DE10314882A1

DE10314882A1 - Verfahren zum Biegen eines chirurgischen Instrumentariums, insbesondere eines Stabes

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Publication number: DE10314882A1
Application number: DE10314882A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-14

Abstract

Bei einem Verfahren zum Biegen eines chirurgischen Instrumentariums, insbesondere eines Stabes (1) für die operative Behandlung von Skoliose, soll für das Instrumentarium (1) mittels eines Navigationssystems eine Raumkurve (2) oder Sollkurve ermittelt, die Raumkurve (2) in Teilkurven (5.1, 5.2) zerlegt und das Biegen anhand der Teilkurven (5.1, 5.2) erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Biegen eines chirurgischen Instrumentariums, insbesondere eines Stabes, für die operative Behandlung von Skoliose sowie eine Vorrichtung hierfür.
STAND DER TECHNIK
Ein derartiges Verfahren wird vor allem im Bereich der Skoliosestabilisierung in der Wirbelsäulenchirurgie angewandt. Bei der Skoliose handelt es sich um eine Wachstumsdeformität der Wirbelsäule mit fester Seitausbiegung der Wirbelsäule und Drehung der Wirbelsäule um die Achse des Wirbelsäulenverlaufes. Eine Operation verfolgt das Ziel, eine Verschlechterung der Seitverbiegung zu verhindern, die Verformung zu vermindern und im günstigsten Fall den weitgehend normalen Kurvenverlauf der Wirbelsäule wiederherzustellen. Dabei wird die Wirbelsäule insgesamt stabilisiert, d.h. über bestimmte Wirbelkörperetagen versteift.
Während der Operation wird hierzu von hinten die Wirbelsäule durch einen Hautschnitt in der Mittellinie dargelegt. Anschliessend werden die einzelnen Wirbelbogengelenke entknorpelt, dann wird das Instrumentarium eingelegt, meist in Form zweier Stäbe, welche diesseits und jenseits der hinteren Wirbelkörperdornfortsätze positioniert werden. Verspannt werden diese Stäbe mittels Haken und Schrauben. Zum Schluss wird durch Einlegen von Knochenspänen, gewonnen aus dem Beckenkamm oder aus der Knochenbank, erreicht, dass die geplante Verknöcherung des jeweiligen Wirbelsäulenabschnitts noch sicherer vonstatten geht.
Der bzw. die Stäbe werden vor dem Einsetzen manuell gebogen. Die Krafteinleitung erfolgt bei der Stabbiegung im allgemeinen punktuell. Der Zusammenhang zwischen Einleitungsstelle, Kraftgrösse und plastischer Verformung ist dabei schwierig herzustellen. Vor allem bei elastischem Material kommt es zu Rückfederungen.
Ferner muss die praktisch erreichte Biegekurve eine Raumkurve an den Navigationsstellen hinsichtlich Stützpunktgenauigkeit und Gradientengenauigkeit sehr genau annähern, da sonst beim Einbau in die Wirbelsäule kein spannungsfreier Zustand vorliegt. Die Konsequenz daraus sind Kräfte auf die Wirbelsäule, welche diese möglicherweise verformen. Der Versuch der Fehlerkorrektur kann sich hierbei problematisch auswirken. Beispielsweise erzeugt ein Gradientenfehler einen Stützpunktfehler und umgekehrt.
Weiterhin kann das Biegen bspw. maschinell mittels CNC-Biegemaschinen erfolgen. Diese bieten jedoch nicht die Möglichkeit der Erstellung von Freiformkurven. Ein weiterer Nachteil ist der Preis solcher Maschinen, die Bedienungsproblematik und die daraus entstehenden Konflikte im OP-Umfeld, denn dort muss die Korrektur erfolgen. Weiterhin ist die Vorherbestimmung der erforderlichen Vorgabedaten für den Biegeprozess vorab nur grob möglich.
Das manuelle Biegen auf der anderen Seite ist dagegen kostenfrei und umfeldunabhängig. Nachteilig ist jedoch die momentane Krafteinleitung. Weiterhin sind nur ebene Biegelinien realisierbar. Freiformkurven mit zumindest hinreichender Genauigkeit sind praktisch nicht möglich.
AUFGABE
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Biegen eines Stabes zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile beseitigt und einfach, manuell, mit wenigen Hilfsmitteln und unter OP-Bedingungen vollzogen werden kann. Der Stab soll dabei so gebogen werden, dass er einer Sollkurve möglichst genau folgt, wobei die Eigenschaften der Sollkurve, sprich der Biegelinie, bereits in der Planungsphase erkennbar sein sollen. Ferner soll das Biegeergebnis auch während dem Biegen überprüfbar sein.
LÖSUNG
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass für das Instrumentarium mittels eines Navigationssystems eine Raumkurve oder Sollkurve ermittelt, die Raumkurve i Teilkurven zerlegt und das Biegen anhand von den Teilkurven erfolgt.
Die Sollkurve oder auch Raumkurve ist durch eine Sequenz von Stützpunkten definiert, wobei jedem Stützpunkt ein Richtungsvektor zugeordnet ist und jeder Stützpunkt durch eine Ortsvektor in einem raumfesten Weltkoordinatensystem beschrieben werden kann. Die Angabe der Richtungsvektoren beziehen sich ebenfalls auf dieses raumfeste Koordinatensystem.
Diese Vektorkoordinaten werden als bekannt vorausgesetzt, sind also durch eine gebräuchliches Navigationssystem, welches auch in einem OP vorhanden ist, ermittelt. Das Paar „Ortsvektor + Richtungsvektor" wird im Folgenden auch als Navigationsstelle bezeichnet.
Diese Navigationsstellen werden durch eine Raumkurve in der Weise verbunden, die in der Realität für den genannten Stab steht.
Hierzu wird die Raumkurve in einzelne, stückweise definierte Abschnitte oder Teilkurven zerlegt, welche jede für sich in einer Ebene liegt. Dabei reichen zwei Teilebenen, denn genau zwei Ebenen werden durch zwei Navigationsstellen und einen wählbaren Richtungsvektor auf einer möglichen, ebenfalls frei wählbaren Verbindungsgeraden definiert. D.h. die Biegelinie zwischen zwei Navigationsstellen setzt sich zusammen aus zwei ebenen Teilstücken, wobei die einzelnen Ebenen um einen bestimmten Winkel gegeneinander verdreht sind.
So entstehen demnach zwei einzelne Teilkurven, welche die Ausgangslage, die Solllage und die Länge des zu biegenden Stabes bestimmen.
An den Enden der einzelnen Teilkurven, d.h. an den Stützstellen, sind nichtgekrümmte Tangentialstücke vorgesehen, welche ein festes Ende der Teilkurven bilden und auch den Angriffspunkt für das Einklemmen des späteren Stabes in einer Klemmzwinge eines Biegetischen bieten, so dass der Stab festgehalten werden kann.
Der Vorgang des Biegens verläuft so, dass die erstellte Raumkurve bzw. ihre Teilkurven als Biegevorlagen für den zu biegenden Stab herangezogen werden. Hierzu werden die Biegevorlagen unter eine transparente Deckplatte eines Biegetisches gelegt. Der Stab wird darauf gelegt und anhand der Biegevorlage auf ein Gesamtmass abgelängt. Anschliessend wird der erste Abschnitt des Stabes mittels der Tangentialstücke in eine Klemmzwinge an dem Biegetisch eingeklemmt und so festgehalten. Weitere Abschnittsstellen werden auf dem Stab markiert. Anschliessend wird der erste Abschnitt des Stabes mit der ersten Teilkurve in Deckung gebracht. Der Stab kann nun entnommen werden und die zweite Biegevorlage mit der zweiten Teilkurve kann auf die Deckplatte gelegt werden. Der zweite Abschnitt des Stabes kann eingeklemmt werden, wobei weiterhin eine Schwenkplatte des Biegetisches um den oben genannten Winkel gedreht wird, welcher bereits zuvor berechnet wurde. Es erfolgt das in Deckung bringen des zweiten Abschnittes mit der zweiten Biegevorlage.
Weiter Abschnitte werden entsprechend dem oben genannten gebogen.
Die Wahl der Verbindungsgerade und der Stützstellen beeinflusst signifikant den Raumkurvenverlauf hinsichtlich der Kriterien Krümmungsradius und Bauchigkeit. Der Krümmungsradius wiederum ist ein Kriterium hinsichtlich Kraftaufwand, Biegevorgang und Stabilität. Die Bauchigkeit wiederum ist ein Kriterium hinsichtlich dem Anschmiegen des Stabes an gegebene geometrische Verhältnisse.
Das Verfahren ermöglicht auf der Basis der Stützstellenkoordinaten die Definition einer eindeutigen Raumkurve, welche aus jeweils zwei Teilkurven besteht, die jede für sich in einer Ebene verlaufen.
Weiterhin kann durch das vorliegende Verfahren der Stab auf einfache, manuelle Weise und unter OP-Bedingungen gefertigt werden. Die Formtreue des Stabes ist während des Biegevorganges jederzeit überprüfbar und Korrekturen sind sofort und einfach möglich. Auch die Verwendung von elastischen Materialien ist möglich, gegebenenfalls werden die elastischen Rückstellkräfte zuvor berechnet.
Denkbar ist ferner eine Integration der Raumkurvendefinition in die Patientenvermessung mit einem Navigationssystem, was einen sinnvollen durchgängigen und abgeschlossenen präoperativen Planungsschritt ergibt.
FIGURENBESCHREIBUNG
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in den
1a bis 1c perspektivische Ansichten der Erstellung einer Raumkurve zur Biegung eines Stabes gemäss der vorliegenden Erfindung für die operative Behandlung von Skoliose;
2a bis 2c perspektivische Ansichten der Entstehung einer Raumkurve mit zwei Ebenen und zwei Teilkurven zwischen zwei Navigationsstellen; und
3a bis 3f perspektivische Ansichten eines erfindungsgemässen Biegevorganges eines Stabes.
Gemäss der Erfindung soll ein Stab 1 (3b) so gebogen werden, dass er einem vorgegebenem räumlichen Bahnverlauf, d.h. einer Sollkurve oder einer Raumkurve 2 (1c) möglichst genau folgt. Die Sollkurve bzw. die Raumkurve 2 ist dabei durch eine Sequenz von Stützpunkten 3 (1a) definiert, wobei jedem Stützpunkt 3 ein Richtungsvektor V₁ zugeordnet ist und im Weltkoordinatensystem durch einen Ortsvektor V₂ beschrieben werden kann. Auch die Angaben der Richtungsvektoren V₁ beziehen sich auf dieses raumfeste Koordinatensystem. Die Vektoren V₁ und V₂ werde als bekannt vorausgesetzt, sind also beispielsweise durch eine bekanntes Navigationssystem ermittelt, welches den Körper eines Patienten, insbesondere den Verlauf der Wirbelsäule vermisst. Hierzu liegt der Patient in seiner natürlichen Lage und der Wirbelsäulenverlauf wird mit Markierungen versehen.
Das Paar „Richtungsvektor V₁ + Ortsvektor V₂" wird im Folgenden als Navigationsstelle N bezeichnet. Mehrere Navigationsstellen N werden durch eine Raumkurve 2 (1c) in der Weise verbunden, die in der Realität für den Stab 1 steht.
Dabei soll die Raumkurve 2 durch jeden Stützpunkt 3 gehen und in jedem Stützpunkt 3 tangential zum dortigen Richtungsvektor V₁ verlaufen. Die Stützpunktefolge kann als monoton wachsend, d.h. mit einem gestreckten Verlauf und keinen „rückspringenden" Kurventeilen oder Schleifen, angenommen werden. Die Raumkurve 2 soll ferner keine Knickstellen und möglichst geringe Krümmungen in Kurvenstücken zwischen den Stützpunkten 3 aufweisen sowie eine möglichst kurze Bogenlänge. An den Stützpunkten 3 soll der Verlauf der Raumkurve 2 auf einem kleinen Wegstück gerade sein. Dies wird bevorzugt durch Einfügen eines nichtgekrümmten Tangentialstückes 4 (siehe 2d und 2e) erreicht und zwar in der durch den Richtungsvektor V₁ vorgegebenen Richtung an den Navigationsstellen N.
Als Konsequenz des oben Gesagten soll die Raumkurve 2 durch abschnittsweise ebene Kurvensegmente 5 gebildet werden, wobei die Kurvensegmente 5 Teilebenen 6 definieren.
Gemäss den 2a bis 2c sind zwei Teilebenen 6.1 und 6.2 ausreichend, welche durch die beiden Navigationsstellen N und N+1 und den wählbaren Richtungsvektor V, auf einer möglichen, ebenfalls frei wählbaren Verbindungsgeraden 7 definiert werden. Sie erstrecken sich orthogonal zu Geraden n und n+1, welche jeweils durch die Navigationsstellen N und N+1 verlaufen. Aus den beiden Teilebenen 6.1 und 6.2 ergeben sich zwei Teilkurven 5.1 und 5.2 bzw. zwei Übergangskurven zwischen den zwei Navigationsstellen N und N+1, wobei die Teilebenen 6.1 und 6.2 und damit die Teilkurven 5.1 und 5.2 um einen Winkel φ gegeneinander verdreht werden.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
Für jede Teilkurve 5.1 und 5.2 erfolgt eine iterative Berechnung des Ebenenwinkels φ und eine Bestimmung der Bogenlänge. Danach werden die Daten der ersten Teilkurve 5.1 und der zweiten Teilkurve 5.2, nämlich Länge, Kreisbogen, gegebenenfalls mit Zwischengeraden (Länge) und der Ebenenwinkel zur nächsten Teilkurve abgelegt.
Zum Biegen erfolgt ein Plotten einer Biegevorlage unter Berücksichtigung der Tangentialstücke 4 (Herausheben der Abschnittsgrenzen).
Gemäss den 3a und 3b werden die beiden geplotteten einzelnen Teilkurven 5.1 und 5.2, welche die Ausgangslage, die Länge und die Solllage jeweils eines Abschnittes 9.1 bzw. 9.2 des zu biegenden Stabes 1 darstellen, auf der jeweiligen Teilebene 6.1 und 6.2 gezeigt. An ihren jeweiligen Enden, d.h. an den Stützpunkten, weisen die Teilkurven 5.1 und 5.2 die nicht gekrümmten Tangentialstücke 4 auf. Diese bilden ein festes Ende der Teilkurven 5.1 und 5.2 und dienen als Halt, wenn der zu biegende Stab 1 an diesen Enden fixiert werden soll.
In 3a ist die Biegevorlage 8.1 für dien zu biegende Teilkurven 5.1 gezeigt. Diese Biegevorlage 8.1 wird, wie in 3c gezeigt, zum Biegen des ersten Abschnittes 9.1 des Stabes 1 unter eine transparente Deckplatte 10 eines Biegetisches 11 gelegt.
Dem Biegetisch 11 sind desweiteren ein Schwenkrahmen 12 und eine Klemmzwinge 13 zugeordnet. Die Klemmzwinge 13 dient dem Einspannen der Tangentialstücke 4, so dass der Stab 1 während dem Biegen festgehalten wird.
Der Schwenkrahmen 12 weist ferner eine Querstrebe 14 als Abstützung auf, welche verschiebbar angeordnet ist.
Wie bereits oben erwähnt, wird die Biegevorlage 8.1 für den zu biegenden Stab 1 unter die transparente Deckplatte 10 des Biegetisches gelegt. Der Stab 1 wird darauf gelegt und auf ein erforderliches Gesamtmass abgelängt. Anschliessend wird der Stab 1 am Anfang des ersten Abschnitts 9.1 ergriffen und in die Klemmzwinge 13 eingespannt. Weiterhin werden alle Abschnittsstellen auf dem Stab 1 markiert.
Anschliessend wird, wie in 3c gezeigt, der erste Abschnitt 9.1 des Stabes 1 entsprechend der Biegevorlage 8.1 gebogen, d.h. mit der Teilkurve 5.1 der Raumkurve 2 in Deckung gebracht.
Nun wird, gemäss den 3d bis 3f, eine weitere Biegevorlage 8.2 für den zweiten Abschnitt 9.2 des Stabes 1 unter die Deckplatte 10 des Biegetisches 11 gelegt. Der Stab 1 wird am Anfang des nächsten Abschnittes 9.2 mittels der Klemmzwinge 13 eingespannt.
Anschliessend wird der Schwenkrahmen 12 um den Winkel φ verdreht und der bereits gebogene Abschnitt 9.1 des Stabes 1 wird gegebenenfalls durch die Querstrebe 14 fixiert. Der zweite Abschnitt 9.2 des Stabes 1 wird nun entsprechend der Biegevorlage 8.2 gebogen, d.h. mit der Teilkurve 5.2 der Raumkurve 2 in Deckung gebracht.
Weiter Abschnitte werden entsprechende dem oben Beschriebenen gebogen, bis der Stab 1 die gewünschte Form aufweist. Positionszahlenliste

Claims

Verfahren zum Biegen eines chirurgischen Instrumentariums, insbesondere eines Stabes (1) für die operative Behandlung von Skoliose, dadurch gekennzeichnet, dass für das Instrumentarium (1) mittels eines Navigationssystems eine Raumkurve (2) oder Sollkurve ermittelt, die Raumkurve (2) in Teilkurven (5.1, 5.2) zerlegt und das Biegen anhand der Teilkurven (5.1, 5.2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumkurve (2) wird durch Navigationsstellen (N) definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Navigationsstelle (N) durch einen Richtungsvektor (V₁) und einen Ortvektor (V₂) definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumkurve (2) in jeder Navigationsstelle (N) tangential zum dortigen Richtungsvektor (V,) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumkurve (2) an den Navigationsstellen (N) gerade verläuft.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Navigationsstellen (N) mit nicht gekrümmten Tangentialstücken (4) versehen werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumkurve (2) aus ebenen Teilkurven (5.1, 5.2) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Teilkurven (5.1, 5.2) Teilebenen (6.1, 6.2) definiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilebenen (6.1, 6.2) durch die Navigationsstellen (N, N+1) und den Richtungsvektor (V₁) auf einer Verbindungsgeraden (7) definiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilebenen (6.1, 6.2) orthogonal zu Geraden (n, n+1) erstrecken, welche durch die Navigationsstellen (N, N+1) verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich aus den Teilebenen (6.1, 6.2) die Teilkurven (5.1, 5.2) zwischen zwei Navigationsstellen (N, N+1) ergeben.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilebenen (6.1, 6.2) und die Teilkurven (5.1, 5.2) um einen Winkel (φ) gegeneinander verdreht werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumkurve (2) als Biegevorlage (8.1, 8.2) für den zu biegenden Stab (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne Biegevorlage (8.1, 8.2) zum Biegen der Teilkurven (5.1, 5.2) des Stabes (1) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegevorlage (8.1, 8.2) unter eine transparente Deckplatte (10) eines Biegetisches (11) gelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (1) auf die Biegevorlage (8.1, 8.2) gelegt wird und auf erforderliches Gesamtmass abgelängt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Tangentialstück (4) eines ersten Abschnittes (9.1) in eine Klemmzwinge (13) des Biegetisches (11) eingeklemmt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (9.1) des Stabes (1) entsprechend der Biegevorlage (8.1) geborgen wird, d.h. mit der Teilkurve (5.1) der Raumkurve (2) in Deckung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (1) anschliessend entnommen wird und die zweite Biegevorlage (8.2) für den zweiten Abschnitt (9.2) auf die Deckplatte (10) gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (1) am Anfang eines zweiten Abschnittes (9.2) in die Klemmzwinge (13) eingeklemmt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwenkrahmen (12) des Biegetisches (11) um den Winkel (φ) verdreht wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der bereits gebogene Abschnitt (9.1) fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (9.2) des Stabes (1) entsprechend der Biegevorlage (8.2) geborgen wird, d.h. mit der Teilkurve (5.2) der Raumkurve (2) in Deckung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Abschnitte entsprechend gebogen werden.
Vorrichtung zum Biegen eines chirurgischen Instrumentariums, insbesondere eines Stabes (1) für die operative Behandlung von Skoliose, dadurch gekennzeichnet, dass für das Instrumentarium (1) mittels eines Navigationssystems eine Raumkurve (2) oder Sollkurve ermittelbar, die Raumkurve (2) in Teilkurven (5.1, 5.2) zerlegbar und das Biegen anhand der Teilkurven (5.1, 5.2) durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Biegen auf einem Biegetisch (11) durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass dem Biegetisch (11) eine transparente Deckplatte (10), ein Schwenkrahmen (12) und eine Klemmzwinge (13) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schwenkrahmen (12) eine Querstrebe (14) zugeordnet ist.