WO2012013304A1 - Tracker system for optical medical navigation, passive optical marker device for a tracker system, and the use of same - Google Patents

Tracker system for optical medical navigation, passive optical marker device for a tracker system, and the use of same Download PDF

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WO2012013304A1
WO2012013304A1 PCT/EP2011/003545 EP2011003545W WO2012013304A1 WO 2012013304 A1 WO2012013304 A1 WO 2012013304A1 EP 2011003545 W EP2011003545 W EP 2011003545W WO 2012013304 A1 WO2012013304 A1 WO 2012013304A1
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trackersystem
retroreflective
passive optical
tracker system
ball
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Erwin Keeve
Weichen Liu
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Charité - Universitätsmedizin Berlin
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    • A61B2090/3983—Reference marker arrangements for use with image guided surgery

Definitions

  • Tracker system for optical medical navigation passive optical marker device for tracker system and their use
  • the invention relates to technologies in the field of optical medical navigation.
  • Optical medical navigation which can also be referred to as optical medical positioning, is used for the exact spatial positioning of medical instruments or any medical aids in use.
  • optical medical navigation is used to spatially position and navigate instruments during the operation.
  • Application is the optical medical positioning, especially in the field of neurosurgery.
  • the course of measurement light beams is detected in order to determine a spatial position of the object to be navigated, taking advantage of the laws of geometry.
  • So-called active optical marker devices are known, which themselves emit measuring light, which is received by an associated detector device, which is usually designed as a camera system.
  • passive optical marker devices are known which at least partially reflect light rays emitted by a light source, so that the reflected measuring light beams are detected by the detector device. The spatial position of the object in question is then determined from the measurement signals detected by the detector device.
  • tracker systems in which a plurality of optical marker devices are arranged on a base structure.
  • the tracker system is mounted in use on a medical instrument or medical device of any kind. In this way, in the optical medical navigation, the spatial position of the instrument or aid can be determined exactly.
  • the passive optical marker device is formed with a glass ball, which on a for
  • CONFIRMATION COPY outer ball surface of the glass ball is glued complementary bearing surface.
  • the support surface is provided with a reflective layer to reflect the incident on the glass ball measuring light rays, so that they can be detected by the camera system.
  • the known passive optical markers are only partially suitable for practical use. Either they are designed as disposable, which means a high cost, or they do not tolerate enough with the procedures for sterilization of the marker devices, which is necessary for repeated use in medicine.
  • the known marker devices are not autoclavable.
  • the object of the invention is to provide new technologies in connection with the optical medical navigation, in particular an improved tracker system, in which the problems of the prior art are avoided.
  • the invention encompasses the idea of an optical medical navigation tracker system having a base structure configured for mounting on a medical instrument or tool, and passive optical marker devices spaced and configured on the base structure for medical navigation thereon at least partially reflecting incident measuring light, wherein the passive optical marker devices are each formed with a retroreflector.
  • a passive optical marker device for an optical medical navigation tracker system configured to at least partially reflect incident measurement light in a medical navigation and having a retroreflector.
  • the passive optical marker device may be integrated into a medical instrument or medical device.
  • Retroreflection generally means that light incident on an object or on a surface emanating from a light source is reflected back toward the light source.
  • the use of a retroreflector in the passive optical marker device improves the efficiency of measuring light utilization by minimizing leakage due to retroreflection.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the passive optical marker devices are formed as a ball marker.
  • the ball markers are formed with an inner retroreflective ball, which has a reflection layer on the outer spherical surface, and a coating layer surrounding the inner retroreflective ball of a transparent material for the measuring light.
  • the enveloping layer surrounding the inner retroreflective ball breaks the measuring light rays incident on it toward the inner sphere.
  • the measuring light beams incident on the inner retroreflective ball are then retroreflected.
  • the area of the associated passive optical marker device which is effective for the measurement light beams is increased.
  • the outer shell layer protects the inner retroreflective ball against external influences, especially in the sterilization in the autoclave necessary in medicine.
  • the marker devices formed in this way are readily usable again.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the thickness of the cladding layer is approximately equal to the diameter of the inner retroreflective ball.
  • a development of the invention provides that retroreflective structures are formed on an inner spherical surface of the cladding layer.
  • the retroreflective structures on the inner spherical surface of the cladding layer can be produced, for example, by means of stamping, pressing and / or laser processing. This is done in the context of the production of the passive optical marker device, for example, in that two spherical shell halves, which together form the cladding layer, are processed on the inside to form the retroreflective structures and then glued together so that the spherical marker device is produced.
  • a ball is provided on the outer surface with retroreflective structures, in order subsequently to the ball for forming the cladding layer with a to transfuse transparent material.
  • the inner sphere may be a hollow sphere.
  • the region of the inner sphere is filled with a material after the retroreflective structures have been produced on the inner spherical shell surface of the enveloping layer.
  • the outer layer is provided at least partially outside with a coating.
  • the outer coating may comprise an antireflective layer.
  • the cladding layer is made of a glass or a plastic material.
  • Glass or plastic materials are particularly suitable for producing a tracker system which meets the requirements for the sterilization of medical instruments or aids. In particular, glass ensures adequate material resistance.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a passive optical marker device
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a tracker system with a plurality of passive optical marker devices
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further tracker system with a plurality of passive optical marker devices, which are arranged at a base structure at a distance, and
  • FIG. 5 shows a schematic representation of another tracker system in which passive optical marker devices themselves serve as connection nodes.
  • the ball marker 1 shows a schematic representation of a passive optical marker device in which a ball marker 1 is arranged on a holding element 2.
  • the ball marker 1 consists of an inner retroreflective ball 3 and a cladding layer 4 which completely surrounds the inner retroreflective ball 3.
  • the cladding layer 4 is formed of a material transparent to measuring light rays 5, for example glass or plastic.
  • the incident measuring light beams 5 strike the outer surface of the cladding layer 4 and are refracted toward the inner retroreflective ball 3. On the surface of the inner retroreflective ball 3, the measuring light beams are then retroreflected so that they are reflected back in their direction of incidence.
  • FIG. 2 shows a schematic representation for comparing an effective angular range for various passive optical marker devices.
  • Figure a) shows the angular relationships for a passive optical marker, in which a glass ball 20 is arranged in a receptacle 21, which provides a ball surface for complementary formed and provided with a reflective layer surface for ball shot. This results in an effective angle range ⁇ of less than 120 °.
  • Image b) shows in the middle of Fig. 2 the conditions for a passive optical marker device, in which a ball is used with light-reflecting surface.
  • the effective angular range is ⁇ ⁇ 150 °.
  • image c) in FIG. 2 shows the conditions for the passive optical marker device according to the invention from FIG. 1.
  • the effective angular range is ⁇ > 180 °.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a tracker system for optical medical navigation, in which a plurality of passive optical markers 31 are arranged on a base structure 30.
  • the passive optical marker devices 31 are each provided with a retroreflector, for example in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of another tracker system, wherein the same reference numerals as in FIG. 3 were used in FIG. 4 for the same features.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of another tracker system with base structure 30 and passive optical marker device 31.
  • a node or connection point 32 within the base structure 30 is characterized by a passive optical Marker device itself formed. This is possible because the cladding layer externally protects the inner retroreflective sphere effective in optical medical navigation. In this way, novel tracker systems for optical medical navigation can be produced variably.
  • the integration of the passive optical marker device into the base or support structure itself also expands the possibilities of using the marker devices on the medical devices or aids themselves.

Abstract

The invention relates to a tracker system for optical medical navigation, which comprises a base structure (30) configured for assembly on a medical instrument or auxiliary device, and passive optical marker devices (31) which are arranged on said base structure (30) to be spaced from one another and which are configured to at least partially reflect measurement light that is incident thereupon in a medical navigation, said passive optical marker devices (31) each being formed to comprise a retroreflector.

Description

Trackersystem für optische medizinische Navigation, passive optische Markervorrichtung für Trackersystem sowie deren Verwendung  Tracker system for optical medical navigation, passive optical marker device for tracker system and their use
Die Erfindung betrifft Technologien auf dem Gebiet der optischen medizinischen Navigation. The invention relates to technologies in the field of optical medical navigation.
Hintergrund der Erfindung Background of the invention
Die optische medizinische Navigation, die auch als optische medizinische Positionsbestimmung bezeichnet werden kann, wird genutzt für die exakte räumliche Positionierung medizinischer Instrumente oder beliebiger medizinischer Hilfsmittel im Einsatz. Beispielsweise wird die optische medizinische Navigation eingesetzt, um Instrumente bei der Operation räumlich exakt zu positionieren und zu navigieren. Anwendung findet die optisch medizinische Positionsbestimmung insbesondere auf dem Gebiet der Neurochirurgie. Optical medical navigation, which can also be referred to as optical medical positioning, is used for the exact spatial positioning of medical instruments or any medical aids in use. For example, optical medical navigation is used to spatially position and navigate instruments during the operation. Application is the optical medical positioning, especially in the field of neurosurgery.
Bei der optischen medizinischen Navigation wird der Verlauf von Messlichtstrahlen detektiert, um unter Ausnutzung der Gesetzte der Geometrie hieraus eine räumliche Position des zu navigierenden Gegenstandes zu bestimmen. Es sind sogenannte aktive optische Markervorrichtungen bekannt, die selbst Messlicht abgeben, welches von einer zugeordneten Detektoreinrichtung empfangen wird, die üblicherweise als ein Kamerasystem ausgebildet ist. Daneben sind passive optische Markervorrichtungen bekannt, die von einer Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahlen wenigstens teilweise reflektieren, so dass die reflektierten Messlichtstrahlen von der Detektoreinrichtung erfasst werden. Aus den mit der Detektoreinrichtung erfassten Messsignalen wird dann die räumliche Position des in Frage stehenden Gegenstandes ermittelt. In optical medical navigation, the course of measurement light beams is detected in order to determine a spatial position of the object to be navigated, taking advantage of the laws of geometry. So-called active optical marker devices are known, which themselves emit measuring light, which is received by an associated detector device, which is usually designed as a camera system. In addition, passive optical marker devices are known which at least partially reflect light rays emitted by a light source, so that the reflected measuring light beams are detected by the detector device. The spatial position of the object in question is then determined from the measurement signals detected by the detector device.
Es sind weiterhin sogenannte Trackersysteme bekannt, bei denen an einer Basisstruktur mehrere optische Markervorrichtungen angeordnet sind. Das Trackersystem wird im Einsatz an einem medizinischen Instrument oder einem medizinischen Hilfsmittel beliebiger Art montiert. Auf diese Weise ist bei der optischen medizinischen Navigation die räumliche Position des Instrumentes oder Hilfsmittels exakt bestimmbar. There are also known so-called tracker systems in which a plurality of optical marker devices are arranged on a base structure. The tracker system is mounted in use on a medical instrument or medical device of any kind. In this way, in the optical medical navigation, the spatial position of the instrument or aid can be determined exactly.
Es wurde vorgeschlagen, passive optische Markervorrichtungen mit Hilfe von Kugeln zu bilden, die auf ihrer äußeren Oberfläche mit einer Reflexionsschicht versehen sind, die zur Reflexion der einfallenden Messlichtstrahlen dient. Bei einer weiteren bekannten Ausführung ist die passive optische Markereinrichtung mit einer Glaskugel gebildet, die auf einer zur It has been proposed to form passive optical marker devices with the aid of spheres which are provided on their outer surface with a reflection layer which serves to reflect the incident measuring light beams. In a further known embodiment, the passive optical marker device is formed with a glass ball, which on a for
BESTÄTIGUNGSKOPIE äußeren Kugeloberfläche der Glaskugel komplementären Auflagefläche aufgeklebt ist. In diesem Fall ist die Auflagefläche mit einer reflektierenden Schicht versehen, um die auf die Glaskugel einfallenden Messlichtstrahlen zu reflektieren, so dass diese vom Kamerasystem erfasst werden können. Die bekannten passiven optischen Marker sind jedoch nur bedingt für den praktischen Einsatz geeignet. Entweder sind sie als Einwegartikel ausgeführt, was einen hohen Kostenaufwand bedeutet, oder sie vertragen sich nur ungenügend mit den Verfahren zur Sterilisation der Markervorrichtungen, was beim wiederholten Einsatz in der Medizin notwendig ist. Die bekannten Markervorrichtungen sind nicht autoklavierbar. CONFIRMATION COPY outer ball surface of the glass ball is glued complementary bearing surface. In this case, the support surface is provided with a reflective layer to reflect the incident on the glass ball measuring light rays, so that they can be detected by the camera system. However, the known passive optical markers are only partially suitable for practical use. Either they are designed as disposable, which means a high cost, or they do not tolerate enough with the procedures for sterilization of the marker devices, which is necessary for repeated use in medicine. The known marker devices are not autoclavable.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es neue Technologien in Verbindung mit der optischen medizinischen Navigation anzugeben, insbesondere ein verbessertes Trackersystem, bei dem die Probleme des Standes der Technik vermieden sind. The object of the invention is to provide new technologies in connection with the optical medical navigation, in particular an improved tracker system, in which the problems of the prior art are avoided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Trackersystem nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist eine passive optische Markervorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 8 geschaffen. Schließlich sind ein medizinisches Instrument oder ein medizinisches Hilfsmittel nach dem unabhängigen Anspruch 9 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen. This object is achieved by a tracker system according to the independent claim 1. Furthermore, a passive optical marker device according to independent claim 8 is provided. Finally, a medical instrument or a medical aid according to the independent claim 9 are provided. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent subclaims.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Trackersystems für optische medizinische Navigation mit einer Basisstruktur, die konfiguriert ist für eine Montage an einem medizinischen Instrument oder Hilfsmittel, und passiven optischen Markervorrichtungen, die an der Basisstruktur beabstandet voneinander angeordnet und konfiguriert sind, bei einer medizinischen Navigation auf sie einfallendes Messlicht wenigstens teilweise zu reflektieren, wobei die passiven optischen Markervorrichtungen jeweils mit einem Retroreflektor gebildet sind. The invention encompasses the idea of an optical medical navigation tracker system having a base structure configured for mounting on a medical instrument or tool, and passive optical marker devices spaced and configured on the base structure for medical navigation thereon at least partially reflecting incident measuring light, wherein the passive optical marker devices are each formed with a retroreflector.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine passive optische Markervorrichtung für eine Trackersystem zur optischen medizinischen Navigation geschaffen, die konfiguriert ist, bei einer medizinischen Navigation einfallendes Messlicht wenigstens teilweise zu reflektieren und die einen Retroreflektor aufweist. Die passive optische Markervorrichtung kann in ein medizinisches Instrument oder ein medizinisches Hilfsmittel integriert sein. Mit den vorgeschlagenen Technologien werden die Vorteile der Retroreflexion für das Trackersystem für optische medizinische Navigation genutzt. Retroreflexion bedeutet allgemein, dass auf einen Gegenstand oder einer Oberfläche einfallendes Licht, welches von einer Lichtquelle ausgeht, zur Lichtquelle hin zurück reflektiert wird. Der Einsatz eines Retroreflektors in der passiven optischen Markervorrichtung verbessert die Effizienz der Messlichtnutzung, indem auf Grund der Retroreflexion Streuverluste minimiert werden. According to another aspect of the invention, there is provided a passive optical marker device for an optical medical navigation tracker system configured to at least partially reflect incident measurement light in a medical navigation and having a retroreflector. The passive optical marker device may be integrated into a medical instrument or medical device. The proposed technologies exploit the benefits of retroreflection for the optical medical navigation tracker system. Retroreflection generally means that light incident on an object or on a surface emanating from a light source is reflected back toward the light source. The use of a retroreflector in the passive optical marker device improves the efficiency of measuring light utilization by minimizing leakage due to retroreflection.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die passiven optischen Markervorrichtungen als Kugelmarker gebildet sind. A preferred embodiment of the invention provides that the passive optical marker devices are formed as a ball marker.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kugelmarker mit einer inneren retroreflektiven Kugel, welche auf der äußeren Kugeloberfläche eine Reflexionsschicht aufweist, und einer die innere retroreflektive Kugel umgebende Hüllschicht aus einem für das Messlicht transparenten Material gebildet ist. Die die innere retroreflektive Kugel umgebende Hüllschicht bricht die auf sie einfallenden Messlichtstrahlen zu der inneren Kugel hin. Die auf die innere retroreflektive Kugel auftreffenden Messlichtstrahlen werden dann retroreflektiert. Mit Hilfe der transparenten Hüllschicht ist die für die Messlichtstrahlen effektiv wirksame Fläche der zugeordneten passiven optischen Markervorrichtung vergrößert. Die äußere Hüllschicht schützt die innere retroreflektive Kugel gegen äußere Einflüsse, insbesondere bei der in der Medizin notwendigen Sterilisation im Autoklaven. Die so gebildeten Markervorrichtungen sind ohne Weiteres mehrfach nutzbar. In an expedient embodiment of the invention, it can be provided that the ball markers are formed with an inner retroreflective ball, which has a reflection layer on the outer spherical surface, and a coating layer surrounding the inner retroreflective ball of a transparent material for the measuring light. The enveloping layer surrounding the inner retroreflective ball breaks the measuring light rays incident on it toward the inner sphere. The measuring light beams incident on the inner retroreflective ball are then retroreflected. With the aid of the transparent cladding layer, the area of the associated passive optical marker device which is effective for the measurement light beams is increased. The outer shell layer protects the inner retroreflective ball against external influences, especially in the sterilization in the autoclave necessary in medicine. The marker devices formed in this way are readily usable again.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Dicke der Hüllschicht etwa gleich dem Durchmesser der inneren retroreflektiven Kugel ist. An advantageous embodiment of the invention provides that the thickness of the cladding layer is approximately equal to the diameter of the inner retroreflective ball.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass auf einer inneren Kugeloberfläche der Hüllschicht retroreflektive Strukturen gebildet sind. Die retroreflektiven Strukturen auf der inneren Kugeloberfläche der Hüllschicht können beispielsweise mittels Stempeln, Pressen und / oder Laserbearbeitung hergestellt werden. Dieses erfolgt im Rahmen der Herstellung der passiven optischen Markervorrichtung beispielsweise dadurch, dass zwei Kugelschalenhälften, die zusammen die Hüllschicht bilden, auf der Innenseite zum Ausbilden der retroreflektiven Strukturen bearbeitet werden und anschließend miteinander verklebt werden, so dass die kugelförmige Markervorrichtung hergestellt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Kugel auf der äußeren Oberfläche mit retroreflektiven Strukturen versehen wird, um anschließend die Kugel zur Ausbildung der Hüllschicht mit einem transparenten Material zu umgießen. Sind die retroreflektierenden Strukturen auf der inneren Kugeloberfläche der Hüllschicht gebildet, kann es sich bei der inneren Kugel um eine Hohlkugel handeln. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Bereich der inneren Kugel mit einem Material ausgefüllt wird, nachdem die retroreflektierenden Strukturen auf der inneren Kugelschalenoberfläche der Hüllschicht hergestellt sind. Preferably, a development of the invention provides that retroreflective structures are formed on an inner spherical surface of the cladding layer. The retroreflective structures on the inner spherical surface of the cladding layer can be produced, for example, by means of stamping, pressing and / or laser processing. This is done in the context of the production of the passive optical marker device, for example, in that two spherical shell halves, which together form the cladding layer, are processed on the inside to form the retroreflective structures and then glued together so that the spherical marker device is produced. Alternatively, it can be provided that a ball is provided on the outer surface with retroreflective structures, in order subsequently to the ball for forming the cladding layer with a to transfuse transparent material. If the retroreflective structures are formed on the inner spherical surface of the cladding layer, the inner sphere may be a hollow sphere. However, it may also be provided that the region of the inner sphere is filled with a material after the retroreflective structures have been produced on the inner spherical shell surface of the enveloping layer.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, die Hüllschicht außen wenigstens abschnittsweise mit einer Beschichtung versehen ist. Beispielsweise kann die äußere Beschichtung eine Antireflexschicht umfassen. In an advantageous embodiment of the invention can be provided, the outer layer is provided at least partially outside with a coating. For example, the outer coating may comprise an antireflective layer.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Hüllschicht aus einem Glas- oder einem Kunststoffmaterial ist. Glas- oder Kunststoffmaterialien sind in besonderer Weise geeignet, ein Trackersystem herzustellen, welches den Anforderungen für die Sterilisation medizinischer Instrumente oder Hilfsmittel genügt. Insbesondere Glas gewährleistet eine ausreichende Materialbeständigkeit. A development of the invention may provide that the cladding layer is made of a glass or a plastic material. Glass or plastic materials are particularly suitable for producing a tracker system which meets the requirements for the sterilization of medical instruments or aids. In particular, glass ensures adequate material resistance.
Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele der Erfindung DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unterThe invention will be described below with reference to preferred embodiments
Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: Reference to figures of a drawing explained in more detail. Hereby show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer passiven optischen Markervorrichtung,  1 is a schematic representation of a passive optical marker device,
Fig. 2 eine schematische Darstellung zum Vergleich eines wirksamen Winkelbereiches für verschiedene optische Markervorrichtungen,  2 shows a schematic representation for comparing an effective angular range for various optical marker devices,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Trackersystems mit mehreren passiven optischen Markervorrichtungen, 3 shows a schematic illustration of a tracker system with a plurality of passive optical marker devices,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Trackersystems mit mehreren passiven optischen Markervorrichtungen, die an einer Basisstruktur beabstandet angeordnet sind, und 4 shows a schematic representation of a further tracker system with a plurality of passive optical marker devices, which are arranged at a base structure at a distance, and
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines anderen Trackersystems, bei dem passive optische Markervorrichtungen selbst als Verbindungsknoten dienen.  5 shows a schematic representation of another tracker system in which passive optical marker devices themselves serve as connection nodes.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer passiven optischen Markervorrichtung, bei der ein Kugelmarker 1 auf einem Halteelement 2 angeordnet ist. Der Kugelmarker 1 besteht aus einer inneren retroreflektierenden Kugel 3 und einer Hüllschicht 4, welche die innere retroreflektierende Kugel 3 vollständig umgibt. Die Hüllschicht 4 ist aus einem für Messlichtstrahlen 5 transparenten Material gebildet, beispielsweise Glas oder Kunststoff. Die einfallenden Messlichtstrahlen 5 treffen die äußere Oberfläche der Hüllschicht 4 und werden zur inneren retroreflektierenden Kugel 3 hin gebrochen. An der Oberfläche der inneren retroreflektierenden Kugel 3 werden die Messlichtstrahlen dann retroreflektiert, so dass sie in ihre Einfallsrichtung zurück reflektiert werden. 1 shows a schematic representation of a passive optical marker device in which a ball marker 1 is arranged on a holding element 2. The ball marker 1 consists of an inner retroreflective ball 3 and a cladding layer 4 which completely surrounds the inner retroreflective ball 3. The cladding layer 4 is formed of a material transparent to measuring light rays 5, for example glass or plastic. The incident measuring light beams 5 strike the outer surface of the cladding layer 4 and are refracted toward the inner retroreflective ball 3. On the surface of the inner retroreflective ball 3, the measuring light beams are then retroreflected so that they are reflected back in their direction of incidence.
Für den Durchmesser der wirksamen Reflexionsfläche 6 DE gilt die folgende Beziehung DE = For the diameter of the effective reflection surface 6 D E , the following relationship D E =
Dl  dl
2 · R2 · sin (asin(n · sin (asin (^- )))), wobei D1 der Durchmesser der retroreflektierenden Kugel 3 und D2 der Durchmesser der Hüllschicht 4 sind.  2 · R2 · sin (asin (n · sin (asin (^ -)))), where D1 is the diameter of the retroreflective ball 3 and D2 is the diameter of the cladding layer 4.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung zum Vergleich eines wirksamen Winkelbereiches für verschiedene passive optische Markervorrichtungen. Bild a) zeigt die Winkelverhältnisse für einen passiven optischen Marker, bei dem eine Glaskugel 20 in eine Aufnahme 21 angeordnet ist, die eine zur Kugeloberfläche komplementär gebildete und mit einer Reflexionsschicht versehene Oberfläche zur Kugelaufnahme bereit stellt. Es ergibt sich ein wirksamer Winkelbereich γ von weniger als 120°. Fig. 2 shows a schematic representation for comparing an effective angular range for various passive optical marker devices. Figure a) shows the angular relationships for a passive optical marker, in which a glass ball 20 is arranged in a receptacle 21, which provides a ball surface for complementary formed and provided with a reflective layer surface for ball shot. This results in an effective angle range γ of less than 120 °.
Bild b) zeigt in der Mitte von Fig. 2 die Verhältnisse für eine passive optische Markervorrichtung, bei der eine Kugel mit lichtreflektierender Oberfläche genutzt wird. Der wirksame Winkelbereich beträgt γ < 150°. Image b) shows in the middle of Fig. 2 the conditions for a passive optical marker device, in which a ball is used with light-reflecting surface. The effective angular range is γ <150 °.
Schließlich zeigt Bild c) in Fig. 2 die Verhältnisse für die erfindungsgemäße passive optische Markervorrichtung aus Fig. 1. Der wirksame Winkelbereich beträgt γ > 180°. Finally, image c) in FIG. 2 shows the conditions for the passive optical marker device according to the invention from FIG. 1. The effective angular range is γ> 180 °.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Trackersystems für eine optische medizinische Navigation, bei der an einer Basisstruktur 30 mehrere passive optische Marker 31 angeordnet sind. Die passiven optischen Markervorrichtungen 31 sind jeweils mit einem Retroreflektor versehen, beispielsweise in der in Fig. 1 dargestellten Ausführung. FIG. 3 shows a schematic representation of a tracker system for optical medical navigation, in which a plurality of passive optical markers 31 are arranged on a base structure 30. The passive optical marker devices 31 are each provided with a retroreflector, for example in the embodiment shown in FIG.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung für ein weiteres Trackersystem, wobei in Fig. 4 für die gleichen Merkmale die selben Bezugszeichen wie in Fig. 3 verwendet wurden. FIG. 4 shows a schematic representation of another tracker system, wherein the same reference numerals as in FIG. 3 were used in FIG. 4 for the same features.
Schließlich zeigt Fig. 5 eine schematische Darstellung eines anderen Trackersystems mit Basisstruktur 30 und passiven optischen Markervorrichtung 31. Im Unterschied zu den Ausführungsformen in den Fig. 3 und 4 ist in Fig. 5 ein Knoten oder Verbindungspunkt 32 innerhalb der Basisstruktur 30 durch eine passive optische Markervorrichtung selbst gebildet. Dieses ist ermöglicht, da die Hüllschicht die bei der optischen medizinischen Navigation wirksame innere retroreflektierende Kugel äußerlich schützt. Auf diese Weise können neuartige Trackersysteme für die optische medizinische Navigation variabel hergestellt werden. Die Integration der passive optische Markervorrichtung in die Basis- oder Trägerstruktur selbst erweitert auch die Einsatzmöglichkeiten der Markervorrichtungen an den medizinischen Geräten oder Hilfsmitteln selbst. Finally, FIG. 5 shows a schematic representation of another tracker system with base structure 30 and passive optical marker device 31. In contrast to the embodiments in FIGS. 3 and 4, in FIG. 5, a node or connection point 32 within the base structure 30 is characterized by a passive optical Marker device itself formed. This is possible because the cladding layer externally protects the inner retroreflective sphere effective in optical medical navigation. In this way, novel tracker systems for optical medical navigation can be produced variably. The integration of the passive optical marker device into the base or support structure itself also expands the possibilities of using the marker devices on the medical devices or aids themselves.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein. The features of the invention disclosed in the above description, the claims and the drawings may be of importance both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Trackersystem für optische, insbesondere medizinische, Navigation, mit: 1. Trackersystem for optical, especially medical, navigation, with:
- einer Basisstruktur (30), die konfiguriert ist für eine Montage an einem medizinischen Instrument oder Hilfsmittel, und  a base structure (30) configured for mounting on a medical instrument or device, and
- passiven optischen Markervorrichtungen (31), die an der Basisstruktur (30)  passive optical marker devices (31) attached to the base structure (30)
beabstandet voneinander angeordnet und konfiguriert sind, bei einer medizinischen Navigation auf sie einfallendes Messlicht wenigstens teilweise zu reflektieren, wobei die passiven optischen Markervorrichtungen (31) jeweils mit einem Retroreflektor gebildet sind.  spaced apart from each other and configured to at least partially reflect measuring light incident upon them in a medical navigation, wherein the passive optical marker devices (31) are each formed with a retroreflector.
2. Trackersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die passiven optischen Markervorrichtungen (31) als Kugelmarker gebildet sind. 2. Tracker system according to claim 1, characterized in that the passive optical marker devices (31) are formed as a ball marker.
3. Trackersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelmarker jeweils mit einer inneren retroreflektiven Kugel (3) und einer die innere retroreflektive Kugel (3), insbesondere vollständig, umgebende Hüllschicht (4) aus einem für das Messlicht transparenten Material gebildet sind. 3. Trackersystem according to claim 2, characterized in that the ball markers each with an inner retroreflective ball (3) and the inner retroreflective ball (3), in particular completely, surrounding enveloping layer (4) are formed from a transparent material for the measuring light.
4. Trackersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren 4. Trackersystem according to claim 3, characterized in that the inner
retroreflektiven Kugeln (3) jeweils auf ihrer äußeren Kugeloberfläche eine Reflexionsschicht aufweisen.  retroreflective balls (3) each have on their outer spherical surface a reflection layer.
5. Trackersystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die 5. Trackersystem according to claim 3 or 4, characterized in that the
inneren retroreflektiven Kugeln (3) jeweils mittels der sie umgebenden Hüllschicht (4) mit der Basisstruktur (30) verbunden sind.  Inner retroreflective balls (3) are each connected by means of the surrounding cladding layer (4) with the base structure (30).
6. Trackersystem nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren retroreflektiven Kugeln (3) nicht unmittelbar mit der Basisstruktur (30) verbunden sind. 6. Trackersystem according to claim 3, 4 or 5, characterized in that the inner retroreflective balls (3) are not directly connected to the base structure (30).
7. Trackersystem nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur (30) Halteelemente (2) umfasst, wobei die inneren retroreflektiven Kugeln (3) jeweils mittels der sie umgebenden Hüllschicht (4) mit einem Halteelement (2) verbunden sind. 7. Trackersystem according to one of claims, characterized in that the base structure (30) comprises holding elements (2), wherein the inner retroreflective balls (3) each by means of the surrounding enveloping layer (4) are connected to a holding element (2).
8. Trackersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren retroreflektiven Kugeln (3) nicht unmittelbar mit einem Halteelement (2) verbunden sind. 8. Trackersystem according to claim 7, characterized in that the inner retroreflective balls (3) are not directly connected to a holding element (2).
9. Trackersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Hüllschicht (4) etwa gleich dem Durchmesser der inneren retroreflektiven Kugel (3) ist. 9. Tracker system according to one of claims 3 to 8, characterized in that the thickness of the cladding layer (4) is approximately equal to the diameter of the inner retroreflective ball (3).
10. Trackersystem nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Hüllschicht (4) im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der inneren retroreflektiven Kugel (3) ist. 10. Trackersystem according to one of claims 3 to 8, characterized in that the thickness of the cladding layer (4) is substantially equal to the diameter of the inner retroreflective ball (3).
11. Trackersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 11. Trackersystem according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass auf einer inneren Kugeloberfläche der Hüllschicht (4) retroreflektive Strukturen gebildet sind.  in that retroreflective structures are formed on an inner spherical surface of the cladding layer (4).
12. Trackersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 12. Trackersystem according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Hüllschicht (4) außen wenigstens abschnittsweise mit einer Beschichtung versehen ist.  characterized in that the outer layer (4) is at least partially provided with a coating on the outside.
13. Trackersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 13. Trackersystem according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Hüllschicht (4) aus einem Glas- oder einem  in that the cladding layer (4) consists of a glass or a glass
Kunststoffmaterial ist.  Plastic material is.
14. Trackersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 14. Tracker system according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass wenigstens eine der passiven optischen  characterized in that at least one of the passive optical
Markervorrichtungen ein Verbindungselement (32) für Strukturelemente der  Markervorrichtungen a connecting element (32) for structural elements of
Basisstruktur (30) bildet.  Base structure (30) forms.
15. Passive optische Markervorrichtung (31) für ein Trackersystem zur optischen 15. Passive optical marker device (31) for a tracker system for optical
medizinischen Navigation, insbesondere ein Trackersystem nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, die konfiguriert ist, bei einer medizinischen Navigation einfallendes Messlicht wenigstens teilweise zu reflektieren und die einen Retroreflektor aufweist. medical navigation, in particular a tracker system according to at least one of preceding claims, configured to at least partially reflect incident measurement light in a medical navigation and having a retroreflector.
16. Medizinisches Instrument oder medizinisches Hilfsmittel mit mehreren passiven 16. Medical instrument or medical device with multiple passive
optischen Markervorrichtungen (31) nach Anspruch 15.  optical marker devices (31) according to claim 15.
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