DE102006035292B4 - Method and system for transferring position-related information from a virtual to an actual reality and for displaying this information in the actual reality and use of such a system - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Übertragen von positionszugeordneten Informationen aus einer virtuellen räumlichen Realität in eine tatsächliche räumliche Realität und zum Anzeigen dieser Informationen in der tatsächlichen räumlichen Realität, bei welchem Verfahren die in der virtuellen Realität aufgenommenen Informationen in Bezug auf ein der virtuellen Realität zugeteiltes Koordinatensystem bestimmt werden und zur Darstellung in der tatsächlichen Realität eine Registrierung vorgenommen wird, bei der eine Transformationsmatrix ermittelt wird, welche das der virtuellen Realität zugeteilte Koordinatensystem in ein Koordinatensystem eines Trackingsystems (6) transformiert, so dass die in die tatsächliche Realität zu übertragenden positionszugeordneten Informationen in dieser transformationsgetreu mittels einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden, die eine einen Lichtstrahl (5) aussendende Lichtquelle (3) enthält, deren Position in der tatsächlichen Realität mittels des Trackingsystems (6) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Position der Lichtquelle (3) und den aus der virtuellen Realität in die tatsächliche Realität transformierten positionszugeordneten Informationen die vorzunehmende Stellung einer in der Anzeigevorrichtung zur Ablenkung...A method of transferring positional information from a virtual spatial reality to an actual spatial reality and displaying that information in the actual spatial reality, in which method the virtual reality recorded information is determined in relation to a virtual reality assigned coordinate system and Representation in actual reality, a registration is made, in which a transformation matrix is determined, which transforms the virtual reality assigned coordinate system in a coordinate system of a tracking system (6), so that the information to be transmitted in the actual reality position associated information in this transformation faithfully by means of a Display device to be displayed, which contains a light beam (5) emitting light source (3), their position in the actual reality by means of the tracking system (6) is determined, characterized in that from the determined position of the light source (3) and the information assigned to the virtual reality transformed into the actual reality, the position to be taken in the display device for the distraction of the display ...

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von positionszugeordneten Informationen aus einer virtuellen räumlichen Realität in eine tatsächliche räumliche Realität und zum Anzeigen dieser Informationen in der tatsächlichen räumlichen Realität, wobei die in der virtuellen Realität aufgenommenen Informationen in Bezug auf ein der virtuellen Realität zugeteiltes Koordinatensystem bestimmt werden und zur Darstellung in der tatsächlichen Realität eine Registrierung vorgenommen wird, bei der eine Transformationsmatrix ermittelt wird, welche das der virtuellen Realität zugeteilte Koordinatensystem in ein Koordinatensystem eines Trackingsystems transformiert, so dass die in die tatsächliche Realität zu übertragenden Informationen in dieser transformationsgetreu angezeigt werden.The The invention relates to a method for transmitting position-associated Information from a virtual spatial reality into an actual one spatial reality and to display this information in the actual spatial reality, being in virtual reality recorded information related to a virtual reality Coordinate system can be determined and displayed in the actual reality a registration is made in which a transformation matrix is determined, which is the virtual reality assigned coordinate system transformed into a coordinate system of a tracking system, so that in the actual reality to be transferred Information in this transformation faithful to be displayed.

Die Erfindung betrifft auch ein System zur Durchführung des Verfahrens, sowie eine Verwendung dieses Systems.The The invention also relates to a system for carrying out the method, and a use of this system.

Ein wichtiges und beispielhaftes Anwendungsgebiet des durch die Erfindung zu schaffenden Verfahrens soll im Bereich der minimalinvasiven chirurgischen Operationen, also sogenannter ”Schlüsselloch”-Operationen liegen, bei denen mit langen, stabförmigen medizinischen Instrumenten durch künstlich erstellte Körperöffnungen hindurch operiert wird. Vor der eigentlichen Durchführung solcher minimalinvasiver Operationen ist eine präoperative Planung erforderlich, da der Ort auf der Körperoberfläche, an welchem der Chirurg den Einstichpunkt in den Körper des Patienten setzt, großen Einfluss auf die Erreichbarkeit der Stelle hat, an der innerhalb des Körpers operiert werden soll. Daher ist es wichtig, vor der Operation anhand von präoperativem Bildmaterial, wie z. B. Computertomographie(CT)-Daten, zu untersuchen, wo an der Körperoberfläche ein oder mehrere Einstichpunkte liegen sollten.One important and exemplary field of application of the invention to be created in the field of minimally invasive surgical procedure Operations, so-called "keyhole" operations lie where those with long, rod-shaped medical instruments by artificial created body openings operated on. Before actually performing such minimally invasive surgery requires preoperative planning because the place on the body surface, at which the surgeon puts the puncture point in the body of the patient, great influence on the accessibility of the site at which operates within the body shall be. Therefore, it is important to use before surgery preoperative Picture material, such. B. computed tomography (CT) data, to investigate where at the body surface or more puncture points should be.

Das Ergebnis der präoperativen Phase sind in diesem Fall die Koordinaten der Einstichpunkte relativ zu demjenigen Koordinatensystem, in dem die präoperativen Daten aufgenommen wurden.The Result of preoperative Phase are in this case the coordinates of the puncture points relative to that coordinate system in which the preoperative data was recorded were.

Damit dann im Operationssaal die Koordinaten der Einstichpunkte auf der Körperoberfläche des Patienten eingezeichnet werden können, wird im allgemeinen ein Trackingsystem verwendet, das es ermöglicht, die Lage von Gegenständen im Raum relativ zu dem Koordinatensystem des Trackingsystems zu messen. Um die Planungsergebnisse der präoperativen Phase, also aus der virtuellen Realität, in den Operationssaal, also in die tatsächliche Realität, zu übertragen, ist daher zunächst eine sogenannte Registrierung durchzuführen, bei der die Transformationsmatrix ermittelt wird, die das Koordinatensystem, in dem das präoperative Bildmaterial vorliegt, in das Koordinatensystem des Trackingsystems im Operationssaal transformiert.In order to then in the operating room the coordinates of the puncture points on the Body surface of the patient can be drawn In general, a tracking system is used that makes it possible to the location of objects in space relative to the coordinate system of the tracking system measure up. To the planning results of the preoperative phase, ie off the virtual reality, to be transferred to the operating theater, ie to the actual reality, is therefore first To perform a so-called registration, in which the transformation matrix is determined that the coordinate system in which the preoperative Image material is present in the coordinate system of the tracking system transformed in the operating room.

Allgemeiner betrachtet handelt es sich also um Anwendungen, bei denen die virtuelle Realität mit der tatsächlichen Realität abgeglichen werden soll. Es ist also in Form der virtuellen Realität ein Modell der tatsächlichen Realität vorhanden, in dem Positionsinformationen oder ganz allgemein positionszugeordnete Informationen existieren, die in die tatsächliche Realität übertragen werden sollen.general Thus, these are applications in which the virtual reality with the actual reality to be matched. It is therefore in the form of virtual reality a model of actual reality present in the position information or more generally positionally assigned Information exists that translates into actual reality should be.

Zum Abgleich zwischen virtueller Welt und realer Welt gibt es einige bekannte Möglichkeiten, die nachfolgend angegeben werden.To the There is a balance between the virtual world and the real world known ways which are given below.

Mit Hilfe eines getrackten Zeigestabs können Positions- und Orientierungsdaten aus der virtuellen Welt in die reale Welt übertragen werden. Dazu wird die Position der Spitze des Zei gestabs gemessen und mit der zu findenden Position in der virtuellen Realität verglichen. Die aktuelle Position des Zeigestabs kann in der virtuellen Realität angezeigt werden und der Benutzer kann nun die Position des Zeigestabs mit der Ziel-Position, die ebenfalls in der virtuellen Realität angezeigt wird, abgleichen. Befindet sich der ”virtuelle” Zeigestab in der virtuellen Realität an der gewünschten Position, so ist auch der reale Zeigestab an der korrespondierenden Position. Wahlweise wäre ein akustisches Feedback denkbar. Die Ermittlung der gewünschten Lage ist in diesem Fall manuell durch den Benutzer durchzuführen. Es erfolgt also keine automatische Ermittlung.With The help of a tracked pointer can provide position and orientation data be transferred from the virtual world to the real world. This is the Position of the top of the Zei rod measured and with the to find Position compared in virtual reality. The actual Position of the pointer can be displayed in virtual reality and the user can now use the location of the pointer the target position, which is also displayed in virtual reality will match. Is the "virtual" pointer in the virtual reality at the desired Position, so is the real pointer to the corresponding one Position. Optional would be An acoustic feedback conceivable. Determining the desired Location is in this case manually performed by the user. It so no automatic determination takes place.

Eine Alternative dazu besteht darin, die zu findenden Positionen durch einen getrackten Roboter anzufahren. Dieser könnte so gesteuert werden, dass seine Spitze auf die Stelle zeigt, die aus der virtuellen Realität in die tatsächliche Realität übertragen werden soll.A An alternative to this is to find the positions to be found to drive a tracked robot. This could be controlled so that his tip points to the point that out of the virtual reality in the actual Reality to be transmitted should.

Aus US-5 617 857 A ist ein Abbildungssystem mit einem medizinischen Instrument bekannt, das eine Quelle zum Ausstrahlen detektierbarer Energie und einen Instrumentenkörper mit einem Arbeitsteil enthält. Das Abbildungssystem umfasst außerdem einen Detektor zum Detektieren der Energie und einen Prozessor zum Ermitteln des Ortes des medizinischen Instruments auf der Grundlage der detektierten Energie. In diesem bekannten Abbildungssystem ist am medizinischen Instrument ein Speicher zum Speichern von Anfangsinformationen, wie z. B. der Lage der energieausstrahlenden Mittel in Bezug auf den Instrumentenkörper, vorgesehen. Eine Übertragungseinrichtung ist zum Übertragen der Anfangsinformationen aus dem Speicher zum Prozessor nach Verbindung des medizinischen Instruments mit dem Prozessor vorgesehen. Auf diese Weise kann der Prozessor dann sich selbst entsprechend dem beigefügten Instrument konfigu rieren, so dass das System dem Ort des Instrumentenkörpers im dreidimensionalen Raum nach Detektion der ausgestrahlten Energie folgen kann.Out US 5,617,857 A For example, there is known an imaging system with a medical instrument that includes a source for radiating detectable energy and an instrument body with a working part. The imaging system also includes a detector for detecting the energy and a processor for determining the location of the medical instrument based on the detected energy. In this known imaging system is on the medical instrument, a memory for storing initial information, such. B. the location of the energy radiating means with respect to the instrument body provided. A transmitter is provided for transferring the initial information from the memory to the processor upon connection of the medical instrument to the processor. In this way, the processor can then configure itself according to the attached instrument so that the System can follow the location of the instrument body in three-dimensional space after detection of the emitted energy.

Aus US 5 803 089 A ist ein System zum Überwachen der Position eines medizinischen Instruments in Bezug auf einen Patientenkörper und zum Darstellen wenigstens eines aus einer Vielzahl von vorher aufgezeichneten Bildern dieses auf die Position des medizinischen Instruments ansprechbaren Körpers bekannt. Das System enthält eine Referenzeinheit, eine abgesetzte Einheit, einen positionscharakteristischen Feldgenerator, einen Feldsensor, einen Positionsdetektor und eine Darstellungseinrichtung am Ausgang. Die Referenzeinheit ist bezüglich wenigstens eines Teils des Patientenkörpers unbeweglich, so dass sie in Bezug auf einen Zieloperationsplatz im wesentlichen unbeweglich ist. Die abgesetzte Einheit ist am medizinischen Instrument angebracht.Out US 5,803,089 A For example, there is known a system for monitoring the position of a medical instrument relative to a patient's body and displaying at least one of a plurality of pre-recorded images of that body responsive to the position of the medical instrument. The system includes a reference unit, a remote unit, a positional characteristic field generator, a field sensor, a position detector and an output display device. The reference unit is immovable with respect to at least a portion of the patient's body so that it is substantially immobile relative to a target surgical site. The remote unit is attached to the medical instrument.

Der Feldgenerator ist entweder mit der Referenzeinheit oder der abgesetzten Einheit verbunden und erzeugt ein positionscharakteristisches Feld in einem den Zieloperationsplatz einschließenden Bereich. Der Feldsensor ist mit der jeweils anderen Einheit verbunden und spricht auf das Vorliegen des Feldes an, um ein dem erfassten Feld entsprechendes Sensorausgangssignal zu erzeugen. Der Positionsdetektor steht mit dem Sensorausgangssignal in Verbindung und erzeugt Positionsdaten, die der Position der abgesetzten Einheit in Bezug auf die Referenzeinheit entsprechen. Die ausgangsseitige Darstellungseinrichtung steht mit dem Positionsdetektor in Verbindung, um wenigstens eines der vorher aufgezeichneten Bilder, die auf die Positionsdaten ansprechen, anzuzeigen.Of the Field generator is either with the reference unit or the remote Unit and creates a positional characteristic field in an area including the target surgical site. The field sensor is connected to the other unit and speaks to that Presence of the field to a sensor output signal corresponding to the detected field to create. The position detector is connected to the sensor output signal Connected and generates position data corresponding to the position of the remote Unit with respect to the reference unit. The output side Display device communicates with the position detector to at least one of the previously recorded images, which on the Address position data to display.

Dieses bekannte System umfasst außerdem eine Registrierungseinheit, die mit dem Speicher und den Positionsdaten in Ver bindung steht. Der Speicher speichert die Vielzahl von vorher aufgezeichneten Bildern des Körpers. Jedes vorher aufgezeichnete Bild entspricht einem ebenen Bereich innerhalb des Körpers, so dass die Vielzahl der durch die aufgezeichneten Bilder dargestellten ebenen Bereiche ein erstes Koordinatensystem definiert. Die Registrierungseinheit korreliert die Positionsdaten eines zweiten Koordinatensystems, so wie es durch den Positionsdetektor definiert ist, mit der Vielzahl der vorher aufgezeichneten Bilder des ersten Koordinatensystems und identifiziert ein gewünschtes vorher aufgezeichnetes Bild, das mit der Position der abgesetzten Einheit in Bezug auf den Patientenkörper verbunden ist.This known system also includes a Registration unit containing the memory and the position data in connection. The memory stores the plurality of before recorded images of the body. Each previously recorded image corresponds to a flat area within the body, so that the multiplicity of those represented by the recorded pictures planar areas defines a first coordinate system. The registration unit correlates the position data of a second coordinate system, as defined by the position detector, with the plurality the previously recorded images of the first coordinate system and identifies a desired one previously recorded image, with the position of the remote Unit is connected in relation to the patient's body.

In US 6 529 758 B2 ist ein bildgeführtes chirurgisches Verfahren unter Verwendung einer Registrierung präoperativer räumlicher Abtastdaten beschrieben, die vor dem chirurgischen Eingriff erfasst worden sind, bezüglich dem Patienten registriert wurden und zum Aufbauen eines räumlichen perspektivischen Bildes der chirurgischen Eingriffsstelle verwendet werden. Die Registrierung der räumlichen Abtastdaten kann hierbei durch Erzeugung eines Lichtmusters auf der Patientenoberfläche durch Bewegen eines Laserstrahls über die chirurgische Eingriffsstelle erreicht werden. Das Lichtmuster wird durch wenigstens zwei Kameras aus verschiedenen festen Positionen aufgenommen, digitalisiert und zum Bilden einer Laserrekonstruktion der Patientenoberfläche verwendet. Diese digitale Oberfläche kann dann mit den räumlichen Abtastdaten abgeglichen werden, wobei ein verbessertes räumliches perspektivisches Bild der chirurgischen Eingriffsstelle gebildet wird.In US Pat. No. 6,529,758 B2 EP 0 682 034 describes an image guided surgical procedure using registration of preoperative spatial scan data acquired prior to surgery, registered with the patient and used to construct a spatial perspective image of the surgical site. Registration of the spatial scan data may be achieved by generating a light pattern on the patient surface by moving a laser beam across the surgical site. The light pattern is captured by at least two cameras from different fixed positions, digitized and used to form a laser reconstruction of the patient surface. This digital surface can then be aligned with the spatial scan data to form an improved spatial perspective image of the surgical site.

In US 2004/0254584 A1 ist ein computergestütztes Navigationsverfahren für Hüftersatzchirurgie beschrieben, bei dem eine Beckenebene aus wenigstens drei erkennbaren anatomischen Merkmalen des Beckens bestimmt wird, mit einem Trackingsystem die Orientierung eines Hüftgelenkpfannenimplantats zur Erlangung von Implantierungsorientierungsdaten ermittelt wird und das Hüftgelenkpfannenimplantat in eine gewünschte Orientierung in Bezug auf die bestimmte Beckenebene eingestellt wird, indem die erwähnten Implantierungsorientierungsdaten zu der bestimmten Beckenebene in Bezug gesetzt werden. Vorzugsweise enthält das System Oberschenkelknochen-Trackingmarker, die an einem Oberschenkel des Patienten sicher befestigt sind und durch das Trackingsystem verfolgbar sind, um Änderungen in der Beinlänge und im Oberschenkelversatz festzustellen.In US 2004/0254584 A1 a computerized navigation method for hip replacement surgery is described in which a pelvic plane is determined from at least three recognizable pelvic anatomical features, a tracking system is used to determine the orientation of an acetabulum implant to obtain implant orientation data, and the acetabulum implant is adjusted to a desired orientation with respect to the particular pelvic plane by relating the mentioned implant orientation data to the particular pelvic plane. Preferably, the system includes femoral tracking markers securely attached to a thigh of the patient and trackable by the tracking system to detect changes in leg length and thigh offset.

US 2002/0016541 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Projizieren eines Bildes auf einen Patienten, wobei dieses Bild auf Markierungen basiert, die auf Bildern angebracht wurden, die vorher von dem Patienten angefertigt wurden. Das Bild wird beispielsweise durch einen Laser auf den Patienten projiziert. Die Position des Patienten und das Bild werden hierbei im gleichen Referenzrahmen erfasst. Es erfolgt sodann eine Zuordnung der Markierungen auf den vorher angefertigten Bildern zu den entsprechenden Stellen auf dem Patientenkörper. Die Projektion des Bildes auf den Patienten erfolgt hiernach in Abhängigkeit von diesen Markierungen. US 2002/0016541 A1 describes a method and system for projecting an image onto a patient, which image is based on markings applied to images previously made by the patient. For example, the image is projected onto the patient by a laser. The position of the patient and the image are recorded in the same frame of reference. There is then an assignment of the markers on the previously prepared images to the corresponding locations on the patient's body. The projection of the image onto the patient is then carried out as a function of these markings.

Es ist festzustellen, dass bisher kein Verfahren oder System existiert, mit dem ein in einer virtuellen räumlichen Realität erfasster und dort festgelegter Punkt oder ganz allgemein eine darin bestimmte positionszugeordnete Information dann im Raum der tatsächlichen Realität einfach und flexibel angezeigt werden kann. Die Verwendung von Robotern ist zwar grundsätzlich möglich für Anwendungen, in denen ohnehin Roboter zur Verfügung stehen, aber auch im Hinblick auf Geschwindigkeit, Zeigebereich, Platzbedarf, Flexibilität, Kosten und Genauigkeit sind Roboter in vielen Fällen nachteilig.It should be noted that no method or system exists with which a point detected in a virtual spatial reality and defined there, or more generally a position-assigned information determined therein, can then simply and flexibly be displayed in the space of the actual reality. The use of robots is basically possible for applications in which robots are available anyway, but also with regard to speed, pointing range, space In many cases, robots are detrimental to flexibility, cost and accuracy.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zu schaffen, womit in einer virtuellen räumlichen Realität erfasste und dort festgelegte Punkte oder ganz allgemein darin bestimmte positionszugeordnete Informationen ohne Robotereinsatz im Raum der tatsächlichen Realität einfach und flexibel nicht nur bei feststehender, sondern auch bei einer beliebig und schnell bewegten, die Lichtquelle enthaltenden Anzeigevorrichtung korrekt angezeigt und damit mühelos wiedergefunden werden.task The present invention is a method and system to create what captured in a virtual spatial reality and specified points there or more generally in it position-assigned information without robot use in the room of actual Reality easy and flexible not only in fixed, but also in one arbitrarily and quickly moving, the light source containing display device displayed correctly and thus effortlessly be found again.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der gegenständlichen Ansprüche 1, 5 und 21 bis 24 sowie 26.The The object is achieved by the characteristics of the representational claims 1, 5 and 21 to 24 and 26.

Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die positionszugeordneten Informationen in der tatsächlichen Realität mittels einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden, die eine einen Lichtstrahl aussendende Lichtquelle und eine Lichtstrahl-Ablenkeinrichtung enthält, dass die Position der Lichtquelle in der tatsächlichen Realität mittels des Trackingsystems ermittelt wird, dass aus der ermittelten Position der Lichtquelle und den aus der virtuellen Realität in die tatsächliche Realität transformierten positionszugeordneten Informationen die vorzunehmende Stellung der Ablenkeinrichtung berechnet und eingestellt wird, so dass nach seiner Ablenkung der Lichtstrahl exakt in die Richtung zur zugewiesenen Position gerichtet ist und im Fall einer Bewegung der Lichtquelle die Ablenkeinrichtung automatisch in einer solchen Weise nachgestellt wird, dass der abgelenkte Lichtstrahl stets auf die zugewiesene Position gerichtet bleibt.According to the invention, which relates to a method of the type mentioned, is solved this task by that the positional information is in the actual Reality by means of a display device, which is a light beam emitting light source and a light beam deflector that contains the Position of the light source in actual reality by means of of the tracking system is determined that from the determined position the light source and the virtual reality in the actual Transformed reality positional information the position to be taken Deflection device is calculated and adjusted so that after his Deflect the beam of light exactly in the direction assigned to it Position is directed and in case of movement of the light source the deflector automatically adjusted in such a way is that the deflected light beam always assigned to the Position remains focused.

Bei einer Anwendung des Verfahrens im Bereich minimalinvasiver medizinischer Operationen besteht die virtuelle räumliche Realität in einer anhand von präoperativem Bildmaterial durchgeführten, präoperativen Planung, die als Ergebnis Einstichpunkte relativ zu demjenigen Koordinatensystem hat, in dem die präoperativen Informationen aufgenommen werden und welches das Koordinatensystem der virtuellen Realität bildet. Zur Darstellung in der tatsächlichen Realität des Operationssaals wird die Registrierung vorgenommen, bei der die Transformationsmatrix ermittelt wird, welche das der virtuellen Realität der präoperativen Phase zugeteilte Koordinatensystem in das Koordinatensystem des im Operationssaal vorgesehenen Trackingsystems transformiert.at an application of the method in the field of minimally invasive medical Operations is the virtual spatial reality in one based on preoperative Imagery, preoperative Planning, as a result, puncture points relative to that coordinate system in which the preoperative Information will be included and which the coordinate system the virtual reality forms. To be presented in the actual reality of the operating room made the registration, where the transformation matrix determining which of the virtual reality assigned to the preoperative phase coordinate system transformed into the coordinate system of the tracking system provided in the operating room.

Die Einstichpunkte werden in der tatsächlichen Realität des Operationssaals mit Hilfe der die Lichtquelle und die Ablenkeinrichtung enthaltenden Anzeigevorrichtung angezeigt, wobei die Position der Lichtquelle in der tatsächlichen Realität des Operationssaals mittels des dortigen Trackingsystems ermittelt wird. Aus der ermittelten Position der Lichtquelle und den aus der virtuellen Realität der präoperativen Phase in die tatsächliche Realität des Operationssaals transformierten Einstichpunkten wird die vorzunehmende Stellung der Ablenkeinrichtung berechnet und gesteuert, so dass nach seiner Ablenkung der Lichtstrahl exakt auf den betreffenden Einstichpunkt gerichtet ist. Im Fall einer Bewegung der Lichtquelle wird die steuerbare Ablenkeinrichtung automatisch in einer solchen Weise nachgestellt, dass der abgelenkte Lichtstrahl stets auf diesen zugewiesenen Einstichpunkt gerichtet bleibt.The Penetration points are in the actual reality of the operating room with the aid of the light source and the deflector containing display device displayed, with the position of the light source in the actual Reality of Operating room is determined by means of the local tracking system. From the determined position of the light source and from the virtual reality the preoperative phase in the actual reality of the operating room transformed puncture points is the vorzunehmende Position of the deflector calculated and controlled so that after its deflection the beam of light exactly to the concerned Penetration point is addressed. In the case of a movement of the light source will the controllable deflection automatically in such a way readjusted that the deflected light beam always assigned to this Puncture point remains focused.

Bei fester Anbringung der Anzeigevorrichtung im Raum der tatsächlichen Realität ist nach einer einmaligen Registrierung im Raum der tatsächlichen Realität kein Trackingsystem mehr erforderlich.at fixed attachment of the display device in the space of the actual reality is after a single registration in the room of the actual reality no tracking system required anymore.

Ein die gestellte Aufgabe lösendes System zur Durchführung des angegebenen Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Speicherung der in der virtuellen Realität aufgenommenen, positionszugeordneten Informationen relativ zu dem der virtuellen Realität zugeteilten Koordinatensystem vorgesehen ist, dass zur Darstellung in der tatsächlichen Realität eine Registrierungseinrichtung vorgesehen ist, in der die Transformationsmatrix ermittelt wird, welche das der virtuellen Realität zugeteilte Koordinatensystem in ein Koordinatensystem eines Trackingsystems transformiert, so dass die in die tatsächliche Realität zu übertragenden Informationen in dieser transformationsgetreu angezeigt werden. Zur Anzeige der positionszugeordneten Informationen in der tatsächlichen Realität ist eine Anzeigevorrichtung vorgesehen, die eine einen Lichtstrahl aussendende Lichtquelle und eine steuerbare Licht strahl-Ablenkeinrichtung enthält, dass im Fall einer beweglichen, also nicht fest angebrachten Anzeigevorrichtung zur Ermittlung der Position der Lichtquelle in der tatsächlichen Realität ein Trackingsystem vorgesehen ist. Ferner ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die aus der ermittelten Position der Lichtquelle und den aus der virtuellen Realität in die tatsächliche Realität transformierten positionszugeordneten Informationen die vorzunehmende Stellung der steuerbaren Ablenkeinrichtung berechnet, so dass nach seiner Ablenkung der Lichtstrahl exakt in die Richtung zur zugewiesenen Position gerichtet ist und im Fall einer Bewegung der Lichtquelle die steuerbare Ablenkeinrichtung automatisch in einer solchen Weise nachgestellt wird, dass der abgelenkte Lichtstrahl stets auf die zugewiesene Position gerichtet bleibt.One the task solved System for implementation the specified method according to the present invention is characterized characterized in that a device for storing in the virtual reality recorded, position-related information relative to the the virtual reality assigned coordinate system is provided that for representation in the actual Reality one Registration device is provided, in which the transformation matrix is determined which the virtual reality assigned coordinate system in transformed a coordinate system of a tracking system, so that in the actual Reality to be transmitted Information in this transformation faithful to be displayed. To display the positional information in the actual reality a display device is provided which is a light beam emitting light source and a controllable light beam deflector contains that in the case of a mobile, so not fixed display device to determine the position of the light source in the actual reality a tracking system is provided. Furthermore, an evaluation unit provided from the determined position of the light source and the one out of virtual reality in the actual Transformed reality positional information the position to be taken calculated controllable deflection, so after its distraction the light beam exactly in the direction to the assigned position is directed and in the case of a movement of the light source, the controllable Deflection automatically adjusted in such a way is that the deflected light beam always assigned to the Position remains focused.

Bei dem Verfahren und dem System nach der vorliegenden Erfindung wird demnach die Lage der Quelle des Lichtstrahls, der durch die steuerbare Ablenkeinrichtung, z. B. zwei stellbare Spiegel abgelenkt werden kann, mit Hilfe eines Trackingsystems ermittelt. Aus dieser Lage und der Lage des gewünschten anzustrahlenden Punktes wird berechnet, wie die Ablenkeinrichtung, also im Beispiel die zwei Spiegel, einzustellen sind, so dass der Lichtstrahl genau in die richtige Richtung zeigt. Wird die Lichtquelle bewegt, so wird die Ablenkeinrichtung automatisch entsprechend nachgestellt, so dass der Lichtstrahl immer auf die gleiche Stelle zeigt.In the method and the system according to the invention, therefore, the position of the source of the light beam, which is controlled by the controllable Deflection device, z. B. two adjustable mirror can be deflected, determined using a tracking system. From this position and the position of the desired point to be irradiated, it is calculated how the deflection device, ie in the example the two mirrors, are to be adjusted so that the light beam points in the right direction. If the light source is moved, the deflection device is adjusted automatically accordingly, so that the light beam always points to the same location.

Die Verbindung der Systemteile Lichtquelle, Ablenkeinrichtung, Auswerteeinheit und eventuell Trackingsystem führt zu einem neuen und vorteilhaften System, das automatisch Punkte im Raum ”markieren” kann bzw. positionszugeordnete Informationen ortsabhängig bereitstellen kann.The Connection of system components light source, deflection device, evaluation unit and possibly tracking system leads to a new and advantageous system that automatically points in the room "mark" can or position-assigned information can provide location-dependent.

Die Anzeigevorrichtung lässt sich als Handgerät oder fest montiert realisieren. Bei einer Realisierung als Handgerät kann dieses kabellos oder kabelgebunden ausgeführt werden. Bei fester Montage im Raum der tatsächlichen Realität und vorheriger Registrierung der Anzeigevorrichtung wird kein Trackingsystem mehr benötigt.The Indicator device leaves as a handheld device or permanently mounted. In a realization as a handheld this can be carried out wirelessly or wired. For fixed installation in the Space of the actual reality and prior registration of the display device will not be a tracking system more needed.

Der Lichtstrahl lässt sich in der Ablenkeinrichtung durch zwei oder mehr verstellbare Spiegel oder eine Pan-Tilt-Einheit oder magnetische Felder oder elektrische Felder ablenken.Of the Light beam lets in the deflector by two or more adjustable Mirror or a pan-tilt unit or magnetic fields or Distract electrical fields.

In der Lichtquelle kann der Lichtstrahl durch einen Laser, einen Scheinwerfer, eine Infrarotquelle oder Leuchtdioden oder aber auch parallel durch verschiedene dieser Lichtstrahl-Erzeugungssysteme erzeugt werden.In the light source, the light beam through a laser, a headlight, an infrared source or light-emitting diodes or else in parallel various of these light beam generation systems be generated.

Die Auswerteeinheit, die aus der Lage der Lichtquelle und der gewünschten Lichtstrahlrichtung die Stellung der steuerbaren Ablenkeinrichtung, z. B. zweier Spiegel, berechnet und die Ablenkeinrichtung auch steuert, kann als externes Gerät oder integriert in der als Handgerät ausgeführten Anzeigevorrichtung realisiert werden.The Evaluation unit based on the position of the light source and the desired Light beam direction the position of the controllable deflection device, z. B. two mirrors, calculated and the deflection also controls, can as an external device or realized integrated in the running as a handheld display device become.

Es können auch mehrere Anzeigevorrichtungen verwendet werden, damit durch sich kreuzende Lichtstrahlen dreidimensionale Punkte markiert oder verschiedene Farben oder Muster realisiert werden können.It can Also, several display devices are used, so that intersecting beams of light marks three-dimensional dots or different ones Colors or patterns can be realized.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des Verfahrens und Systems nach der vorliegenden Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben, die sich unmittelbar oder mittelbar auf den Patentanspruch 1 bzw. 5 beziehen.advantageous and appropriate training of the method and system of the present invention in subclaims specified, which directly or indirectly to the claim 1 or 5 relate.

Außerdem sind in Ansprüchen noch vorteilhafte und zweckmäßige Verwendungsmöglichkeiten angegeben.Besides, they are in claims specified yet advantageous and appropriate uses.

Durch die Erfindung ergibt sich eine Reihe von Vorteilen.By The invention provides a number of advantages.

Was die Kosten angeht, so ist das Verfahren nach der Erfindung, verglichen mit anderen automatischen Verfahren, z. B. der Verwendung von Robotern, deutlich preisgünstiger, da die Komponenten der Anzeigevorrichtung mit Lichtquelle und Ablenkeinrichtung als Standardkomponenten erhältlich sind und ein Trackingsystem in beiden Fällen nötig ist.What As far as the costs are concerned, the method according to the invention is compared with other automatic methods, e.g. B. the use of robots, much cheaper, because the components of the display device with light source and deflector available as standard components and a tracking system is needed in both cases.

Was die Geschwindigkeit angeht, so ist es durch ein Spiegelsystem mit entsprechender Verstellgeschwindigkeit in der Ablenkeinrichtung möglich, auch mehrere Punkte ”gleichzeitig” anzuleuchten. Es ist kein manueller Abgleich nötig, was das Verfahren im Vergleich zu einer Abtastung mit Zeigestab deutlich schneller macht.What As far as the speed is concerned, it is through a mirror system with corresponding adjustment speed in the deflection possible, also to illuminate several points "at the same time". No manual adjustment is necessary what the procedure compared to a probe with pointer makes it much faster.

Was den Platzbedarf betrifft, so ist es möglich, die Anzeigevorrichtung in Form eines kompakten Handgeräts zu realisieren. Als weitere Möglichkeit kann die Anzeigevorrichtung außerhalb des eigentlichen Manipulationsbereichs extern fest angebracht werden, wodurch der wichtige Bereich um das Zentrum des Arbeitsgebiets herum freigehalten wird.What As far as the space requirement is concerned, it is possible for the display device in the form of a compact handset to realize. As another option Can the display device outside the actual manipulation area are fixed externally, making the important area around the center of the work area around is kept free.

Was die Genauigkeit betrifft, so haben gängige Spiegelsysteme zur Verwendung in der Ablenkeinrichtung eine extrem hohe Genauigkeit, so dass die Gesamtgenauigkeit des Systems in erster Linie von der Genauigkeit des Trackingsystems abhängt. Da dieses frei gewählt werden kann, ist die bestmögliche Genauigkeit erreichbar.What As far as accuracy is concerned, current mirror systems are in use in the deflection extremely high accuracy, so that the Overall accuracy of the system primarily of accuracy depends on the tracking system. There this chosen freely can be, is the best possible Accuracy attainable.

Was den Zeigebereich angeht, so ergibt sich der Bereich, der mit der Anzeigevorrichtung des erfindungsgemäßen Systems abgedeckt werden kann, aus dem Tracking-Bereich des Trackingsystems und der Reichweite des Lichtstrahls. Er ist damit größer als der eines normalen Roboters und auch größer als der eines getrackten Zeigestabes.What As far as the pointing area is concerned, the area that results with the Display device of the system according to the invention are covered can, from the tracking range of the tracking system and the range of the light beam. He is larger than a normal Robot and also bigger than that a tracked pointer.

Allgemein eignen sich das Verfahren und das System nach der vorliegenden Erfindung für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen die ”virtuelle Welt” mit der ”tatsächlichen Welt” abgeglichen werden soll. Dies bedeutet, dass ein Modell der tatsächlichen Welt vorhanden ist, in dem Positionsdaten oder andere positionszugeordnete Informationen vorhanden sind, die in die tatsächliche Welt übertragen werden sollen.Generally the method and system of the present invention are suitable for a variety of applications where the "virtual world" with the "actual World "balanced shall be. This means that a model of the actual World exists in which position data or other positionally assigned Information is present that translates into the actual world should be.

Eine weitere interessante Anwendung neben derjenigen für minimalinvasive chirurgische Operationen mit präoperativer Planung ergibt sich, wenn schnell verstellbare Spiegel als steuerbare Ablenkeinrichtung verwendet werden, mit welchen nicht nur Punkte, sondern auch Linien, Buchstaben oder Symbole auf eine Oberfläche projiziert werden können. In diesem Fall wäre es möglich, ein ebenfalls getracktes Objekt lageabhängig zu beschriften. Konkrete Anwendungen fänden sich z. B. in der Montageassistenz. Nummerierungen könnten direkt auf die entsprechenden Bauteile projiziert werden. Soll beispielsweise ein Monteur eine Lichtmaschine in ein Kraftfahrzeug einbauen und dabei fünf Schrauben 1 bis 5 nacheinander festschrauben, so projiziert die Anzeigevorrichtung nun auf die Positionen, an denen die jeweiligen Schrauben eingedreht werden sollen, die entsprechenden Nummern 1 bis 5.Another interesting application besides that for minimally invasive surgical operations with preoperative planning is when fast adjustable mirrors are used as the controllable deflector with which not only dots but also lines, letters or symbols can be projected onto a surface. In In this case, it would be possible to label a tracked object also position-dependent. Concrete applications would be z. B. in the assembly assistance. Numbering could be projected directly onto the corresponding components. If, for example, a fitter is to install an alternator in a motor vehicle and thereby screw five screws 1 to 5 in succession, the display device now projects onto the positions at which the respective screws are to be screwed in, the corresponding numbers 1 to 5.

Neben der Verwendung bei minimalinvasiven chirurgischen Operationen mit präoperativer Planung und bei Montagevorgängen zum gezielten und geplanten Anzeigen von Montagestellen be steht eine Verwendungsmöglichkeit für die Führung in Museen oder Ausstellungen, so dass synchron zur Beschreibung eines Objekts die Anzeigevorrichtung einen gerade besprochenen Teil dieses ausgestellten Objekts gezielt anleuchtet.Next Use with minimally invasive surgical operations preoperative Planning and assembly operations for the targeted and planned display of mounting locations be available a possible use for the guide in museums or exhibitions, so that in sync with the description of an object, the display device a part just discussed This illuminated object targeted lights.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit besteht bei Lehre und Ausbildung mit der Anzeigevorrichtung als zitterfreier Laserpointer oder gekoppelt mit einem Computer-Präsentationsprogramm.A further use exists in teaching and training with the display device as jitter-free laser pointer or coupled with a computer presentation program.

Auch für Bühnen- und Showeffekte zur Realisierung einer interaktiven Lasershow, die auf die Position von Personen, z. B. des Showmasters, reagiert, lässt sich das System nach der Erfindung vorteilhaft verwenden, genauso wie bei einer logistischen Verwaltung. Eine solche logistische Verwaltung kann z. B. diejenige einer Bibliothek, eines Archivs oder dergleichen sein, wobei mittels der Anzeigevorrichtung die logistisch zu verwaltenden Objekte, z. B. Bücher in einer Bibliothek, aufgefunden werden sollen. Dazu sind die Positionen der Objekte in der Speichervorrichtung der virtuellen Realität abgespeichert. Die Anzeigevorrichtung mit ihrem passend abgelenkten Lichtstrahl zeigt auf das gesuchte Objekt, sobald dessen Position dem System mitgeteilt worden ist.Also for stage and Show effects for the realization of an interactive laser show on the position of persons, e.g. B. the showmaster, reacts, can be use the system according to the invention advantageous, as well as in a logistic administration. Such a logistical administration can z. B. that of a library, an archive or the like be, using the display device to manage the logistical Objects, e.g. Eg books in a library, to be found. These are the positions of the objects stored in the virtual reality storage device. The display device with its suitably deflected light beam points to the searched object as soon as its position belongs to the system has been communicated.

Auch im Bereich der Werbung, der Spieleindustrie und des Event-Managements kann das System nach der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden.Also in the field of advertising, the games industry and event management For example, the system of the present invention can be used to advantage become.

Die vorliegende Erfindung und zwei Ausführungsbeispiele für eine Anzeigevorrichtung des für minimalinvasive Operationen eingesetzten Systems werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The present invention and two embodiments of a display device for minimally invasive Operations used in the system are described below with reference to drawings explained. Show it:

1 in schematischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer als Handgerät ausgeführten Anzeigevorrichtung des Systems nach der Erfindung, und 1 a schematic view of an embodiment of a running as a display device of the system according to the invention, and

2 ebenfalls in schematischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer als fest montiertes Gerät ausgeführten Anzeigevorrichtung des Systems nach der Erfindung. 2 likewise a schematic view of an exemplary embodiment of a display device of the system according to the invention designed as a permanently mounted device.

Bei der präoperativen Planung minimalinvasiver Operationen wird mit langen, stabförmigen Instrumenten durch künstliche Körperöffnungen operiert. Der Ort auf der Körperoberfläche, an welchem der Chirurg den Einstichpunkt in den Patienten setzt, hat großen Einfluss auf die Zugänglichkeit der Stelle, an der im Inneren des Körpers operiert werden soll. Daher ist es von großer Bedeutung, vor der Operation anhand von präoperativem Bildmaterial zu untersuchen, an welcher Stelle ein Einstichpunkt am Besten zu setzen ist.at the preoperative Planning minimally invasive surgery is done with long, rod-shaped instruments by artificial orifices surgery. The place on the body surface, at which the surgeon places the puncture point in the patient has huge Influence on accessibility the place where you want to operate on the inside of the body. Therefore is it great Meaning, before surgery based on preoperative imagery too examine at which point a puncture point is best placed is.

Das Ergebnis der präoperativen Planung sind die Koordinaten der Einstichpunkte relativ zum Koordinatensystem, in dem die präoperativen Informationen aufgenommen wurde. Um dann bei der tatsächlichen Operation im Operationssaal die Koordinaten der Punkte auf der Körperoberfläche wiederzufinden und einzuzeichnen, wird ein Trackingsystem verwendet, das z. B. von optischer oder magnetischer Natur sein kann.The Result of preoperative Planning are the coordinates of the puncture points relative to the coordinate system, in which the preoperative Information was recorded. Order then at the actual Operation in the operating room to find the coordinates of the points on the body surface and drawing, a tracking system is used, the z. B. of optical or magnetic nature.

Das Trackingsystem ermöglicht das Messen der Lage von Gegenständen im Raum relativ zum Koordinatensystem des Trackingsystems. Um die präoperativen Planungsergebnisse (= virtuelle Realität) in den Operationssaal (= tatsächliche Realität) zu übertragen, wird zunächst eine Registrierung durchgeführt, bei der die Transformationsmatrix ermittelt wird, die das Koordinatensystem, in dem das präoperative Bildmaterial vor liegt, in das Koordinatensystem des Trackingsystems transformiert.The Tracking system allows measuring the location of objects in space relative to the coordinate system of the tracking system. To the preoperative Planning results (= virtual reality) in the operating theater (= actual Reality) transferred to, will be first done a registration, in which the transformation matrix is determined, which is the coordinate system, in which the preoperative Imagery is in the coordinate system of the tracking system transformed.

Durch den in 1 schematisch dargestellten Aufbau einer für das erfindungsgemäße System vorgesehenen Anzeigevorrichtung ist man nun in der Lage, die Positionen von präoperativ geplanten Einstichpunkten, z. B. des Einstichpunktes 1, auf der Körperoberfläche 2 eines Patienten wiederzufinden. Bei dieser, als mobiles Handgerät ausgeführten Anzeigevorrichtung sind eine Laserstrahlquelle 3 und eine zwei stellbare Spiegel enthaltende, steuerbare Ablenkeinrichtung 4 vorgesehen. Die Lage der Quelle 3 des Laserstrahls 5, der durch die beiden stellbaren Spiegel der Ablenkeinrichtung 4 abgelenkt werden kann, wird mit Hilfe eines im Operationssaal angebrachten Trackingsystems 6 ermittelt.By the in 1 schematically shown construction of an intended for the inventive system display device is now able to the positions of preoperatively planned puncture points, z. B. the puncture point 1 , on the body surface 2 to find a patient. In this, designed as a mobile handheld display device are a laser beam source 3 and a controllable deflector including two adjustable mirrors 4 intended. The location of the source 3 of the laser beam 5 passing through the two adjustable mirrors of the deflector 4 can be distracted, with the help of a mounted in the operating room tracking system 6 determined.

Aus der Lage der Quelle 3 und der auf Grund der Koordinatentransformation bei der Registrierung bekannten Lage des Einstichpunktes 1 wird in einer Auswerteeinheit 7 berechnet, wie die beiden Spiegel der Ablenkeinrichtung 4 gestellt werden müssen, damit der Laserstrahl 5 genau auf den Einstichpunkt 1 zeigt. Wird die Laserstrahlquelle 3 bewegt, so werden die beiden Spiegel in der steuerbaren Ablenkeinrichtung 4 auf Grund der Lagemessung mittels des Trackingsystems 6 und der Berechnung der Spiegelstellungen in der Auswerteeinheit 7 automatisch entsprechend nachgestellt, so dass der Laserstrahl 5 immer auf die gleiche Stelle, nämlich den geplanten Einstichpunkt 1 zeigt.From the location of the source 3 and the position of the puncture point known on the basis of the coordinate transformation during the registration 1 is in an evaluation unit 7 calculated as the two mirrors of the deflector 4 must be made so that the laser beam 5 exactly on the puncture point 1 shows. Will the laser beam source 3 be moved, so be the two mirrors in the controllable deflector 4 based on the position measurement by means of the tracking system 6 and the calculation of the mirror positions in the evaluation unit 7 automatically adjusted accordingly, so that the laser beam 5 always in the same place, namely the planned puncture point 1 shows.

Die Ablenkwinkel des Laserstrahls 5 nach Durchlaufen der Ablenkeinrichtung 4 sind α in der Azimutebene und β in der Elevationsebene. Die Auswerteeinheit 7 steuert also die beiden Spiegel der steuerbaren Ablenkeinrichtung entsprechend ihrem Berechnungsergebnis. Auf diese Weise können die präoperativ geplanten Einstichpunkte, im Beispiel der geplante Einstichpunkt 1, äußerst komfortabel und exakt auf die Körperoberfläche 2 des Patienten übertragen werden. Die Auswerteeinheit 7 kann als externes Gerät ausgeführt oder in der als Handgerät ausgebildeten Anzeigevorrichtung integriert werden.The deflection angle of the laser beam 5 after passing through the deflector 4 are α in the azimuth plane and β in the elevation plane. The evaluation unit 7 thus controls the two mirrors of the controllable deflection according to their calculation result. In this way, the preoperatively planned puncture points, in the example of the planned puncture point 1 , extremely comfortable and precise on the body surface 2 be transmitted to the patient. The evaluation unit 7 can be implemented as an external device or integrated in the designed as a handheld display device.

Auch durch den in 2 schematisch dargestellten Aufbau einer für das erfindungsgemäße System vorgesehenen Anzeigevorrichtung können die Positionen von präoperativ geplanten Einstichpunkten, z. B. des Einstichpunktes 1, auf der Körperoberfläche 2 eines Patienten wiedergefunden werden. Bei dieser im Gegensatz zum vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht beweglichen, sondern fest im Operationssaal montierten Anzeigevorrichtung sind ebenfalls eine Laserstrahlquelle 3 und eine zwei stellbare Spiegel aufweisende, steuerbare Ablenkeinrichtung 4 vorgesehen.Also by the in 2 schematically illustrated construction of a device provided for the inventive display device, the positions of preoperatively planned puncture points, z. B. the puncture point 1 , on the body surface 2 a patient can be found again. In this, in contrast to the previously described embodiment not movable, but permanently mounted in the operating room display device are also a laser beam source 3 and a two-way mirror having controllable deflection 4 intended.

Die Lage der Quelle 3 des Laserstrahls 5, der durch die beiden stellbaren Spiegel der Ablenkeinrichtung 4 abgelenkt werden kann, muss in diesem Fall nicht laufend mit Hilfe eines im Operationssaal angebrachten Trackingsystems ermittelt werden, so dass dieses in diesem Fall eingespart werden kann. Es ist lediglich für eine vorherige Registrierung der Lage der Laserstrahlquelle 3 in der Räumlichkeit des Operationssaals zu sorgen.The location of the source 3 of the laser beam 5 passing through the two adjustable mirrors of the deflector 4 In this case, it is not always necessary to determine with the aid of a tracking system installed in the operating room so that it can be saved in this case. It is only for a prior registration of the position of the laser beam source 3 in the premises of the operating room.

Aus der bekannten Lage der Quelle 3 und der auf Grund der Koordinatentransformation bei der Registrierung bekannten Lage des Einstichpunktes 1 wird auch hier in einer Auswerteeinheit 7 berechnet, wie die beiden Spiegel der Ablenkeinrichtung 4 gestellt werden müssen, damit der Laserstrahl 5 genau auf den Einstichpunkt 1 zeigt.From the known location of the source 3 and the position of the puncture point known on the basis of the coordinate transformation during the registration 1 is also here in an evaluation unit 7 calculated as the two mirrors of the deflector 4 must be made so that the laser beam 5 exactly on the puncture point 1 shows.

Die beiden Spiegel in der steuerbaren Ablenkeinrichtung 4 werden auf Grund der Berechnung der Spiegelstellungen in der Auswerteeinheit 7 automatisch entsprechend nachgestellt, so dass der Laserstrahl 5 immer auf die gleiche Stelle, nämlich den geplanten Einstichpunkt 1 zeigt. Die Ablenkwinkel des Laserstrahls 5 nach Durchlaufen der Ablenkeinrichtung 4 sind α in der Azimutebene und β in der Elevationsebene. Die Auswerteeinheit 7 steuert also die beiden Spiegel der steuerbaren Ablenkeinrichtung entsprechend ihrem Berechnungsergebnis. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden also die präoperativ geplanten Einstichpunkte, im Beispiel der geplante Einstichpunkt 1, genau und ganz bequem auf die Körperoberfläche 2 des Patienten übertragen.The two mirrors in the controllable deflection device 4 are calculated on the basis of the calculation of the mirror positions in the evaluation unit 7 automatically adjusted accordingly, so that the laser beam 5 always in the same place, namely the planned puncture point 1 shows. The deflection angle of the laser beam 5 after passing through the deflector 4 are α in the azimuth plane and β in the elevation plane. The evaluation unit 7 thus controls the two mirrors of the controllable deflection according to their calculation result. Also in this embodiment, therefore, the preoperatively planned puncture points, in the example of the planned puncture point 1 , exactly and comfortably on the body surface 2 transmitted to the patient.

11
Einstichpunktentry point
22
Körperoberflächebody surface
33
Laserstrahlquelle, LichtstrahlquelleLaser beam source, Light beam source
44
AblenkeinrichtungDeflector
55
Laserstrahl, LichtstrahlLaser beam, beam of light
66
Trackingsystemtracking system
77
Auswerteeinheitevaluation
αα
Ablenkwinkel in der Azimutebenedeflection in the azimuth plane
ββ
Ablenkwinkel in der Elevationsebenedeflection in the elevation plane

Claims (26)

Verfahren zum Übertragen von positionszugeordneten Informationen aus einer virtuellen räumlichen Realität in eine tatsächliche räumliche Realität und zum Anzeigen dieser Informationen in der tatsächlichen räumlichen Realität, bei welchem Verfahren die in der virtuellen Realität aufgenommenen Informationen in Bezug auf ein der virtuellen Realität zugeteiltes Koordinatensystem bestimmt werden und zur Darstellung in der tatsächlichen Realität eine Registrierung vorgenommen wird, bei der eine Transformationsmatrix ermittelt wird, welche das der virtuellen Realität zugeteilte Koordinatensystem in ein Koordinatensystem eines Trackingsystems (6) transformiert, so dass die in die tatsächliche Realität zu übertragenden positionszugeordneten Informationen in dieser transformationsgetreu mittels einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden, die eine einen Lichtstrahl (5) aussendende Lichtquelle (3) enthält, deren Position in der tatsächlichen Realität mittels des Trackingsystems (6) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Position der Lichtquelle (3) und den aus der virtuellen Realität in die tatsächliche Realität transformierten positionszugeordneten Informationen die vorzunehmende Stellung einer in der Anzeigevorrichtung zur Ablenkung des von der Lichtquelle (3) ausgehenden Lichtstrahls (5) vorgesehenen, steuerbaren Lichtstrahl-Ablenkeinrichtung (4) berechnet und eingestellt wird, so dass der Lichtstrahl (5) nach seiner Ablenkung (α, β) durch die steuerbare Lichtstrahl-Ablenkeinrichtung (4) exakt in die Richtung zur zugewiesenen Position gerichtet ist und im Fall einer Bewegung der Lichtquelle (3) die steuerbare Lichtstrahl-Ablenkeinrichtung (4) automatisch in einer solchen Weise nachgestellt wird, dass der abgelenkte Lichtstrahl (5) stets auf die zugewiesene Position gerichtet bleibt.A method of transferring positional information from a virtual spatial reality to an actual spatial reality and displaying that information in the actual spatial reality, in which method the virtual reality recorded information is determined in relation to a virtual reality assigned coordinate system and In actual reality, a registration is made, in which a transformation matrix is determined which assigns the virtual reality assigned coordinate system to a coordinate system of a tracking system (FIG. 6 ), so that the position-associated information to be transferred to the actual reality is transformed in the same way by means of a display device which generates a light beam ( 5 ) emitting light source ( 3 ) whose position in the actual reality by means of the tracking system ( 6 ) is determined, characterized in that from the determined position of the light source ( 3 ) and the position-associated information transformed from the virtual reality into the actual reality, the position to be taken in the display device for deflecting the light emitted by the light source ( 3 ) outgoing light beam ( 5 ), controllable light beam deflection device ( 4 ) is calculated and adjusted so that the light beam ( 5 ) after its deflection (α, β) by the controllable light beam deflection device ( 4 ) is directed exactly in the direction to the assigned position and in case of a movement of the light source ( 3 ) the controllable light beam deflection device ( 4 ) is adjusted automatically in such a way that the deflected light beam ( 5 ) is always directed to the assigned position. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anwendung des Verfahrens im Bereich minimalinvasiver medizinischer Operationen die virtuelle räumliche Realität in einer anhand von präoperativem Bildmaterial durchgeführten, präoperativen Planung besteht, die als Ergebnis Einstichpunkte relativ zu demjenigen Koordinatensystem hat, in dem die präoperativen Informationen aufgenommen werden und welches das Koordinatensystem der virtuellen Realität bildet, dass zur Darstellung in der tatsächlichen Realität des Operationssaals die Registrierung vorgenommen wird, bei der die Transformationsmatrix ermittelt wird, welche das der virtuellen Realität der präoperativen Phase zugeteilte Koordinatensystem in das Koordinatensystem des im Operationssaal vorgesehenen Trackingsystems (6) transformiert, dass die Einstichpunkte (1) in der tatsächlichen Realität des Operationssaals mit Hilfe der die Lichtquelle (3) und die Ablenkeinrichtung (4) enthaltenden Anzeigevorrichtung angezeigt werden, bei welchem Verfahren die Position der Lichtquelle (3) in der tatsächlichen Realität des Operationssaals mittels des dortigen Trackingsystems (6) ermittelt wird, dass aus der ermittelten Position der Lichtquelle (3) und den aus der virtuellen Realität der präoperativen Phase in die tatsächliche Realität des Operationssaals transformierten Einstichpunkten die vorzunehmende Stellung der Ablenkeinrichtung (4) berechnet wird, so dass nach seiner Ablenkung der Lichtstrahl (5) exakt auf den betreffenden Einstichpunkt gerichtet ist und im Fall einer Bewegung der Lichtquelle (3) die Ablenkeinrichtung (4) automatisch in einer solchen Weise nachgestellt wird, dass der abgelenkte Lichtstrahl (5) stets auf diesen zugewiesenen Einstichpunkt gerichtet bleibt.A method according to claim 1, characterized gekenn characterized in that, in an application of the method in the field of minimally invasive medical operations, the virtual spatial reality consists in preoperative planning performed on preoperative imagery, which as a result has puncture points relative to the coordinate system in which the preoperative information is acquired and which the coordinate system the virtual reality, that for the representation in the actual reality of the operating room registration is made, in which the transformation matrix is determined, which assigned to the virtual reality of the preoperative phase coordinate system in the coordinate system of the operating room provided tracking system ( 6 ) that the puncture points ( 1 ) in the actual reality of the operating room with the help of the light source ( 3 ) and the deflection device ( 4 ), in which method the position of the light source ( 3 ) in the actual reality of the operating room by means of the local tracking system ( 6 ) is determined that from the determined position of the light source ( 3 ) and the penetration points transformed from the virtual reality of the preoperative phase into the actual reality of the operating room, the position of the deflection device ( 4 ), so that after its deflection the light beam ( 5 ) is directed exactly to the relevant puncture point and in the case of a movement of the light source ( 3 ) the deflection device ( 4 ) is adjusted automatically in such a way that the deflected light beam ( 5 ) is always directed to this assigned puncture point. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei fester Anbringung der Anzeigevorrichtung im Raum der tatsächlichen Realität nach einer einmaligen Regist rierung im Raum der tatsächlichen Realität kein Trackingsystem (6) mehr erforderlich ist.A method according to claim 1 or 2, characterized in that at fixed attachment of the display device in the space of the actual reality after a single Regist tion in the space of the actual reality no tracking system ( 6 ) is more necessary. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Lichtstrahl (5) ausgestrahlten Informationen diejenigen eines oder mehrerer Punkte und/oder von Linien und/oder von Buchstaben und/oder von Symbolen sind, die über die Ablenkeinrichtung (4) auf eine Oberfläche in der tatsächlichen räumlichen Realität projiziert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the with the light beam ( 5 ) are those of one or more points and / or of lines and / or of letters and / or of symbols which are transmitted via the deflection device ( 4 ) are projected onto a surface in actual spatial reality. System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Speicherung der in der virtuellen Realität aufgenommenen, positionszugeordneten Informationen relativ zu dem der virtuellen Realität zugeteilten Koordinatensystem vorgesehen ist, dass zur Darstellung in der tatsächlichen Realität eine Registrierungseinrichtung vorgesehen ist, in der die Transformationsmatrix ermittelt wird, welche das der virtuellen Realität zugeteilte Koordinatensystem in ein Koordinatensystem eines Trackingsystems (6) transformiert, so dass die in die tatsächliche Realität zu übertragenden Informationen in dieser transformationsgetreu angezeigt werden, dass zur Anzeige der positionszugeordneten Informationen in der tatsächlichen Realität eine Anzeigevorrichtung vorgesehen ist, die eine einen Lichtstrahl (5) aussendende Lichtquelle (3) und eine steuerbare Ablenkeinrichtung (4) enthält, dass im Fall einer beweglichen, also nicht fest angebrachten Anzeigevorrichtung zur Ermittlung der Position der Lichtquelle (3) in der tatsächlichen Realität ein Trackingsystem (6) vorgesehen ist, und dass eine Auswerteeinheit (7) vorgesehen ist, die aus der ermittelten Position der Lichtquelle (3) und den aus der virtuellen Realität in die tatsächliche Realität transformierten positionszugeordneten Informationen die vorzunehmende Stellung der steuerbaren Ablenkeinrichtung (4) berechnet, so dass nach seiner Ablenkung (α, β) der Lichtstrahl (5) exakt in die Richtung zur zugewiesenen Position gerichtet ist und im Fall einer Bewegung der Lichtquelle (3) die steuerbare Ablenkeinrichtung (4) automatisch in einer solchen Weise nachgestellt wird, dass der abgelenkte Lichtstrahl (5) stets auf die zugewiesene Position gerichtet bleibt.System for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized in that a device for storing the recorded in the virtual reality, position-associated information relative to the virtual reality assigned coordinate system is provided that a registration device is provided for display in the actual reality in which the transformation matrix is determined which assigns the virtual reality assigned coordinate system to a coordinate system of a tracking system ( 6 ), so that the information to be transmitted to the actual reality is displayed faithfully in that in order to display the position-related information in the actual reality, a display device is provided which generates a light beam (FIG. 5 ) emitting light source ( 3 ) and a controllable deflection device ( 4 ) that, in the case of a movable, that is not fixed display device for determining the position of the light source ( 3 ) in actual reality a tracking system ( 6 ), and that an evaluation unit ( 7 ) is provided, which from the determined position of the light source ( 3 ) and the position-associated information transformed from the virtual reality into the actual reality, the position of the controllable deflection device ( 4 ), so that after its deflection (α, β) the light beam ( 5 ) is directed exactly in the direction to the assigned position and in case of a movement of the light source ( 3 ) the controllable deflection device ( 4 ) is adjusted automatically in such a way that the deflected light beam ( 5 ) is always directed to the assigned position. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) in der Anzeigevorrichtung eine Laserstrahlquelle ist.System according to claim 5, characterized in that the light source ( 3 ) in the display device is a laser beam source. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) in der Anzeigevorrichtung ein Scheinwerfer ist.System according to claim 5, characterized in that the light source ( 3 ) in the display device is a headlight. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) in der Anzeigevorrichtung durch Leuchtdioden gebildet ist.System according to claim 5, characterized in that the light source ( 3 ) is formed in the display device by light-emitting diodes. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) in der Anzeigevorrichtung eine Infrarot-Strahlungsquelle ist.System according to claim 5, characterized in that the light source ( 3 ) in the display device is an infrared radiation source. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) in der Anzeigevorrichtung parallel durch zwei oder mehr verschiedenartige Strahlungsquellen gebildet ist.System according to one of claims 6 to 9, characterized in that the light source ( 3 ) is formed in the display device in parallel by two or more different radiation sources. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Ablenkeinrichtung (4) des Lichtstrahls (5) in der Anzeigevorrichtung durch zwei oder mehr verstellbare Spiegel gebildet ist.System according to claim 5, characterized in that the controllable deflection device ( 4 ) of the light beam ( 5 ) is formed in the display device by two or more adjustable mirrors. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Ablenkeinrichtung (4) des Lichtstrahls (5) in der Anzeigevorrichtung durch eine Pan-Tilt-Einheit gebildet ist.System according to claim 5, characterized in that the controllable deflection device ( 4 ) of the light beam ( 5 ) is formed in the display device by a pan-tilt unit. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Ablenkeinrichtung (4) des Lichtstrahls (5) in der Anzeigevorrichtung durch eine steuerbare Vorrichtung zur Erzeugung von den Lichtstrahl (5) in seiner Auslenkung beeinflussenden magnetischen oder elektrischen Feldern gebildet ist.System according to claim 5, characterized records that the controllable deflection device ( 4 ) of the light beam ( 5 ) in the display device by a controllable device for generating the light beam ( 5 ) is formed in its deflection influencing magnetic or electric fields. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung als Handgerät ausgebildet ist.System according to claim 6, characterized that the display device is designed as a handheld device. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung als im Raum der tatsächlichen Realität fest montierte Vorrichtung ausgebildet ist, wobei bei vorheriger Registrierung mittels der Registrierungseinrichtung kein Trackingsystem (6) im Raum der tatsächlichen Realität erforderlich ist.System according to claim 6, characterized in that the display device is designed as a device fixedly mounted in the space of the actual reality, whereby with prior registration by means of the registration device no tracking system ( 6 ) is required in the space of actual reality. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) ein externes Gerät ist.System according to claim 6, characterized in that the evaluation unit ( 7 ) is an external device. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) in der als Handgerät ausgebildeten Anzeigevorrichtung integriert ist.System according to claim 14, characterized in that the evaluation unit ( 7 ) is integrated in the designed as a handheld display device. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung als kabelloses Handgerät ausgebildet ist.System according to claim 14, characterized in that that the display device is designed as a wireless handset is. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung als kabelgebundenes Handgerät ausgebildet ist.System according to claim 14, characterized in that that the display device is designed as a wired handset is. System nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anzeigevorrichtungen in der tatsächlichen räumlichen Realität vorgesehen sind, durch deren sich kreuzende Lichtstrahlen (5) dreidimensionale Punkte markierbar sind oder verschiedene Farben oder Muster realisierbar sind.System according to one of claims 6 to 19, characterized in that a plurality of display devices are provided in the actual spatial reality, through which intersecting light beams ( 5 ) Three-dimensional points are markable or different colors or patterns are feasible. Verwendung des entsprechend einem der Ansprüche 6 bis 20 ausgebildeten Systems zur Führung in Museen oder Ausstellungen, so dass synchron zur Beschreibung eines Objekts die Anzeigevorrichtung einen gerade besprochenen Teil dieses ausgestellten Objekts gezielt anleuchtet.Use of according to one of claims 6 to 20 trained system for leadership in museums or exhibitions, so that in sync with the description of an object, the display device a part just discussed This illuminated object targeted lights. Verwendung des entsprechend einem der Ansprüche 6 bis 20 ausgebildeten Systems bei Lehre und Ausbildung mit der Anzeigevorrichtung als zitterfreier Laserpointer oder gekoppelt mit einem Computer-Präsentationsprogramm.Use of according to one of claims 6 to 20 trained system in teaching and training with the display device as a jitter-free laser pointer or coupled with a computer presentation program. Verwendung des entsprechend einem der Ansprüche 6 bis 20 ausgebildeten Systems für Bühnen- und Showeffekte zur Realisierung einer interaktiven Lasershow, die auf die Position von Personen reagiert.Use of according to one of claims 6 to 20 trained system for stage and show effects for the realization of an interactive laser show, the Responding to the position of persons. Verwendung des entsprechend einem der Ansprüche 6 bis 20 ausgebildeten Systems mit Anzeigevorrichtung bei Montagevorgängen zum gezielten und geplanten Anzeigen von Montagestellen.Use of according to one of claims 6 to 20 trained system with display device during assembly operations for Targeted and planned displays of assembly points. Verwendung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Anzeigevorrichtung nicht nur Punkte, sondern auch Linien, Buchstaben oder Symbole auf eine Montage-Arbeitsoberfläche in der tatsächlichen Realität projiziert werden.Use according to claim 24, characterized that with the display device not only points, but also lines, Letters or symbols on an assembly work surface in the actual reality be projected. Verwendung des entsprechend einem der Ansprüche 6 bis 20 ausgebildeten Systems bei einer Bibliothek oder einem Archiv, wobei mittels der Anzeigevorrichtung die logistisch zu verwaltenden Objekte aufgefunden werden sollen, dass dazu die Positionen der Objekte in der Speichervorrichtung der virtuellen Realität abgespeichert sind und dass die Anzeigevorrichtung mit ihrem passend abgelenkten Lichtstrahl (5) auf das gesuchte Objekt zeigt, sobald dessen Position dem System mitgeteilt worden ist.Use of the system according to any one of claims 6 to 20 in a library or an archive, wherein by means of the display device, the logistically managed objects are to be found, that the positions of the objects in the storage device of the virtual reality are stored and that the display device with her suitably deflected light beam ( 5 ) points to the searched object as soon as its position has been communicated to the system.
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