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Die
Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur Anzeige der Position und
Orientierung eines Werkzeuges zur Vorbereitung eines Femurs für ein mit
einer Gelenkkugel in das Acetabulum der Pelvis oder in eine in die
Pelvis eingesetzte Gelenkpfanne eingreifendes Femurimplantat oder
eines derartigen in einen Femur einzusetzenden Femurimplantates
relativ zum Femur und zum Mittelpunkt der Gelenkkugel mit einem
Navigationssystem mit dem Femur, der Pelvis sowie dem Werkzeug oder
dem Femurimplantat zugeordneten Markierelementen zur Lagebestimmung dieser
Teile und mit einer dem Navigationssystem zugeordneten Datenverarbeitungsanlage,
die eine Anzeige aktiviert.
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Bei
Hüftgelenkoperationen
ist es notwendig, ein Femurimplantat in den Femur einzusetzen, nachdem
der Kopf des Femurs entfernt worden ist. Das Femurimplantat ist
dem natürlichen
Knochenverlauf in der Regel angepaßt und weist einen in den Femur einführbaren
Schaft, einen schräg
davon abgehenden Schenkelhals und daran eine Gelenkkugel auf, die
in die Gelenkpfanne der Pelvis eingreift, entweder in die natürliche oder
in den meisten Fällen
in eine künstliche
Gelenkpfanne.
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Zum
Einsetzen des Femurimplantates in den Femur muß dieser vorbereitet werden,
und es ist üblich,
dies mit Hilfe raspelähnlicher
Werkzeuge zu bewerkstelligen, die den Markraum des Femurs so vorbereiten,
daß der
Schaft des Femurimplantates paßrichtig
in den Femur eingesetzt werden kann, d.h. so, daß das Implantat relativ zum
Femur die gewünschte Position
und Orientie rung einnimmt, so daß beim Eingreifen der Gelenkkugel
des Femurimplantates in das Acetabulum eine korrekte Positionierung
des Femurs erfolgt.
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Der
Operateur muß dabei
das raspelähnliche
Werkzeug oder beim Einsetzen des Femurimplantates dieses selbst
relativ zum Femur korrekt führen
bzw. plazieren, und dazu ist es bekannt, dem Operateur auf einem
Bildschirm anzuzeigen, welche Winkel das raspelähnliche Werkzeug oder das Femurimplantat
relativ zum Femur einnehmen. Damit ist die Operation zwar durchführbar, die
Anzeige von numerischen Winkelangaben ist aber nicht ohne weiteres
verständlich
und muß vom
Operateur erst in die notwendigen Manipulationen umgesetzt werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Anzeige der eingangs
beschriebenen Art so auszubilden, daß dem Operateur die Veränderung von
Position und Orientierung, also der Lage des den Femur vorbereitenden
Werkzeuges oder des Femurimplantates so deutlich dargestellt wird,
daß er
ohne weitere Überlegung
durch Änderung
der Lage die gewünschte
Position erreichen und an einer Anzeige auch ablesen kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit einem Navigationssystem, mit diesem zugeordneten
Markierelementen für
den Femur, für
die Pelvis sowie für
das Werkzeug oder das Femurimplantat, weiterhin durch eine Datenverarbeitungsanlage
und eine von dieser aktivierten Anzeige, wobei vorgesehen ist, daß die Datenverarbeitungsanlage
so programmiert ist, daß sie
auf der Anzeige in eine Transversalebene des Femurs in Höhe des Mittelpunktes
der Gelenkkugel diesen und eine Schnittlinie der femuralen Trans versalebene
und einer Instrumentenebene darstellt, die durch den Mittelpunkt
der Gelenkkugel hindurchgeht.
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Der
Operateur kann somit auf dem Bildschirm einmal den Mittelpunkt der
Gelenkkugel sehen und zum anderen die Schnittlinie, die ihm anzeigt,
unter welchem Winkel in der Transversalebene die Instrumentenebene
schneidet. Die Instrumentenebene kann dabei eine Ebene eines chirurgischen, raspelähnlichen
Instrumentes sein, die Instrumentenebene kann aber auch eine Ebene
des Femurimplantates sein.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Datenverarbeitungsanlage so programmiert
ist, daß sie
die Mittelebene des Werkzeuges als Instrumentenebene wählt. Häufig haben
die Schäfte
und dann auch die entsprechenden raspelartigen Werkzeuge einen ovalen
oder länglichen
Querschnitt, wobei die lange Achse in Richtung des Schenkelhalses
der Femurprothese weist, also in Richtung auf die Gelenkkugel. Wenn diese
Längsmittelebene
des Schaftes als Instrumentenebene verwendet wird, ist sichergestellt,
daß diese
Ebene durch die Gelenkkugel geht und damit dem Operateur anzeigt,
wie die Richtung vom Schaft zum Gelenkpunkt in der Transversalebene
verläuft.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
kann die Datenverarbeitungsanlage so programmiert sein, daß sie als
Instrumentenebene die Projektion der Längsachse eines den Schaft eines
Femurimplantates oder eines Werkzeuges mit der Gelenkkugel verbindenden
Haltearmes auf die Transversalebene in der Instrumentenebene auswählt. Es
wird dann also nicht die Mittelebene des Werkzeuges oder Instrumentes
als Instrumentenebene verwendet, sondern eine Ebene, die durch diese
Projektion hindurchgeht. Auch in diesem Falle ist sichergestellt,
daß die
Instrumentenebene durch die Gelenkkugel geht.
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Um
dem Operateur die Funktion des Gelenkmittelpunktes deutlich zu machen,
kann es gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen sein, daß die
Datenverarbeitungsanlage so programmiert ist, daß sie in der Darstellung der
Transversalebene des Femurs und der Schnittlinie ein Bild eines
Transversalschnittes der Pelvis in Höhe des Mittelpunktes des die
Gelenkkugel aufnehmenden Acetabulums so einkopiert, daß der Mittelpunkt
der Gelenkkugel und der Mittelpunkt des Acetabulums zusammenfallen. Die
Transversalebene ist dabei eine Ebene, die durch die beiden Mittelpunkte
der Acetabulen hindurchgeht und bei aufrecht stehendem Patienten
horizontal verläuft.
Es kann sich dabei um eine Querschnittsansicht handeln, aber auch
um eine Draufsicht auf die Pelvis, bei der die Lage des Mittelpunktes
des Acetabulums dadurch sichtbar gemacht wird, daß die Pelvis
teilweise durchsichtig dargestellt wird. Wesentlich ist nur, daß dem Operateur
durch diese Darstellung symbolisch gezeigt wird, daß der Gelenkmittelpunkt
des Femurs im Acetabulum der Pelvis angeordnet ist.
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Die
Datenverarbeitungsanlage kann weiterhin so programmiert sein, daß sie zum
Auffinden der Transversalebene des Femurs aus der Position und Orientierung
des Mittelpunktes der Gelenkkugel und des Kniegelenks als Verbindungslinie
der beiden Punkte eine mechanische Femurachse bestimmt und die Transversalebene
als senkrecht auf dieser mechanischen Femurachse und durch den Mittelpunkt der
Gelenkkugel gehend berechnet.
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Der
Operateur kann in der beschriebenen Darstellung bei der Änderung
der Position und Orientierung des Werkzeuges und/oder des Femurimplantates
sofort sehen, wie sich die Schnittlinie zwischen Instrumentenebene
und Transversalebene des Femurs verschiebt, bei einer Drehung des
Schaftes des Bearbeitungswerkzeuges oder des Femurimplantates wird
sich der Winkel dieser Schnittlinie in der Darstellung verändern, bei
einer seitlichen Verschiebung des Werkzeugschaftes oder des Implantatschaftes ohne
Drehung wird sich die Linie parallel zu sich selbst verschieben.
Eine korrekte Position und Orientierung des Werkzeugschaftes und
des Femurimplantatschaftes erhält
man dann, wenn die Schnittlinie durch das Bild des Mittelpunkts
der Gelenkkugel hindurchgeht. Da die Instrumentenebene selbst durch den
Mittelpunkt der Gelenkkugel hindurchgeht, zeigt dies dem Operateur
an, daß sowohl
die Winkelorientierung als auch die seitliche Verschiebung des Werkzeugschaftes
oder des Femurimplantatschaftes korrekt gewählt sind.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht der Pelvis und des Femurs eines Patienten sowie
ein Navigationssystem mit einer Datenverarbeitungsanlage und mit
einer Anzeige;
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2 eine
schematische Ansicht der Pelvis und eines Teils des Femurs mit einem
eingeführten und
navigierten Bearbeitungswerkzeug unter Angabe der femuralen Transversalebene
und der Instrumentenebene;
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3 eine
Ansicht der Anzeige mit einer Darstellung der Schnittlinie der femuralen
Transversalebene und der Instrumentenebene, dem Mittelpunkt des
Gelenkkopfes und einer einkopierten Darstellung der Pelvis;
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4 eine
Querschnittsdarstellung des Schaftes eines raspelähnlichen
Bearbeitungswerkzeuges gemäß Linie
4-4 in 2;
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5 eine
schematische Seitenansicht eines Femurimplantates mit einem Schaft,
einem Schenkelhals und einer Gelenkkugel und
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6 eine
Schnittansicht des Femurimplantates der 5 längs Linie
6-6 in 5.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird verwendet, um den Femur 1 eines Patienten für die Aufnahme
eines Femurimplantates vorzubereiten oder ein Femurimplantat in
diesen einzusetzen. Dies ist notwendig bei einer Hüftgelenksoperation,
bei der das natürliche
Hüftgelenk
ersetzt wird durch eine künstliche
Gelenkpfanne in der Pelvis und ein Femurimplantat mit einer Gelenkkugel,
die nach Entfernung des natürlichen
Femurkopfes an dessen Stelle in den verbleibenden Femur eingesetzt
wird. Die Femurimplantate weisen normalerweise einen Schaft auf,
der in den Markraum des Femurs eingetrieben wird, und dieser Markraum
muß dazu
entsprechend vorbereitet werden, diese Vorbereitung erfolgt mit
Hilfe eines raspelähnlichen
Werkzeuges 2, welches dem Schaft des Femurimplantates sehr ähnlich ausgebildet
ist und den Markraum des Femurs 1 formgerecht so vorbereitet,
daß beim
Einführen
des Schaftes des Femurimplantates die Positionierung des Femurimplantates
im Femur durch die Geometrie des vorbereiteten Markraumhohlraumes
bestimmt wird. Es ist daher sehr wichtig, daß das Werkzeug 2 bei
der Vorbereitung des Femurs in genau der gewünschten Winkelorientierung
und seitlichen Lage in den Femur eingetrieben wird, außerdem ist
es natürlich
wesentlich, das Femurimplantat in der richtigen Lage in den Femur
einzusetzen. Richtige Lage bedeutet dabei, daß der seitlich abstehende Arm
der Femurkomponente, der üblicherweise
an seinem Ende eine Gelenkkugel trägt, relativ zur Pelvis und
zur Gelenkpfanne in der Pelvis die richtige Orientierung einnimmt.
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Aufgrund
der Vorbereitung der Operation weiß der Operateur, wo relativ
zum natürlichen
Femur der Gelenkkopf zu plazieren ist, außerdem sind die geometrischen
Daten des Femurimplantates bekannt, so daß beim Einsetzen des Femurimplantates in
den Femur in jedem Falle feststellbar ist, welche Position das Femurimplantat
im Femur zu welcher Position des Gelenkkopfes führt.
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Um
dies überprüfen zu können, werden
am Femur 1 ein Markierelement 3, an der Pelvis 4 ein Markierelement 5 und
an dem Werkzeug 2 ein Markierelement 7 dauerhaft
und starr befestigt, wobei das Werkzeug 2 in gleicher Weise
ersetzt werden könnte
durch das Femurimplantat. Im folgenden wird daher ausschließlich vom
Werkzeug 2 gesprochen werden.
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Die
Lage der Markierelemente 3, 5 und 7 kann
mittels eines an sich bekannten Navigationssystems 8 bestimmt
werden, das beispielsweise drei räumlich voneinander getrennte
Sender 9, 10, 11 aufweist, die eine Infrarotstrahlung
aussenden, die von räumlich
getrennten Reflektoren der Markierelemente 3, 5, 7 reflektiert
und von den auch als Empfänger arbeitenden
Sendern 9, 10, 11 wieder aufgefangen wird.
Aus der Strahlung können
sowohl die Orientierung als auch die Position der Markierelemente
im Raum errechnet werden, also die Lage jedes einzelnen Markierelementes.
Da die Markierelemente starr mit dem Femur, der Pelvis bzw. dem
Werkzeug verbunden sind, ist damit auch die jeweilige Lage der Markierelemente
im Raum jederzeit zu bestimmen.
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Die
entsprechenden Lagedatensätze
werden von dem Navigationssystem 8 einer Datenverarbeitungsanlage 12 zugeführt, die
diese Daten zur Berechnung weiterer Daten verwendet und unter anderem
auf einem Bildschirm 13 eine optische Anzeige erzeugen
kann.
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Mit
Hilfe der beschriebenen Vorrichtung wird zunächst die Lage des Mittelpunktes
der Gelenkkugel relativ zum Femur bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt
vor der Entfernung des natürlichen
Femurkopfes einfach dadurch, daß der
Femur relativ zur Pelvis verschwenkt wird. Bei dieser Verschwenkbewegung bewegt
sich das Markierelement 3 des Femurs 1 auf einer
Kugelschale, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt des Gelenkkopfes
ist. Die Datenverarbeitungsanlage kann aus dieser Bewegung und den
entsprechenden Lagedatensätzen
den Mittelpunkt der Gelenkkugel relativ zum Markierelement 3 und
damit relativ zum Femur 1 berechnen.
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Außerdem wird
die Lage des Kniegelenks bestimmt, dies kann durch Palpation mit
Hilfe eines mit einem Markerielement 6 versehenen Tastelementes 14 erfolgen,
das mit seiner Spitze beispielsweise an die Kniescheibe des Patienten
angelegt wird. Die Datenverarbeitungsanlage kann aus den Lagedaten des
navigierten Tastelements 14 und den geometrischen Daten
desselben die genaue Lage des palpierten Markierpunktes an der Kniescheibe
berechnen, der als Kniegelenkpunkt verwendet wird. Die Datenverarbeitungsanlage
bildet dann die Verbindungslinie des Mittelpunkts des Gelenkkopfes
und des Kniegelenkes, diese Verbindungslinie wird als mechanische Femurachse 15 bezeichnet.
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Aus
dieser mechanischen Femurachse 15 und der Lage des Mittelpunkts
der Gelenkkugel berechnet die Datenverarbeitungsanlage 12 weiterhin eine
senkrecht auf der mechanischen Femurachse 15 stehende und
durch den Mittelpunkt des Gelenkpunktes hindurchgehende femurale
Transversalebene 16, es handelt sich dabei um eine dem
Femur zugeordnete Schnittebene.
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Dem
Werkzeug 2 wird eine Instrumentenebene 17 zugeordnet.
Dabei kann es sich beispielsweise um eine Längsmittelebene handeln. Wie
aus der Darstellung der 4 deutlich wird, ist der Schaft beispielsweise
oval ausgebildet mit einer langen und einer kurzen Achse, die Längsmittelebene
verläuft längs der
langen Achse und in Längsrichtung
des Schaftes.
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Wenn
ein Femurimplantat mit ähnlicher Schaftform
verwendet wird, kann vorgesehen sein, daß der sich an den Schaft 18 anschließenden Schenkelhals 19,
der die Gelenkkugel 20 trägt, ebenfalls in der Längsmittelebene
des Femurimplantats verläuft,
wie dies in 6 dargestellt ist, es kann aber
auch vorgesehen sein, daß dieser
Verbindungsarm einen Winkel gegenüber dieser Ebene einschließt. Beim
formgerechten Einsetzen des Schaftes in eine von dem Werkzeug vorbereitete Öffnung liegt
dann der Schenkelhals nicht in der Längsmittelebene des Instrumentes,
sondern in der durch den Verbindungsarm zwischen Schaft und Gelenkkugel aufgespannten
Ebene, und diese bildet die von der Datenverarbeitungsanlage verwendete
Instrumentenebene.
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Die
Datenverarbeitungsanlage erhält
vom Navigationssystem jeweils die Lagedaten des Werkzeuges 2 und
berechnet daraus die Lage der jeweiligen Instrumentenebene und weiterhin
die Schnittlinie 21 der Instrumentenebene 17 und
der femuralen Transversalebene 16. Auf der Anzeige wird
diese Schnittlinie in der femuralen Transversalebene 16 angezeigt,
außerdem
der Mittelpunkt M der Gelenkkugel 20.
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Wenn
diese Schnittlinie 21 durch den Mittelpunkt M der Gelenkkugel 20 hindurchgeht,
ist das Werkzeug 2 oder das Femurimplantat richtig orientiert,
es ist nämlich
dann sichergestellt, daß die
Instrumentenebene durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel hindurchgeht.
Wenn dagegen Abweichungen vorliegen, weiß der Operateur, daß er das
Werkzeug oder das Femurimplantat seitlich verschieben oder drehen
muß, um
die gewünschte
Lage zu erreichen.
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Zusätzlich wird
auf dem Bildschirm 13 eine Draufsicht oder eine horizontale
Querschnittansicht einer Pelvis abgebildet, diese Pelvisdarstellung 23 kann
schematisch sein und benötigt
nicht die anatomischen Daten des Patienten, sie dient lediglich
dazu, dem Operateur anzuzeigen, daß es sich bei dem Mittelpunkt
M gleichzeitig auch um den Mittelpunkt der die Gelenkkugel aufnehmenden
Gelenkpfanne handelt. Zu diesem Zweck ist diese Gelenkpfanne 22 in
der Schnittdarstellung oder in einer Transparentdarstellung sichtbar.
Die Pelvisdarstellung 23 wird dabei so angeordnet, daß der Mittelpunkt
der Gelenkpfanne mit dem Mittelpunkt M der Gelenkkugel 20 zusammenfällt.
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Normalerweise
wird die femurale Transversalebene nicht mit der Schnittebene zusammenfallen,
die sich bei einer horizontalen durch die Hüftgelenkmittelpunkte verlaufenden
Querschnittsansicht der Pelvis ergibt.
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Es
besteht aber die Möglichkeit,
aus der Lage der femuralen Transversalebene relativ zu dieser horizontalen
Querschnittsebene einen Datensatz zu bestimmen, der beschreibt,
wie der Femur und die mit dem Femur verbundenen Teile verschoben
und verschwenkt werden müssen,
damit die femurale Transversalebene mit dieser horizontalen Querschnittsebene,
die als Transversalebene der Pelvis bezeichnet wird, zusammenfällt. Wenn
der Femur in einer Stellung steht, bei der diese beiden Ebenen zusammenfallen,
spricht man von einer neutralen Position des Femurs.
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Unter
Verwendung dieses Transformationsdatensatzes wäre es dann auch möglich, statt
eines Schnittes in der Transversalebene des Femurs einen Schnitt
in der Transversalebene der Pelvis darzustellen, da beide Ebenen
in der neutralen Position zusammenfallen. Voraussetzung ist aber,
daß die
die Position des Femurs und der damit starr verbundenen Teile angebenden
Positions- und Orientierungsdaten
so umgerechnet werden, daß sich
der Femur relativ zur Pelvis in der neutralen Position befindet.