird ein Modell des Knochennagels 1 angezeigt, dazu werden Datensätze verwendet, die die geometrischen Daten des verwendeten Knochennagels 1 repräsentieren, und zwar des unverformten Knochennagels 1. Außerdem wird auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 eine Betrachtungsmarkierung 25 dargestellt, beispielsweise ebenfalls in Form eines Kreuzes, diese ergibt sich durch die Lage des Durchstoßpunktes einer Bearbeitungsachse durch die Betrachtungsebene. Diese Bearbeitungsachse entspricht der Achse, längs der das Bearbeitungswerkzeug orientiert werden soll.The controller 13 is also connected to a second display device 24, which can also have the form of a monitor. A model of the bone nail 1 is displayed on this second display device 24, for this purpose data records are used which represent the geometric data of the bone nail 1 used, namely of the undeformed bone nail 1. In addition, a viewing marking 25 is shown on the second display device 24, for example also in FIG Shape of a cross, this results from the position of the point of intersection of a machining axis through the viewing plane. This machining axis corresponds to the axis along which the machining tool is to be oriented.

Um bei dem dargestellten Knochennagel 1 ein Bearbeitungswerkzeug oder in diesem Falle eine Führungslehre 19 mit einer Querbohrung 3 exakt auszurichten, wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird der C-Bogen 4 relativ zum Röhrenknochen 2 so angeordnet, daß seine optische Achse 10 ungefähr mit der Querbohrung 3 ausgerichtet ist. Dies kann beispielsweise mittels einer mechanischen Bohrlehre erfolgen, die mit dem Knochennagel 1 verbunden ist. Derartige Bohrlehren werden häufig verwendet, um damit eine Bohrung in den Röhrenknochen 2 einzubringen, die etwa mit der Orientierung der Querbohrung 3 zusammenfällt. Wenn der Knochennagel 1 nicht verformt ist, gelingt dies recht gut, weniger gut dann, wenn der Knochennagel 1 Verformungen erfahren hat. Auf jeden Fall kann eine solche mechanische Bohrlehre eine erste Grobjustierung des C-Bogens 4 relativ zum Knochennagel 1 ermöglichen.In order to precisely align a processing tool or in this case a guide gauge 19 with a transverse bore 3 in the bone nail 1 shown, the procedure is as follows: First, the C-arm 4 is arranged relative to the long bones 2 so that its optical axis 10 is approximately aligned with the transverse bore 3. This can be done, for example, by means of a mechanical drilling jig that is connected to the bone nail 1. Drilling jigs of this type are frequently used in order to make a bore in the tubular bones 2 which coincides approximately with the orientation of the transverse bore 3. If the bone nail 1 is not deformed, this succeeds quite well, less well if the bone nail 1 has undergone deformation. In any case, such a mechanical drilling jig can enable a first rough adjustment of the C-arm 4 relative to the bone nail 1.

Auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 erhält man dann ein Bild des Röhrenknochens 2, der für den Fall einer unbekannten Verformung des Knochennagels 1 so angeordnet ist, daß die Betrachtungsmarkierung 23, die durch die optische Achse 10 des C-Bogens 4 definiert wird, nicht mit einer Querbohrung 3 zusammenfällt, außerdem wird im allgemeinen Fall der Knochennagel 1 um seine Längsachse verdreht sein, so daß die Querbohrungen 3 nicht einen kreisrunden Querschnitt zeigen, sondern einen ovalen oder elliptischen.An image of the tubular bone 2 is then obtained on the first display device 22, which, in the event of an unknown deformation of the bone nail 1, is arranged in such a way that the viewing marking 23, which is defined by the optical axis 10 of the C-arm 4, does not have one Cross bore 3 coincides, moreover, in the general case, the bone nail 1 will be rotated about its longitudinal axis, so that the cross bores 3 do not show a circular cross section, but an oval or elliptical one.

Auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 zeigt die Steuerung das Modell des Knochennagels 1. Der Benutzer hat die Möglichkeit, mit Hilfe der Steuerung 13 dieses Bild des Modells zu verschieben und zu verdrehen. Zu Beginn des Verfahrens wird das Modell so positioniert, daß die gewünschte Querbohrung 3 genau mit der Betrachtungsmarkierung 25 zusammenfällt und daß der Knochennagel 1 um seine Längsachse so verdreht ist, daß die Querbohrung 3 einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Man geht also davon aus, daß die Bearbeitungsachse mit der Querbohrung 3 genau ausgerichtet wird. Dies kann durch unterschiedliche Eingabegeräte erfolgen, beispielsweise durch einen Fußschalter 26, durch eine Tastatur, eine Maus 27 oder dergleichen.The controller shows the model of the bone nail 1 on the second display device 24. The user has the option of using the controller 13 to shift and rotate this image of the model. At the beginning of the process, the model is positioned so that the desired transverse bore 3 exactly coincides with the observation mark 25 and that the bone nail 1 is rotated about its longitudinal axis so that the transverse bore 3 has a circular cross section. It is therefore assumed that the machining axis is exactly aligned with the transverse bore 3. This can by different input devices, for example by a foot switch 26, by a keyboard, a mouse 27 or the like.

Die Steuerung speichert diese Ausgangsstellung, die einer optimalen Orientierung des Modells relativ zur Betrachtungsmarkierung 25 und damit der Bearbeitungsrichtung entspricht.The control saves this starting position, which corresponds to an optimal orientation of the model relative to the observation mark 25 and thus the machining direction.

In einem nächsten Arbeitsschritt verändert der Benutzer die Darstellung auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 so, daß die Darstellung der Anzeige auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 entspricht, die von dem C-Bogen 4 erzeugt worden ist. Es wird also das Modell an der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 so weit in der Abbildungsebene verschoben, bis die Betrachtungsmarkierung 25 relativ zur Lage der Querbohrung 3 ähnlich angeordnet ist wie bei der Anzeige auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22, und es wird das Modell des Knochennagels 1 um dessen Längsachse so lange verdreht, bis die Verformung der kreisrunden Querbohrung 3 der Verformung auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 entspricht. Diese Verschiebungen und Verdrehungen des Modells auf der zweiten Anzeigeeinrichtung werden von der Steuerung 13 bestimmt und gespeichert. Diese Änderungen entsprechen der Fehljustierung der optischen Achse 10 gegenüber der Querbohrung 3. Die Steuerung 13 kann daher unter Verwendung dieser Werte aus der tatsächlichen Lage der optischen Achse 10 und deren Orientierung, die über das Navigationssystem 14 zu bestimmen sind, eine abweichende Richtung berechnen, die mit der Querbohrung 3 ausgerichtet ist, also hinsichtlich Lage und Orientierung mit dieser zusammenfällt. Damit erhält man eine Bearbeitungsrichtung, zu der die Führungslehre 19 ausgerichtet werden kann, so daß längs dieser Bearbeitungsachse beispielsweise eine Bohrung in den Röhrenknochen 2 eingebracht werden kann, diese Bohrung ist dann mit der Querbohrung 3 ausgerichtet.In a next step, the user changes the display on the second display device 24 so that the display corresponds to the display on the first display device 22, which was generated by the C-arm 4. The model on the second display device 24 is thus shifted so far in the imaging plane until the observation mark 25 is arranged relative to the position of the transverse bore 3 in a manner similar to the display on the first display device 22, and it becomes the model of the bone nail 1 around it The longitudinal axis is rotated until the deformation of the circular transverse bore 3 corresponds to the deformation on the first display device 22. These displacements and rotations of the model on the second display device are determined and stored by the controller 13. These changes correspond to the misalignment of the optical axis 10 with respect to the transverse bore 3. The controller 13 can therefore use these values to calculate a different direction from the actual position of the optical axis 10 and its orientation, which can be determined via the navigation system 14 is aligned with the transverse bore 3, that is to say coincides with the latter in terms of position and orientation. This gives a machining direction to which the guide gauge 19 can be aligned, so that, for example, a bore along this machining axis can be introduced into the tubular bones 2, this bore is then aligned with the transverse bore 3.

Für das gesamte Verfahren ist nur eine einzige Röntgenaufnahme notwendig, alle anderen Manipulationen erfolgen über die Steuerung 13 und unter Betrachtung der beiden Anzeigeeinrichtungen.Only a single x-ray image is necessary for the entire method; all other manipulations are carried out via the control 13 and by considering the two display devices.

Bevor man die Führungslehre 19 justiert und die Bohrung durchführt, ist es sinnvoll, das Ergebnis der vorgenommenen Korrektur zu kontrollieren. Dies läßt sich relativ einfach dadurch erreichen, daß man den C-Bogen 4 über die Verschiebeeinrichtung 11 entsprechend den von der Steuerung bestimmten Werten verschiebt. Man orientiert also zunächst nicht die Führungslehre 19, sondern den C-Bogen 4 so, daß dessen optische Achse 10 mit der Querbohrung 3 ausgerichtet wird.Before adjusting the guide gauge 19 and drilling, it is useful to check the result of the correction made. This can be achieved relatively simply by moving the C-arm 4 via the displacement device 11 in accordance with the values determined by the control. So you do not first orient the guide gauge 19, but the C-arm 4 so that its optical axis 10 is aligned with the transverse bore 3.

Bei einer erneuten Aufnahme liefert der C-Bogen ein geändertes Bild auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22. Wenn die Korrektur gelungen ist, fällt die Betrachtungsmarkierung 23 auf der ersten Anzeigeeinrichtung 22 mit der Querbohrung 3 zusammen und die Querbohrungen 3 haben einen kreisförmigen Querschnitt. Sollte dies noch nicht optimal gelungen sein, kann der Benutzer das beschriebene Verfahren einfach wiederholen, er setzt also die Abbildung auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 wieder auf den Ausgangszustand zurück, bei dem die Betrachtungsmarkierung 25 genau mit der Querbohrung 3 übereinstimmt und bei der die Querbohrungen 3 genau kreisförmig erscheinen, und dann wird wieder die Darstellung auf der zweiten Anzeigeeinrichtung 24 so lange verändert, bis sie mit der Darstellung auf der ersten Anzeigeeinrichtung übereinstimmt, man erhält dadurch einen erneuten Korrekturdatensatz, der in der gleichen Weise zur Verbesserung der Orientierung des C-Bogens 4 und dann der Führungslehre 19 relativ zum Knochennagel 1 verwendet werden kann. Dieses Verfahren kann gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden, bis eine optimale Orientierung der optischen Achse 10 relativ zur Querbohrung 3 erreicht ist, und diese Orientierung kann dann auch für die Orientierung der Führungslehre 19 verwendet werden. When the picture is taken again, the C-arm provides a changed image on the first display device 22. If the correction has been successful, the observation mark 23 on the first display device 22 coincides with the transverse bore 3 and the transverse bores 3 have a circular cross section. If this has not yet been optimally successful, the user can simply repeat the described method, that is, he resets the image on the second display device 24 to the initial state in which the viewing marking 25 exactly matches the transverse bore 3 and in which the transverse bore 3 appear exactly circular, and then the display on the second display device 24 is changed again until it matches the display on the first display device, this results in a new correction data record which is shown in FIG the same way to improve the orientation of the C-arm 4 and then the guide 19 relative to the bone nail 1 can be used. This method can optionally be repeated several times until an optimal orientation of the optical axis 10 relative to the transverse bore 3 is reached, and this orientation can then also be used for the orientation of the guide gauge 19.

Claims

PATENTANSPRUCH EPATENT CLAIM E Verfahren zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einem Werkstück mit einer Betrachtungseinrichtung für das Werkstück, dadurch gekennzeichnet, a) daß man die Betrachtungseinrichtung so auf das Werkstück richtet, daß ihre optische Achse auf das Werkstück gerichtet ist, b) daß man auf einer ersten Anzeigeeinrichtung ein von der Betrachtungseinrichtung erzeugtes Bild des Werkstückes und eine Betrachtungsmarkierung erzeugt, die der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung entspricht, c) daß man auf einer zweiten Anzeigeeinrichtung ein Modell des Werkstückes und eine Markierung anzeigt, die einer definierten Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges entspricht, d) daß man das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in die gewünschte Position und Orientierung bringt, e) daß man das Modell auf der zweiten Anzeigeeinrichtung durch Verschiebung und/oder Drehung des Modells relativ zur Bearbeitungsmarkierung in eine Position und Orientierung bringt, die der Position und Orientierung des Werkstückes relativ zur Betrachtungsmarkierung auf der ersten Anzeigeeinrichtung entspricht, und die dabei vorgenommenen Werte der Drehungen und Verschiebungen des Modells bestimmt, f) und daß man die um diese Werte korrigierte optische Achse zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück verwendet.Method for orienting a machining tool relative to a workpiece with a viewing device for the workpiece, characterized in that a) that the viewing device is directed towards the workpiece such that its optical axis is directed towards the workpiece, b) that a first display device is used image of the workpiece generated by the viewing device and a viewing marking which corresponds to the optical axis of the viewing device, c) that a model of the workpiece and a marking which corresponds to a defined orientation of the machining tool are displayed on a second display device, d) that one Model on the second display device by shifting and / or rotating the model relative to the machining mark in the desired position and orientation, e) that the model on the second display device by moving and / or rotating the model relati v brings the machining marking into a position and orientation that corresponds to the position and orientation of the workpiece relative to the observation marking on the first display device and determines the values of the rotations and displacements of the model that are carried out in the process, f) and that the optical axis corrected by these values is used to orient the machining tool relative to the workpiece. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, g) daß man die Betrachtungseinrichtung entsprechend den bestimmten Werten relativ zum Werkstück verdreht und/oder verschiebt und danach auf der ersten Anzeigeeinrichtung ein Bild des Werkstückes und der Betrachtungsmarkierung erzeugt.Method according to Claim 1, characterized in that g) that the viewing device is rotated and / or displaced relative to the workpiece in accordance with the determined values and then an image of the workpiece and the viewing marking is generated on the first display device. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schritte d), e) und g) wiederholt, wenn die Abweichung der Lage und Orientierung der Betrachtungsmarkierung von dem Werkstück auf der ersten Anzeigeeinrichtung einen bestimmten Wert übersteigt.A method according to claim 2, characterized in that steps d), e) and g) are repeated when the deviation of the position and orientation of the observation mark from the workpiece on the first display device exceeds a certain value. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage und Orientierung der Betrachtungseinrichtung und/oder des Werkstückes und/oder des Bearbeitungswerkzeuges mittels eines Navigationssystems bestimmt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the position and orientation of the viewing device and / or the workpiece and / or the machining tool is determined by means of a navigation system. 5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Betrachtungseinrichtung ein Röntgengerät verwendet. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an X-ray device is used as the viewing device. 6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück eine Führungslehre verwendet.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a guide gauge is used to orient the machining tool relative to the workpiece. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage und Orientierung der Führungslehre mittels eines Navigationssystems bestimmt.7. The method according to claim 6, characterized in that one determines the position and orientation of the management theory by means of a navigation system. 8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Bearbeitungswerkzeug einen Bohrer verwendet.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a drill is used as the machining tool. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein Implantat ist.A method according to claim 8, characterized in that the workpiece is an implant. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein Knochennagel ist. 10. The method according to claim 9, characterized in that the workpiece is a bone nail. 11. Vorrichtung zur Orientierung eines Bearbeitungswerkzeuges (19) relativ zu einem Werkstück (1) und mit einer Betrachtungseinrichtung (4) für das Werkstück (1), mit einer ersten Anzeigeeinrichtung (22) zur Anzeige eines von der Betrachtungseinrichtung (4) erzeugten Bildes des Werkstückes (1) und einer Betrachtungsmarkierung (23), die der optischen Achse der Betrachtungseinrichtung (4) entspricht, mit einer zweiten Anzeigeeinrichtung (24) zur Anzeige eines Modells des Werkstückes (1) und einer Betrachtungsmarkierung (25), die einer definierten Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges (19) entspricht, mit einer Versteileinrichtung (11) zur Veränderung der Lage und/oder Orientierung der Betrachtungseinrichtung (4) relativ zum Werkstück (1), mit einer der zweiten Anzeigeeinrichtung (24) zugeordneten Steuerung (13) zur Verschiebung und/oder Drehung des Bildes des Werkstückes (1) auf der zweiten Anzeigeeinrichtung (24) und zur Bestimmung der Werte dieser Verschiebung und/oder Drehung.11. Device for orienting a processing tool (19) relative to a workpiece (1) and with a viewing device (4) for the workpiece (1), with a first display device (22) for displaying an image of the viewing device (4) Workpiece (1) and a viewing mark (23), which corresponds to the optical axis of the viewing device (4), with a second display device (24) for displaying a model of the workpiece (1) and a viewing mark (25) that a defined orientation of the Machining tool (19) corresponds, with an adjusting device (11) for changing the position and / or orientation of the viewing device (4) relative to the workpiece (1), with a control (13) assigned to the second display device (24) for displacement and / or Rotation of the image of the workpiece (1) on the second display device (24) and to determine the values of this displacement and / or rotation G. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (13) die Lage und/oder Orientierung der optischen Achse (10) der Betrachtungseinrichtung (4) entsprechend der so ermittelten Werte korrigiert und damit eine Arbeitsrichtung für das Bearbeitungswerkzeug (19) bestimmt. 12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the controller (13) corrects the position and / or orientation of the optical axis (10) of the viewing device (4) in accordance with the values thus determined and thus determines a working direction for the machining tool (19) , 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (13) die Betrachtungseinrichtung (4) entsprechend den bestimmten Werten relativ zum Werkstück (1) verdreht und/oder verschiebt und danach auf der ersten Anzeigeeinrichtung (22) ein Bild des Werkstückes (1) und der Betrachtungsmarkierung (23) erzeugt.13. Device according to one of claims 11 or 12, characterized in that the controller (13) rotates and / or shifts the viewing device (4) according to the determined values relative to the workpiece (1) and then on the first display device (22) Image of the workpiece (1) and the observation mark (23) generated. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Navigationssystem (14) vorgesehen ist zur Bestimmung der Lage und Orientierung der Betrachtungseinrichtung (4) und/oder des Werkstückes (1) und/oder des Bearbeitungswerkzeuges (19).14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that a navigation system (14) is provided for determining the position and orientation of the viewing device (4) and / or the workpiece (1) and / or the machining tool (19). 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Betrachtungseinrichtung (4) ein Röntgengerät ist.15. The device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the viewing device (4) is an X-ray device. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zum Werkstück (1) eine Führungslehre (19) vorgesehen ist.16. Device according to one of claims 11 to 15, characterized in that a guide gauge (19) is provided for orienting the machining tool relative to the workpiece (1). 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Navigationssystem (14) auch die Lage und Orientierung der Führungslehre (19) bestimmt. 17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the navigation system (14) also determines the position and orientation of the guide gauge (19). 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungswerkzeug ein Bohrer ist.18. Device according to one of claims 11 to 17, characterized in that the machining tool is a drill. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) ein Implantat ist.19. Device according to one of claims 11 to 18, characterized in that the workpiece (1) is an implant. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) ein Knochennagel ist. 20. The apparatus according to claim 19, characterized in that the workpiece (1) is a bone nail.
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