DE10311454B4 - Vorrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an einem Beckenknochen - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an einem Beckenknochen mit einer Navigationseinrichtung für den Beckenknochen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung (13) zur Ausmessung der räumlichen Ausdehnung einer oberhalb des Acetabulums (15) angeordneten subchondralen Sklerosezone (19) aufweist sowie eine Datenverarbeitungsanlage (12), die aus den Ausdehnungsdaten der subchondralen Sklerosezone (19) im Beckenknochen (3) den Schwerpunkt (23) dieser subchondralen Sklerosezone (19) und im Randbereich (24) der subchondralen Sklerosezone (19) den Punkt (25) der größten Dicke bestimmt und aus diesen Punkten und der Lage des Mittelpunkts (26) des Acetabulums (15) eine Belastungsebene (27) berechnet und diese als Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens (3) verwendet.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an einem Beckenknochen mit einer Navigationseinrichtung für den Beckenknochen.
- Die Stabilität und Funktionalität einer Hüftendoprothese hängt nach erfolgter Implantatation von einer Vielzahl von Parametern ab. Besonders wichtig ist dabei die Einhaltung von anatomisch vorgegebenen Einbaurichtungen, beispielsweise im Verhältnis zur Achse des Acetabulums, die sich als Normalenvektor auf einer durch den Rand des Acetabulums gelegten Ebene darstellt. Üblicherweise wird die Richtung dieser Achse durch einen so genannten Anteversionswinkel und einen sogenannten Inklinationswinkel beschrieben. Als Referenz dieser Winkel wird bisher meist eine Ebene benutzt, die parallel zum Operationstisch verläuft. Durch Verkippung des Beckens in der liegenden Position kann es dabei jedoch zu falschen Werten der implantierten Pfannen führen, Abweichungen in der Größenordnung von 10° sind daher häufig.
- Es ist auch bekannt, die genannten Inklinations- und Anteversionswinkel in Bezug auf eine so genannte Beckeneingangsebene zu definieren. Diese Ebene wird durch die jeweils ventralsten Punkte der Symphysen und der Spinae aufgespannt. Man geht dabei davon aus, dass diese Ebene parallel zur Koronar ebene des Patienten liegt. Die genannten Punkte werden üblicherweise perkutan palpiert, und dabei ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Ausgestaltung des Haut- und Fettgewebes Abweichungen. Auch ist es bei unterschiedlicher Patientenlagerung während der Operation häufig schwer oder gar nicht möglich, diese Palpation durchzuführen.
- Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich bei der Bestimmung dieser Daten dadurch, dass der Rand des Acetabulums krankhaft verändert sein kann, beispielsweise bilden sich bei fortschreitender Coxarthrose Osteophyten aus, die es praktisch unmöglich machen, eine definierte, durch den Rand des Acetabulums gehende Ebene zu definieren.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der trotz dieser angegebenen Schwierigkeiten geometrische Daten an einem Beckenknochen zuverlässig bestimmt werden können.
- Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Ausmessung der räumlichen Ausdehnung einer oberhalb des Acetabulums angeordneten subchondralen Sklerosezone aufweist sowie eine Datenverarbeitungsanlage, die aus den Ausdehnungsdaten der subchondralen Sklerosezone im Beckenknochen den Schwerpunkt dieser subchondralen Sklerosezone und im Randbereich der subchondralen Sklerosezone den Punkt der größten Dicke bestimmt und aus diesen Punkten und der Lage des Mittelpunktes des Acetabulums eine Belastungsebene berechnet und diese als Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens verwendet.
- Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass sich im Beckenknochen oberhalb des Acetabulums aufgrund der normalen Belastung der Knochenstruktur eine Verdichtung innerhalb der Knochenstruktur ausbildet, die patientenspezifisch ist. Dieses Verdichtungsgebiet wird als ”subchondrale Sklerosezone” bezeichnet. Dieses Verdichtungsgebiet bildet sich unter einer hufeisenförmigen Knorpelschicht des Acetabulums, die als facies lunata bezeichnet wird. Bei arthrotischen Gelenken ist diese Knorpelschicht nicht mehr vorhanden oder stark deformiert, es bildet sich jedoch unterhalb dieser Knorpelschicht aufgrund der ständigen Belastung des Knochens die subchondrale Sklerosezone, also eine knöcherne Verdichtungszone, heraus. Diese Zone besitzt im Wesentlichen die Form der facies lunata des Patienten. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Gelenke arthrotisch verändert sind, d. h. wenn der Knorpel bereits verschlissen ist.
- Da die individuelle Belastung und Geometrie des Patientengelenks zur Ausbildung dieser Sklerosezone führt, kann im Umkehrschluss aus der Form dieser Sklerosezone auf die individuelle Belastung und Geometrie geschlossen werden. Die Sklerosezone selbst verändert sich nicht im selben Maße wie die äussere Knochengeometrie während einer fortschreitenden Coxarthrose. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass die ermittelten Parameter die Situation des gesunden Hüftgelenks wiedergeben.
- Die Form dieser Sklerosezone spiegelt hierbei ein Spannungsdiagramm der belasteten Hüfte wider.
- Durch Bestimmung der räumlichen Ausdehnung dieser subchondralen Sklerosezone erhält man somit Informationen darüber, wie das Acetabulum belastet worden ist, und diese Belastung wiederum hängt von der geometrischen Anordnung des Acetabulums im Beckenknochen ab und gibt damit indirekt Auskunft über die geometrische Ausgestaltung des Beckenknochens im Bereich des Acetabulums.
- Untersuchungen haben weiterhin ergeben, dass der Schwerpunkt der subchondralen Sklerosezone, der Randbereich der subchondralen Sklerosezone mit der größten Dicke und der Mittelpunkt des Acetabulums eine Belastungsebene aufspannen, die für jeden Patienten charakteristisch ist und die zudem eine Frontalebene ist, also parallel zur Koronarebene des Patienten verläuft. Auf diese Weise lässt sich also eine beckenknocheneigene Ebene bestimmen, die parallel zu der Beckeneingangsebene verläuft, die man durch Palpation bestimmter Punkte des Beckenknochens bestimmen will, die aber aufgrund der geschilderten Schwierigkeiten nur sehr ungenau zu bestimmen ist. Die Belastungsebene läßt sich aufgrund des beschriebenen Verfahrens sehr viel exakter bestimmen, und zwar unabhängig von der Ausgestaltung des Haut- und Fettgewebes des Patienten und auch unabhängig von dessen Lage auf dem Operationstisch.
- Es kann vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungsanlage die geometrischen Daten einer Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Acetabulen zusammen mit den geometrischen Daten der Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens verwendet. Durch die Bestimmung einer Ebene und einer Richtung lassen sich alle geometrischen Daten relativ zu dieser Ebene und zu dieser Richtung eindeutig angeben.
- Insbesondere kann die Datenverarbeitungsanlage die Verbindungslinie der beiden Acetabulen, den Normalenvektor auf der Belastungsebene und einen senkrecht auf diesen beiden stehenden Vektor als Achsen eines beckenknocheneigenen Koordinatensystems verwenden.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Datenverarbeitungsanlage aus dem Verlauf des Randes der subchondralen Sklerosezone eine Acetabulum-Randebene bestimmt und aus dem Normalenvektor dieser Acetabulum-Randebene durch Projektion desselben auf die Belastungsebene den Inklinationswinkel bestimmt. Dies ist eine übliche Größe zur Beschreibung der Orientierung des Acetabulums und kann auf diese Weise im Einklang mit den üblichen Literaturangaben eindeutig und genau bestimmt werden.
- Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungsanlage aus dem Verlauf des Randes der subchondralen Sklerosezone eine Acetabulum-Randebene bestimmt und aus dem Normalenvektor dieser Acetabulum-Randebene durch Projektion desselben auf eine senkrecht auf der Belastungsebene und senkrecht auf der Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Acetabulen stehende Ebene den Anteversionswinkel bestimmt.
- Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Ausmessung der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone eine bildgebende Einrichtung ist, welche die Knochendichte in der Umgebung des Acetabulums des Beckenknochens anzeigt. Es kann sich dabei beispielsweise um ein übliches Computertomographieverfahren oder auch um ein Kernsein-Tomographieverfahren oder eine 3D Fluoroskopie handeln.
- Es ist vorteilhaft, wenn die Datenverarbeitungsanlage aus den Messdaten zur Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone die Dicke der subchondralen Sklerosezone in verschiedenen radialen Richtungen vom Mittelpunkt des Acetabulums aus gesehen bestimmt und diese Werte auf eine Kugelfläche projiziert, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt des Acetabulums ist und deren Oberfläche die subchondrale Sklerosezone schneidet. Die Oberfläche der Kugel schneidet die subchondrale Sklerosezone in dem Bereich, der dem Mittelpunkt des Acetabulums am nächsten liegt, dieser Bereich kann mit der Wand des Acetabulums gleichgesetzt werden. Man erhält dann auf dieser Kugeloberfläche an jedem Punkt einen Wert, der der Dicke der subchondralen Sklerosezone in dieser radialen Richtung entspricht, diese unterschiedlichen Werte kann man beispielsweise durch unterschiedliche Graustufen in der zweidimensionalen Kugelfläche sichtbar machen oder auch als unterschiedliche Massenbelegungen an verschiedenen Stellen der Kugeloberfläche deuten.
- Den Radius dieser Kugelfläche kann man beispielsweise durch Palpation der Acetabulumwand bestimmen, also durch Bestimmung des Abstandes vom Mittelpunkt des Acetabulums bis zu seiner Wand.
- Das Verfahren lässt sich vereinfachen, wenn die Datenverarbeitungsanlage die Kugeloberfläche zu einer zweidimensionalen, ebenen Fläche auffaltet und an dieser Fläche den Schwerpunkt der auf diese Fläche projizierten Dickenwerte und die Lage des Randpunktes größter Dicke bestimmt.
- Den Mittelpunkt eines Acetabulums kann man in unterschiedlicher Weise bestimmen, beispielsweise durch navigierte Bewegung des Femurs im Acetabulum. Diese Bewegung erfolgt immer um den Mittelpunkt des Acetabulums, da es sich beim Hüftgelenk um ein Kugelgelenk handelt, und durch navigierte Aufnahme dieser Bewegung läßt sich dieser Mittelpunkt aus den Bewegungsdaten des Femurs gegenüber dem Acetabulum bestimmen.
- Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
-
1 : eine Übersichtsdarstellung eines Patienten auf einem Operationstisch und eines Navigationssystems; -
2 : eine schematische Teilansicht des Beckenknochens in Vorderansicht; -
3 : eine Seitenansicht des Beckenknochens der2 ; -
4 : eine Ansicht ähnlich2 mit einer schematisch dargestellten Beckeneingangsebene; -
5 : eine Seitenansicht des Beckenknochens der4 ; -
6 : eine Teilvorderansicht des Beckenknochen mit den auf diesen wirkenden Kräften; -
7 : eine Ansicht ähnlich6 mit einer Darstellung der subchondralen Sklerosezone; -
8 : eine Seitenansicht des Beckenknochens der7 mit einer Darstellung der subchondralen Sklerosezone; -
9 : eine Teilvorderansicht des Beckenknochens mit dem Meßbereich zur Bestimmung der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone; -
10 : eine schematische Darstellung der Auswahl bestimmter Meßdaten aus dem Meßbereich der9 in einem ausgewählten Kugelbereich; -
11 : eine schematische Darstellung der Projektion unterschiedlicher Dicken der subchondralen Sklerosezone auf die Oberfläche der ausgewählten Kugel; -
12 : eine schematische Darstellung der Auffaltung der ausgewählten Kugel in eine zweidimensionale, ebene Fläche; -
13 : eine schematische Darstellung der von der ausgewählten Kugel in die Ebene abgewickelten Fläche zur Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone; -
14 : eine vergrößerte Darstellung der in13 dargestellten Fläche mit Angabe des Schwerpunktes und des Randpunktes größter Dicke; -
15 : eine schematische Darstellung des Acetabulums mit einer durch den Acetabulummittelpunkt, den Schwerpunkt der in14 dargestellten Fläche und den Randpunkt größter Dicke aufgespannten Belastungsebene und -
16 : eine Teilvorderansicht des Beckenknochens mit einem beckenknocheneigenen Koordinatensystem unter Verwendung der Belastungsebene und der Verbindungslinie der beiden Acetabulen. - In
1 ist ein auf einem Operationstisch1 liegender Patient2 schematisch dargestellt, bei dem am Beckenknochen3 eine Hüftgelenks-Endoprothese eingesetzt werden soll. - Sowohl in den Oberschenkelknochen
4 als auch in den Beckenknochen3 werden zur Vorbereitung der Operation Markierungselemente5 bzw.6 eingesetzt, es handelt sich dabei um an sich bekannte sogenannte Marker, die beispielsweise mit einer Knochenschraube eingeschraubt werden und die mehrere Reflektoren oder Strahlungssender7 tragen. - An einer Konsole
8 sind im Abstand zueinander drei Empfangseinrichtung9 ,10 ,11 angeordnet, die die Strahlung empfangen, die von den Strahlungsreflektoren ausgesandt werden. Beim Empfang von Strahlung erzeugen die Empfangseinrichtungen elektrische Signale, die einer Datenverarbeitungsanlage12 zugeführt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Orientierung von Markierungselementen und Empfangseinrichtung ergeben sich Laufzeitunterschiede zwischen Aussenden und Empfangen der Strahlung, und aufgrund dieser Laufzeitunterschiede kann die Datenverarbeitungsanlage12 bei jedem Markierungselement dessen Lage im Raum vollständig bestimmen und diese Lagedaten speichern. Es ist dadurch möglich, in der Datenverarbeitungsanlage Datensätze zu erzeugen, die der Lage der Markierungselemente und damit der fest mit ihnen verbundenen Knochen zu bestimmten Zeiten entsprechen. - Es können auch Sende- und Empfangseinrichtungen verwendet werden, die in anderer Weise die relative Lage der Markierungselemente zu den Empfangseinrichtungen bestimmen, wesentlich ist lediglich, daß es aufgrund der Ver wendung von mehreren Empfangseinrichtungen und mehreren Sendern oder Reflexionsflächen an den Markierungselementen möglich ist, die Lage jedes Markierungselementes im Raum eindeutig zu bestimmen.
- Im Bereich des Patienten
2 befindet sich ferner eine in1 nur schematisch dargestellte bildgebende Einrichtung13 , beispielsweise ein Computertomograph, durch den der Bereich des Beckenknochens3 , in den die Hüftgelenk-Endogelenkprothese eingesetzt werden soll, schichtweise aufgenommen werden kann, die entsprechenden Daten werden über eine Leitung14 ebenfalls der Datenverarbeitungsanlage12 zugeführt. Die auf diese Weise aufgenommenen Daten geben beispielsweise ein dreidimensionales Bild der Knochendichte in der Umgebung des Acetabulums15 des Beckenknochens3 wieder. Die der Datenverarbeitungsanlage12 übermittelten dreidimensionalen Datensätze der Knochendichte können in geeigneter Weise auf einem Monitor16 zur Anzeige gebracht werden, dabei können diese Daten in unterschiedlicher Weise modifiziert werden, wie weiter unten ausführlich erläutert wird. - In den
2 und3 ist schematisch dargestellt, wie das etwa halbkugelförmige Acetabulum15 im Beckenknochen3 orientiert ist. Diese Orientierung ist von Patient zu Patient verschieden, und es ist wesentlich, vor der Operation die genaue Orientierung kennenzulernen, um dementsprechend Größe und Lage der einzusetzenden Hüftgelenks-Endoprothese zu bestimmen. Es ist üblich, die Lage des Acetabulums15 durch die Lage der Acetabulum-Randebene17 zu beschreiben, genauer durch den Normalenvektor18 auf dieser Acetabulum-Randebene, die durch den umlaufenden Rand des Acetabulums15 aufgespannt wird. Grundsätzlich könnte man diese Ebene nach Eröffnung durch Abtasten dieses Randes feststellen, bei krankhaft veränderten Hüftgelenken ist dies jedoch nicht möglich, da durch Kalkablagerungen dieser Rand deformiert und überwuchert ist. - Um die Lage der Acetabulum-Randebene
17 relativ zum Beckenknochen3 zu beschreiben, ist es üblich, die Orientierung des Normalenvektors18 durch zwei Winkel zu charakterisieren, nämlich einen Inklinationswinkel und einen Anteversionswinkel. Der Inklinationswinkel ist der Winkel, den der Normalenvektor nach Projektion auf eine Frontalebene mit der Senkrechten einnimmt, der Anteversionswinkel der Winkel, den der Normalenvektor nach Projektion auf die Sagittalebene mit der Senkrechten einschließt. Die Frontalebene ist dabei die quer durch den Patienten gelegte Ebene, die Sagittalebene die von vorn nach hinten (von ventral nach dorsal) mittig durch den Patienten gelegte Ebene. - Üblicherweise wird eine sogenannte Beckeneingangsebene durch Tasten am Patienten bestimmt, die parallel zu der Frontalebene verläuft, dies ist in den
4 und5 schematisch dargestellt. Durch Palpation kann man die Punkte des Beckenknochens bestimmen, die in ventraler Richtung am meisten vorstehen, diese Punkte sind in den4 und5 mit den Buchstaben A und B gekennzeichnet. Sie spannen die Beckeneingangsebene auf, die im wesentlichen parallel zur Frontalebene verläuft. Es ist nur sehr schwierig, diese Punkte A und B in der Praxis aufzufinden, und daher ist die Bestimmung der Beckeneingangsebene mit dieser Methode sehr ungenau. - Mit dem vorliegend beschriebenen Verfahren soll hier Abhilfe geschaffen werden.
- Zu diesem Zweck wird ein anatomischer Effekt ausgenutzt, der sich bei allen Patienten in ähnlicher Weise einstellt. Durch die Belastung des Beckenknochens
3 in der Umgebung des Acetabulums15 bildet sich oberhalb des Acetabulums15 eine schalenförmige Verdichtung des Knochengewebes aus, diese schalenförmige Verdichtung wird nachstehend als subchondrale Sklerosezone19 bezeichnet. In diesem Bereich ist das Knochenmaterial gegenüber der Umgebung stark verdichtet, und diese Verdichtung ist direkt proportional der Verteilung der Druckkräfte im Bereich oberhalb des Acetabulums. In Bereichen hoher Druckbeanspruchung ist die Dicke dieser subchondralen Sklerosezone groß, im Bereich geringerer Druckbeanspruchung entsprechend geringer. Man kann also aus der Dicke der subchondralen Sklerosezone auf die Druckbelastungen im Bereich oberhalb des Acetabulums15 schließen, und diese Dicke der subchondralen Sklerosezone ist bei normalem Acetabulum gleich ausgebildet wie bei krankhaft verändertem Acetabulum, eine fortschreitende Coxarthrose beispielsweise ändert die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone nicht. Die subchondrale Sklerosezone zeigt also, wie die Druckverhältnisse oberhalb des Acetabulums15 bei gesundem Patienten gewesen sind. - Um die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone
19 bestimmen zu können, wird unter Verwendung der bildgebenden Einrichtung13 der Beckenknochen im Bereich des Acetabulums aufgenommen, beispielsweise mit einem herkömmlichen Röntgen-Computertomographieverfahren, und damit erhält man eine Auskunft über die Dichte des Knochenmaterials in diesem Bereich, und zwar in dreidimensionaler Form. Diese Daten werden an die Lage des Beckenknochens3 , die über das Markierungselement5 bekannt ist, so ange paßt, daß die Knochendichte an jeder Stelle des Beckenknochens bekannt ist. Dabei genügt es, einen Bereich zu erfassen, der mit Sicherheit die gesamte subchondrale Sklerosezone erfaßt, in9 ist dieser Bereich in Form eines Würfels20 dargestellt. - Um die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone
19 analysieren und dann bei der Bestimmung von geometrischen Daten des Beckenknochens3 verwenden zu können, wird in einem nächsten Schritt eine Kugel21 bestimmt, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Acetabulums15 zusammenfällt. Um diesen Mittelpunkt zu bestimmen, können an sich bekannte Verfahren verwendet werden, beispielsweise eine navigierte Bewegung des Oberschenkelknochens4 . Die Bewegungsbahn des am Oberschenkelknochen4 festgelegten Markierungselementes6 wird von der Empfangseinrichtung9 ,10 ,11 erfaßt und die entsprechenden Daten werden der Datenverarbeitungsanlage12 übermittelt, die daraus den Mittelpunkt berechnen kann. Der Oberschenkelknochen4 bewegt sich bei dieser Verschwenkung um den Mittelpunkt des Acetabulums15 , d. h. der Bewegungsmittelpunkt fällt mit dem Mittelpunkt des Acetabulums15 zusammen, so daß dieser Mittelpunkt aus den Bahnkurven ohne weiteres bestimmt werden kann. - Der Radius der Kugel
21 wird so gewählt, daß die Oberfläche der Kugel durch die subchondrale Sklerosezone19 hindurchgeht. - In einem nächsten – rechnerischen – Schritt ordnet die Datenverarbeitungsanlage
12 jedem Punkt auf der Oberfläche der Kugel21 einen Wert zu, der der Dicke der subchondralen Sklerosezone19 in der Richtung entspricht, die durch den Mittelpunkt des Acetabulums15 einerseits und durch diesen Punkt auf der Kugeloberfläche bestimmt wird. Mit anderen Worten wird die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone19 auf die Kugeloberfläche projiziert. Wenn man diese unterschiedlichen Ausdehnungswerte mit unterschiedlichen Graustufen korreliert, ergeben sich also auf der Kugeloberfläche Bereiche mit unterschiedlicher Schwärzung, wobei der Grad der Schwärzung der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone19 in dieser Richtung entspricht. Ein Ausschnitt der Kugeloberfläche, an dem dies erkennbar wird, ist in11 dargestellt. - Zur weiteren rechnerischen Verarbeitung ist es vorteilhaft, die Kugeloberfläche durch mathematische Verfahren in eine zweidimensionale, ebene Fläche zu entfalten, wie dies auch bei der Darstellung von Landkarten üblich ist, dieser Vorgang ist in
12 schematisch dargestellt. Man erhält auf diese Weise eine Kugelabwicklung mit einem umgrenzten Bereich22 , der der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone19 auf der Kugeloberfläche22 entspricht, wobei dieser Bereich22 entsprechend der Dicke der subchondralen Sklerosezone19 unterschiedliche Grauwerte aufweist. - Die unterschiedlichen Grauwerte kann man in einer alternativen Darstellung auch als unterschiedliche Massenbelegung in diesem Bereich
22 auffassen, in14 sind die einzelnen Bereiche als Massenbelegung gedeutet, d. h. wenn die Dicke der subchondralen Sklerosezone19 groß ist, ergeben sich an einer Stelle des Bereiches22 hohe Massen, geringe Massen zeigen, daß die subchondrale Sklerosezone19 in diesem Teil weniger dick ist. - Diese Abwicklung enthält also Informationen über die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone
19 , und diese Daten können in weiteren Schritten verwendet werden, um markante Punkte des Beckenknochens3 zu bestimmen. - Ein erster solcher Punkt wird dadurch erhalten, daß man den Schwerpunkt
23 des Bereiches22 bestimmt. Dies ist besonders anschaulich, wenn man die Knochendichten oder Grauwerte in der beschriebenen Form als Massenbelegung interpretiert. - Einen weiteren markanten Punkt kann man dadurch erhalten, daß man am Rand
24 des Bereiches22 den Punkt25 der größten Dicke der subchondralen Skleroseschicht aufsucht. Dieser Rand24 entspricht dem Rand des Acetabulums15 , bis zu dem sich also maximal die subchondrale Sklerosezone19 erstrecken kann. - Auf diese Weise hat man drei markante Punkte bestimmt, die für die Ausbildung des Beckenknochens
3 charakteristisch sind, nämlich den Schwerpunkt23 des Bereiches22 , den Punkt25 größter Dicke am Rand24 des Bereiches22 und den Mittelpunkt26 des Acetabulums15 . Durch diese drei Punkte wird eine Ebene definiert, und diese Ebene wird als Belastungsebene27 bezeichnet. Sowohl der Schwerpunkt23 als auch der Punkt25 der größten Dicke haben für den Aufbau des Beckenknochens3 eine bestimmte Bedeutung. Im Bereich des Acetabulums15 wirkt eine resultierende Kraft auf das Acetabulum15 , die sich zusammensetzt aus der Gewichtskraft einerseits und den Muskelkräften andererseits. In6 ist die Gewichtskraft durch den Vektor28 gekenn zeichnet, die Muskelkraft durch den Vektor29 und die resultierende Kraft durch den Vektor30 . Die resultierende Kraft geht dabei vom Schwerpunkt der Person durch den Mittelpunkt25 des Acetabulums15 . Da sich der in diesem Bereich ausbildende Druck gleichmäßig auf die zur Verfügung stehende Fläche verteilen muß, ergibt es sich nunmehr, daß der Schwerpunkt23 der subchondralen Sklerosezone19 mit dem Eintrittspunkt der resultierenden Kraft, also des Vektors30 , in das Acetabulum zusammenfällt, und dieser Punkt liegt in einer Ebene, die parallel zur Frontalebene verläuft und durch den Mittelpunkt26 des Acetabulums15 hindurchgeht. - Aufgrund der Form des Acetabulums kann weiterhin davon ausgegangen werden, daß der Punkt der maximalen Belastung am Pfannenrand und damit der Punkt der größten Dicke der subchondralen Sklerosezone
19 , also der Punkt25 , ebenfalls in dieser Ebene liegt, so daß sich daraus ergibt, daß die Belastungsebene27 parallel zur Frontalebene des Patienten verläuft und damit auch parallel zu der hypothetischen und schwer zu lokalisierenden Beckeneingangsebene (4 und5 ). Man hat also auf diese Weise eine beckenknocheneigene Bezugsebene bestimmt, die parallel zur Frontalebene verläuft und die für jeden Patienten aus den genannten Meßdaten bestimmt werden kann, nämlich der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone19 einerseits und der Lage des Mittelpunktes26 des Acetabulums15 andererseits. - Aus der Lage des Mittelpunktes
26 des Acetabulums15 an beiden Seiten des Beckenknochens kann außerdem die Lage der Verbindungslinie zwischen den beiden Mittelpunkten26 der Acetabulen15 bestimmt werden, diese liegt in der Belastungsebene27 und bestimmt in dieser Belastungsebene27 eine Vorzugs richtung, nämlich die Vorzugsrichtung quer zur Längsrichtung des Patienten. Aus dem Normalenvektor31 auf der Belastungsebene27 , der Verbindungslinie32 zwischen den Mittelpunkten26 der beiden Acetabulen15 und einem senkrecht auf beiden stehenden Vektor33 , der der Längsrichtung des Patienten entspricht, läßt sich damit ein beckenknocheneigenes Koordinatensystem aufspannen, in dem alle geometrischen Daten des Beckenknochens beschrieben werden können. Dieses Koordinatensystem ist für jeden Patienten in der beschriebenen Weise bestimmbar, ohne daß ein Zugang zum Operationsgebiet geschaffen werden muß, und bei dieser Bestimmung spielt es auch keine Rolle, ob der Rand des Acetabulums15 krankhaft verändert ist, also beispielsweise von Osteophyten überwuchert ist. - Aus der Lage des Randes
24 des Bereichs22 kann darüber hinaus die Lage des Randes des Acetabulums15 in diesem Koordinatensystem bestimmt werden, diese Lage ist unabhängig von der tatsächlichen Form des Randes, die dieser eventuell aufgrund von krankhaften Veränderungen einnimmt, da der Rand24 des Bereichs22 allein aus der Ausdehnung und Lage der subchondralen Sklerosezone19 gewonnen worden ist. Aus der Lagebestimmung des Randes läßt sich die Acetabulum-Randebene17 bestimmen und daraus der entsprechende Normalenvektor18 , dessen Lage relativ zum Beckenknochen3 in dem beckenknocheneigenen Koordinatensystem angegeben wird. Insbesondere läßt sich dabei ein Inklinationswinkel und ein Anteversionswinkel angeben, diese Winkel werden in entsprechender Anwendung relativ zur Belastungsebene27 bzw. der senkrecht dazu stehenden Sagittalebene bestimmt. - Damit stehen dem Operateur diese außerordentlich wichtigen geometrischen Daten für die weitere Verwendung im Operationsablauf zur Verfügung. Weitere Daten, die der Operateur verwenden kann, sind die Belastungsachse des Oberschenkels, die in an sich bekannter Weise aus einer Verbindung des Mittelpunkts
26 des Acetabulums15 einerseits und eines Kniegelenkpunktes gewonnen wird, außerdem kann durch bildgebende Verfahren und aus dem Winkel des Schenkelhalses gegenüber dem übrigen Oberschenkelknochen auch die Antitorsion bestimmt werden, die nachfolgenden Bearbeitungsschritte können an diesen geometrischen Daten ausgerichtet werden. - Alle beschriebenen Parameter können als Implantationshilfe während der Implantation der Prothese am Monitor
16 angezeigt werden. - Die Berechnung des Schwerpunktes
23 und des Punktes25 größter Belastung ist hier anhand eines Verfahrens beschrieben worden, bei dem die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone19 auf eine Kugeloberfläche projiziert worden ist, die nach Abwicklung in die Ebene weiterbearbeitet wird. Selbstverständlich können hier auch andere mathematische Verfahren benutzt werden, um aus der Aufnahme der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone19 den Schwerpunkt dieses verdichteten Bereiches zu bestimmen und auch den Punkt größter Belastung und damit größter Dicke dieser Schicht am Rand.
Claims (8)
- Vorrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an einem Beckenknochen mit einer Navigationseinrichtung für den Beckenknochen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung (
13 ) zur Ausmessung der räumlichen Ausdehnung einer oberhalb des Acetabulums (15 ) angeordneten subchondralen Sklerosezone (19 ) aufweist sowie eine Datenverarbeitungsanlage (12 ), die aus den Ausdehnungsdaten der subchondralen Sklerosezone (19 ) im Beckenknochen (3 ) den Schwerpunkt (23 ) dieser subchondralen Sklerosezone (19 ) und im Randbereich (24 ) der subchondralen Sklerosezone (19 ) den Punkt (25 ) der größten Dicke bestimmt und aus diesen Punkten und der Lage des Mittelpunkts (26 ) des Acetabulums (15 ) eine Belastungsebene (27 ) berechnet und diese als Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens (3 ) verwendet. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsanlage zusätzlich die Verbindungslinie der Mittelpunkte (
26 ) beider Acetabulen (15 ) des Beckenknochens (3 ) bestimmt und diese Verbindungslinie zusammen mit der Belastungsebene (27 ) zur Lagebe schreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens (3 ) verwendet. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsanlage (
12 ) die Verbindungslinie (32 ) der beiden Acetabulen (15 ), den Normalenvektor (31 ) auf der Belastungsebene (27 ) und einen senkrecht auf diesen beiden stehenden Vektor (33 ) als Achsen eines beckenknocheneigenen Koordinatensystems verwendet. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsanlage (
12 ) aus dem Verlauf des Randes (24 ) der subchondralen Sklerosezone (19 ) eine Acetabulum-Randebene (17 ) bestimmt und aus dem Normalenvektor (18 ) dieser Acetabulum-Randebene (17 ) durch Projektion derselben auf die Belastungsebene (27 ) den Inklinationswinkel. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsanlage (
12 ) aus dem Verlauf des Randes (24 ) der subchondralen Sklerosezone (19 ) eine Acetabulum-Randebene (17 ) bestimmt und aus dem Normalenvektor (18 ) dieser Acetabulum-Randebene (17 ) durch Projektion desselben auf eine senkrecht auf der Belastungsebene (27 ) und senkrecht auf der Verbindungslinie (32 ) der Mittelpunkte (26 ) der beiden Acetabulen (15 ) stehende Ebene den Anteversionswinkel. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (
13 ) zur Ausmessung der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone (19 ) eine bildgebende Einrichtung ist, welche die Knochendichte in der Umgebung des Acetabulums (15 ) des Beckenknochens (3 ) anzeigt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsanlage (
12 ) aus den Messdaten zur Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone (19 ) die Dicke des subchondralen Sklerosezone (19 ) in verschiedenen radialen Richtungen vom Mittelpunkt (26 ) des Acetabulums (15 ) aus gesehen bestimmt und diese Werte auf eine Kugelfläche (21 ) projiziert, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt (26 ) des Acetabulums (15 ) ist und deren Oberfläche die subchondrale Sklerosezone (19 ) schneidet. - Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsanlage die Kugeloberfläche zu einer zweidimensionalen ebenen Fläche auffaltet und an dieser Fläche den Schwerpunkt (
23 ) der auf diese Fläche projizierten Dickenwerte und die Lage des Randpunktes (25 ) größter Dicke bestimmt.
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DE20304153U1 (de) | 2003-05-22 |
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