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Die Erfindung betrifft ein medizinisches Instrumentarium zur Implantation einer künstlichen Hüftgelenkspfanne bei der patientenindividuellen Hüftgelenksplastik, wobei das Instrumentarium wenigstens ein Referenzinstrument in Form einer patientenindividuell angefertigten Schablone und wenigstens ein Werkzeug zur Bearbeitung des Hüftgelenks aufweist.
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Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet der Total-Endoprothetik, bei der außer dem Gelenkkopf auch die Gelenkpfanne des Hüftgelenks eines Patienten ersetzt wird. Hierfür ist es bekannt, patientenspezifische Instrumente herzustellen und für die korrekte Positionierung der künstlichen Hüftgelenkspfanne am Patienten zu verwenden. Solche patientenspezifischen Instrumente dienen zur Vorbereitung der knöchernen Pfanne sowie als Führungshilfe zum Einsetzen des Implantats. Zu solchen patientenspezifischen Instrumenten, die allgemein zum medizinischen Instrumentarium der zuvor erläuterten Art zählen, gehört eine Schablone, die in das Acetabulum eingeführt wird oder sich in naher Umgebung zum Acetabulum referenziert. Diese Schablone wird im Vorfeld der Operation mithilfe von aus Bilddatensätzen, z. B. aus MRT- und CRT-Daten, generierten Computermodellen patientenspezifisch angefertigt, z. B. durch Stereolithographie oder andere 3D-Druckmethoden. Die Schablonen sind auch durch andere Technologien herstellbar
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Die patientenspezifische Schablone, als Teil der patientenspezifischen Instrumente, verfügt über eine Geometrie, welches sich innerhalb oder in der Nähe des Acetabulums platzieren lässt und durch seine individuelle Form eine vordefinierte Lage gemäß der Planung einnimmt.
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Trotz dieser Maßanfertigung gibt es mehrere Einflussfaktoren, die zu einem falschen Einsetzen der Schablone führen können, wie z. B. Fertigungsungenauigkeiten oder ein Vertauschen der Schablonen. Ein wesentlicher Einflussfaktor ist, dass je nach genutzter Bildgebung manche Gewebe oder Geometrien nicht abgebildet werden. Auf klinischen Standard CT Bildern ist z. B. die Knorpelschicht im Acetabulum nicht zu sehen.
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Auch im Bereich des Werkzeugs, z. B. eines Fräsers, kommt es darauf an, dass dieses präzise und entsprechend der Schablone, orientiert, positioniert und geführt wird, wenn am Hüftgelenksknochen die entsprechende Ausfräsung für die künstliche Hüftgelenkspfanne erzeugt wird.
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Aus der
DE 42 19 939 A1 ist eine Schablone für Bearbeitungswerkzeuge zur Bearbeitung knöcherner Strukturen und Verfahren zur Definition und Reproduktion der Lagebeziehung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einer knöchernen Struktur bekannt. Aus der
DE 10 2009 028 503 B4 ist eine Resektionsschablone zur Resektion von Knochen, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Resektionsschablone und ein Operationsset zur Durchführung von Kniegelenk-Operationen bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes medizinisches Instrumentarium zur Implantation einer künstlichen Hüftgelenkspfanne anzugeben, mit dem die zuvor genannten Probleme besser bewältigt werden können.
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Es sei dabei von folgenden Begriffsdefinitionen ausgegangen:
Schablone: Anatomisch geformtes patientenspezifisches Teil zur räumlichen Referenzierung der Anatomie des Beckens.
Patientenspezifische Instrumente (PSI): Hilfsmittel zur Führung des Werkzeugs des medizinischen Instrumentariums, z. B. eine Führungseinrichtung oder Schablone.
Werkzeug: Chirurgisches Werkzeug zur Durchführung einer Operation, z. B. Fräser, Reibe, Einschläger.
Lage: Die Lage, auch Pose genannt, setzt sich zusammen aus der Orientierung und der Position. Die Position bezeichnet die dreidimensionale Position im Raum in Bezug auf ein Basiskoordinatensystem. Die Orientierung bezeichnet den Winkelversatz einer bestimmten Achse im Raum zu einer, mehreren oder allen Achsen des Basiskoordinatensystems und kann somit auch als Winkelorientierung bezeichnet werden.
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Die Eingangs genannte Aufgabe wird durch ein medizinisches Instrumentarium zur Implantation einer künstlichen Hüftgelenkspfanne bei der patientenindividuellen Hüftgelenksplastik gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Bei der Ausführungsform gemäß Merkmal a) kann die Längsachse des Werkzeugs insbesondere die Drehachse eines drehenden Teils des Werkzeugs oder eine dazu parallele Achse sein.
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Die Auswerteeinrichtung kann insbesondere eine computerbasierte Auswerteeinrichtung sein, die die Signale des Neigungssensors z. B. durch entsprechende Softwareprogrammierung auswertet. Die Ausgabeeinrichtung kann z. B. als Anzeigeeinrichtung ausgebildet sein. Die Anzeigeeinrichtung kann als beliebige visuelle Anzeigeeinrichtung ausgebildet sein, z. B. als Display, auf dem die Signale des Neigungssensors in Form einer Ist-Winkelorientierung in Relation zu der Soll-Winkelorientierung dargestellt werden, z. B. als Abweichung voneinander. Die Darstellung kann z. B. durch graphische Elemente auf der Anzeigeeinrichtung realisiert sein.
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Die Soll-Winkelorientierung kann z. B. rechnerisch anhand von zuvor am Patienten ermittelten Bilddatensätzen oder daraus generierten Computermodellen bestimmt werden. Die Soll-Winkelorientierung kann auch durch gesonderte Sensierung bestimmt werden. Insbesondere kann die Soll-Winkelorientierung vorteilhaft bestimmt werden, wenn ein weiterer Neigungssensor an der Schablone befestigt ist. Der weitere Neigungssensor ist dann mit einer weiteren Auswerteeinrichtung verbunden, wobei die weitere Auswerteeinrichtung auch identisch mit der zuvor genannten Auswerteeinrichtung ausgebildet sein kann. Die weitere Auswerteeinrichtung wertet die Signale des weiteren Neigungssensors aus und bestimmt daraus die Soll-Winkelorientierung des Werkzeugs. Beispielsweise kann dies in der praktischen Realisierung dadurch erfolgen, dass ein Anwender die Schablone manuell in die korrekte Position an der Hüftpfanne führt und bei Erreichen der korrekten Position, was z. B. durch die Kontrollvorrichtung kontrolliert werden kann, z. B. durch Betätigung eines Tasters oder Schalters der weiteren Auswerteeinrichtung ein Signal gibt für die Erkennung und Speicherung der Soll-Winkelorientierung. Dementsprechend kann die aktuelle Winkelorientierung als Soll-Winkelorientierung übernommen werden.
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Bei dem Neigungssensor und dem weiteren Neigungssensor kann es sich auch um dasselbe Bauteil handeln, das zur Erkennung und Speicherung der Soll-Winkelorientierung an der Schablone befestigt wird und später bei der Durchführung des Bearbeitungsvorgangs mit dem Werkzeug an dem Werkzeug befestigt wird.
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Ein zusätzlicher Neigungssensor sollte dann zusätzlich zur Bestimmung einer Referenz-Winkelorientierung am Patienten befestigt sein, um beispielsweise Lageveränderungen des Patienten während der Operation kompensieren zu können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Neigungssensor und/oder der weitere Neigungssensor als Beschleunigungssensor ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der Neigungssensor durch bewährte, handelsübliche Elektronik-Bauteile realisiert werden kann. Ein derartiger Neigungssensor orientiert sich an der Richtung des Erdschwerefeldes. Dadurch lassen sich zwei Freiheitsgrade abbilden, was bereits deutliche Verbesserungen bei Operationen ermöglicht. Weitere Freiheitsgrade, z. B. ein dritter rotatorischer Freiheitsgrad, können durch den Neigungssensor berücksichtigt werden, indem z. B. eine Datenfusion aus den Beschleunigungssensor-Daten mit Daten weiterer Sensoren, beispielsweise einem Kompasssensor, erfolgt. Insofern bildet ein solcher zusätzlicher Sensor, z. B. der Kompasssensor, einen Teil des Neigungssensors.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung und/oder die weitere Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, die aus den zugeführten Sensorsignalen ausgewerteten Daten ohne Integrationsschritt der Signale des jeweiligen Neigungssensors zu bestimmen. Dies hat den Vorteil, dass unerwünschte Signaldrift-Effekte der Sensorsignale minimiert werden können.
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Die Ausgabe der Auswerteergebnisse der Auswerteeinrichtung kann insbesondere dann vorteilhaft durchgeführt werden, wenn das Werkzeug gerade nicht im Eingriff am Patienten ist, so dass durch das Werkzeug hervorgerufene Abweichungen, z. B. durch übertragene Vibrationen, nicht zu einer Verfälschung der ausgegebenen Auswerteergebnisse führen.
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Generell kann ein Tiefenanschlag an einer Stelle der eindimensionalen Bewegungsrichtung positioniert werden, die entsprechend der Operationsplanung als Endposition bestimmt wird, so dass auf mechanischem Weg sichergestellt werden kann, dass das Werkzeug nicht zu tief in die Hüftpfanne eingeführt werden kann. Wird der Tiefensensor eingesetzt, so kann dieser als Wegsensor ausgebildet sein, der die aktuelle Position des Werkzeugs relativ zur Hüftpfanne angibt. Der Tiefensensor kann auch ähnlich einem Schaltkontakt ausgebildet sein, der ein Signal bei Erreichen einer bestimmten Position der eindimensionalen Bewegungsrichtung abgibt (Grenzschalter), so dass anhand dieses Signals erkannt werden kann, dass das Werkzeug die gewünschte Einführtiefe erreicht hat.
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Der Tiefenanschlag kann sich nach Vorgaben der OP-Planung mit Hilfe einer Skala einstellen lassen und begrenzt das Werkzeug in seiner Tiefenfreiheit.
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Die mechanische Kontrollvorrichtung gemäß Merkmal c) kann dabei derart ausgebildet sein, dass sie in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Schablone wenigstens abschnittsweise über den Außenumfang der Schablone hinausragt. Die mechanische Kontrollvorrichtung kann auch auf gleicher Höhe mit dem acetabulären Rand verlaufen. Die mechanische Kontrollvorrichtung kann dabei hinsichtlich ihrer Außenkontur an die Kontur des Randes der Hüftpfanne des Patienten angepasst sein und damit zumindest einen Teil der Kontur nachbilden. Hierbei ist es vorteilhaft, die nachgebildete Außenkontur etwas kleiner zu gestalten als die reale Kontur, die nachgebildet wird, so dass etwas Spiel vorhanden ist. Auf diese Weise kann die Schablone mit der Kontrollvorrichtung leichter eingepasst werden. Die Kontrollvorrichtung kann z. B. in einem Arbeitsgang zusammen mit der Schablone erzeugt werden, z. B. anhand von bereits hergestellten Bilddatensätzen oder daraus generierten Computermodellen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kontrollvorrichtung als von der Schablone separates Bauteil ausgebildet, das z. B. über eine Steckverbindung mit der Schablone verbindbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kontrollvorrichtung bei Bedarf angesteckt werden kann und andernfalls, z. B. wenn das Vorhandensein der Kontrollvorrichtung störend wäre, leicht entfernt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kontrollvorrichtung als in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Schablone vollständig um den Umfang der Schablone umlaufende Reling ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Anwendung der Kontrollvorrichtung besonders stark vereinfacht wird und Anwendungsfehler weitestgehend ausgeschlossen werden können.
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Alternativ kann die Kontrollvorrichtung auch über radiale Verbindungsstege mit der Schablone gekoppelt sein. Die Kontrollvorrichtung kann auch über großflächige Verbindungen mit der Schablone gekoppelt sein, wobei es dann vorteilhaft ist, die Kontrollvorrichtung und/oder die großflächigen Verbindungen aus transparentem Material herzustellen. Auf diese Weise wird die Sicht auf die Operationsstelle nur minimal gestört.
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Vorteilhaft bei der patientenindividuellen Schablone ist, dass sie Merkmale aufweist die eine sichere und eindeutige Positionierung gewährleisten und andererseits Merkmale besitzt mit denen die Lage der eingebrachten Schablone taktil, kinästhetisch oder visuell bezüglich der beabsichtigen Lage leicht verifiziert werden kann. Durch eine besondere Gestaltung der patientenindividuell gefertigten (z. B. 3D-Druck) Schablone ist eine visuelle, taktile oder kinästhetische Kontrolle des korrekten Sitzes gemäß der präoperativen Planung anhand medizinischer Bildgebund oder anhand von Orientierungs-Merkmalen an der Schablone nach dem Einsetzen in wenigen Sekunden möglich. Durch die Wahl geeigneter Materialparameter sowie die Wahl anatomischer Referenzbereiche, lässt sich die Schablone sicher platzieren.
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Durch den wenigstens einen Röntgen-Marker gemäß Merkmal d) ist eine Röntgen-optische Kontrolle des Sitzes der Schablone auf einfache Weise möglich. Da die Schablone in der Regel aus in Röntgenbildern nicht sichtbarem Material besteht, kann auf diese Weise ein Vergleich der Lage der Schablone mit der entsprechend der Operationsplanung vorgesehenen Lage durchgeführt werden. Der Röntgen-Marker kann eine Ring-Geometrie oder irgendeine andere Geometrie aufweisen. Insbesondere können mehrere einzelne Teile des Röntgen-Markers vorhanden sein, die wiederum insgesamt eine Ring-Geometrie oder eine andere Geometrie bilden. Entscheidend ist letztendlich, dass der oder die Röntgenmarker eine solche Geometrie aufweisen, dass die gewünschte Röntgen-optische Kontrolle des Sitzes der Schablone eindeutig möglich ist. Zu erwähnen ist noch, dass die 2D Bildgebung des Röntgenmarkers, die Aufschluss über den korrekten Sitz der Schablone gibt, mittels einer Software ausgewertet werden kann, die dem Operateur dann bei der korrekten Platzierung der Schablone unterstützt.
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Vorteilhaft bei der patientenindividuellen Schablone ist, dass sie Merkmale besitzt, mit denen die Lage der eingebrachten Schablone mittels medizinischer 2D-Bildgebung intraoperativ kontrolliert werden kann und die spätere Orientierung der künstlichen Hüftpfanne bereits nach dem Einbringen der Schablone eingesehen werden kann. Durch die Verwendung verschiedener Materialien lassen sich Merkmale herstellen, anhand derer in einer Bildgebung die Lage überprüft werden kann. Die Merkmale können aus demselben Material sein wie die Schablone selbst und markante Geometrien aufweisen. Oder alternativ handelt es sich um ein anderes Material, das entweder ein- oder aufgebracht wird. Dies kann bereits während der Herstellung oder nachträglich geschehen. Ein beispielhaftes Vorgehen beinhaltet:
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Druck einer Negativform und manuelles Einlegen des Markers
Aufbringen von „röntgendichtem Lack an definierten Strukturen”
Herstellung durch Einsatz verschiedener Materialien
Formschluss (Aufstecken)
Erzeugen der Marker durch Schablonengeometrie
- • Modell des Acetabulums
Druck des patentindividuellen Acetabulums mit Markern,
Einbringen der Schablone in das Modell-Acetabulum
Gegebenenfalls zusätzliche Röntgenaufnahme
- • Intraoperative Röntgenbildgebung
Visuelles Überprüfen der relativen Lage anhand der Marker und gegebenenfalls der OP-Planung
Vergleich mit der Röntgenprojektion des Modell-Acetabulums
Überprüfung der korrekten Lage und Geometrie anhand 3D-2D Registrierung
- • Überprüfen der Schablonengeometrie
Drucken und Nachmessen sichtbarer Marker, z. B. mit einem Messschieber
Kodieren des Patienten durch Marker
Überprüfung der korrekten Lage und Geometrie anhand 3D-2D Registrierung
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Die Kontrolle der Schablone erfolgt mittels einer 3D-2D-Registrierung und eingebrachter Kontrollstrukturen.
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Durch die Oberflächenstrukturierung der Kontaktoberfläche der Schablone gemäß Merkmal e) ist ein Einsetzen und Anpassen der Schablone besser möglich. Es kann ein besserer Sitz auch bei noch vorhandenem Weichgewebe erreicht werden. Durch die Schablone verdrängtes Gewebes oder verdrängtes Flüssigkeit des Patienten können in die Kavitäten ausweichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Oberflächenstrukturierung der Kontaktoberfläche der Schablone eine Kreuzrillenstruktur auf. Dies hat den Vorteil, dass die Oberflächenstrukturierung auf einfache Weise hergestellt werden kann, z. B. durch kreuzweise Einschnitte mit einer Trennscheibe.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Werkzeug über eine Längsführung mit dem Hüftgelenk gekoppelt und darüber in einer eindimensionalen Bewegungsrichtung zum Hüftgelenk hin geführt, wobei der Neigungssensor dazu eingerichtet ist, von dem Werkzeug auf die Längsführung übertragene Biegemomente zu erfassen. In diesem Fall kann der Neigungssensor z. B. als Momentensensor oder Kraftsensor ausgebildet sein. Durch die Längsführung kann die Führung des Werkzeugs bereits deutlich sicherer und anwenderfreundlicher gestaltet werden. Durch die zusätzliche Berücksichtigung des Neigungssensor-Signals wird die Präzision der Führung des Werkzeugs weiter gesteigert, insbesondere bei wenig biegesteifen Ausführungsformen der Längsführung.
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Zusammengefasst ergeben sich durch die Erfindung folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
- – Die Schablone lässt sich sicherer positionieren ohne intraoperativ zusätzliches Gewebe entfernen bzw. vorbereiten zu müssen.
- – Die Lage der Schablone ist einfach intraoperativ überprüfbar ggf. durch eine einfache medizinische Bildgebung z. B. Röntgen oder Ultraschall, oder das haptische Feedback.
- – Die Frästiefe ist einstellbar und kann kontrolliert werden.
- – Ein einfacher Operationsablauf ohne Mehraufwand bzw. Verlängerung der Operationszeit.
- – Rückzugsmöglichkeit zur konventionellen Implantation ohne zusätzlichen Aufwand.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 – eine schematische Darstellung einer Seite des Beckenknochens
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2–5 – unterschiedliche Ausführungen von patientenspezifischen Schablonen und
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6 – eine optische Instrumentenführung und
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7 – eine patientenspezifische Schablone mit Röntgen-Marker und
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8 – ein chirurgisches Navigationssystem und
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9 – ein Werkzeug mit einer Führungseinrichtung und
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10–11 – verschiedene Ausführungen von Kontrollvorrichtungen an patientenspezifischen Schablonen.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Anhand der 1 sei zunächst veranschaulicht, wie der für den Einsatz einer künstlichen Hüftgelenkspfanne bei der patientenindividuellen Hüftgelenksplastik betreffende Bereich des Beckenknochens 1 aussieht. Mit dem Bezugszeichen 3 ist der relevante Bereich für die Verankerung einer Schablone im Bereich der Fossa Acetabuli 2 (markiert durch das Oval).
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Die 2 zeigt eine patientenspezifische Schablone 4 in einer Ansicht auf die Kontaktoberfläche 41, die als Gegenstück zur Oberfläche der Hüftgelenkspfanne 2 patientenspezifisch geformt ist. Im Bereich dieser Kontaktoberfläche 41 ist eine Oberflächenstrukturierung durch wenigstens eine Kavität 42 vorhanden, die zur Aufnahme verdrängten Gewebes oder verdrängter Flüssigkeit des Patienten dient. Im von der Kontaktoberfläche 41 abgewandten Bereich weist die Schablone 4 einen Schaftbereich 40 auf, der z. B. zum Greifen und Halten der Schablone 4 durch einen Anwender dient.
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In den 3 bis 5 sind jeweils nebeneinander Ausführungsformen von Schablonen 4 jeweils in einer Seitenansicht und einer Draufsicht auf die Kontaktoberfläche 41 dargestellt. Die 3 zeigt zum Vergleich eine Schablone 4 gemäß dem Stand der Technik, die im Bereich der Kontaktoberfläche 41 die erwähnten Kavitäten 42 nicht aufweist. Die 4 zeigt eine Ausführungsform der Schablone 4, bei der im Bereich der Kontaktoberfläche 41 Kavitäten 42 durch sich kreuzende Rillen gebildet sind, so dass von einem Grundkörper 46 jeweils nur stabförmige oder säulenförmige Erhebungen abstehen. In der Ausführungsform gemäß 5 sind die Kavitäten 42 dadurch gebildet, dass der Grundkörper 46 im Bereich der Kontaktoberfläche 41 in verschiedenen Höhenlagen parallel eingeschlitzt ist, so dass von einem zentralen Bereich scheibenförmige Erhebungen radial hervorstehen.
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Die 6 zeigt ein medizinisches Instrumentarium zur Implantation einer künstlichen Hüftgelenkspfanne, bei der als Orientierungs- und Führungshilfe für die Führung eines Werkzeugs 5 ein oder mehrere Führungsdrähte 50 z. B. in Form von K-Drähten oder Pins vorhanden sind. Der Anwender kann anhand dieser Führungsdrähte 50 optisch bzw. visuell das Werkzeug 5 in der geeigneten Art ausrichten, so dass z. B. eine parallele Führung zu den Führungsdrähten 50 erfolgt. Die Führungsdrähte 50 können dabei am Hüftgelenk verankert sein.
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Die Führungsdrähte 50 ermöglichen die Orientierung eines Fräsers bzw. Einschlägers zur Implantation einer Endoprothese alleine durch einen Richtungsanzeiger. Der Richtungsanzeiger kann beispielsweise in Form von Drähten oder Stäben gestaltet sein, welche unter Zuhilfenahme der Schablone ausgerichtet und in den Knochen eingebracht werden. Der eingebrachte Richtungsgeber ist in Soll-Richtung orientiert. Durch die freie Führung des Fräsers und Einschlägers parallel zu den richtungsanzeigenden Elementen kann die Hüftpfanne in geplanter Orientierung eingebracht werden.
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Die 7 zeigt eine Schablone 4, bei der im vorderen Bereich, d. h. im Kopfbereich 46, Material zur Formung eines Röntgen-Markers 43 eingebettet ist. Der Röntgen-Marker 43 kann z. B. eine Ringform aufweisen, die in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Längsachse 44 der Schablone 4 verläuft.
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Ein oder mehrere, eindeutig für diesen Zweck geformte Röntgen-Marker, z. B. konzentrische, kreisförmige oder kugelförmige Röntgen-Marker, die sich in einer definierten Lage (vorzugsweise mittig) zu einer Struktur wie dem acetabulären Rand befinden, ermöglichen eine Kontrolle der Schablonenposition mittels einfacher medizinischer 2D-Bildgebung. Anhand der Markerstruktur und dessen Projektionen bei der medizinischen 2D-Bildgebung wird dem Anwender die geplante Pfannenlage vereinfacht dargestellt. Die besagten Röntgen-Marker können sich dabei durch besondere Röntgendichte hervorheben.
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Die Röntgen-Marker können des Weiteren dazu genutzt werden um zu prüfen, ob Toleranzen bei der Herstellung der Schablone eingehalten wurden oder ob die vorliegende Schablone und die damit verbundene OP-Planung für den ebenfalls vorliegenden Patienten erstellt wurden. Dabei ist der Röntgen-Marker derart gestaltet, dass dieser dem Patienten eindeutig zuordenbare Merkmale enthält,
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Die 8 zeigt als Teil des medizinischen Instrumentariums Elemente eines chirurgischen Navigationssystems, das durch Verwendung von Neigungssensoren 20, 45, 52 die Führung des Werkzeugs 5 in der richtigen Soll-Winkelorientierung unterstützt. Am Werkzeug 5 ist ein Neigungssensor 52 angeordnet. An der Schablone 4 ist ein weiterer Neigungssensor 45 angeordnet. Ein dritter Neigungssensor 20 kann am Patienten, d. h. am Hüftgelenk 1, angeordnet sein. Die Neigungssensoren können z. B. jeweils als Beschleunigungssensoren ausgebildet sein, die die Winkelabweichung von der Wirkrichtung der Erdbeschleunigung g ermitteln. Die von den Neigungssensoren ermittelten Signale können z. B. drahtlos an eine Auswerteeinrichtung 60 übertragen werden. Die Auswerteeinrichtung 60 wertet die Signale des jeweiligen Neigungssensors aus und bestimmt damit Daten, die ohne Integrationsschritt der Signale des jeweiligen Neigungssensors bestimmt werden. Auf diese Weise kann eine unerwünschte Signaldrift minimiert werden. Aus dem Signal des weiteren Neigungssensors 45 kann die Soll-Winkelorientierung bestimmt werden. Aus dem Signal des Neigungssensors 52 wird die Ist-Winkelorientierung des Werkzeugs bestimmt, die in Relation zu der Soll-Winkelorientierung ausgewertet werden kann und von der Auswerteeinrichtung 60 an eine Anzeigeeinrichtung 61 übergeben werden kann, um eine Soll-Ist-Abweichung hinsichtlich der Winkelorientierung anzuzeigen. Als weitere Größe kann das Signal des dritten Neigungssensors 20 berücksichtigt werden. Nach einer Kalibrierung auf eine Soll-Lage des Hüftgelenks kann die Auswerteeinrichtung diese kalibrierte Winkelorientierung berücksichtigen, um bei Veränderungen der Lage des Hüftgelenks die Soll-Winkelorientierung und/oder die Ist-Winkelorientierung anzupassen.
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Mit dem Navigationssystem gemäß 8 kann z. B. wie folgt gearbeitet werden. Anhand präoperativer Bildgebung wird der gewünschte Sitz der künstlichen Hüftgelenkspfanne vom Chirurgen bestimmt. Dafür werden Position und Orientierung der künstlichen Hüftgelenkspfanne festgelegt. Anhand der Planungsdaten wird eine patientenindividuelle Schablone 4 gefertigt, die formschlüssig in das Acetabulum passt. Die Schablone besitzt eine Kopplungseinheit, z. B. den Schaft 40, die sich in einer definierten Orientierung relativ zur Patientenanatomie befindet. An diesem Schaft 40 kann der weitere Neigungssensor 45 befestigt werden. Nach Einbringen der Schablone 4 in das Acetabulum und Kontrolle der richtigen Positionierung kann die aktuelle Winkelorientierung gespeichert werden, z. B. durch Betätigen eines Tasters. Damit ist die Soll-Winkelorientierung festgelegt. Die Richtung des Erdschwerefelds wird dabei als konstant angenommen und dient während der Operation als Referenz, wenn die Neigungssensoren 45, 52 als Beschleunigungssensoren ausgebildet sind.
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Optional kann ein zusätzlicher Neigungssensor 20 fest am Knochen 1 befestigt werden, um so eventuelle Bewegungen des Patienten zu kompensieren. Andernfalls muss der Patient fixiert werden. Die Datenübertragung zwischen dem jeweiligen Neigungssensor 20, 45, 52 und der Auswerteeinrichtung 60 kann kabellos oder kabelgebunden ablaufen. Die Schablone 4 kann zusätzlich dazu verwendet werden, um eine mechanische Führung für weitere chirurgische Werkzeuge zu befestigen.
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Anschließend wird die Schablone 4 entfernt und das Werkzeug 5 mit dem Neigungssensor 52 genutzt. Alternativ kann auch der weitere Neigungssensor 45 von der Schablone 4 entfernt werden und an dem Werkzeug 5 befestigt werden. Beim Einsatz des Werkzeugs 5 wird nun mittels des Neigungssensors 52 die Ist-Winkelorientierung bestimmt. Die Differenz zwischen der Ist-Winkelorientierung und der gespeicherten Soll-Winkelorientierung wird dem Anwender optisch, akustisch oder haptisch mitgeteilt. Hierfür kann sich eine Feedback-Komponente direkt am patientenspezifischen Instrument, am Werkzeug 5, auf einem externen Monitor oder einem mobilen Gerät befinden. Nach Abschluss der Arbeit mit dem Werkzeug 5 wird der Vorgang mit einem weiteren Werkzeug wiederholt, z. B. indem erst gefräst wird und dann der Einschläger in entsprechender Weise geführt wird.
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Zusätzlich oder alternativ kann, wie in 9 dargestellt, anhand der Schablone 4 eine mechanische Führungseinrichtung 55 zur Führung des Werkzeugs 5 am Knochen 1 verankert werden. Auch eine Befestigung durch eine Haltevorrichtung ist möglich. Die Position und Orientierung der Führungseinrichtung 55 wird durch die Schablone 4 definiert. Die Schablone 4 verfügt dazu über eine Vorrichtung, welche die Lage der Führungseinrichtung 55 vorgibt und ein geführtes Einbringen selbiger ermöglicht. Mit Hilfe der Führungseinrichtung 55 ist es möglich, die maximale Frästiefe welche aus der OP-Planung hervor geht, direkt auf den Patienten zu übertragen.
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Die 9 zeigt eine Führungseinrichtung 55, z. B. in Form eines Stabs oder Drahts, an der entlang einer eindimensionalen Bewegungsrichtung, hier einer linearen Bewegungsrichtung, über ein Verbindungsstück 53 das Werkzeug 5 geführt ist. An der Führungseinrichtung 55 ist ein Tiefenanschlag 56 vorgesehen, der verhindert, dass das Werkzeug 5 zu weit gegen die Knochensubstanz des Hüftgelenks geführt werden kann.
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Es kann außerdem eine Sensorkomponente 54 vorhanden sein, welche den Winkel, den Abstand, die Kraft und/oder das Moment zwischen dem Werkzeug 5 und der Führungseinrichtung 55 erfasst. Diese Information kann über die erwähnte Feedback-Komponente dem Anwender mitgeteilt werden. So kann z. B. in dem Verbindungsstück 53 ein Momentensensor 54 angeordnet sein, über den die von dem Werkzeug 5 über das Verbindungsstück 53 auf die Führungseinrichtung 55 übertragenen Momente erfassbar sind. Die Signale des Momentensensors 54 können ebenfalls einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die z. B. dazu eingerichtet sein kann, ein Warnsignal bei zu großen Momenten auszugeben. Auf diese Weise kann auch bei einer Führungseinrichtung mit geringer Biegesteifigkeit eine sichere Führung des Werkzeugs 5 entlang der gewünschten Bewegungsrichtung sichergestellt werden.
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Die 10 zeigt das Hüftgelenk 1 mit einer in die Hüftgelenkspfanne 2 eingesetzten Schablone 4. Die Schablone 4 weist eine über den Außenumfang der Schablone 4 hinausstehende Kontrollvorrichtung 7 auf, die über radiale Stege 70 mit der Schablone 4 verbunden ist. Die Kontrollvorrichtung ist dabei entsprechend dem äußeren Rand der Hüftgelenkspfanne 2 geformt, so dass der Anwender auf einfache Weise optisch oder taktil die richtige Lage der Schablone 4 kontrollieren kann.
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Die 11 zeigt in einer Schrägansicht auf die Hüftgelenkspfanne 2 eine Schablone 4 mit einer weiteren Ausführungsform der Kontrollvorrichtung 7. Die hier dargestellte Kontrollvorrichtung 7 steht nur über einen Teil des Umfangs über die Schablone 4 hinaus. Dies ist aber ausreichend für eine Kontrolle des richtigen Sitzes der Schablone 4. Ferner ist die Kontrollvorrichtung 7 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen steckbaren Zapfen 71 mit der Schablone 4 verbunden. Auf diese Weise kann die Kontrollvorrichtung 7 ähnlich wie bei einer Steckverbindung als separates Bauteil bei Bedarf an die Schablone 4 angesteckt werden.
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Die Kontrollvorrichtung 7 ermöglicht es dem Anmelder, die sachgemäße Lage der Schablone 4 ohne weitere Hilfsmittel zu überprüfen. Im Wesentlichen vergleicht dabei der Anwender beim Einsetzen der Schablone 4 in die Hüftpfanne 2 eine an der Schablone 4 angebrachte Geometrie mit Bereichen des knöchernen Acetabulums (z. B. Randbereich der Hüftpfanne). Die an der Schablone 4 angebrachte Kontrollvorrichtung 7 weist eine Topologie auf, welche einzelnen Bereichen der knöchernen Struktur der Hüftpfanne 2 ähnelt. Bei einer Lage der Schablone 4 innerhalb der Hüftpfanne 2, welche der zuvor definierten Soll-Lage entspricht, stimmt die Topologie der Kontrollvorrichtung 7 mit der Topologie ausgesuchter Bereiche der Hüftpfanne 2 überein. Dem Anwender wird es, unter Zuhilfenahme seiner Seh- und Tastsinne, ermöglicht die Geometrie der Kontrollvorrichtung mit der der Hüftpfanne zu vergleichen, um Rückschlüsse auf die Richtigkeit der Schablonenlage zu ziehen.
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Die beschriebenen patientenspezifischen Instrumente, insbesondere die Schablone 4, kann aus einem oder mehreren Materialien gestaltet sein, welche ein sicheres Einführen und Positionieren der Schablone durch ihre besonderen Materialeigenschaften gewährleisten. Das Material hat dabei zur Eigenschaft, dass sich dieses mit Hilfe einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine (e. g. Stereolithografie etc.) zu einer Schablone bearbeiten lässt. Bedingt durch die Materialwahl und -zusammensetzung verfügt die Schablone über Bereiche, welche durch ihre Nachgiebigkeit eine Anpassungsfähigkeit der Schablone gegenüber der Acetabulumsgeometrie erlaubt. Das Material ermöglicht zudem eine erhöhte Haftung der Schablone an der Knochen- bzw. Knorpeloberfläche.
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Die patientenspezifische Schablone kann derart gestaltet sein, dass eine Seite der Schablone geometrische Konformitäten mit der Oberflächentopologie des Acetabulums aufweist. Neben der Innenfläche des Acetabulums welches durch den acetabulären Rand begrenzt ist, weißt die Schablone einen Konformitätsbereich mit Regionen kaudal der fossa Acetabuli, außerhalb des Acetabulums auf.
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Die Schablone kann bezüglich ihrer Kontaktoberfläche mit der Hüftpfanne in einer Art und Weise gestaltet sein, welche es vermag restliches Weichgewebe sowie Flüssigkeiten beim Einpassen in die Hüftpfanne zu verdrängen. Dabei besitzt die Schablone Kavitäten, die eine Aufnahme des verdrängten Gewebes oder der verdrängten Flüssigkeit ermöglichen.
