DE202005001128U1 - Vorrichtung zur Bestimmung der neutralen Position eines Oberschenkelknochens relativ zu einem Beckenknochen - Google Patents
Vorrichtung zur Bestimmung der neutralen Position eines Oberschenkelknochens relativ zu einem Beckenknochen Download PDFInfo
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Abstract
Vorrichtung
zur Bestimmung der neutralen Position eines Oberschenkelknochens
relativ zu einem Beckenknochen mit einem Navigationssystem, mit
am Oberschenkelknochen und am Beckenknochen eines Patienten festgelegten
Markierelementen, deren Position und Orientierung durch das Navigationssystem
bestimmbar sind, mit einem mit einem Markierelement verbundenen Tastelement
und mit einer Datenverarbeitungsanlage zur Verarbeitung der vom
Navigationssystem gelieferten Lagedaten der Markierelemente und
damit des Oberschenkelknochens, des Beckenknochens und des Tastinstruments, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Datenverarbeitungsanlage so programmiert ist, daß sie aus den drei Punkten
des Beckenknochens (11) linke spina iliaca anterior superior (14),
rechte spina iliaca anterior superior (15) und symphysis pubis (16)
die anteriore Beckenebene (22) bestimmt und daß sie aus der Lage des Hüftgelenkmittelpunktes
(17) relativ zum Beckenknochen (11) und relativ zum Oberschenkelknochen
(10), der Lage des Kniegelenkes relativ zum Oberschenkelknochen
(10) und der Lage des Sprunggelenks (20) relativ zum Oberschenkelknochen
(10) bei um etwa 90° abgewinkeltem
Unterschenkel eine Femursagittalebene (21) bestimmt, daß sie die...
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der neutralen Position eines Oberschenkelknochens relativ zu einem Beckenknochen.
- Bei der Implantation eines künstlichen Hüftgelenkes ist es unter anderem notwendig, die Beweglichkeit des Oberschenkelknochens relativ zum Beckenknochen nach dem Einsetzen der Implantatkomponenten rechnerisch zu simulieren, um vorhersagen zu können, ob die Verwendung bestimmter Implantatkomponenten und deren bestimmte Orientierung und Positionierung in den Knochen zu der gewünschten maximalen Beweglichkeit führen. Beispielsweise wird dabei geprüft, ob bei gestrecktem Bein eine Drehung des Oberschenkelknochens nach innen und außen in genügendem Maße möglich ist, außerdem bei abgewinkeltem Bein ein Verschwenken nach innen und nach außen. Die Drehachsen, die dieser Überprüfung zugrundegelegt werden, sind relativ zum Beckenknochen feststehende Achsen, und daher ist es wesentlich, daß der Oberschenkel und damit die in ihm implantierten Implantatteile zur Bestimmung dieser Beweglichkeit eine bestimmte Orientierung zum Beckenknochen aufweisen. Man geht davon aus, daß eine neutrale Position dafür geeignet ist, also eine Position, die im wesentlichen der Orientierung des Oberschenkels bei einem stehenden Patienten und bei gestrecktem Bein entspricht.
- Um diese neutrale Position des Oberschenkels relativ zum Beckenknochen in der Praxis zu bestimmen, hat man den Oberschenkelknochen eines Patienten zum Beispiel während einer Operation möglichst genau in diese neutrale Position gebracht. Dies gelingt allerdings nur sehr unvollkommen, da bei einer Operation häufig der Beckenknochen verschwenkt ist und da die Körperteile des Patienten bei der Operation durch Operationstücher abgedeckt und schwer zugänglich sind, außerdem ist eine derart genaue Anordnung bei einem liegenden Patienten problematisch. Aus diesem Grunde war es bisher nur annähernd möglich, eine Neutralposition herzustellen, von der ausgehend dann die gewünschten Simulationsberechnungen durchgeführt werden können.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Neutralposition des Oberschenkelknochens relativ zum Beckenknochen in einfacherer Weise bestimmt werden kann.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst.
- Diese Vorrichtung bestimmt also einen Datensatz von Ortskoordinatentransformationen, die beschreiben, wie der Oberschenkel verschwenkt und verdreht werden muß, um in die Neutralposition zu gelangen. Diese Verlagerung wird man nicht körperlich durchführen, sondern nur mathematisch, wobei man auf diese Weise auch mathematisch die Verschiebungen und Verdrehungen von Implantatteilen berechnen kann, die in den Oberschenkel tatsächlich implantiert sind oder auch nur in einem Vormodell theoretisch im Oberschenkel angenommen werden. Man kann daher mathematisch die Implantatteile in eine Position und Lage umrechnen, die der Neutralposition entsprechen, und kann ausgehend von dieser Relativlage der oberschenkelseitigen Implantatteile einerseits und der beckenknochenseitigen Implantatteile andererseits, deren Beweglichkeit zueinander in der üblichen Weise berechnen.
- Wesentlich ist es, daß keine Öffnung des Körpers notwendig ist, alle beschriebenen Schritte können ohne Eingriff in den Körper einfach durch Bewegungen der Gliedmaßen und Abtasten bestimmter Markierungspunkte aufgefunden werden, und zwar unabhängig davon, in welcher Lage sich der Patient befindet und in welcher Lage die Gliedmaßen relativ zum Beckenknochen angeordnet sind. Es genügt bei diesem Verfahren, in irgendeiner Position des Oberschenkels den Unterschenkel etwa rechtwinklig abzuwinkeln, um dann die Lage des Sprunggelenks relativ zum Oberschenkel zu bestimmen, alle übrigen Schritte sind Bestimmungen von körpereigenen Markierungspunkten und Rechenvorgänge, insbesondere ist es also nicht notwendig, den Oberschenkel tatsächlich in die Neutralposition zu bringen.
- Der Bestimmung der Femursagittalebene liegt die Erkenntnis zugrunde, daß beim Abwinkeln des Unterschenkels der Sprunggelenke in der Femursagittalebene verschwenkt wird, die bei der Neutralstellung des Oberschenkels tatsächlich senkrecht zur anterioren Beckenebene und senkrecht zur Verbindungslinie der beiden spinae iliacae anteriores superiores liegt.
- Es ist vorteilhaft, wenn man die drei Beckenknochenpunkte zur Bestimmung der anterioren Beckenebene durch Palpation bestimmt.
- Der Hüftgelenkmittelpunkt läßt sich durch Verschwenken des Oberschenkelknochens relativ zum Hüftgelenk bestimmen. Unter der Annahme, daß es sich beim Hüftgelenk um ein Kugelgelenk handelt, bewegen sich alle Punkte des Oberschenkels, die im Abstand zum Hüftgelenkmittelpunkt angeordnet sind, auf einer Kugelschale um den Hüftgelenkmittelpunkt. Diese Kugelschale kann durch Messung bestimmt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Navigationssystems, und daraus läßt sich der Kugelmittelpunkt bestimmen, der mit dem Hüftgelenkmittelpunkt zusammenfällt.
- Die Lage des Kniegelenkes kann vorzugsweise ebenfalls durch Palpation der Kniescheibe bestimmt werden, und die Lage des Sprunggelenkes läßt sich auch durch Palpation bestimmen, beispielsweise durch Palpation der beiden seitlichen Sprunggelenkvorsprünge und/oder Knochenvorsprüngen auf der Vorderseite des Unterschenkels.
- Da die Markierelemente an dem Beckenknochen und dem Oberschenkel festgelegt sind, besteht eine dauerhafte Beziehung zwischen den Positionsdaten der Markierelemente einerseits und den Positionsdaten der oben beschriebenen Markierungspunkte am Beckenknochen einerseits und der mechanischen Femurachse und der Sagittalebene am Oberschenkelknochen andererseits, wenn diese Beziehung einmal festgestellt ist, bleibt sie gleich und durch Lagebestimmung der Markierelemente kann man dann auch die jeweilige Lage der genannten Markierungspunkte, Verbindungslinien und Ebenen berechnen.
- Günstig ist es, wenn zur Bestimmung der Markierungspunkte ein mit einem Markierelement versehener Taster verwendet wird, dessen Lage ebenfalls vom Navigationssystem überwacht wird. Damit ist in einfacher Weise möglich, die beschriebenen Markierpunkte hinsichtlich ihrer Lage von dem Navigationssystem erfassen zu lassen und einen entsprechenden Datensatz zu erstellen.
- Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Ansicht des Beckenknochens, des Oberschenkelknochens und des Unterschenkelknochens eines Patienten und eines Navigationssystems mit Datenverarbeitungsanlage zur Bestimmung der Lagedaten von körpereigenen Markierpunkten und weiteren geometrischen Daten; -
2 : eine Ansicht des Patienten ähnlich der Darstellung der1 unter zusätzlicher Angabe der mechanischen Femurachse des Oberschenkelknochens und -
3 : eine Ansicht des Beckenknochens, des Oberschenkelknochens und des um 90° abgewinkelten Unterschenkelknochens eines Patienten unter Angabe der anterioren Beckenebene, der mechanischen Femurachse und der Femursagittalebene. - Zur Bestimmung der Neutralposition des Oberschenkels eines Patienten wird ein Navigationssystem
1 verwendet, welches über drei im Abstand zueinander angeordnete Sender2 ,3 ,4 eine Infrarotstrahlung aussendet, die auf Reflektorelemente von Markierelementen5 ,6 ,7 auftrifft und von dort auf die auch als Empfänger arbeitenden Sender2 ,3 ,4 zurückgestrahlt wird. Aus den Laufzeitunterschieden und den Richtungen der reflektierten Strahlung kann das Navigationssystem jederzeit die genaue Position und Orientierung, also die Lage, jedes einzelnen Markierelementes5, 6, 7 im Raum bestimmen und einen entsprechenden Datensatz erzeugen, der dann einer Datenverarbeitungsanlage8 zur weiteren Bearbeitung zugeführt werden kann. Der Datenverarbeitungsanlage ist unter anderem eine Anzeigeeinheit in Form eines Bildschirmes9 zugeordnet. - Derartige Navigationssysteme sind an sich bekannt und können auch in bekannter Weise abweichend aufgebaut sein, beispielsweise kann statt Infrarotstrahlung elektromagnetische Strahlung oder Ultraschallstrahlung verwendet werden etc. Wesentlich ist nur, daß das Navigationssystem die Lage der Markierelemente im Raum jederzeit bestimmen und daraus einen Datensatz erzeugen kann.
- Ein erstes Markierelement
5 ist fest mit einem Oberschenkelknochen10 eines Patienten verbunden, beispielsweise mit Hilfe einer in den Knochen eingeschraubten Knochenschraube, an der das Markierelement5 starr befestigt ist. In ähnlicher Weise ist das Markierelement6 fest mit dem Beckenknochen11 eines Patienten verbunden, und schließlich ist das Markierelement7 starr mit einem Tastinstrument12 verbunden, welches beispielsweise eine nadelförmige Tastspitze13 aufweist. Mit dieser Tastspitze13 können markante Punkte am Körper eines Patienten angefahren werden, und aus der Lage des Tastinstruments und den geometrischen Daten des Tastinstruments, also der relativen Lage der Tastspitze13 relativ zum Markierelement7 , kann dann die genaue Lage der Tastspitze im Raum und damit eines von der Tastspitze13 angefahrenen Punktes des Patienten festgestellt werden. - Zur Bestimmung der Neutralposition des Oberschenkels relativ zum Beckenknochen werden folgende Parameter aufgenommen: Mit dem Tastinstrument
12 werden am Beckenknochen drei Markierungspunkte angefahren, nämlich die linke spina iliaca anterior superior14 (linker Darmbeinstachel), die rechte spina iliaca anterior superior15 (rechter Darmbeinstachel) und die symphysis pubis16 (Schambein). Aus den Datensätzen, die die Lage dieser drei Markierungspunkte beschreiben, berechnet die Datenverarbeitungsanlage8 eine Ebene, die nachstehend als anteriore Beckenebene bezeichnet wird. Diese ist bei einem stehenden Patienten nahezu senkrecht angeordnet und bildet eine Bezugsebene für den Beckenknochen. - In einem weiteren Schritt wird die Lage des Hüftgelenkmittelpunktes
17 bestimmt. Dazu wird der Oberschenkelknochen10 gegenüber dem Beckenknochen11 verschwenkt. Bei dieser Verschwenkbewegung bewegt sich das Markierelement5 auf einer Kugelschale um den Hüftgelenkmittelpunkt17 . Diese Kugelschale wird von dem Navigationssystem gemessen, und die Datenverarbeitungsanlage8 kann daraus die Lage des Hüftgelenkmittelpunktes17 bestimmen, und zwar relativ zum Oberschenkelknochen10 , das heißt zum Markierelement5 , und relativ zum Beckenknochen11 , das heißt zum Markierelement6 . - In einem weiteren Schritt wird die Lage des Kniegelenkes bestimmt. Da dies bei der Operation zunächst nicht eröffnet ist, wird diese Lage annähernd dadurch bestimmt, daß man einen bestimmten Punkt auf der Kniescheibe
18 annimmt und diesen als Kniemittelpunkt definiert. - Die Datenverarbeitungsanlage
8 berechnet aus den Lagedaten des Hüftgelenkmittelpunktes17 und des Kniegelenkes eine Verbindungslinie, die als mechani sche Femurachse19 bezeichnet wird (2 ). Damit ist auch die Orientierung dieser mechanischen Femurachse gegenüber dem Oberschenkelknochen10 und damit gegenüber dem Markierelement5 bestimmt. - In einem weiteren Schritt wird der Unterschenkel des Patienten gegenüber dem Oberschenkel um etwa 90° abgewinkelt, wie dies in
3 dargestellt ist. In dieser Stellung des Unterschenkels wird die Lage des Sprunggelenks20 bestimmt. Auch dies kann durch Palpation mit dem Tastinstrument12 erfolgen, beispielsweise werden die am weitesten herausstehenden Punkte der beiden Sprunggelenke des Fußes oder auf der Vorderseite des Beines ein markanter Knochenpunkt im Bereich des Sprunggelenks ertastet und aus diesen Daten wird die Lage des Sprunggelenks bestimmt. Die Datenverarbeitungsanlage8 berechnet aus den Lagedaten des Hüftgelenkmittelpunktes17 , des Kniegelenkes und des Sprunggelenkes eine Ebene, diese wird als Femursagittalebene21 bezeichnet. Die geometrischen Daten dieser Femursagittalebene21 relativ zum Oberschenkelknochen10 sind damit bekannt, und damit auch relativ zum Markierelement5 . - Bei der beschriebenen Messung wird das Bein des Patienten normalerweise nicht relativ zum Beckenknochen ausgerichtet sein, das heißt es wird sich nicht in der neutralen Position befinden.
- Es wird jetzt angenommen, daß die neutrale Position dadurch gekennzeichnet, ist, daß die mechanische Femurachse
19 parallel zur anterioren Beckenebene22 und senkrecht zur Verbindungslinie23 der beiden spinae iliacae anteriores superiores verläuft und daß die Femursagittalebene21 senkrecht zur anterioren Beckenebene22 angeordnet ist. Diese Annahme trifft im wesentlichen bei den meisten Patienten zu, so daß diese Beschreibung eine sehr gute Darstellung der Neutralposition ist. - Da bei der Aufnahme der Messung diese Lage des Beines nicht eingenommen worden ist, ergeben sich Abweichungen, und diese Abweichungen kann die Datenverarbeitungsanlage
8 ohne weiteres berechnen, daß heißt es werden die Koordinatentransformationen berechnet, die notwendig sind, um aus den tatsächlich gemessenen Orientierungen der Femursagittalebene21 und der mechanischen Femurachse19 in die entsprechenden Lagen bei der Neutralstellung zu gelangen. Aus diesen Transformationsdaten lassen sich dann auch die Transformationsdaten berechnen, die den Übergang der Lage des Markierelementes5 aus der tatsächlichen Meßstellung in die neutrale Position beschreiben oder aber den Übergang eines in den Oberschenkelknochen eingesetzten und mit diesem fest verbundenen Implantates. Die Lage dieses Implantates im Oberschenkelknochen10 wird entweder vor der Operation rechnerisch simuliert, es heißt es wird eine bestimmte Lage des Implantates im Oberschenkelknochen angenommen, beispielsweise unter Verwendung von Bilddaten des Oberschenkelknochens und Bilddaten des Implantatteils, die übereinander kopiert werden, oder aber erhält man die Lage des Implantatteils nach erfolgter Implantation dadurch, daß auch das Implantatteil navigiert wird, beispielsweise durch ein zeitweise starr mit dem Implantatteil verbundenes Markierelement. Auf jeden Fall ist es auf diese Weise der Datenverarbeitungsanlage8 möglich, aus der tatsächlichen Lage des Implantates, die durch Lagebestimmung des oberschenkelknocheneigenen Markierelementes5 jederzeit bestimmbar ist, die Lage des Implantates in der Neutralposition des Oberschenkelknochens zu berechnen, und zwar relativ zum Beckenknochen11 . - Ohne den Oberschenkelknochen
10 tatsächlich in diese neutrale Position gebracht zu haben, kann also für die Simulation der Bewegungsabläufe eine Position des Implantatteils im Oberschenkelknochen relativ zum Beckenknochen angegeben werden, die der Neutralposition des Oberschenkelknochens entspricht, und damit kann die Simulation der Beweglichkeit realitätsnah durchgeführt werden. Für diesen Vorgang ist es weder notwendig, Eingriffe am Körper vorzunehmen, noch muß das Bein in die Neutralposition gebracht werden. Die beschriebenen Meßwerte sind für den Operateur leicht aufzunehmen und führen zu verläßlichen, gut reproduzierbaren Werten für die Bestimmung der Neutralposition des Oberschenkels.
Claims (1)
- Vorrichtung zur Bestimmung der neutralen Position eines Oberschenkelknochens relativ zu einem Beckenknochen mit einem Navigationssystem, mit am Oberschenkelknochen und am Beckenknochen eines Patienten festgelegten Markierelementen, deren Position und Orientierung durch das Navigationssystem bestimmbar sind, mit einem mit einem Markierelement verbundenen Tastelement und mit einer Datenverarbeitungsanlage zur Verarbeitung der vom Navigationssystem gelieferten Lagedaten der Markierelemente und damit des Oberschenkelknochens, des Beckenknochens und des Tastinstruments, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage so programmiert ist, daß sie aus den drei Punkten des Beckenknochens (
11 ) linke spina iliaca anterior superior (14 ), rechte spina iliaca anterior superior (15 ) und symphysis pubis (16 ) die anteriore Beckenebene (22 ) bestimmt und daß sie aus der Lage des Hüftgelenkmittelpunktes (17 ) relativ zum Beckenknochen (11 ) und relativ zum Oberschenkelknochen (10 ), der Lage des Kniegelenkes relativ zum Oberschenkelknochen (10 ) und der Lage des Sprunggelenks (20 ) relativ zum Oberschenkelknochen (10 ) bei um etwa 90° abgewinkeltem Unterschenkel eine Femursagittalebene (21 ) bestimmt, daß sie die Winkeländerungen berechnet, die notwendig sind, um die Verbindungslinie (19 ) des Hüftgelenkmittelpunktes (17 ) mit dem Kniegelenk (mechanische Femurachse) in eine Linie zu überführen, die in einer Parallelebene zur anterioren Beckenebene (22 ) durch den Hüftgelenkmittelpunkt (17 ) und senkrecht zur Verbindungslinie der beiden spinae iliacae anteriores superiores (14 ,15 ) verläuft, und daß sie zusätzlich die Winkeländerungen berechnet, die notwendig sind, um die Femursagittalebene (21 ) senkrecht zur anterioren Beckenebene (22 ) zu orientieren.
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- 2005-01-17 DE DE200520001128 patent/DE202005001128U1/de not_active Expired - Lifetime
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