DE10241072A1 - Bone joint geometry measurement device comprises a feeler body with an attached marker element with a curved end that is suitable for measurement of spherical recesses with varying radii - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der geometrischen Daten einer kugeligen Ausnehmung in einem Gegenstand, insbesondere einem Knochen, mit einem in die Ausnehmung einsetzbaren Tastkörper, an dem ein Markierelement festgelegt ist, dessen Position und Orientierung im Raum durch ein Navigationssystem bestimmbar ist.The invention relates to a device to determine the geometric data of a spherical recess in an object, especially a bone, with one in the Recess insertable probe body, on which a marking element is fixed, its position and orientation can be determined in the room by a navigation system.
Bei vielen Bearbeitungsvorgängen werden in Gegenstände Vertiefungen mit einer kugeligen Außenkontur eingearbeitet, beispielsweise halbkugelförmige Ausnehmungen in Knochen, in die später halbkugelige Implantate eingesetzt werden sollen. Diese Einsetzvorgänge werden heute in vielen Fällen mit navigierten Instrumenten oder unter Zuhilfenahme von Robotern vorgenommen, und daher ist es wichtig, die genaue Positionierung und die genaue Dimensionierung dieser kugeligen Ausnehmungen in dem jeweiligen Gegenstand genau zu kennen. Um diese Daten zu ermitteln ist es bekannt, in die kugeligen Ausnehmungen genau in diese passende kugelige Tastkörper einzusetzen und diese navigiert in den kugeligen Ausnehmungen zu verschwenken. Durch die unterschiedlichen Positionen des kugeligen Tastkörpers in der kugeligen Ausnehmung lassen sich dann der Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung und die Lage der Kugelfläche im Raum bestimmen.With many machining operations into objects Recessed recesses with a spherical outer contour, for example hemispherical Recesses in bones, in the later hemispherical implants should be used. These insertion processes are used in many today Cases with navigated instruments or with the help of robots, and therefore it is important the exact positioning and the exact dimensioning of these spherical recesses in the respective object exactly to know. To determine this data it is known to be spherical Insert recesses exactly into this matching spherical probe body and this navigates to pivot in the spherical recesses. By the different positions of the spherical probe body in the spherical recess can then be the center of the spherical Determine the recess and the position of the spherical surface in the room.
Dieses bekannte Verfahren läßt sich jedoch nur dann anwenden, wenn der kugelige Tastkörper genau in die kugelige Ausnehmung paßt. Wenn in den Gegenstand kugelige Ausnehmungen mit unterschiedlichem Durchmesser eingearbeitet werden, ist daher für die Positionsbestimmung dieser kugeligen Aus nehmungen mit unterschiedlichem Radius jeweils ein an diese kugelige Ausnehmung bestimmter Abmessung angepaßter kugeliger Tastkörper notwendig. Mit anderen Worten, zu jedem kugeligen Fräsen, mit dem eine solche Ausnehmung hergestellt wird, muß ein eigener kugeliger Tastkörper vorhanden sein.This known method can be however, only use if the spherical probe body is accurate fits into the spherical recess. If in the object spherical recesses with different Diameters are incorporated, is therefore for the position determination of this spherical recesses with different radius spherical adapted to this spherical recess of certain dimensions sensing body necessary. In other words, for every spherical milling, with to which such a recess is made, a separate spherical probe body must be available his.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß mit einem einzigen Tastkörper auch die geometrischen Daten von kugeligen Ausnehmungen mit unterschiedlichem Radius bestimmt werden können.It is an object of the invention generic device to train so that with a single probe also the geometric data of spherical recesses with different radius can be determined.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Tastkörper eine kreisförmige Anlagelinie mit einem Radius, der kleiner ist als der Radius aller auszumessenden Ausnehmungen, definiert, längs welcher der Tastkörper an der Innenwand von Ausnehmungen mit unterschiedlichem Radius jeweils definiert anlegbar ist.This task is done with a device of the type described in the invention solved in that the probe body a circular investment line with a radius that is smaller than the radius of all to be measured Recesses, defined, lengthways which is the probe body on the inner wall of recesses with different radius can be defined.
Eine solche definierte Anlage einer fiktiven oder tatsächlichen Anlagelinie ist an kugeligen Ausnehmungen mit unterschiedlichem Radius möglich, so daß der Tastkörper bei einer solchen Anlage relativ zu der kugeligen Ausnehmung eine genau definierte Position einnehmen kann. Der Tastkörper kann längs der Innenwand der kugeligen Ausnehmung verschoben werden und dabei unterschiedliche Orientierungen annehmen, in jedem Fall liegt die Anlagelinie des Tastkörpers dabei in einer definierten Position an der Innenwand der kugeligen Ausnehmung an. Aus der Lage der Anlagelinie im Raum läßt sich der Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung berechnen, denn dieser Mittelpunkt liegt beispielsweise immer auf einer Normalen auf der Ebene der kreisförmigen Anlagelinie, wobei diese Normale durch den Mittelpunkt der kreisförmigen An lagelinie hindurchgeht. Der Schnittpunkt dieser Normalen bei unterschiedlicher Orientierung des Tastkörpers in der kugeligen Ausnehmung ist der Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung, und von diesem ausgehend läßt sich durch den Abstand dieses Schnittpunktes von der Anlagelinie auch der Radius der Kugel berechnen.Such a defined system fictional or actual Investment line is on spherical recesses with different Radius possible, see above that the sensing body in such a system, a relative to the spherical recess can take a precisely defined position. The probe body can be along the Inner wall of the spherical recess can be moved while doing different Take orientations, in any case the investment line of the feeler doing so in a defined position on the inner wall of the spherical Recess. From the position of the investment line in the room, the Calculate the center of the spherical recess, because this center for example, is always on a normal at the level of circular Line, this normal through the center of the circular line passes. The intersection of these normals at different Orientation of the probe in the spherical recess is the center of the spherical recess, and starting from this one can the distance of this intersection from the contact line also the radius calculate the sphere.
Damit ist mit einem derartigen Tastkörper die Bestimmung der geometrischen Daten bei allen kugeligen Ausnehmungen mit beliebigem Radius möglich, solange der Radius der kugeligen Ausnehmung größer ist als der Radius der kreisförmigen Anlagelinie.This is the determination with such a probe the geometric data for all spherical recesses with any Radius possible as long as the radius of the spherical recess is larger than the radius of the circular Conditioning line.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Anlagelinie durch mindestens drei auf dieser liegende Stützpunkte definiert wird. Wenn der Tastkörper drei im Abstand voneinander angeordnete Stützpunkte ausbildet, so läßt sich durch diese drei Punkte eine Ebene legen und ein in dieser Ebene liegender Kreis bildet die Anlagelinie. Ein solcher Tastkörper liegt in einer Drei-Punkt-Auflage auf der Innenwand der kugeligen Ausnehmung auf, die drei Kontaktpunkte definieren die kreisförmige Anlagelinie, die in ihrer gesamten Länge auf der kugeligen Innenwand der Ausnehmung liegt.In a first preferred embodiment it is envisaged that the Investment line through at least three bases lying on it is defined. If the probe body forms three support points arranged at a distance from each other, these three points lay one level and one lying in that level Circle forms the investment line. Such a probe body is in a three-point edition on the inner wall of the spherical recess, the three contact points define the circular Investment line, the entire length of which on the spherical inner wall the recess.
Selbstverständlich ist es möglich, auf dieser kreisförmigen Anlagelinie noch zusätzliche Stützpunkte vorzusehen, beispielsweise könnten auch sechs derartige Stützpunkte verwendet werden, die dann alle auf einem gemeinsamen Kreis liegen müssen. Bei der Verwendung von nur drei Stützpunkten folgt der Tastkörper jeder Unregelmäßigkeit in der Oberfläche der kugeligen Ausnehmung, so daß zur Bestimmung des Kugelmittelpunktes kein exakter Schnittpunkt der Normalen auf der kreisförmigen Anlagelinie mehr gegeben ist, son dern eine Vielzahl von Schnittpunkten der Normalen in unterschiedlicher Orientierung aufgefunden werden können, aus dieser Vielzahl muß dann durch eine Wichtung näherungsweise der tatsächliche Kugelmittelpunkt bestimmt werden. Verwendet man dagegen eine größere Anzahl von Stützpunkten, so ergibt sich bereits bei der Anlage des Tastkörpers an der Innenwand eine Mittelung, Vertiefungen in der Innenwand der Ausnehmung werden beispielsweise durch einen solchen Tastkörper weitgehend ausgeglichen, da in dem vertieften Bereich der Stützpunkt des Tastkörpers nicht an der Anlagefläche aufliegt, sondern auf der gedachten Kugelfläche liegen bleibt, die von den anderen Stützpunkten durch ihre Anlage an der kugeligen Innenfläche der Ausnehmung definiert wird.Of course, it is also possible to provide additional support points on this circular contact line, for example six such support points could also be used, which must then all lie on a common circle. If only three support points are used, the probe body follows any irregularity in the surface of the spherical recess, so that there is no longer an exact intersection of the normals on the circular contact line to determine the center of the sphere, but a large number of intersections of the normals are found in different orientations From this multitude, the actual center of the sphere must then be approximately determined by weighting. If, on the other hand, a larger number of support points is used, there is already one when the probe body is placed against the inner wall Averaging, depressions in the inner wall of the recess are largely compensated, for example, by such a probe body, since in the recessed area the support point of the probe body does not rest on the contact surface, but remains on the imaginary spherical surface, which is different from the other support points due to its contact with the spherical inner surface of the recess is defined.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Stützpunkte von den Anlagepunkten von konvexen Stützkörpern an der Innenwand der Ausnehmung gebildet werden. Die Stützpunkte können vorzugsweise zumindest im Anlagebereich kugelig geformt sein.In a preferred embodiment it is envisaged that the bases from the contact points of convex supporting bodies on the inner wall of the Recess are formed. The bases can preferably at least be spherical in the contact area.
Bei den bisher beschriebenen Vorrichtungen sind die Stützpunkte am Tastkörper festgelegt.In the devices described so far the bases on the probe established.
Es ist bei einer bevorzugten Ausführungsform aber auch möglich, daß die Stützpunkte am Tastkörper so verstellbar gelagert sind, daß der Radius der von ihnen definierten Anlagelinie veränderbar ist. Damit ist es möglich, die Größe der kreisförmigen Anlagelinie an den Radius der kugeligen Ausnehmung anzupassen. Einmal kann dadurch ein größerer Radiusbereich von Ausnehmungen sehr genau ausgemessen werden, zum anderen ist es auch möglich, die Stützpunkte am Tastkörper so zu verstellen, daß der Abstand zwischen der Ebene der kreisförmigen Anlagelinie einerseits und dem Mittelpunkt der kugeligen Ausnehmung andererseits immer gleich ist. Der Tastkörper arbeitet dann so wie ein bekannter kugeliger Tastkörper, dessen Radius jeweils an den Radius der kugeligen Ausnehmung angepaßt ist. Es sind daher auch die gleichen Berechnungsprogramme im Navigationssystem verwendbar, während bei Tastkörpern mit festen Stützpunkten in der oben beschriebenen Weise die Lage des Mittelpunktes beispielsweise durch Berechnung des Schnittpunktes der Normalen auf der kreisförmigen Anlagelinie jedes Mal neu berechnet werden muß.It is in a preferred embodiment but also possible that the bases on the probe are so adjustable that the radius of them defined investment line is changeable. It is possible the size of the circular investment line to adapt to the radius of the spherical recess. Once can a larger radius range of recesses are measured very precisely, on the other hand it also possible the bases on the probe to adjust so that the Distance between the plane of the circular contact line on the one hand and the center of the spherical recess on the other hand always the same is. The probe body then works like a well-known spherical probe body Radius is adapted to the radius of the spherical recess. It is therefore the same calculation programs in the navigation system usable while at Tastkörpern with fixed bases the position of the center point, for example, in the manner described above by calculating the intersection of the normals on the circular investment line each Times must be recalculated.
Auch hier können auf der Anlagelinie mehr als drei derartige Stützpunkte angeordnet werden, die dann alle gemeinsam zur Änderung des Radius der Anlagelinie verstellbar sind.Here too, more than three such bases are then arranged all together to change the radius of the investment line are adjustable.
Bei einer solchen Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, daß außerhalb der Ebene der kreisförmigen Anlagelinie mindestens ein weiterer Stützpunkt am Tastkörper vorgesehen ist, der am Tastkörper synchron mit den Stützpunkten auf der Anlagelinie derart verstellbar ist, daß alle Stützkörper auf einer gemeinsamen Kugelfläche liegen. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, punktförmig Kugelflächen zu definieren, deren Radius unterschiedlich groß ist. Damit können mit einem solchen Tastkörper kugelförmige Tastkörper mit unterschiedlichem Radius nachgebildet werden, die dann genauso arbeiten wie feste kugelige Tastkörper, der Benutzer benötigt jedoch nicht verschiedene kugelige Tastkörper, sondern kann kugelige Ausnehmungen mit verschiedenem Radius mit einem einzigen Tastkörper ausmessen.With such a configuration also be provided that outside the level of circular Contact line provided at least one other base on the probe is on the probe in sync with the bases is adjustable on the line so that all support bodies on a common spherical surface lie. With such an arrangement, it is possible to form spherical surfaces at points define the radius of which is different. So that with such a probe body with spherical probe body different radius are reproduced, which then work just like solid spherical probe body, however, the user needs not different spherical probes, but can be spherical Measure recesses with different radius with a single probe.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Tastkörper ein kreisförmiger Ring oder eine kreisförmige Scheibe ist. Die kreisförmige Anlagelinie wird also nicht nur durch drei oder mehr Stützpunkte definiert, sondern durch einen vollständigen kreisförmigen Körper, der längs seiner Außenfläche an der Innenwand einer kugeligen Ausnehmung definiert anlegbar ist.In another preferred embodiment it is envisaged that the sensing body a circular Ring or circular Disc is. The circular So the investment line is not only made up of three or more bases defined but by a complete circular body that along its outer surface on the Inner wall of a spherical recess can be applied in a defined manner.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Tastkörper eine im Querschnitt konvex geformte Außenfläche trägt, die linienförmig an die Innenwand der Ausnehmung anlegbar ist.It is advantageous if the Probe body one cross-sectionally convex outer surface, which is linear the inner wall of the recess can be created.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments the invention serves in conjunction with the drawing for a more detailed explanation. Show it:
Die Erfindung wird nachstehend am
Beispiel der Ausmessung einer kugeligen Ausnehmung
Zur Bestimmung der Lage und der Abmessungen
der kugeligen Ausnehmung
Zu diesem Zweck sind an dem Tastkörper
Die so berechneten Daten werden einer
Datenverarbeitungsanlage
In den
Bei der Verschwenkbewegung des Tastkörpers
Die geometrischen Daten des Ringes
Auf diese Weise kann mittels des
ringförmigen
Tastkörpers
Anstelle eines Ringes
Bei dem Ausführungsbeispiel der
Im Unterschied zur Ausgestaltung
der
Die mechanische Vorrichtung ist in
der Zeichnung nur sehr schematisch dargestellt, es gibt die unterschiedlichsten
Möglichkeiten,
den Abstand der Anlagekörper
Durch die Verstellung des relativen
Abstandes der Anlagekörper
Bei der in den
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DE2002141072 DE10241072B4 (en) | 2002-09-05 | 2002-09-05 | Device for determining the geometric data of a spherical recess |
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DE (1) | DE10241072B4 (en) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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