DE10045376A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Fussgelenks - Google Patents

Abstract

Um die Lage des Fußgelenk-Mittelpunktes bestimmen zu können, wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch zwei nebeneinander im Abstand zueinander verlaufende und in ihrem Abstand gegeneinander verstellbare Arme, die jeweils einander zugewandt an die beiden Knöchel eines Fußgelenkes anlegbare Zentrieraufnahmen tragen, und durch eine mit den Armen verbundene Einrichtung zur Bestimmung der Position der Arme.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Fußgelenks.

Bei orthopädischen Operationen im Bereich des Knöchels oder im Bereich des Knies ist es für den Chirurgen häu­ fig wichtig, die genaue Lage des Fußgelenk-Mittelpunk­ tes zu kennen. Dieser Mittelpunkt befindet sich übli­ cherweise in der Mitte der Verbindungslinie zwischen den Kuppen der beiden Knöchel, diese Lage wird bisher vom Arzt durch Abtasten bestimmt. Dabei können sich Un­ genauigkeiten ergeben, außerdem ist es bei dem manuel­ len Abtasten nicht möglich, die gefundenen Positionsda­ ten des Knöchelgelenk-Mittelpunktes automatisch in so­ genannte Navigationssysteme zu übernehmen, also Syste­ me, die die Lage von Körperteilen relativ zu einem ortsfesten Koordinatensystem oder relativ zu einem an­ deren körperfesten Koordinatensystem bestimmen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Be­ stimmung der Lage des Fußgelenkes anzugeben, mit wel­ cher es in einfacher und genauer Weise gelingt, die La­ ge des Fußgelenk-Mittelpunktes zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, die gekenn­ zeichnet ist durch zwei nebeneinander im Abstand zuein­ ander verlaufende und in ihrem Abstand gegeneinander verstellbare Arme, die jeweils einander zugewandt an die beiden Knöchel eines Fußgelenkes anlegbare Zen­ trieraufnahmen tragen, und durch eine mit den Armen verbundene Einrichtung zur Bestimmung der Position der Arme. Eine solche Vorrichtung kann einfach an das Fuß­ gelenk eines Patienten dadurch angelegt werden, daß die beiden Arme von beiden Seiten her so exakt an das Fuß­ gelenk angenähert werden, daß die Zentrieraufnahmen die vorstehenden Knöchel umgeben und darauf zentriert wer­ den. Die Zentrieraufnahmen definieren damit eine die Mittelpunkte der Knöchel verbindende Achse, um die die Vorrichtung am Fußgelenk verdrehbar ist und die durch den Mittelpunkt des Fußgelenkes hindurchgeht, dieser Mittelpunkt liegt auf dieser Achse genau zwischen den Kuppen der beiden Knöchel. Durch Bestimmung der Positi­ on dieser Vorrichtung relativ zu einem anderen Koordi­ natensystem, beispielsweise relativ zu einem ortsfesten Koordinatensystem, läßt sich die Lage dieser Verbin­ dungsachse im Raum bestimmen, aus der Lage der Arme an der Vorrichtung ergeben sich die Endpunkte dieser Achse und damit auch der genaue Ort des Fußgelenk-Mittelpunk­ tes. Die Einrichtung zur Bestimmung der Position der Arme kann beispielsweise eine geometrisch definierte Aufnahme für ein Tastinstrument umfassen, dessen Posi­ tion durch ein Navigationssystem bestimmbar ist.

Derartige Tastinstrumente sind an sich bekannt. Es han­ delt sich dabei um Instrumente, die im Abstand zueinan­ der mehrere Referenzkörper tragen, diese Referenzkörper können von einem Navigationssystem geortet und lokali­ siert werden, so daß die Position des Tastinstrumentes relativ zu dem Navigationssystem berechenbar ist. Die Referenzkörper können beispielsweise Reflexionskörper sein, an denen eine vom Navigationssystem ausgesandte Licht- oder Schallstrahlung reflektiert wird, durch Be­ stimmung der Laufzeit lassen sich die Abstände der Re­ ferenzkörper vom Navigationssystem bestimmen, und aus diesen für die verschiedenen Referenzkörper unter­ schiedlichen Laufzeiten läßt sich dann die relative An­ ordnung der Referenzkörper zum Navigationssystem be­ rechnen.

Navigationssysteme dieser Art sind in großer Anzahl be­ kannt, es werden dabei die unterschiedlichsten physika­ lischen Prinzipien verwendet, um die Position zu be­ stimmen, beispielsweise Ultraschall-Laufzeitmessungen, Orientierungen eines Sensors in einem Magnetfeld oder im Erdschwerefeld etc. Wesentlich ist lediglich, daß die Lage eines derartigen Tastinstrumentes relativ zu einem gewählten Koordinatensystem bestimmbar ist.

Derartige Tastinstrumente, die beispielsweise eine Tastspitze aufweisen können, werden nun bei der be­ schriebenen Ausgestaltung in die definierte Aufnahme der Vorrichtung eingeführt, und dadurch läßt sich auch über das Navigationssystem die genaue Lage der Vorrich­ tung relativ zu diesem Koordinatensystem bestimmen, und dies wiederum gibt Auskunft über die Lage des Fußge­ lenk-Mittelpunktes relativ zu diesem Koordinatensystem.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Position der Arme mehrere in festem Abstand voneinander angeordnete Refe­ renzkörper umfaßt, deren Lage durch ein Navigationssy­ stem bestimmbar ist. Bei dieser Ausgestaltung sind also die Referenzkörper nicht an einem von der Vorrichtung trennbaren Tastinstrument angeordnet, sondern fest an der Vorrichtung selbst, deren Positionierung damit un­ mittelbar vom Navigationssystem erfaßbar ist.

Es ist vorteilhaft, wenn die Einrichtung zur Bestimmung der Position der Arme im Verbindungsbereich der Arme angeordnet ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Arme sich symmetrisch nach beiden Seiten des Verbindungsbereiches bewegen. Dies führt dann dazu, daß allein durch eine Positionsbestimmung des Verbindungsbereiches nicht nur der Verlauf der Ver­ bindungsachse zwischen den beiden Knöchelkuppen be­ stimmt werden kann, sondern auch der Mittelpunkt der Verbindungsstrecke zwischen den beiden Knöchelkuppen, da durch die symmetrische Bewegung der Arme dieser Mit­ telpunkt immer in derselben zwischen den Armen angeord­ neten Ebene liegt, unabhängig davon, wie groß der Ab­ stand der Knöchelkuppen voneinander ist. Diese Ebene ist somit eine Konstante der Vorrichtung.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Arme gegen­ einander verschwenkbar sind.

Bei einer solchen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die Arme an einer Halterung schwenkbar gelagert und durch Getriebemittel gegenüber der Halterung um gleiche Winkel gegensinnig verschwenkbar geführt sind und daß an der Halterung die Einrichtung zur Bestimmung der Po­ sition der Arme angeordnet ist.

Die Getriebemittel können beispielsweise zwei miteinan­ der kämmende Zahnräder umfassen.

Die Zentrieraufnahme ist gemäß einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung ringförmig oder kegelförmig ausgebildet, so daß sich die Zentrieraufnahme zentrie­ rend an die Knöchel anlegt, und zwar unabhängig von de­ ren konkreter Form.

Es ist vorteilhaft, wenn die Arme gegen die Kraft einer Feder auseinanderbewegbar sind, so daß die Feder die Vorrichtung unter Federspannung in der Anlage am Fuß hält, wenn die Zentrieraufnahmen an die Knöchel ange­ legt sind.

Die auf diese Weise gewonnenen Positionsdaten des Fuß­ gelenk-Mittelpunktes können in einer Datenverarbei­ tungsanlage einmal dazu benutzt werden, auch bei einer Bewegung des Fußgelenkes im Raum dessen jeweilige Lage zu bestimmen. Außerdem ist es möglich, durch zusätzli­ che kinematische Untersuchungen die Lage des Fußgelenk- Mittelpunktes noch exakter zu bestimmen. Dazu kann man die Bestimmung des Fußgelenk-Mittelpunktes mittels der beschriebenen Vorrichtung als Ausgangspunkt für die Po­ sitionsbestimmung wählen. Die beiden über das Fußgelenk gelenkig miteinander verbundenen Teile des Körpers, nämlich die Tibia und der Mittelfußknochen, können durch Relativbewegung zueinander zusätzliche Informa­ tionen über die genaue Lage des Fußgelenk-Mittelpunktes geben. Dazu werden sowohl die Tibia als auch der Mit­ telfußknochen mit weiteren Einrichtungen zur Positions­ bestimmung verbunden, also beispielsweise mit Halterun­ gen, die mehrere Referenzkörper tragen. Diese Halterun­ gen können über Knochenschrauben oder über externe Mit­ tel an den jeweiligen Teilen befestigt werden und er­ möglichen es dann, die jeweilige Lage des Mittelfußkno­ chens beziehungsweise der Tibia zu bestimmen. Bewegt man diese beiden Teile gegeneinander, so geben die je­ weiligen Positionsdaten ebenfalls Auskunft darüber, wie die Bewegungskurven dieser beiden Teile gegeneinander verlaufen, und daraus läßt sich ebenfalls die Position des Fußgelenk-Mittelpunktes bestimmen. Dieser ist auf­ grund dieser Bewegungen aus den Bewegungsbildern bere­ chenbar, beispielsweise durch ein Näherungsverfahren, bei dem man gemäß einer Minimalisierungsmethode ausge­ hend von den Daten der Lage des Fußgelenk-Mittelpunk­ tes, die man durch die an die Knöchel angelegte Vor­ richtung gewonnen hat, unter Berücksichtigung der Bewe­ gungsdaten einen Punkt findet, der bei der Bewegung am wenigsten variiert wird, und dieser Punkt wird als Fuß­ gelenk-Mittelpunkt definiert. Dabei ist zu beachten, daß das Fußgelenk kein reines Kugelgelenk ist, so daß der Fußgelenk-Mittelpunkt bei der Bewegung geringfügig wandert, der mit der beschriebenen Vorrichtung bestimm­ te Fußgelenk-Mittelpunkt ist also nur in erster Nähe­ rung für den gesamten Verlauf der Bewegung der Fußgelenk-Mittelpunkt. Diese Bestimmung läßt sich durch die beschriebene kinematische Methode noch verbessern.

Trotzdem hat sich in der Praxis gezeigt, daß bereits die Positionsbestimmung mittels der beschriebenen Vor­ richtung eine recht genaue Lokalisierung des Fußgelenk- Mittelpunktes ermöglicht, und zwar in einfachster Weise und vollautomatisch, es genügt nämlich, wenn der Arzt die Vorrichtung an die beiden Knöchel der Fußgelenke anlegt und dann die Lage der Vorrichtung über ein Navi­ gationssystem bestimmt.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung des Fußgelenk-Mittel­ punktes mit einem Navigationssystem und

Fig. 2 eine Ansicht dieser Vorrichtung in Rich­ tung des Pfeiles A in Fig. 1 in Anlage an einem Fuß.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung umfaßt eine im wesentlichen dreieckförmige Halterung 1, an der um zwei parallel verlaufende Schwenkachsen jeweils ein gebogener Arm 2, 3 verschwenkbar gelagert ist. Die Arme 2 und 3 sind spiegelbildlich ausgebildet und im Abstand zueinander so angeordnet, daß sie gemeinsam einen etwa U-förmigen Querschnitt beschreiben (Fig. 1). Jeder Arm 2, 3 ist drehfest mit einem Zahnrad 4 beziehungsweise 5 verbunden, welches koaxial zur jeweiligen Schwenkachse angeordnet ist, und diese beiden Zahnräder 4 und 5 käm­ men miteinander, so daß die beiden Arme 2 und 3 an der Halterung relativ zu dieser immer gegensinnig um glei­ che Winkelbeträge verschwenkt werden, die Verschwenkung erfolgt dabei immer symmetrisch zu einer Längsmittel­ ebene der Vorrichtung, die parallel zu den Schwenkach­ sen zwischen diesen hindurchläuft.

Jeder Arm 2, 3 trägt an seiner dem anderen Arm 3 bezie­ hungsweise 2 zugewandten Innenseite eine sich zum ande­ ren Arm hin öffnende, kegelförmige Zentrieraufnahme 6 beziehungsweise 7, die so ausgebildet sind, daß sie sich von außen her an die aus einem Fuß 8 herausragen­ den Knöchel 9, 10 anlegen und die gesamte Vorrichtung relativ zu den Knöcheln 9, 10 zentrieren.

Die Arme 2, 3 können federnd gegeneinander gedrückt werden, dies kann durch in der Zeichnung nicht geson­ dert dargestellte Federmittel erreicht werden, bei­ spielsweise können im Schwenklagerbereich Torsionsfe­ dern angeordnet werden.

An der Halterung 1 ist ein starrer Arm 11 mit einem kurzen Seitenarm 12 angeordnet, dieser Arm 11 und der Seitenarm 12 tragen insgesamt vier kugelige Reflexions­ körper 13, 14, 15, 16 und bilden gemeinsam eine Ein­ richtung zur Bestimmung der Position der Halterung 1 und damit der gesamten Vorrichtung relativ zu einem be­ stimmten Koordinatensystem, beispielsweise einem ortsfesten Koordinatensystem. Die Anordnung der Reflexions­ körper 13, 14, 15, 16 wird üblicherweise als "rigid bo­ dy" bezeichnet und die Position eines solchen "rigid body" kann über ein Navigationssystem 17 bestimmt wer­ den, das in der Zeichnung nur ganz schematisch darge­ stellt ist. Dieses Navigationssystem kann beispielswei­ se eine elektromagnetische oder eine Ultraschallstrah­ lung aussenden, die an den Reflexionskörper 13, 14, 15, 16 reflektiert und vom Navigationssystem 17 anschlie­ ßend wieder empfangen wird. Durch die unterschiedlichen Abstände der Reflexionskörper 13, 14, 15, 15 von dem Navigationssystem 17 ergeben sich auch unterschiedliche Laufzeiten für die reflektierte Strahlung, und aus die­ sen Laufzeiten lassen sich umgekehrt die Abstände be­ stimmen. Diese Abstände ändern sich bei jeder Lageände­ rung der Halterung 1 und damit der gesamten Vorrich­ tung, so daß dadurch die jeweilige Lage der Halterung 1 und damit der gesamten Vorrichtung jederzeit bestimmbar ist.

Die beschriebene Vorrichtung wird jeweils so an den Fuß eines Patienten angelegt, daß die beiden Zentrierauf­ nahmen 6, 7 an den Knöcheln 9, 10 anliegen. Durch eine Bestimmung der Position der Halterung 1 und damit der gesamten Vorrichtung gegenüber dem gewünschten Koordi­ natensystem erhält man auch eine Information darüber, wie die Verbindungsachse zwischen den beiden Zentrier­ aufnahmen 6, 7 verläuft. Im Schnittpunkt dieser Achse und der zwischen den beiden Schwenkachsen der Arme 2, 3 hindurchlaufenden Längsmittelebene befindet sich der Fußgelenk-Mittelpunkt, dessen Lage relativ zum Navigationssystem 17 somit ebenfalls unmittelbar berechnet werden kann. Diese Berechnung ist bei jeder Position des Fußes relativ zum Navigationssystem 17 möglich.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung ist der die Reflexionskörper 13, 14, 15, 16 aufweisende "rigid body" starr mit der Halterung 1 verbunden, es wäre auch möglich diesen "rigid body" an einem Tastin­ strument zu befestigen und an der Halterung 1 eine Auf­ nahme vorzusehen, in die das Tastinstrument des "rigid body" in definierter Weise eingeführt werden kann. Der "rigid body" wäre also in diesem Falle lösbar von der Vorrichtung, könnte jedoch in genau definierter Rela­ tivposition an der Halterung 1 festgelegt werden. Es ist dann selbstverständlich über die Positionsbestim­ mung des Tastinstrumentes möglich, auch die gesamte Po­ sitionierung der Vorrichtung und damit auch die Lage des Fußgelenk-Mittelpunktes zu bestimmen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Fußgelen­ kes, gekennzeichnet durch zwei nebeneinander im Abstand zueinander verlaufende und in ihrem Ab­ stand gegeneinander verstellbare Arme (2, 3), die jeweils einander zugewandt an die beiden Knöchel (9, 10) eines Fußgelenkes anlegbare Zentrierauf­ nahmen (6, 7) tragen, und durch eine mit den Ar­ men (2, 3) verbundene Einrichtung (13, 14, 15, 16) zur Bestimmung der Position der Arme (2, 3).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Posi­ tion der Arme (2, 3) eine geometrisch definierte Aufnahme für ein Tastinstrument umfaßt, dessen Position durch ein Navigationssystem bestimmbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Posi­ tion der Arme (2, 3) mehrere in festem Abstand voneinander angeordnete Referenzkörper (13, 14, 15, 16) umfaßt, deren Lage durch ein Navigations­ system (17) bestimmbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (13, 14, 15, 16) zur Bestimmung der Position der Arme (2, 3) im Verbindungsbereich (1) der Arme (2, 3) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Arme (2, 3) sich symmetrisch nach beiden Seiten des Verbindungsbereiches bewegen.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (2, 3) gegeneinander verschwenkbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Arme (2, 3) an einer Halterung (1) schwenkbar gelagert und durch Getriebemittel (4, 5) gegenüber der Halterung (1) um gleiche Winkel gegensinnig verschwenkbar geführt sind und daß an der Halterung (1) die Einrichtung (13, 14, 15, 16) zur Bestimmung der Position der Arme (2, 3) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Getriebemittel zwei miteinander käm­ mende Zahnräder (4, 5) umfassen.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierauf­ nahme (6, 7) ringförmig oder kegelig ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (2, 3) gegen die Kraft einer Feder auseinanderbewegbar sind.