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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Systeme für die operative Behandlung
von Kniegelenken und insbesondere für Implantationen von Prothesen
in Kniegelenken. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung
ein System zur Verwendung bei Implantationen von Kniegelenksprothesen,
die zur Verbesserung der Kinematik eines Kniegelenks die bei der
Implantation erforderliche Positionierung der Prothesen sowie notwendige
Veränderungen
von Weichteilstrukturen des Kniegelenks optimiert.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
der operativen Wiederherstellung der Form und Funktion des Bewegungsapparates
spielt die präzise,
räumliche,
geometrische Planung und Durchführung
von Eingriffen an knöchernen
Strukturen eine besondere Rolle. Bei der Planung werden konventionelle
Röntgenprojektionsaufnahmen, räumliche
Röntgenaufnahmen,
Magnetresonanztomographieaufnahmen und Röntgencomputertomographieaufnahmen
verwendet, um die anatomischen geometrischen Verhältnisse
der zu behandelnden knöchernen
Strukturen zu erfassen und daraus die zur Implantation der Prothesen
erforderlichen Knochenschnitte und -bohrungen zu definieren sowie
geeignete Prothesen auszuwählen.
Ferner werden diese Informationen verwendet, um implantatspezifische
standardisierte Sage- und
Bohrlehren auszuwählen,
die für
einzelne Operationen wie z. B. Knie- oder Hüft-Prothesen-Implantationen
an anatomische Standardsituationen angepaßt verfügbar sind. Da die Positionierung
derartiger Werkzeugführungen
herkömmlicherweise
von dem Operateur manuell durchgeführt wird, ist es möglich, daß die Lage
und Orientierung der Werkzeugführungen
von der präoperati ven
Planung zum Teil stark abweicht. Die gemäß derartiger fehlerhaft positionierter
Werkzeugführungen durchgeführten Bearbeitungen
knöcherner
Strukturen führen
dazu, daß die
Prothesen fehlerhaft/ungenau positioniert implantiert werden. Folglich
erhält der
operativ behandelte Teil des Bewegungsapparates (z. B. Gelenke)
eine von der ursprünglichen
abweichende Form, wodurch dessen Funktion nicht mehr oder nur unzureichend
wiederhergestellt werden kann.
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Der
bei dieser Vorgehensweise erforderliche Einsatz medizinischer bildgebender
Verfahren stellt für
den Patienten nicht nur eine psychologische Belastung (z. B. durch
die räumlich
beengte CT-Röhre) dar,
sondern belastet ihn auch durch Röntgenstrahlen. Diese Belastungen
werden häufig
dadurch erhöht,
daß der
zur Planung erforderliche Einsatz medizinischer bildgebender Verfahren
wiederholt durchgeführt
werden muß.
Außerdem
ist der Einsatz medizinischer bildgebender Systeme zum Teil äußerst kostenintensiv.
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Ferner
werden bei dieser Vorgehensweise die Auswahl der operativen Bearbeitungsschnitte knöcherner
Strukturen sowie die Auswahl der zu verwendenden Implantate/Prothesen
ohne Berücksichtigung
der patientenspezifischen Kinematik des zu behandelnden Teils des
Bewegungsapparates durchgeführt.
Dies kann dazu führen,
daß die
Form und Funktion des betreffenden Teils des Bewegungsapparates
nicht oder nur unzureichend wiederhergestellt werden kann. Dies
führt nicht
nur zu einem unerwünschten
Behandlungsergebnis dieses Teils des Bewegungsapparates, sondern
kann auch langfristig andere Teile des Bewegungsapparates in ihrer
Funktion beeinträchtigen.
So können
beispielsweise fehlerhaft/ungenau implantierte Hüftendoprothesen längerfristig
zu Schäden/Beein-trächtigungen
der Wirbelsäule
führen.
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Ein
weiterer Nachteil der herkömmlichen Vorgehensweise
bei der Implantation von Prothesen besteht darin, daß bei der
Entfernung des die zu behandelnden knöchernen Strukturen umgebenden Weichteilgewebes
standardisiert vorgegangen wird. Dabei wird ohne Berücksichtigung
der patientenspezifischen Gegebenheiten und/oder der zu verwendenden
Implantate "lehrbuchmäßig" eine (Mindest)Menge
an Weichteilgewebe entfernt, um auf diese Weise die zu behandelnden
knöchernen
Strukturen so "großzügig" freizulegen, daß die Implantation
der Prothesen sichergestellt werden kann. Folglich wird bei vielen
derartigen Eingriffen (wesentlich) mehr Weichteilgewebe entfernt
als notwendig. Dies stellt nicht nur für den Patienten eine höhere Belastung
beispielsweise in Form erhöhten
Blutverlustes, verlängerter
Rekonvaleszenz und erschwerter Rehabilitation dar, sondern verlängert auch
den entsprechenden operativen Eingriff. Dies führt zu einer erhöhten intraoperativen
Belastung des Patienten und zu einer Verteuerung des Eingriffs,
was insbesondere angesichts der wirtschaftlichen Situation des Gesundheitswesens
unerwünscht
ist.
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Ferner
erlaubt diese Vorgehensweise keine unmittelbare Beurteilung des
Implantationsergebnisses, da die Form und insbesondere die Funktion
des behandelten Teils des Bewegungsapparates nicht intraoperativ überprüft wird.
Auch eine von der Planung abweichende Durchführung des Eingriffes ist nicht vorgesehen,
um beispielsweise anatomische, geometrische Verhältnisse der betreffenden knöchernen Strukturen
zu berücksichtigen,
die von den entsprechenden präoperativ
gewonnenen Informationen nicht wiedergegeben werden oder von diesen
abweichen.
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Diese
Probleme sind insbesondere bei der Implantation von Kniegelenksendoprothesen
bedeutsam. Das hohen Belastungen ausgesetzte und "ungünstig konstruierte" Kniegelenk erfordert
bei der Implantation von Endoprothesen im Vergleich zu anderen Endoprothesen
(z. B. Hüftendoprothesen)
eine besonders hohe Genauigkeit. Ungenau positionierte Prothesen
für Kniegelenke
führen
nicht nur zu einer deutlichen Reduktion der Lebensdauer derselben, sondern
oftmals auch zu einer Beschädigung
der knöchernen
Strukturen, an denen die Prothesen/Implantate befestigt sind. Folglich
reicht es bei einer erneuten Behandlung des Kniegelenks nicht mehr
aus, lediglich die Prothesen/Implantate zu ersetzen, vielmehr müssen oftmals
auch knöcherne
Strukturen des Ober- und/oder Unterschenkels entfernt und ersetzt
werden. Dies ist häufig
nur mit hohem Aufwand oder überhaupt
nicht möglich,
wobei es im letzteren Fall erforderlich sein kann, das Kniegelenk
zu versteifen oder sogar eine Amputation oberhalb des Kniegelenks
durchzuführen.
Daher werden, im Gegensatz zu Hüftendoprothesen,
die schon bei "leichten" Beschädigungen
des Hüftgelenks
eingesetzt werden, Knieendoprothesen trotz zum Teil starker Einschränkungen
der Funktion des Kniegelenks nicht oder verspätet implantiert. Dies führt im allgemeinen
nicht nur zu einer weiteren Verschlechterung der Kniegelenksfunktion,
sondern auch zu Beeinträchtiugngen/Beschädigungen
anderer Teile des Bewegungsapparates (z. B. Hüftgelenke, Wirbelsäule) aufgrund
einer geänderten
unnatürlichen
Bewegungsmotorik, mit der die eingeschränkte/beeinträchtigte
Funktion des Kniegelenks kompensiert wird.
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Ein
weiteres Problem bei der herkömmlichen Vorgehensweise
zur Implantation von Prothesen ergibt sich insbesondere bei der
Implantation von Knieendoprothesen, wenn dort Prothesen implantiert
werden, um Fehlstellungen oder Fehlfunktionen des Knies zu behandeln.
Beispiele für
Kniefehlstellungen sind das Genu valgum (X-Beine) und das Genu warum
(O-Beine). Ein Beispiel für
eine Kniefehlfunktion ist das Genu recurvatum, bei dem das Kniegelenk aufgrund
einer Bänderschlaffheit
eine Überstreckung des
Unterschenkels nach hinten zuläßt. In diesen Fällen ist
es neben der Implantation von entsprechenden Prothesen notwendig,
auch Weichteilgewebestrukturen des Knies operativ zu verändern. Hierbei
werden Weichteilgewebestrukturen, wie z. B. Muskeln und Sehnen in
ihrer auf die Kniefehlstellung und/oder -fehlfunktion zurückzuführenden
Form so verändert,
daß sie
in Verbindung mit den Prothesen eine gewünschte Knieform und -funktion
ermöglichen.
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Insbesondere
bei den zuletzt dargestellten Fällen
können
normalerweise keine standardisierten Werkzeugführungen für die Bearbeitung der knöchernen
Strukturen des Knies verwendet werden, da die Prothesen patientenspezifisch
implantiert werden müssen,
wobei die Lage und Positionierung der Prothesen, d. h. die entsprechenden
Bearbeitungen der knöchernen
Strukturen, individuell definiert werden müssen. Eine standardisierte "lehrbuchmässige" Vorgehensweise ist
hier im allgemeinen nicht geeignet.
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Das
Dokument
DE 197 09
960 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
präoperativen Bestimmung
der Positionsdaten von Endoprothesenteilen. Es werden Markierungselemente,
wie etwa Strahlungssender oder reflektierende Kugeln, an mindestens
vier Knochen mit drei angeschlossenen Gelenken angebracht. Eine
Datenverarbeitungsanlage bestimmt dann für jedes Gelenk den Punkt der größten Invarianz
bei der Bewegung der beiden das Gelenk bildenden Knochen und ermittelt
als Anlageflächen
für die
Endoprothesenteile dienende Sägeebenen.
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Das
Dokument
DE 44 18 475
A1 offenbart ein Verfahren und eine Messanordnung zur Analyse des
menschlichen Ganges. Dabei wird für die jeweilige Testperson
mittels eines Laufbandes ein bestimmtes reproduzierbares Laufregime
eingestellt und eine im Wesentlichen gleichbleibende Laufphase durch Energieverbrauchsmessung
ermittelt.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im allgemeinen darin,
die oben genannten Probleme bei der Implantation von Prothesen und
insbesondere bei der Implantation von Kniegelenksendoprothesen zu
beseitigen. Im Speziellen soll es die vorliegende Erfindung ermöglichen,
Kniegelenksendoprothesen auszuwählen,
die der jeweiligen patientenspezifischen Kniekinematik entsprechen,
die erforderlichen operativen Behandlungsschritte der knöchernen
Strukturen, an denen Kniegelenksendoprothesen angebracht werden
sollen, und damit die Implantation derartiger Prothesen genauer
durchzuführen
und sowohl die intraoperative als auch die präoperative Belastung des Patienten
zu minimieren.
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Erfindungsgemässe Lösung
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Ein
wesentlicher Unterschied zwischen der Erfindung und der oben beschriebenen
herkömmlichen
Vorgehensweise bei der Implantation von Knieendoprothesen besteht
darin, dass die zur Planung und Durchführung der entsprechenden operativen Schritte
erforderlichen Informationen nicht präoperativ unter Verwendung eines
medizinischen bildgebenden Systems/Verfahrens, sondern intraoperativ unter
Verwendung eines optischen Systems bereitgestellt werden, das räumliche
geometrische anatomische Daten hinsichtlich des zu behandelnden Kniegelenks
liefert. Mit dem optischen System werden anatomische, geometrische
Parameter des Beines mit dem zu behandelnden Knie, insbesondere des
pelvinen Endes des Femurs, der Enden des Femurs und der Tibia, die
das Kniegelenk bilden, und des Knöchels erfasst. Ferner werden
mit dem optischen System Daten erfasst, die den Bewegungsbereich
des Beines und insbesondere des Kniegelenks beschreiben. Aus diesen
Daten wird die ursprüngliche
Kinematik des zu behandelnden Knies ermittelt.
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Ausgehend
von der ermittelten Kniekinematik und vorzugsweise unter Berücksichtigung
der Kniekinematik, die durch den operativen Eingriff erreicht werden
soll, werden die Positionierungen der zur Durchführung der Bearbeitung der relevanten knöchernen
Strukturen (i.e. Tibia und Femur) erforderlichen Werkzeugführungen
(i.e. Schnittführungsschablonen,
Bohrführungen,...)
definiert.
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Ferner
werden auf der Grundlage der erfaßten Daten bzw. der ermittelten
ursprünglichen
Kniekinematik geeignete Implantate/Prothesen ausgewählt. Hierbei
kann auf standardisierte Implantate/Prothesen für die Tibia und/oder den Femur
zurückgegriffen
werden. Vorzugsweise werden patientenspezifische individuell gestaltete
Implantate/Prothesen verwendet, wobei diese vorteilhafterweise intraoperativ
hergestellt und/oder unter Rückgriff
auf standisierte Implantate/Prothesen durch Bearbeitung derselben
während
der Operation bereitgestellt werden.
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Sollen
bei dem Eingriff neben der Implantation von Implantaten/Prothesen
auch Weichteilgewebestrukturen verändert werden, um eine gewünschte Kniekinematik
zu erreichen, wird zusätzlich
zu der ursprünglichen
Kniekinematik eine aktuelle Kniekinematik ermittelt. Hierfür werden
nach der Ermittlung der ursprünglichen
Kniekinematik entsprechende Weichteilstrukturen des Knies in einer
Weise operativ verändert,
von der auszugehen ist, daß sie
zu der gewünschten
Kniekinematik führt.
Danach werden, wie oben beschrieben, die geometrischen anatomischen Parameter
des Beines sowie die den Bewegungsbereich desselben angebenden Daten
mit dem optischen System erfaßt.
Aus diesen Daten wird dann die aktuelle Kniekinematik ermittelt.
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Aus
einem Vergleich der ursprünglichen Kniekinematik
mit der aktuellen Kniekinematik wird, wie oben beschrieben vorzugsweise
unter Berücksichtigung
der gewünschten
Kniekinematik, die Positionierung der Werkzeugführungen sowie die Auswahl/Definition
der Implantate/Prothesen und deren Positionierung vorgenommen.
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Ferner
erlaubt dieser Vergleich der ursprünglichen und der aktuellen
Kniekinematik die vorgenommenen Veränderungen der Weichteilgewebestrukturen
hinsichtlich der gewünschten
Kniekinematik zu beurteilen. Folglich können dann – falls erforderlich – weitere
Eingriffe an den Weichteilgewebestrukturen vorgenommen werden, um
die resultierende Kniekinematik zu optimieren, d. h. der gewünschten
Kniekinematik in höherem
Maße zu
entsprechen. Hierbei ist es möglich,
daß diese
Veränderungen
der Weichteilgewebestrukturen vor der Auswahl/Definition der Implantate/Prothesen
und/oder unter Berücksichtigung
ausgewählter/definierter
Implantate/Prothesen vorzunehmen.
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Außerdem erlaubt
die Erfassung der Kniekinematik eine intraoperative Beurteilung
der Funktion des Kniegelenks nach der Implantation der Prothesen.
Unter Verwendung des optischen Systems wird eine Bewegungsanalyse
zur Erfassung der Kniekinematik durchgeführt, wodurch es schon intraoperativ möglich ist,
unvorteilhaft positionierte Implantate/Prothesen zu repositionieren.
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Vorteile der Erfindung
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Eingriffe nicht aufgrund
präoperativ
gewonnener Informationen durchgeführt werden, die zum Teil "in großem zeitlichen
Abstand vor dem Eingriff erfaßt wurden,
wodurch es möglich
ist, daß diese
Informationen den tatsächlichen,
beim Eingriff vorliegenden Zustand des Knies nicht oder nur unzureichend
wiedergeben.
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Ferner
ist es bei der Erfindung nicht mehr erforderlich, kosteninstensive
medizinische bildgebende Systeme (präoperativ) zu verwenden, wodurch auch
die oben genannten Belastungen für
den Patienten entfallen.
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Außerdem führt die
Erfindung zu optimierten Operationsergebnissen, da nicht nur die
anatomischen geometrischen Parameter des Knies, sondern die Kinematik
des Knies berücksichtigt
wird.
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Insbesondere
der Ansatz die Kniekinematik intraoperativ zu ermitteln, erlaubt
schon während
des Eingriffs eine Beurteilung der vorgenommenen Operationsschritte.
Bei herkömmlich
geplanten und/oder durchgeführten
Operationen kann die resultierende Kniekinematik erst postoperativ
(z.B. während
der Rehabilitation) beurteilt werden. Entspricht die resultierende
Kniekinematik nicht der gewünschten/erforderlichen
Kniekinematik, werden somit erneute Eingriffe erforderlich. Dies
wird erfindungsgemäß vermieden,
da hier die resultierende Kniekinematik schon intraoperativ beurteilt
werden kann. Dies erlaubt es intraoperativ die Implantate/Prothesen
so auszuwählen/definieren
und/oder die Weichteilstrukturen so zu verändern, daß die resultierende Kniekinematik
der gewünschten
Kniekinematik möglichst nahekommt
oder dieser entspricht.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
detailliert beschrieben, von denen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Startmenüs des erfindungsgemäßen Systems,
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2 eine
schematische Darstellung der virtuellen Tastatur für das erfindungsgemäße System,
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3 eine
Anordnung der aktiven femoralen und tibialen Referenzrahmen für das optische
System sowie die femuralen und tibialen Klemmen zum Befestigen derselben,
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4 eine
schematische Darstellung des Menüs
zur Initialisierung des optischen Systems,
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5 eine
schematische Darstellung einer grafischen Benutzungsschnittstelle
des erfindungsgemäßen Systems,
die mit dem optischen Meßsystem
erfaßte
Daten für
die Hüfte
wiedergibt,
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6 eine
schematische Darstellung einer grafischen Benutzungsschnittstelle
des erfindungsgemäßen Systems,
die bei der Erfassung des Zentrums des Knies und der A-P-Achse verwendet
wird,
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7, 8 und 9 schematische
Darstellungen von grafischen Benutzungsschnittstellen des erfindungsgemäßen Systems,
die eine Kniekinematik wiedergeben,
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10 eine
schematische Darstellung einer femuralen Werkzeugführung,
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11 eine
schematische Darstellung einer tibialen Werkzeugführung, und
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12 schematische
Darstellungen von Grafiken einer Benutzungsschnittstelle des erfindungsgemäßen Systems,
die die Positionierung einer Werkzeugführung wiedergeben.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Für die Erfassung
von Daten, die geometrische anatomische Parameter eines Beines mit
einem zu behandelnden Kniegelenk und Parameter hinsichtlich des
Bewegungsbereiches des Beines wiedergeben, wird ein optisches System
verwendet. Bei dem optischen System beruht die optische Lokalisierung
von räumlichen
Punkten, die zur Ermittlung der genannten Daten erforderlich sind,
auf der Identifikation von Punkten in räumlich versetzten Kamera-Bildkoordinatensystemen.
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Hierfür umfaßt das optische
System Kameras, die hinsichtlich ihrer räumlichen Lagebeziehung und
Abbildungseigenschaften kalibriert sein müssen. Um die räumlichen
Punkte zu identifizieren, die zur Erfassung der oben genannten Daten
dienen, werden an vorbestimmten Stellen des Beines Marker angebracht,
deren räumliche
Lagebeziehung zu dem Bein vordefiniert ist oder nach deren Befestigung
ermittelt werden muß.
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Als
Marker können
passive Marker oder aktive Marker verwendet werden. Beispiele für passive Marker
sind Marker mit einer Oberflächenbeschaffenheit,
die im Verhältnis
zu der Umgebung einen optisch (eindeutig) detektierbaren Kontrast
haben, oder reflektierende Marker, die vorzugsweise Licht bestimmter
Wellenlänge,
z. B. Infrarotlicht, reflektieren. Aktive Marker umfassen Marker,
die Licht einer vorbestimmten Wellenlänge (z. B. Infrarotlicht) emittieren,
oder Marker, die Licht gepulst mit einer vorbestimmten Frequenz
emittieren, wobei hierfür
vorzugsweise lichtemittierende Dioden verwendet werden. Sowohl für passive
als auch für
aktive Marker sollten Marker verwendet werden, die möglichst
kleine geometrische Abmessungen aufweisen, um bei der Erfassung
der räumlichen
Punkte bzw. der oben genannten Daten eine möglichst hohe räumliche
Auflösung
für das
optische System zu ermöglichen.
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Um
nicht nur Bereiche des Beins mit dem optischen System zu erfassen,
denen Marker zugeordnet sind, wird eine Digitalisierungseinrichtung,
z. B. in Form einer freibeweglichen Sonde, verwendet, deren räumliche
Lagebeziehung zu dem Bein vorzugsweise ebenfalls durch das optische
System, beispielsweise unter Verwendung von an der Digitalisierungseinrichtung
angebrachten Markern, erfaßt
werden.
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In
Verbindung mit der Erfindung kann ein beliebiges optisches System
verwendet werden, solange damit geometrische anatomische Daten sowie Daten
eines Beines erfaßt
werden können,
die dessen Bewegungsraum angeben. Hierfür muß das System in der Lage sein,
einzelne Punkte, Oberflächenbereiche
sowie Bewegungen des Beines zu erfassen. In diesem Zusammenhang
ist zu betonen, daß diese
Erfassung nicht nur für
außenliegende
Bereiche des Beines (z. B. Hautbereiche), sondern auch für in dem
Bein liegende Strukturen (z. B. knöcherne Strukturen, Muskeln,
Sehnen,...) durchzuführen
ist.
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Bei
der Auswahl eines optischen Systems ist darauf zu achten, daß dessen
räumliche
und zeitliche Auflösung
ausreichend hoch ist, damit die genannten Daten in einer Weise erfaßt werden
können,
die für einen
Eingriff an einem Kniegelenk erforderlich ist. Die Genauigkeit bekannter
Systeme liegt in einem Bereich von 0,1 bis 1 mm, wobei Meßraten zwischen 100
und 2500 Hz verwendet werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Eingriffes an einem Kniegelenk
beschrieben, bei dem femurale und tibiale Prothesen implantiert
und Veränderungen
von Weichteilgewebestrukturen des Knies vorgenommen werden. Hierfür wird das
erfindungsgemäße Softwareprogramm "Knee Track" verwendet, welches über Benutzungsschnittstellen
den Operateur bei der Durchführung
des Eingriffes beispielsweise durch Vorgabe durchzuführender
Behandlungsschritte unterstützt
und ihm ermittelte und/oder erfaßte Daten/Parameter in grafischen
Darstellungen bereitstellt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Benutzungsschnittstelle dieses
Softwareprogrammes mit dem Startmenü, das dem Operationsteam/Operateur
zu Beginn des Eingriffs angezeigt wird.
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In
einem ersten Schritt werden unter dem Menüpunkt "Patientendaten" persönliche Daten eines Patienten,
wie z. B. Name, Größe, Gewicht,
allgemeiner Gesundheitszustand, Abmessungen der Extremitäten, etc.
eingegeben, falls diese nicht schon in dem System vorliegen.
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Unter
dem Menüpunkt "set-up" kann eine mit dem
System verbindbare virtuelle Tastatur initialisiert werden (2).
Ohne Verwendung der virtuellen Tastatur wird das Softwareprogramm,
das auf einem Rechnersystem mit einem grafischen Display installiert
ist, durch Eingaben an dem Rechnersystem gesteuert. Dies ist bei
operativen Eingriffen häufig
nicht oder nur mit Unterstützung
vom Bedienungspersonal möglich,
da ein solches Rechnersystem normalerweise nicht in dem eigentlichen
Operationsbereich oder in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet ist (werden darf).
Die virtuelle Tastatur ist eine spezielle Einga beeinrichtung, die
aufgrund ihrer Größe und Sterilisierbarkeit
in dem Operationsgebiet oder in dessen unmittelbarer Nachbarschaft
so angeordnet werden kann, daß der
Operateur bzw. Mitglieder des Operationsteams das Softwareprogramm
steuern können.
Hierbei ist es möglich,
das grafische Display des Rechnersystems durch eine grafische Wiedergabeeinrichtung
(z.B. LCD-Display) zu ersetzen, die baueinheitlich mit der virtuellen
Tastatur verbunden oder in deren unmittelbarer Nähe angeordnet ist.
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Ferner
wird unter dem Menüpunkt "set-up" das optische System
initialisiert, das wie oben beschrieben, für die Erfassung von Daten des
Beines und wie im folgenden beschrieben für Navigationsaufgaben verwendet
wird, die im Zusammenhang mit der Positionierung/Implantierung von
Werkzeugführungen
und/oder Implantaten/Prothesen erforderlich sind. Um die räumliche
Lagebeziehung des zu behandelnden Beines im Verhältnis zu dem optischen System
zu erfassen, werden an dem Bein Marker angebracht.
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Wie
in 3 dargestellt, werden hierfür unter Verwendung einer femuralen
und einer tibialen Klemme, die an dem operativ freigelegten Femur
und der Tibia in der Nähe
des Kniegelenks angebracht werden, jeweils aktive Marker, sog. "dynamische Referenzrahmen", verwendet. Die
dynamischen Referenzrahmen (DRF = Dynamic Reference Frame) sind mit
einem Schnellverschluß mit
den Klemmen reproduzierbar, wiederholbar und in eindeutiger Lagebeziehung
zu diesen verbindbar. Ferner weisen die dynamischen Referenzrahmen
vier Leuchtdioden auf, die wie oben beschrieben, mit dem optischen
System zusammenwirken.
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Um
das Bein des Patienten im Verhältnis
zu dem Arbeitsbereich des optischen Systems auszurichten, wird das
Operationsteam bei der Anordnung des Beines, der dynamischen Referenzrahmen
und falls notwendig des optischen Systems (insbesondere der Kameras
desselben) von dem Softwareprogramm unterstützt. Hierfür wird die in 4 dargestellte
Benutzungsschnittstelle verwendet. Nach Beendigung des Menüpunkts "set-up" ist der Arbeitsraum
des optischen Systems für
den jeweiligen Operationsbereich festgelegt.
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Danach
werden unter dem Menüpunkt "anatomischer Überblick" unter Verwendung
einer oben beschriebenen Digitalisierungseinrichtung die genannten
Daten des Beines erfaßt.
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Zur
Bestimmung des Rotationszentrums des Femurkopfes wird das optische
System für
eine Bewegungsanalyse verwendet. Hierfür wird das Bein um die Hüfte so rotiert,
daß es
mit dem Knie einen großen
Konus beschreibt. Zur Erfassung von räumlichen Punkten, die zur Bestimmung
des Rotationszentrums des Femurkopfes in dessen Bereich erfaßt werden,
wird die Digitalisierungseinrichtung am pelvinen Ende des Beines
verwendet. Alternativ ist es auch möglich, daß im Bereich des Femurkopfes
ein weiterer dynamischer Referenzrahmen verwendet wird. Dieser ist
wie die femuralen und tibialen dynamischen Referenzrahmen unmittelbar
an dem Femur in der Nähe
dessen Kopfes anzubringen. Dieser Digitalisierungsschritt ergibt
einen Ersatz von Punkten, die auf der Oberfläche einer Sphäre liegen,
in deren Zentrum der Femurkopf liegt. Daraus wird das Rotationszentrum
des Femurkopfes ermittelt. Eine grafische Darstellung derartiger
Punkte ist in 5 dargestellt.
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Zur
Erfassung der medialen und laterialen Epikondylen werden unter Verwendung
der Digitalisierungseinrichtungen entsprechende einzelne Punkte
an den Epikondylen digitalisiert. Das Ergebnis dieser Schritte wird
ebenfalls grafisch dargestellt, wobei die digitalisierten Punkte
als kleines Sphären wiedergegeben
werden, die zu einer Stabgrafik verbunden sind.
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In
vergleichbarer Weise wird das Zentrum des Knies durch Digitalisierung
eines entsprechenden Punktes ermittelt (siehe 6).
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Um
die distale A-P-Achse (Anterior-Posterior-Achse) des Femurs zu ermitteln,
werden entsprechende Punkte im Bereich des Kniegelenkes sowie ein
Vektor digitalisiert, der die A-P-Achse angibt. Hierfür wird die
Digitalisierungseinrichtung parallel zu der A-P-Achse gehalten und
durch das Zentrum des Knies geführt.
Das Ergebnis dieses Schrittes ist in 6 durch
die von oben nach unten verlaufende Linie in der grafischen Darstellung
der Benutzungsschnittstelle angedeutet.
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Ferner
werden die medialen und lateralen Oberflächenbereiche der Kondylen mittels
einer Oberflächendigitalisierung
erfaßt.
Hierfür
werden auf den Kondylen zehn bis zwanzig unterschiedliche Punkte
mit der Digitalisierungseinrichtung erfaßt, wobei insbesondere darauf
zu achten ist, daß auch
distale und posteriore Bereiche der Kondylen digitalisiert werden.
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Wie
bei dem Femur ist es auch erforderlich, anatomische geometrische
Daten der Tibia zu erfassen. In einem ersten Schritt wird das Zentrum
der Tibia erfaßt,
wobei das Zentrum des tibialen Plateaus mittels einer Einzelpunktdigitalisierung
bestimmt wird.
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Zur
Erfassung der medialen und lateralen tibialen Kompartimente werden
die entsprechenden medialen und laterialen tibialen Plateaubereiche
als Oberflächen
digitalisiert.
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Des
weiteren werden das Zentrum des Knöchels sowie der mediale Malleolus
und der laterale Malleolus erfaßt,
wobei wie bei der Erfassung des Zentrums des Knies und der Epikondylen
entsprechende Punkte digitalisiert werden.
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Auf
der Grundlage der so erfaßten
Daten berechnet das Softwareprogramm die ursprüngliche Kinematik des Knies
und stellt diese Ergebnisse in Form von grafischen Darstellungen
und/oder tabellarisch zur Verfügung
(siehe 7, 8 und 9). Auf
diese Weise erhält
das Operationsteam Informationen über die Stabilität, Distraktibilität, Flexion
und dergleichen des Knies für
verschiedene Stellungen (Varus/Valrus, Flexion/Extension, Anterior-Posterior,...)
desselben. Diese Schritte werden unter dem Menüpunkt "ursprüngliche Kinematik" ausgeführt.
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Danach
werden durch geeignete operative Maßnahmen Weichteilgewebestrukturen
des Knies so verändert,
mit denen die für
das zu behandelnde Knie gewünschte
Kinematik erreicht werden soll. Zur Beurteilung der Veränderungen
der Weichteilgewebestrukturen wird die intraoperative aktuelle Kniekinematik
ermittelt, die aus diesen Veränderungen
resultiert. Hierfür
werden die für
den Menüpunkt "anatomischer Überblick" beschriebenen Digitalisierungsschritte
zur Erfassung des Bewegungsraumes des Beins und insbesondere des
Knies wiederholt und auf der Grundlage der dort ermittelten Daten
wird vergleichbar zu dem Menüpunkt "ursprüngliche
Kinematik" unter
dem Menüpunkt "intraoperative Kinematik" die aktuelle Kinematik
des Knies berechnet.
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Danach
werden die ursprüngliche
und die aktuelle Kniekinematik verglichen, um zu beurteilen, ob
die vorgenommenen Veränderungen
der Weichteilgewebestrukturen geeignet/ausreichend sind, um die
gewünschte
Kniekinematik zu erreichen. Ist dies nicht der Fall, werden entsprechende
weitere Veränderungen
der Weichteigewebestrukturen vorgenommen und diese wie beschrieben
erneut beurteilt. Erlauben die vorgenommenen Veränderungen der Weichteilgewebestrukturen
das Erreichen der gewünschten
Kniekinematik, werden auf der Grundlage der erfaßten Daten und der in dem System
vorliegenden Patientendaten geeignete Werkzeugführungen und geeignete Implantate/Prothesen
definiert.
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Während bei
der Auswahl von Werkzeugführungen
normalerweise auf ein standardisiertes Instrumentarium zurückgegriffen
wird, können
für die Implantate/Prothesen
standardisierte vorgefertigte Implantate/Prothesen oder individuell
angepaßte
Implantate/Prothesen verwendet werden.
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Im
Fall individueller Implantate/Prothesen können vorgefertigte Rohlinge
während
des Eingriffs so bearbeitet werden, daß sie den patientenspezifischen
Anforderungen entsprechen. Es ist aber auch möglich, individuelle Implantate/Prothesen
unter Verwendung entsprechender vorzugsweiser miniaturisierter Bearbeitungseinheiten
während
der Operation herzustellen. Derartige Bearbeitungseinheiten können in
einem dem Operationssaal be nachbarten Raum angeordnet und mit dem
Softwareprogramm verbunden sein, um unter Einhaltung hygienischer Vorgaben
für operative
Eingriffe individuelle Implantate/Prothesen schnell und ohne Transportaufwand herzustellen.
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Beispiele
für Werkzeugführungen
zur Bearbeitung des Femurs und der Tibia im Bereich des Kniegelenks
sind in den 10 und 11 gezeigt. Zur
Positionierung der Werkzeugführungen,
die ebenfalls auf der Grundlage der erfaßten Daten sowie der ermittelten
ursprünglichen
und aktuellen Kniekinematik definiert wird, werden an diesen mit der
Digitalisierungseinrichtung vergleichbare Einrichtungen (z.B. Sonden)
angebracht. Die Sonden ermöglichen
es, die räumliche
Lagebeziehung der Werkzeugführungen
im Verhältnis
zu dem Kniegelenk mit dem optischen System zu erfassen. Die relativen
Positionen der Werkzeugführungen
werden in Form einer grafischen Darstellung dem Operationsteam angezeigt.
Diese grafischen Darstellungen dienen als interaktive visuelle Navigationshilfe
für den
die Werkzeugführungen
positionierenden Operateur. Auf diese Weise wird es möglich, die
Werkzeugführungen
an den definierten Positionen bezüglich des Femurs und der Tibia
zu positionieren.
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Nach
der Positionierung der Werkzeugführungen
wird unter Verwendung des optischen Systems, der an dem Knie angebrachten
Marker (dynamische Referenzrahmen) und der an den Werkzeugführungen
angebrachten Sonden eine Bewegungsanalyse des Knies durchgeführt, um
für unterschiedliche
Positionen im Bewegungsbereich des Knies (Varus/Valbus, Flektion/Extension,
Proximal-Distal
...) die Positionierung der Werkzeugführungen zu beurteilen. Falls
keine Neudefinition der Positionen der Werkzeugführungen und eine Wiederholung
der Positionierung derselben erforderlich ist, werden unter Verwendung
der Werkzeugführungen
an dem Femur und der Tibia Bohrungen und Schnitte vorgenommen, die
erforderlich sind, um die definierten Implantate/Prothesen zu befestigen.
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Danach
wird unter dem Menüpunkt "Ergebnisbeurteilung" die operativ erreichte
Kniekinematik mittels einer durch das opti sche System durchgeführten Bewegungsanalyse
beurteilt. Hierfür
werden die an dem Bein befestigten dynamischen Referenzrahmen und
falls erforderlich die Digitalisierungseinrichtung verwendet, wobei
der Bewegungsbereich des Beines bzw. des Knies für unterschiedliche Positionen
in dem Bewegungsbereich des Knies beurteilt wird.
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Nach
dem Abschluß der
Operation ermöglicht
es der Menüpunkt "Report" den durchgeführten operativen
Eingriff zu dokumentieren. Diese Dokumentation dient nicht nur zum
Nachweis einer ordnungsgemäßen, medizinisch
korrekten Durchführung
des Eingriffes, sondern kann auch als Datenbasis/Datenbank für das Softwareprogramm
verwendet werden. Unter Rückgriff
auf derartige Dokumentationen kann das Softwareprogramm im Sinne
eines wissensbasierten Systems die Ermittlung der Kniekinematik,
die Beurteilung der operativ durchgeführten Veränderungen von Weichteilgewebestrukturen,
die Auswahl/Definition von Werkzeugführungen und Implantaten/Prothesen,
die Definition der Positionen der Werkzeugführungen und Implantaten/Prothesen, die
Navigation zur Positionierung der Werkzeugführungen und die Beurteilung
des operativen Ergebnisses optimiert ausführen.
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Hierfür können auch
Datenbanken verwendet werden, die neben geometrischen Kenngrößen von
Implantaten/Prothesen auch deren dynamische Parameter umfassen.
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Eine
weitere Verbesserung wird erreicht, wenn bei der Navigation/Positionierung
der Werkzeugführungen
und/oder der Durchführung
von Knochenbohrungen und -schnitten und/oder der Befestigung von
Implantaten/Prothesen robotische Systeme verwendet werden. Hierfür sind robotische
Systeme zu integrieren, die unter Steuerung des Softwareprogramms
oder unter Verwendung von Daten/Informationen des Softwareprogramms
die genannten von dem Operateur manuell ausgeführten Schritte durchführen, wobei
diese in Kombination mit dem optischen System betrieben werden,
um deren relative Lagebeziehung zu dem Bein zu identifizieren.