DE102008051532A1

DE102008051532A1 - Verfahren zur präoperativen Anpassung eines zur Fixierung der Bruchfragmente eines Knochens dienenden Implantats an die Außenkontur des Knochens

Info

Publication number: DE102008051532A1
Application number: DE102008051532A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dr. Bulitta; Tim Dr. Dannenmann; Rainer Dr. Graumann; Markus Dr. Nagel; Martin Ringholz; Stefan Wahl
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: DE102008051532B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur präoperativen Anpassung eines zur Fixierung der Bruchfragmente (2, 3) eines Knochens (1) dienenden Implantats (4) an die Außenkontur des Knochens (1) durch Biegung, bei dem ein digitales Modell (4a) des Implantats in ungebogenem Zustand zusammen mit einer digitalisierten, den Knochen (1) mit reponierten Bruchfragmenten zeigenden Röntgenaufnahme an einem Bildschirm (7) dargestellt und das Modell (4a) virtuell gebogen wird, um es an die Außenkontur des dargestellten Knochens anzupassen, wobei das angepasste Modell als Schablone für die Biegung des Implantats (4) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur präoperativen Anpassung eines zur Fixierung der Bruchfragmente eines Knochens dienenden Implantats an die Außenkontur des Knochens. Implantate für den genannten Zweck sind beispielsweise platten- oder stegförmig gestaltet und stehen dem Arzt in Form eines Satzes in verschiedenen Größen bzw. Längen zur Verfügung. Die Implantate eines Satzes weisen eine einheitliche Form auf, sind beispielsweise aus mehr oder weniger geradlinig verlaufenden Leisten gebildet, und müssen vor der Operation der Außenkontur des Knochens durch Biegung angepasst werden. Die Implantate weisen mehrere Bohrungen auf, um sie mit Schrauben am Knochen fixieren zu können. Der Arzt muss im Zuge der Vorbereitung der Operation zunächst aus einem Satz von Implantaten ein solches mit einer ausreichenden Länge auswählen. Das Implantat muss nämlich so bemessen sein, dass es den Frakturbereich des Knochens soweit überbrückt, dass es mit ausreichender Festigkeit, d. h. vor allem mit einer genügend großen Zahl an Schrauben an den jeweiligen Bruchfragmenten des Knochens fixiert werden kann. Zur Erleichterung der Implantat-Vorauswahl stellen manche Hersteller dem Arzt Bildfolien mit 2D-Ansichten der Implantate als Schablonen zur Verfügung. Die Bildfolien werden auf ein digitalisiertes Röntgenbild des Bruchbereichs gelegt. In dem Röntgenbild sind aufgrund des Bruches aus ihrer natürlichen Lage verschobene Bruchfragmente durch eine digitale Bildbearbeitung in ihre Ausgangslage gebracht, d. h. reponiert worden. Die Bildfolien zeigen das Implantat in einem herkömmlichen Röntgenbildern entsprechenden Maßstab von etwa 1:1,1. Der Arzt kann nun anhand eines Vergleichs von Frakturbereich und der Bildschablone abschätzen, welches Implantat eines Implantatsatzes eine geeignete Länge aufweist. Dabei ist nachteilig, dass der Maßstab der Schablone mit dem Maßstab des Röntgenbildes oft nicht genau überein ne mit dem Maßstab des Röntgenbildes oft nicht genau übereinstimmt. Eine Abhilfe können hier in digitalisierter Form vorliegende Schablonen schaffen. Diese können als Overlay über ein digitalisiertes Röntgenbild gelegt werden, wobei sich ihr Maßstab an den Maßstab des Röntgenbildes anpassen lässt. Das Ausmaß einer Verkürzung des Implantats, genauer gesagt, des einer Verringerung des Abstandes zwischen den Enden des Implantats, aufgrund einer Biegung erfolgt aber weiterhin durch eine fehlerbehaftete Abschätzung des Arztes. Es besteht daher trotz Verwendung digitalisierter Schablonen die Gefahr, dass ein Implantat nach der Biegung nicht brauchbar ist und ein erneuter Biegeversuch durchgeführt werden muss. Im Hinblick auf Faktor Zeit bei einer Operation ist dies ein nicht zufriedenstellender Zustand. Je länger die Operation dauert, desto gefährlicher ist die Operation für den Patienten und desto höher sind die OP-Kosten.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das hier Abhilfe schafft.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Danach wird ein digitales Modell des ursprünglichen, also noch nicht verformten Implantats bereitgestellt und dieses zusammen mit einer digitalisierten Röntgenaufnahme an einem Bildschirm dargestellt. In der Röntgenaufnahme sind die Bruchfragmente des Knochens – mit Hilfe eines Bildbearbeitungsprogramms – in eine dem natürlichen Zustand entsprechenden Lage gebracht worden. Das Implantatmodell wird nun virtuell gebogen, um es an die Außenkontur des dargestellten Knochens anzupassen. Für die virtuelle Biegung stehen bekannte Programme wie CAD-Programme und dgl. sowie die üblichen Eingabegeräte wie Tastatur und Maus zur Verfügung. Nach der am Bildschirm vorgenommenen Biegung und Anpassung des Implantats an die Außenkontur des mit dem Implantat zu überdeckenden Bereichs des Knochens ist das Implantat verkürzt, d. h. der Abstand zwischen den Enden des Implantats ist geringer als vorher. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren sieht der Arzt aber sofort, ob das gebogene Implantat noch eine ausreichende „Länge” aufweist. Er kann gegebenenfalls eine weitere virtuelle Biegung mit einem anderen Modell vornehmen. Bei zufriedenstellendem Biegeergebnis wird das entsprechende Modell als Muster bzw. als Schablone für die Biegung des körperlichen Implantats verwendet. Aufgrund der virtuell vorgenommenen Biegung ist die so erstellte Schablone sehr passgenau. Gleiches trifft dann auch für das reale Implantat, welches nach der Schablone gebogen wird, zu.
Das Modell des Implantats ist vorzugsweise ein 3D-Modell. Dies ist besonders bei solchen Implantaten zweckmäßig, bei denen eine räumliche Konturanpassung erforderlich ist. Dies ist etwa dann der Fall, wenn ein Teil des Implantats in Umfangsrichtung des Knochens an diesen angelegt werden muss.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass ein Datensatz des Modells verwendet wird, der neben den erforderlichen geometrischen Parametern verformungsspezifische Parameter des Implantats umfasst. So lässt sich etwa durch die Hinterlegung von maximal zulässigen Krümmungsradien verhindern, dass Modell und dementsprechend das Implantat zu stark gebogen wird. Durch eine unzulässige Biegung kann es zu einer mechanischen Schwächung des Implantats oder gar zu Rissen kommen oder es werden Aufnahmebohrungen für Schrauben verformt und dadurch unbrauchbar. Der Datensatz des Modells kann auch Materialparameter wie Härte und Bruchdehnung oder Angaben darüber enthalten, ob eine mehrfache Biegung möglich ist oder ob nach einer Biegung eines Implantatbereichs dieser noch ein weiteres Mal gebogen werden kann.
Das virtuelle Biegen ist bei einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante dadurch erleichtert, dass an dem Modell eine Markierung zur Steuerung der virtuellen Biegung vorhanden ist. So ist es denkbar, dass mit der Markierung Bereiche des Implantats anzeigt werden, die gebogen bzw. nicht gebogen werden dürfen. Innerhalb eines biegbaren Bereichs können wiederum Biegesegmente vorhanden sein, also Längsabschnitte, die selbst nicht gebogen werden dürfen, weil sie beispielsweise verformungsempfindliche Bohrungen oder Gewindebohrungen aufweisen, wobei eine zwischen des Segmenten vorhandener Abschnitt gebogen werden darf. An derartigen Stellen kann beispielsweise eine punktförmige Markierung vorgesehen werden, an der etwa mit Hilfe einer Computermaus eine virtuelle Biegung in Gang gesetzt werden kann.
Das vorgeschlagene Verfahren kann auf verschiedene Weise in eine reale Verformung eines Implantats umgesetzt werden. Eine praktisch ohne technischen Aufwand auskommende Methode sieht vor, dass zumindest das angepasste Modell als Bild mit einem der Realität entsprechenden Maßstab ausgedruckt und als Biegeschablone bei einer manuellen Biegung verwendet wird. Der Arzt kann dann das Implantat schrittweise biegen und das Ergebnis überprüfen, indem er das Implantat auf das Bild legt. Denkbar ist aber auch eine Biegung mit Hilfe einer automatisch arbeitenden Biegevorrichtung, die vor allem hinsichtlich der erreichbaren Präzision und des Zeitaufwands von Vorteil ist.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt eines Bildschirmes, auf dem ein digitalisiertes Röntgenbild einer Oberschenkelfraktur und ein Implantat im ungebogenen und im gebogenen Zustand gezeigt sind,
2 ein Beispiel eines Implantates im ungebogenen Ausgangszustand,
3 das Implantat von 2 im gebogenen Zustand,
4 das Implantat von 3 in perspektivischer Ansicht.
Im Falle eines Bruches, etwa eines Oberschenkelbruches wird zunächst vom Frakturbereich eine Röntgenaufnahme gemacht. In dem in 1 gezeigten Beispiel handelt es sich um einen Bruch des Oberschenkelknochens 1 in der Nähe des Hüftgelenkes. In der Regel sind nach einem Bruch die jeweiligen Bruchfragmente 2, 3 gegeneinander verschoben, befinden sich also nicht mehr in ihrer ursprünglichen Lage. Das Röntgenbild wird daher digitalisiert und mit Hilfe eines Bildbearbeitungsprogramms ein verschobenes Bruchfragment 3' in seine ursprüngliche Lage gebracht. Zur Fixierung der Bruchfragmente während der Heilungsphase des Knochens werden in Form von Platten oder Leisten ausgebildete Implantate aus einem metallischen Material verwendet. Die Implantate sind von Bohrungen 5 durchsetzt, welche zur Fixierung des Implantates am Knochen 1 mit Hilfe von Schrauben (nicht gezeigt) dienen. Auf Grund der anatomischen Unterschiede zwischen den einzelnen Patienten und der unterschiedlichen Bruchbilder ist es nicht möglich, bereits vorgeformte Implantate 4 bereitzustellen. Vielmehr liegt dem Arzt ein Satz von Implantaten 4 mit unterschiedlicher Länge vor. Im Zuge der präoperativen Planung ist es die Aufgabe des Arztes, einen Implantatrohling, also ein noch ungebogenes Implantat, auszuwählen, welcher auch nach seiner Verbiegung noch so „lang” ist, dass mit ihm alle Bruchfragmente aneinander fixiert werden können. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel muss das Implantat nach seiner Verbiegung in Längsrichtung noch so gemessen sein, dass es das sich unterhalb der Bruchlinie 6 befindliche Bruchfragment 3 soweit überlappt, dass es daran festgeschraubt werden kann.
Von jedem Implantatrohling eines Implantatsatzes liegt ein Datensatz – vorzugsweise ein 3D-Datensatz – vor, der es ermöglicht, ein dem jeweiligen Implantatrohling entsprechendes digitales Modell zusammen mit dem digitalisierten Röntgenbild am Bildschirm 7 anzuzeigen. Aus Vereinfachungsgründen ist in 1 ein als langgestreckte Platte ausgebildetes Implantatmodell 4a gezeigt. Röntgenbilder liegen in der Regel in einem Maßstab von 1:1,1 vor. Falls der Maßstab des am Bildschirm 7 angezeigten Modells 4a davon abweicht, ist eine Anpassung softwaremäßig leicht möglich. Wenn die jeweiligen Maßstäbe übereinstimmen, ist eine relativ genaue Abschätzung möglich, ob das ausgewählte Implantat bzw. der Implantatrohling lang genug ist. Die virtuelle Biegung erfolgt mit einem Computerprogramm, das etwa wie ein CAD-Programm und jedenfalls so arbeitet, dass sich die geometrische Länge des Modells nicht ändert, d. h. die Endpunkte des Modells rücken bei einer Biegung näher zusammen. Das Programm ist im übrigen so ausgestaltet, dass es die reale Biegung möglichst naturgetreu simuliert. Zur Bedienung bzw. Eingabe von Bearbeitungsbefehlen dient z. B. eine Computermaus (nicht dargestellt). Denkbar ist, dass am oberen Rand der Bildschirmanzeige eine Bearbeitungsleiste 8 angezeigt, aus der unterschiedliche Bearbeitungsfunktionen ausgewählt werden können. So lässt sich das Implantatmodell 4a an den Knochen 1 heran rücken und unter zu Hilfenahme der Computermaus an die Form des Knochens anpassen. Im vorliegenden Fall soll das Implantat mit seinem oberen Endabschnitt 9 an der Außenseite einer Vorwölbung des Oberschenkelknochens, dem großen Trochanter 10, fixiert werden. Der genannte Knochenvorsprung hat eine abgerundete Außenkontur. Der Endbereich 9 ist somit, vom Oberschenkelknochen 1 aus betrachtet konvex gewölbt.
Damit eine Anpassung eines Implantatmodells 4a an die Form des Knochens möglich ist, ist ein Datensatz des Implantats mit den entsprechenden geometrischen Parametern (Länge, Breite, Dicke, Umrissform, Form und Abmessung von Bohrungen etc.) erforderlich. Ein Implantat 4 lässt sich aufgrund seiner Materialeigenschaften und aufgrund konstruktiver Gegebenheiten nicht beliebig biegen, d. h. es dürfen vorgegebene minimale Biegeradien nicht unterschritten werden. Auch ist es denkbar, dass bestimmte Bereiche 12 eines Implantates 4 nicht für eine Biegung vorgesehen sind, wogegen andere Abschnitte als Biegebereiche 13 zum Verbiegen vorgesehen sind. Um eine möglichst realitätsnahe Biegung zu simulieren sind derartige Informationen im Datensatz des Implantatmodells berücksichtigt. Durch geeignete Markierungen können die Bereiche 12 und 13 am Implantatmodell etwa durch unterschiedlich gestaltete oder unterschiedlich farbige Punkte 14, 15, Linien und dgl. sichtbar gemacht werden. Der Benutzer sieht dann sofort, welche Bereiche für eine Biegung in Frage kommen und welche nicht. Durch die Markierung kann dem Benutzer auch die Information gegeben werden, dass ein bereits gebogener Bereich nicht nochmals gebogen werden soll, was beispielsweise durch eine Farbänderung der Markierung, etwa der Punkte 15 erfolgen kann, wenn an dieser Stelle bereits eine Biegung vorgenommen wurde.
Bei der Biegung eines Implantats wird die konvexe Seite des gebogenen Bereiches gestreckt, während die gegenüberliegende konkave Seite gestaucht wird. Zwischen der Konkav- und der Konvexseite befindet sich ein Bereich, eine sogenannte Seele, welcher sich bei der Verbiegung neutral verhält, also weder gestreckt noch gestaucht wird. Die Seele ist je nach Ausgestaltung des Implantates mittig in diesem oder nach einer oder anderen Seite versetzt angeordnet. Damit sich das Implantatmodell beim Biegen genauso verhält wie später das reale Implantat, ist es vorteilhaft, wenn der oben erwähnte Datensatz des Modells auch Informationen über den Verlauf der Seele enthält. Dieser Verlauf kann dem Benutzer auch durch eine Markierung angezeigt werden. In Beispiel 3 ist der Verlauf der Seele durch die aus den Punkten 15 gebildete Punktreihe 16 nachgebildet.
Zur Umsetzung des Implantatmodells 4a' in ein reales Implantat kann ein Ausdruck der Bildschirmdarstellung im Maßstab 1:1 erzeugt werden, wobei das dargestellte Implantat als Schablone für die Biegung des Implantats dient. Dabei geht der Arzt zweckmäßigerweise iterativ vor, d. h. eher biegt in Schritten und vergleicht das jeweilige Zwischenergebnis mit der Schablone. Eine andere Möglichkeit der Umsetzung besteht darin, dass der Datensatz des angepassten Implantatmodells 4a' als Grundlage für die Steuerung einer automatisch arbeitenden Biegevorrichtung (nicht gezeigt) dient.

1: Oberschenkelknochen
2: Bruchfragment
3: Bruchfragment
4: Implantat
4a: Modell
5: Bohrung
6: Bruchslinie
7: Bildschirm
8: Bearbeitungsleiste
9: Endabschnitt
10: großer Trochanter
12: Bereich
13: Biegebereich
14: Punkt
15: Punkt
16: Punktreihe

Claims

Verfahren zur präoperativen Anpassung eines zur Fixierung der Bruchfragmente (2, 3) eines Knochens (1) dienenden Implantats (4) an die Außenkontur des Knochens (1) durch Biegung, bei dem ein digitales Modell (4a) des Implantats in ungebogenem Zustand zusammen mit einer digitalisierten, den Knochen (1) mit reponierten Bruchfragmenten zeigenden Röntgenaufnahme an einem Bildschirm (7) dargestellt und das Modell (4a) virtuell gebogen wird, um es an die Außenkontur des dargestellten Knochens anzupassen, wobei das angepasste Modell als Schablone für die Biegung des Implantats (4) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein 3D-Modell verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein Datensatz des Modells (4a) verformungsspezifische Parameter des Implantats (4) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an dem Modell (4a) eine Markierung zur Steuerung der virtuellen Biegung vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Markierung Bereiche des Implantats anzeigt, die gebogen bzw. nicht gebogen werden dürfen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das angepasste Modell als Bild mit einem der Realität entsprechenden Maßstab ausgedruckt und als Biegeschablone bei einer manuellen Biegung des Implantats 4 verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem geometrische Daten des angepassten Modells 4a bei einer automatisch durchgeführten Biegung verwendet werden.