DE69424416T2

DE69424416T2 - Vorrichtung zur lokalisierung funktioneller strukturen des beins während der kniegelenkschirurgie

Info

Publication number: DE69424416T2
Application number: DE69424416T
Authority: DE
Inventors: F. Auchinleck; N. Dance; T. Salvestro
Original assignee: Howmedica Osteonics Corp
Current assignee: Howmedica Osteonics Corp
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 2001-01-04
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: EP0705074B1; JPH09500550A; DE69424416D1; JP3690802B2; CA2165980C; WO1995000075A1; EP0705074A1; AU7065894A; US5611353A; CA2165980A1; AU680267B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die aktuelle Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lokalisierung der Fluchtlinienpunkte des Beines während der Knie-Implantat Chirurgie.

Hintergrund der Erfindung

Während der Knie-Implantat Chirurgie, die spezieller als Arthroplastik des Knies bekannt ist, wird beschädigter oder erkrankter Knochen durch Bauelemente aus Metall oder Kunststoff ersetzt, um die Funktion des bewerkstelligten Gelenkes wiederherzustellen. Verbesserungen an den in diesen Implantaten verwendeten Materialien haben zu einer weit verbreiteten Akzeptanz dieses chirurgischen Verfahrens geführt.
Ein grundlegendes Ziel der Arthroplastik des Knies ist die genaue Plazierung der Bauelemente in Bezug auf die Anatomie des Patienten. Diese Plazierung ist notwendig, so dass eine genaue Funktion des Implantats erzielt und dessen Lebensdauer optimiert wird. Bei einem Menschen ist das Gewicht des Körpers, das längs einer theoretischen Linie, auf die manchmal lasttragende Achse oder WBA bezogen ist, von dem Mittelpunkt des Hüftgelenks zu dem Mittelpunkt des Knöchelgelenks verläuft. In einem korrekt funktionierenden Knie verläuft die lasttragende Achse WBA durch den Mittelpunkt des Knies sowohl in vorderen/hinteren Ebenen als auch in medialen/lateralen Ebenen. Bei einer sich an dem Knie zeigenden Varus-Stellung verläuft die lasttragende Achse nach der Mitte zum Mittelpunkt des Knies, während sie bei einer sich am Knie zeigenden Valgus-Stellung seitlich zum Mittelpunkt des Knies verläuft. Eine Lokalisierung der lasttragenden Achse bei der künstlichen Kniegelenkbildung stützt sich auf die Lokalisierung des Mittelpunktes des Hüftgelenks (des Mittelpunktes des Femurkopfes), den Mittelpunkt des Knies und den Mittelpunkt des Knöchels.
Zusätzlich zur Lokalisierung der lasttragenden Achse muß die Position der Implantate längs der lasttragenden Achse und ihre Drehung um die lasttragende Achse festgelegt werden. Eine durch die Gelenkfläche des Knies verlaufende horizontale Linie, worauf sich Gelenklinie bezieht, kann zur Positionierung der Implantate längs der lasttragenden Achse genutzt werden. Um die Implantate rotorisch in der waagerechten Ebene zu lokalisieren, werden im allgemeinen mehrere unterschiedliche anatomische Kennungsmarken verwendet, wie die Lokalisierung der hinteren und der vorderen Kondylen des Fermur oder die Lokalisierung der Epikondylen des Fermur.
Die geläufigsten Verfahren zur Lokalisierung der lasttragenden Achse können in eine von zwei Kategorien eingeteilt werden: eine außerhalb des Knochenmarks ablaufende Ausrichtung (EM) und eine innerhalb des Knochenmarks ablaufende Ausrichtung (IM).
Eine außerhalb des Knochenmarks ablaufende Ausrichtung macht es erforderlich, dass der Chirurg schlanke, parallele Stäbe von dem Kniegelenk zu dem Femurkopf und zu dem Mittelpunkt des Knöchels visuell ausrichtet. Die Position des Femurkopfes kann entweder durch Abtasten oder mit einer intraoperativen Röntgenaufnahme angenähert werden. Eine Lokalisierung der Knöchelstabes kann entweder mit einer mit Kerben versehenen Vorrichtung für einen Sitz um den Knöchel herum oder mit visueller Plazierung des Stabes in Bezug auf die abgetasteten Fußknöchel angenähert werden. Sobald die Hüften- und Knöchelstäbe korrekt positioniert sind, sollten sie parallel zur lasttragenden Achse des Patienten liegen.
Eine innerhalb des Knochenmarks ablaufende Ausrichtung ersetzt visuell angeordnete Stäbe durch Stäbe, die in den Mark-Kanälen des Femur und Schienbeins angeordnet sind. Wenn sie genau angeordnet sind, sollten diese Stäbe auf der Achse der Knochen liegen. Auf Grund der Versetzung des Femur an der Hüfte, ist die Knochenachse nicht die gleiche wie die lasttragende Achse, weshalb bei der Operation eine Korrektur vorgenommen werden muß, um die innerhalb des Knochenmarks liegende Achse zur Bestimmung der lasttragenden Achse einzustellen. Diese Korrektur erfordert eine präoperative Röntgenaufnahme, die zur Darstellung des Winkelunterschiedes zwischen der Femurachse und der lasttragenden Achse vorzunehmen ist.
Eine außerhalb des Knochenmarks ablaufende Ausrichtung sieht nur eine visuelle Bewertung der Lokalisierung der lasttragenden Achse vor. Sie ist vielen Fehlern unterworfen und erfordert eine erhebliche Geschicklichkeit des Chirurgen. Eine Lokalisierung des Femurkopfes während einer Operation ist besonders fehleranfällig. Es wurde gezeigt, dass das Abtasten des Femurkopfes, das durch Fettleibigkeit des Patienten und über den Patienten gelegte sterile Tücher erschwert wird, im Vergleich zur röntgenografischen Lokalisierung im allgemeinen um 5,08 bis 7,62 cm (2 bis 3 Zoll) ungenau ist. Zur Unterstützung einer röntgenografischen Lokalisierung sind Schablonen entworfen worden, wobei aber die Verwendung von Röntgenbildern in der Operationssaaleinrichtung zeitaufwendig und ungünstig ist und das Personal einer Strahlung aussetzt. Außerdem ist jede Form von röntgenografischer Lokalisierung einer Verzeichnung ausgesetzt und erfordert eine visuelle Bewertung der Position von anatomischen Kennungsmarken, die nicht zwangsläufig die kinematischen Mittelpunkte einer Bewegung oder Kraftübertragung sind.
Die innerhalb des Knochenmarks ablaufende Ausrichtung erfordert einige Geschicklichkeit beim Anbringen der Stäbe. Die Plazierung von Stäben in den Femur oder das Schienbein wurde mit dem Tod von Patienten durch Fett- oder Gasembolie in Zusammenhang gebracht. Der für eine Korrektur der innerhalb des Knochenmarks liegende Achse zu der lasttragenden Achse erforderliche Einstellwinkel wird im allgemeinen aus einer präoperativen Röntgenaufnahme gemessen und ist infolgedessen, wie zuvor beschrieben, Gegenstand einer Verzeichnung, von Ablesefehlern und visuellen Bewertungsproblemen ausgesetzt.
Wie es in ihrer Zusammenfassung offenbart ist, beschreibt die Druckschrift WO-A-88/07840 ein Verfahren zur präoperativen Planung des Ersatzes des gesamten Knies. Führungswerkzeuge mit Führungselementen werden zur Lokalisierung der Position der durch ein Schneidelement definierten gewünschten Knochenschnitte verwendet. Ausgewählte Bereiche des Femur und Schienbeins werden durch Verfahren der Computer-Tomographie gescannt, um Bilder von diesen Bereichen zu erzeugen. Es werden die entsprechenden Mittelpunkte des Femurkopfes, des distalen Femur des proximalen Schienbeins und des distalen Schienbeins oder des Knöchelgelenks bestimmt. Die Mittelpunkte werden anschließend verwendet, um eine mechanische Achse zu definieren, relativ zu der ausgewählte Schnitte zu implantieren sind. Man sagt, dass eine Einstellung der Führungselemente vor der chirurgischen Behandlung für eine genaue Plazierung der Führungswerkzeuge während der chirurgischen Behandlung und die Herstellung genauer und präziser Knochenschnitte sorgt, die mit den ausgewählten Prothesen in Übereinstimmung gebracht sind.
Was anschließend erforderlich ist, ist eine Vorrichtung zur genauen und einfachen Lokalisierung des wahren Ortes der durch die kinematische Position der Gelenke des Patienten bestimmten lasttragenden Achse eines Patienten. Die Vorrichtung sollte für Anwendungen während einer Operation anwendbar sein. Vorzugsweise würde die entwickelte Vorrichtung keine zusätzliche Modifizierung des Knochens mit sich bringen, außer der, die zur Ausführung des Verfahrens notwendig ist, wobei sie für eine präoperative Planung und eine postoperative Bewertung sorgen und genutzt werden könnte, um die Wirkung von Änderungen am Operationsprotokoll nach den Ergebnissen der chirurgischen Behandlung vorherzusagen.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die aktuelle Erfindung ist eine Vorrichtung nach den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 5 vorgesehen.
Es ist außerdem eine Vorrichtung zur Lokalisierung des kinematischen Drehmittelpunktes des Hüftgelenkes vorgesehen, welche die dreidimensionale Messung von zumindest vier diskreten Positionen des Femur einschließt.
Die vorgesehene Vorrichtung ist zur Anwendung während einer Operation anwendbar, bringt keine zusätzliche Modifizierung des Knochens oder Gewebes des Patienten mit sich, außer der, die für die Ausführung des Verfahrens notwendig ist, sorgt für eine präoperative Planung und postoperative Bewertung, und kann genutzt werden, um die Wirkung von Änderungen des Operationsprotokolls nach den Ergebnissen der chirurgischen Behandlung vorherzusagen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen
Fig. 1a und 1b die anatomische Beziehung der lasttragenden Achse zu einem menschlichen Femur und Schienbein;
Fig. 2a und 2b die kinematische Bewegung des Femur um das Hüftgelenk;
Fig. 3a und 3b vereinfachte Darstellungen der kinematischen Bewegung des Schienbeins in Bezug auf den Femur;
Fig. 4 eine Vorrichtung zur Bestimmung der lasttragenden Achse des Beines während einer Operation;
Fig. 5a bis 5c ein Verfahren zur Bestimmung der lasttragenden Achse unter Verwendung der Vorrichtung von Fig. 4.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1a und 1b zeigen in schematischer Form die Beziehung der lasttragenden Achse (WBA) 18 zu einem linken Femur 10 und linken Schienbein 12 eines Menschen in normaler Haltung. Fig. 1a ist eine schematische Darstellung in der koronalen (medial-lateral) Ebene des Patienten, und Fig. 1b ist eine schematische Darstellung in der Sagittalebene (hintere-vordere Ebene) des Patienten.
Die lasttragende Achse 18 ist so definiert, dass sie durch zwei Punkte verläuft: den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks und den Mittelpunkt 16 des Knöchelgelenks. Die lasttragende Achse 18 verläuft normalerweise leicht in der Mitte liegend zu dem anatomischen Mittelpunkt des Kniegelenks, obwohl dies von Patient zu Patient erheblich abweichen kann.
Der Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks wird als Drehmittelpunkt des Hüftgelenkes definiert und wird im allgemeinen als anatomischer Mittelpunkt des Femurkopfes angenommen. Der Mittelpunkt 16 des Knöchelgelenkes wird als Drehmittelpunkt des Knöchelgelenkes definiert und wird normalerweise als auf halbem Weg längs einer Achse liegend, die durch die Knöchel des Unterschenkels verläuft, angenommen. Der mittlere Knöchel 20 befindet sich am distalen Ende des Schienbeins. Der laterale Knöchel ist eine ähnliche Struktur am distalen Ende des Wadenbeins (nicht gezeigt).
Die Verbindungslinie 22 ist eine zu der lasttragenden Achse 18 senkrechte Ebene an einem Punkt, der sich der Auflagefläche zwischen dem Femur 10 und dem Schienbein 12 nähert.
Die Fig. 2a und 2b zeigen in schematischer Form die Bewegung des Femur 10 um den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks jeweils in der koronalen Ebene und der Sagittalebene des Patienten.
Die Bewegung des Femur 10 wird durch das Kugelgelenk der Hüfte so geführt, dass bei einer Bewegung des Femur 10, der in Bezug auf den Femur 10 fixierte Überdeckungspunkt 24 des Femur daran gehindert wird, sich auf der Oberfläche einer theoretischen Kugel mit einem Mittelpunkt an dem Mittelpunkt des Hüftgelenks und einem Radius zu bewegen, der der Entfernung zwischen dem Überdeckungspunkt 24 des Femur und dem Mittelpunkt 14 des Hüftgelenkes entspricht.
Durch Messung der vektoriellen Verschiebung zwischen drei aufeinanderfolgenden Positionen des Überdeckungspunktes 24 des Femur in einem Bezugssystem, in dem der Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks unverändert bleibt, wenn der Femur 10 bewegt wird, kann die Position des Mittelpunktes 14 des Hüftgelenks in diesem Bezugssystem berechnet werden. Außerdem kann auch die Lokalisierung des Mittelpunktes 14 des Hüftgelenks in Bezug auf den Überdeckungspunkt 24 des Femur berechnet werden. Eine Erhöhung der Anzahl von gemessenen Positionen des Überdeckungspunktes 24 des Femur erhöht die Genauigkeit der berechneten Position des Mittelpunktes 14 des Hüftgelenks.
Die Fig. 3a und 3b zeigen in schematischer Form eine vereinfachte Darstellung der Bewegung des Schienbeins 12 in Bezug auf den Femur 10 jeweils in der koronalen Ebene und der Sagittalebene des Patienten.
Die Bewegung des Schienbeins 12 in Bezug auf den Femur 10 ist eine komplexe Beziehung mit sechs Freiheitsgraden, die durch die Bänderspannung und die drei Auflageflächen des Kniegelenks geregelt wird. Zum Zweck der Lokalisierung eines Implantats kann jedoch eine angemessene Annäherung der Bewegung des Schienbeins 12 hergestellt werden, wenn man voraussetzt, dass das Kniegelenk ein verstellbares Scharnier in der Sagittalebene mit begrenzter Bewegung in der koronalen Ebene ist. Auf der Basis dieser vereinfachenden Annahmen wird eine Bewegung des in Bezug auf das Schienbein 12 fixierten Überdeckungspunktes 26 des Schienbeins gezwungen, sich auf der Oberfläche einer theoretischen Kugel mit einem momentanen Mittelpunkt innerhalb des geometrischen Ortes des Mittelpunktes 28 des Kniegelenks und einem Radius zu bewegen, der der Entfernung zwischen dem Überdeckungspunkt 26 des Schienbeins und dem Mittelpunkt 28 des Kniegelenks entspricht.
Weil die knochige Beschaffenheit des menschlichen Knöchels eine intraoperative Bewertung des Mittelpunktes 16 des Knöchelgelenks durch Abtasten erlaubt, kann der Überdeckungspunkt 26 des Schienbeins zum Schienbein 12 mit einer bekannten vektoriellen Verschiebung vom Mittelpunkt 16 des Knöchelgelenks durch die Verwendung einer mit Schlitzen versehenen Führung oder durch Ureingabe am Unterschenkel fixiert werden, wie es im allgemeinen in der künstlichen Kniegelenkbildung bekannt ist. Eine Messung der vektoriellen Verschiebung des Überdeckungspunktes 26 des Schienbeins in Bezug auf den Überdeckungspunkt 24 des Femur, der zuvor relativ zum Femur 10 und mit einer berechneten Position relativ zum Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks fixiert wurde, erlaubt damit die Berechnung der vektoriellen Position des Mittelpunktes 16 des Knöchelgelenks in Bezug auf den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks und die zu bestimmende lasttragende Achse. Wie bei der Berechnung der Position des Mittelpunktes 14 des Hüftgelenks verbessern wiederholte Messungen die Genauigkeit der bestimmten lasttragenden Achse.
Ferner kann der geometrische Ort von Positionen des Mittelpunkts 28 des Kniegelenks durch Messung der vektoriellen Verschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Positionen des Überdeckungspunktes 26 des Schienbeins in einem Bezugssystem, in weichem der Überdeckungspunkt 24 des Femur bei Bewegung des Schienbeins 12 unverändert bleibt, in diesem Bezugssystem berechnet werden.
Fig. 4 zeigt eine zur intraoperativen Lokalisierung der Gelenkmittelpunkte und der lasttragenden Achse des menschlichen Beines brauchbare Vorrichtung in einer Form, die für eine künstliche Kniegelenkbildung nutzbar ist. Der Femur 10 und das Schienbein 12 sind in der Sagittalebene des Patienten gebeugt dargestellt, um die Oberfläche des Kniegelenks zu deren Ausbesserung auszustellen. Obwohl das Bein zur Deutlichkeit in schematischer Skelettform gezeigt wurde, ist die Vorrichtung so, dass die das Bein umgebenden weichen Gewebe und die Protokolle der konventionellen Operation durch eine Verwendung dieser Vorrichtung nicht negativ beeinflußt werden.
Die Überdeckungsklammer 30 kann an dem Femur 10 befestigt werden, um eine konstante Lage in Bezug auf den Femur 10 aufrechtzuerhalten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel gewährleisten die in der medialen Fläche und der lateralen Fläche der distalen Femurrinde angebrachten Befestigungsstifte 44 eine starre Befestigung der Überdeckungsklammer 30 am Oberschenkel 10, was das völlige Halten des Gewichtes des Unterschenkels durch die Überdeckungsklammer 30 zuläßt.
Die Ausrichtungsführung 32 erlaubt es, die Überdeckungsklammer 30 an dem Femur 10 in einem bestimmten Abstand von der distalen Auflagefläche des Femur 10 und in bekannter Drehung um die anatomische Achse des Femur 10 festzumachen. Die Ausrichtungsführung 32 besitzt eine flache Oberfläche 46, die gegen die distale Fläche des Femur 10 gesetzt werden kann, um die Verschiebung der Überdeckungsklammer 30 einzustellen. Die Ausrichtungsführung 32 weist außerdem einen Zusatz 48 zur Drehausrichtung auf, der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein dünner Einschub ist, der zur Anordnung zwischen Femur 10 und Schienbein 12 geeignet ist, während das Knie gebeugt und so geformt ist, dass es an der hinteren medialen Auflagefläche und der lateralen Auflagefläche des Femur 10 anliegt.
Alternativ dazu kann der Zusatz 48 für eine rotatorische Ausrichtung so geformt sein, um andere übliche Kennungsmarken des distalen Femur zur Einstellung einer Drehung zu verwenden. Die Ausrichtungsführung 32 umfaßt außerdem einen Zusatz 50 zur Klammerlokalisierung, der zur Positionierung der Überdeckungsklammer vor einer Befestigung am Femur 10 verwendet werden kann. Der Zusatz 50 zur Klammerlokalisierung kann Gleitstäbe oder eine Zunge aufweisen, die in die Überdeckungsklammer 30 paßt, wie sie im allgemeinen in Instrumenten zur künstlichen Kniegelenkbildung verwendet werden, um eine Schneidführung oder eine Ausrichtungsführung an den Knochen anzuordnen.
Mit der Überdeckungsklammer 30 ist ein Haltearm 34 verbunden, der genutzt wird, um den Femur 10 starr zu positionieren. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Haltearm 34 ein pneumatisch verriegelbarer, flexibler Arm, wie er im Endex-Endoskopie-Positioniersystem (Andronic Devices Ltd., Richmond, B. C., Canada) verwendet wird, der eine ausreichende Festigkeit aufweist, um das Gewicht des Unterschenkels des Patienten völlig über dem Tisch zu halten und einen genügenden Bewegungsbereich aufweist, der zuläßt, dass sich das Bein des Patienten von einer vollen Beugung in eine volle Streckung bewegt, während es an der Überdeckungsklammer 30 festgemacht ist. Der Haltearm 34 ist seitlich des Operationstisches befestigt, so dass er in Bezug auf den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks unbeweglich bleibt.
Der Stellenmarkierer 36 umfaßt zwei oder mehrere lichtemittierende Zusätze 52, die für eine Kamera-Anordnung 38 sichtbar sind. Die Kamera-Anordnung 38, das Gerät 54 zur Digitalisierung und Anzeige von Objekten werden verwendet, um die Position und Orientierung des Stellenmarkierers 36 relativ zum Bezugssystem zu messen, in welchem die Kamera-Anordnung 38 montiert ist. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Kamera-Anordnung 38, das Gerät 54 zur Digitalisierung und Anzeige von Objekten sowie der Stellenmarkierer 36 ein System wie das "FlashPoint 3D Digitalisiergerät" (Pixsys, Boulder, CO) auf, das die Genauigkeit besitzt, um Verschiebungen des Stellenmarkierers 36 innerhalb von 0,1 mm in einem Arbeitsvolumen aufzulösen, das den Verfahren der künstlichen Kniegelenkbildung ähnlich ist. Der Stellenmarkierer 36 kann an der Überdeckungsklammer 30 befestigt werden, so dass er in Bezug auf den Femur 10 unbeweglich bleibt.
Die Knöchelführung 40 ist so geformt, dass sie um das Gewebe des Unterschenkels des Patienten paßt, um bei dessen Bewegung in Bezug auf das Schienbein 12 unbeweglich zu bleiben. Die Knöchelführung 40 umfaßt vorzugsweise einen wie durch Petersen (US-Patent Nr. 4 524 766) beschriebenen Zusatz mit V-Kerbe, um die Knöchelführung 40 bei einer bekannten Verschiebung vom Mittelpunkt 16 des Knöchelgelenks während einer Operation zu lokalisieren. Die Gelenkführung 40 umfaßt weiterhin einen in Form und Funktion des zuvor beschriebenen Stellenmarkierers 36 gleichen zweiten Stellenmarkierer 42. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird sowohl der Stellenmarkierer 36 als auch der zweite Stellenmarkierer 42 verwendet, obwohl ein einziger wieder positionierter Stellenmarkierer genügen könnte.
Die Fig. 5a bis 5c zeigen die Schritte, die unter Verwendung der Vorrichtung der aktuellen Erfindung genutzt werden, um die lasttragende Achse des Patienten während einer Operation zu lokalisieren.
In Fig. 5a ist die Ausrichtungsführung 32 über dem distalen Ende des Femur 10 angebracht und wird verwendet, um Position und Drehung der Überdeckungsklammer 30 relativ zum Femur 10 einzustellen. Die Fixierstifte 44 werden zur Befestigung am Femur 10 durch die Überdeckungsklammer 30 geführt. Der Haltearm 34, der in Bezug auf den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks unbeweglich ist, kann mit der Überdeckungsklammer 30 verbunden werden, bevor oder nachdem sie am Femur 10 befestigt ist. Das Schienbein 12 wird durch die Kreuzbänder vom Femur 10 hängengelassen.
In Fig. 5b ist der Stellenmarkierer 36 an der Überdeckungsklammer 30 befestigt. Bei unverriegeltem Haltearm 34 wird der Femur 10 bewegt, während die Position des befestigten Stellenmarkierers 36 durch die Kamera-Anordnung 38 und das Gerät 54 zur Digitalisierung und Anzeige von Objekten gemessen und digitalisiert wird. Einem Minimum von drei unterschiedlichen Messungen folgend, berechnet das Gerät 54 zur Digitalisierung und Anzeige von Objekten die Lage des Mittelpunktes 14 des Hüftgelenks unter Verwendung der Einschränkungen, dass jeder gemessene Punkt auf der Oberfläche einer Kugel liegt, deren Mittelpunkt sich im Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks befindet, und dass der Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks proximal zum Befestigungspunkt der Überdeckungsklammer 30 liegt. Wiederholte Bewegungen des Femur 10 und örtliche Messungen des Stellenmarkierers 36 werden genutzt, um die Genauigkeit der berechneten Position des Mittelpunkts 14 des Hüftgelenks innerhalb eines gewünschten Bereiches zu verfeinern.
Fig. 5c zeigt, wie die Vorrichtung der aktuellen Erfindung genutzt wird, um den Mittelpunkt 16 des Knöchelgelenks in Bezug auf die Überdeckungsklammer 30 zu lokalisieren, wodurch die lasttragende Achse des Patienten bestimmt wird. Während der Haltearm 34 den in Bezug auf den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks befestigten Femur 10 und die Kamera-Anordnung 38 festhält, werden die Knöchelführung 40 und der befestigte zweite Stellenmarkierer am Schienbein 12 an einer bekannten Position relativ zum Mittelpunkt 16 des Knöchelgelenks angebracht. An diesem Punkt wird die Position des zweiten Stellenmarkierers 42 durch die Kamera-Anordnung 38 und das Gerät 54 zur Digitalisierung und Anzeige von Objekten gemessen und digitalisiert, die eine Lokalisierung des Mittelpunktes 16 des Knöchelgelenks in Bezug auf den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks erlaubt, indem die lasttragende Achse des Patienten in Bezug auf die Überdeckungsklammer 30 und den zur Positionierung der Überdeckungsklammer 30 genutzten Kennungsmarken auf dem Femur 10 lokalisiert wird. Diese Informationen können anschließend durch das Gerät 54 zur Digitalisierung und Anzeige von Objekten angezeigt und durch den Chirurgen genutzt werden, um Schnitte zur Wiederherstellung der Oberfläche am Femur 10 und am Schienbein 12 zu führen.
Der Haltearm 34 sorgt vorteilhafterweise für eine genügend starre Positionierung des Femur 10 und der Überdeckungsklammer 30 in Bezug auf den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks, wobei die Berechnung des Mittelpunkts 16 des Knöchelgelenks in Bezug auf den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks ohne Notwendigkeit, die Überdeckungsklammer 30 im gleichen Augenblick zu messen und zu lokalisieren, erheblich vereinfacht ist.
Ferner kann das Schienbein 12 wiederholt bewegt werden, während die Position des zweiten Stellenmarkierers 42 durch die Kamera-Anordnung 38 und das Gerät 54 zur Digitalisierung und Anzeige von Objekten gemessen und digitalisiert wird, was eine Lokalisierung des geometrischen Ortes des momentanen Kniemittelpunkts 28 in Bezug auf den Mittelpunkt 16 des Knöchelgelenks, den Mittelpunkt 14 des Hüftgelenks und der Überdeckungsklammer 30 zuläßt. Diese Informationen können verwendet werden, um die kinematische Position des Kniegelenks relativ zur Überdeckungsklammer 30 über die durch die Ausrichtungsführung 32 bewirkte anfängliche Lokalisierung der knochigen Kennungsmarken hinaus zu verfeinern.
In die Vorrichtung dieser Erfindung ist eine Ausrüstung zur Informationsverarbeitung 56 einbezogen, um die digitalisierten Positionen zu empfangen, die durch die Ausrüstung 54 zur Digitalisierung und Anzeige von Objekten aufgenommen, berechnet und angezeigt werden, und um diese Informationen in geeigneter Form weiter zu verarbeiten, so dass sie verwendet werden können, um eine durch Roboter gesteuerte Ausrüstung zum Knochenschneiden zu leiten, wie es durch Matsen und andere (US-Patent Nr. 4 979 949) in der Ausführung von optimalen Knochenschnitten in Bezug auf die Gelenkmittelpunkte und die lasttragende Achse des Patienten beschrieben ist.
An dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel können viele Anpassungen und Änderungen im Umfang der angefügten Patentansprüche vorgenommen werden. Obwohl beispielsweise ein optisches System zum Messen der Position der am Femur und am Schienbein befestigten Bezugspunkte verwendet wurde, könnten zum Beispiel diese Messungen alternativ mit Ultraschall- oder magnetischen Sendern und Empfängern ausgeführt werden. Ferner könnte eine direkte Messung der Knochenpositionen durchgeführt werden, indem Präzisions-Widerstandsbauelemente, wie induktive Wegaufnehmer (LVDT) verwendet werden, wobei ein Ende an den Knochen befestigt und das gegenüberliegenden Ende in einem bekannten Bezugssystem angeordnet ist.
Außerdem könnte an die Knochen ein Kreiselsystem zum genauen Messen von Winkeländerungen, wie GyroEngine (Gyration Inc., Saratoga, CA) angelegt werden, um digitalisierte Signale zu erzeugen, die die in den Knochen gemessenen Änderungen der Winkelposition darstellen. Wenn die Kreiselgeräte nur eine Winkelmessung bereitstellen, sind weitere Informationen notwendig, um Gelenkmittelpunkte zu lokalisieren, wobei dies bewerkstelligt werden kann, indem die Knochen durch eine Wegstrecke mit bekannten Entfernungen bewegt wird, während die Winkeländerungen aufgezeichnet werden, wodurch Maßstabsinformationen bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise kann der beschriebene Haltearm verwendet werden, um die Wegstrecke der Knochen auf eine bekannte Länge zu begrenzen, während sie bewegt werden, indem diese Maßstabsfestlegung in einer im Operationssaal leicht durchgeführten Art und Weise bewirkt wird.

Claims

1. Vorrichtung zur intraoperativen Lokalisierung des funktionellen Mittelpunktes (14) der Hüfte zur künstlichen Kniegelenkbildung, umfassend:

Mittel (38) zur Messung von räumlichen Ortsänderungen eines Punktes (36) relativ zu einem Bezugssystem;

Mittel (30, 44) zur Befestigung einer Meßeinrichtung an einer Bezugsposition auf dem Femur eines Patienten;

Mittel zum Festhalten der Gelenkpfanne des Patienten, so dass einer Verschiebung des Femurkopfes während einer Drehung des Femur im Bezugssystem ein Widerstand entgegengesetzt wird, und

Mittel zum Berechnen der Lokalisierung einer imaginären Kugel aus den gemessenen Positionsänderungen der Bezugsposition auf dem Femur, die sich aus zumindest drei unstetigen Drehungen des Femur um den Femurkopf innerhalb des Bezugssystems ergeben, wobei die Lokalisierung des Mittelpunktes der Kugel der Lokalisierung des funktionellen Mittelpunktes der Hüfte entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Messung von räumlichen Ortsänderungen eines Punktes relativ zu einem Bezugssystem weiter eine Kamera-Anordnung (38) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der das Mittel zur Befestigung einer Meßeinrichtung an einer Position auf dem Femur weiter eine Überdeckungsklammer (30) zum Befestigen an dem Femur in einer bestimmten Entfernung von der distalen Auflagefläche des Femur und einer bekannten Drehung um die anatomische Achse des Femur aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der die Mittel zur Befestigung einer Meßeinrichtung an einer Position auf dem Femur weiter einen Stellenmarkierer (36) mit lichtemittierenden Eigenschaften aufweist.

5. Vorrichtung zur intraoperativen Lokalisierung des funktionellen Mittelpunkts der Hüfte zur künstlichen Kniegelenkbildung, umfassend:

einen Stellenarkierer (36) mit lichtemittierenden Eigenschaften, wobei der Stellenmarkierer zur starren Befestigung an dem Femur angepaßt ist;

eine Kamera-Anordnung (38) zur Messung von Ortsänderungen des Markierers (36) relativ zu einem Bezugssystem;

eine selbsthaltende Befestigung (34) zum Festhalten der Gelenkpfanne eines Patienten, so dass einer Verschiebung des Femurkopfes im Bezugssystem ein Widerstand entgegengesetzt wird; und

Digitalisierungs- und Anzeigegerät (54), das verbunden ist mit der Kamera-Anordnung (38) zum Berechnen des funktionellen Mittelpunktes der Hüfte als Mittelpunkt einer theoretischen Kugel, die auf ihrer Oberfläche drei oder mehrere diskrete Positionen des Stellenmarkierers (36) aufweist, die durch die Kamera-Anordnung (38) gemessen werden, wenn der Femur um den Femurkopf relativ zu dem Bezugssystem gedreht wird.