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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des
Fußgelenkes
mit zwei nebeneinander im Abstand zueinander verlaufenden und in
ihrem Abstand gegeneinander verstellbaren Armen, die jeweils einander
zugewandt an die beiden Knöchel
eines Fußgelenkes
anlegbare Zentrieraufnahmen tragen, und mit einer mit den Armen
verbundenen Einrichtung zur Bestimmung der Position der Arme.
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Bei
orthopädischen
Operationen im Bereich des Knöchels
oder im Bereich des Knies ist es für den Chirurgen häufig wichtig,
die genaue Lage des Fußgelenk-Mittelpunktes
zu kennen. Dieser Mittelpunkt befindet sich üblicherweise in der Mitte der
Verbindungslinie zwischen den Kuppen der beiden Knöchel, diese
Lage wird bisher vom Arzt durch Abtasten bestimmt. Dabei können sich
Ungenauigkeiten ergeben, außerdem
ist es bei dem manuellen Abtasten nicht möglich, die gefundenen Positionsdaten
des Knöchelgelenk-Mittelpunktes
automatisch in sogenannte Navigationssysteme zu übernehmen, also Systeme, die
die Lage von Körperteilen
relativ zu einem ortsfesten Koordinatensystem oder relativ zu einem
anderen körperfesten
Koordinatensystem bestimmen.
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In
der gattungsbildenden Druckschrift
US 4,201,226 ein
Meßinstrument
beschrieben, welches zur Messung von geometrischen Daten des menschlichen
Körpers
geeignet ist, insbesondere im Bereich der Fußknöchel. Mit dieser Vorrichtung
sollen Abstände
von Körperteilen,
Winkel von Körperteilen
etc. bestimmt werden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt dem Anmeldegegenstand die Aufgabe
zugrunde, eine solche Vorrichtung so auszugestalten, daß mit ihr
nicht nur Abmessungen des menschlichen Körpers selber bestimmt werden
können,
sondern Positionen von Körperteilen
relativ zu einem anderen Koordinatensystem, insbesondere zu einem
ortsfesten Koordinatensystem.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Einrichtung zur Bestimmung der Position der Arme mehrere in festem
Abstand voneinander angeordnete Referenzkörper umfaßt, deren Lage durch ein Navigationssystem
bestimmbar ist.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie ein
Tastinstrument mit mehreren in festem Abstand voneinander angeordneten
Referenzkörpern
umfaßt, deren
Lage durch ein Navigationssystem bestimmbar ist, und daß die Einrichtung
zur Bestimmung der Position der Arme (2, 3) eine
geometrisch definierte Aufnahme für dieses Tastinstrument umfaßt, in die das
Tastinstrument in definierter Weise eingeführt werden kann.
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Eine
solche Vorrichtung kann einfach an das Fußgelenk eines Patienten dadurch
angelegt werden, daß die
beiden Arme von beiden Seiten her so exakt an das Fußgelenk
angenähert
werden, daß die Zentrierauf nahmen
die vorstehenden Knöchel
umgeben und darauf zentriert werden. 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 Position dieser Vorrichtung relativ zu einem
anderen Koordinatensystem, beispielsweise relativ zu einem ortsfesten
Koordinatensystem, läßt sich
die Lage dieser Verbindungsachse 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-Mittelpunktes.
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Bei
einer Ausführung
mit einer geometrisch definierten Aufnahme für ein Tastinstrument werden Tastinstrumente
verwendet, die an sich bekannt sind. Es handelt sich dabei um Instrumente,
die im Abstand zueinander mehrere Referenzkörper tragen, diese Referenzkörper können von
einem Navigationssystem geortet und lokalisiert 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 Bestimmung der Laufzeit
lassen sich die Abstände
der Referenzkörper
vom Navigationssystem bestimmen, und aus diesen für die verschiedenen
Referenzkörper
unterschiedlichen Laufzeiten läßt sich
dann die relative Anordnung der Referenzkörper zum Navigationssystem
berechnen.
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Navigationssysteme
dieser Art sind in großer Anzahl
bekannt, es werden dabei die unterschiedlichsten physikalischen
Prinzipien verwendet, um die Position zu bestimmen, 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.
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Derartige
Tastinstrumente, die beispielsweise eine Tastspitze aufweisen können, werden
nun bei der beschriebenen Ausgestaltung in die definierte Aufnahme
der Vorrichtung eingeführt,
und dadurch läßt sich
auch über
das Navigationssystem die genaue Lage der Vorrichtung relativ zu
diesem Koordinatensystem bestimmen, und dies wiederum gibt Auskunft über die
Lage des Fußgelenk-Mittelpunktes relativ
zu diesem Koordinatensystem.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist vorgesehen, daß die
Einrichtung zur Bestimmung der Position der Arme mehrere in festem
Abstand voneinander angeordnete Referenzkörper umfaßt, deren Lage durch ein Navigationssystem
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
unmittelbar vom Navigationssystem erfaßbar ist.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Einrichtung zur Bestimmung der Position
der Arme im Verbindungsbereich der Arme angeordnet ist.
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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 Verbindungsachse zwischen den beiden Knöchelkuppen
bestimmt werden kann, sondern auch der Mittelpunkt der Verbindungsstrecke
zwischen den beiden Knöchelkuppen,
da durch die symmetrische Bewegung der Arme dieser Mittelpunkt immer
in derselben zwischen den Armen angeordneten Ebene liegt, unabhängig davon,
wie groß der
Abstand der Knöchelkuppen
voneinander ist. Diese Ebene ist somit eine Konstante der Vorrichtung.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn die Arme gegeneinander verschwenkbar sind.
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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 Position der Arme
angeordnet ist.
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Die
Getriebemittel können
beispielsweise zwei miteinander kämmende Zahnräder umfassen.
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Die
Zentrieraufnahme ist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ringförmig oder
kegelförmig
ausgebildet, so daß sich
die Zentrieraufnahme zentrierend an die Knöchel anlegt, und zwar unabhängig von
deren konkreter Form.
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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
angelegt sind.
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Die
auf diese Weise gewonnenen Positionsdaten des Fußgelenk-Mittelpunktes können in
einer Datenverarbeitungsanlage einmal dazu benutzt werden, auch
bei einer Bewegung des Fußgelenkes
im Raum dessen jeweilige Lage zu bestimmen. Außerdem ist es möglich, durch
zusätzliche
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 Positionsbestimmung wählen. Die
beiden über das
Fußgelenk
gelenkig miteinander verbundenen Teile des Körpers, nämlich die Tibia und der Mittelfußknochen,
können
durch Relativbewegung zueinander zusätzliche Informationen über die
genaue Lage des Fußgelenk-Mittelpunktes
geben. Dazu werden sowohl die Tibia als auch der Mittelfußknochen mit
weiteren Einrichtungen zur Positionsbestimmung verbunden, also beispielsweise
mit Halterungen, die mehrere Referenzkörper tragen. Diese Halterungen können über Knochenschrauben
oder über
externe Mittel an den jeweiligen Teilen befestigt werden und ermöglichen
es dann, die jeweilige Lage des Mittelfußknochens beziehungsweise der
Tibia zu bestimmen. Bewegt man diese beiden Teile gegeneinander, so
geben die jeweiligen 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 aufgrund dieser Bewegungen aus den Bewegungsbildern
berechenbar, beispielsweise durch ein Näherungsverfahren, bei dem man
gemäß einer
Minimalisierungsmethode ausgehend von den Daten der Lage des Fußgelenk-Mittelpunktes,
die man durch die an die Knöchel angelegte
Vorrichtung gewonnen hat, unter Berücksichtigung der Bewegungsdaten
einen Punkt findet, der bei der Bewegung am wenigsten variiert wird, und
dieser Punkt wird als Fußgelenk-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 bestimmte Fußgelenk-Mittelpunkt
ist also nur in erster Näherung
für den
gesamten Verlauf der Bewegung der Fußge lenk-Mittelpunkt. Diese
Bestimmung läßt sich durch
die beschriebene kinematische Methode noch verbessern.
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Trotzdem
hat sich in der Praxis gezeigt, daß bereits die Positionsbestimmung
mittels der beschriebenen Vorrichtung 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 Navigationssystem bestimmt.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1:
eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung des
Fußgelenk-Mittelpunktes
mit einem Navigationssystem und
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2:
eine Ansicht dieser Vorrichtung in Richtung des Pfeiles A in 1 in
Anlage an einem Fuß.
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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 (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 kämmen miteinander,
so daß die
beiden Arme 2 und 3 an der Halterung relativ zu
dieser immer gegensinnig um gleiche Winkelbeträge verschwenkt werden, die
Verschwenkung erfolgt dabei immer symmetrisch zu einer Längsmittelebene
der Vorrichtung, die parallel zu den Schwenkachsen zwischen diesen
hindurchläuft.
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Jeder
Arm 2, 3 trägt
an seiner dem anderen Arm 3 beziehungsweise 2 zugewandten
Innenseite eine sich zum anderen Arm hin öffnende, kegelförmige Zentrieraufnahme 6 beziehungsweise 7,
die so ausgebildet sind, daß sie
sich von außen
her an die aus einem Fuß 8 herausragenden
Knöchel 9, 10 anlegen
und die gesamte Vorrichtung relativ zu den Knöcheln 9, 10 zentrieren.
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Die
Arme 2, 3 können
federnd gegeneinander gedrückt
werden, dies kann durch in der Zeichnung nicht gesondert dargestellte
Federmittel erreicht werden, beispielsweise können im Schwenklagerbereich
Torsionsfedern angeordnet werden.
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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 Reflexionskörper 13, 14, 15, 16 und
bilden gemeinsam eine Einrichtung zur Bestimmung der Position der
Halterung 1 und damit der gesamten Vorrichtung relativ
zu einem bestimmten Koordinatensystem, beispielsweise einem orts festen
Koordinatensystem. Die Anordnung der Reflexionskörper 13, 14, 15, 16 wird üblicherweise
als ”rigid
body” bezeichnet und
die Position eines solchen ”rigid
body” kann über ein
Navigationssystem 17 bestimmt werden, das in der Zeichnung
nur ganz schematisch dargestellt ist. Dieses Navigationssystem kann
beispielsweise eine elektromagnetische oder eine Ultraschallstrahlung aussenden,
die an den Reflexionskörper 13, 14, 15, 16 reflektiert
und vom Navigationssystem 17 anschließend 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 diesen Laufzeiten lassen sich
umgekehrt die Abstände
bestimmen. Diese Abstände ändern sich
bei jeder Lageänderung
der Halterung 1 und damit der gesamten Vorrichtung, so
daß dadurch die
jeweilige Lage der Halterung 1 und damit der gesamten Vorrichtung
jederzeit bestimmbar ist.
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Die
beschriebene Vorrichtung wird jeweils so an den Fuß 8 eines
Patienten angelegt, daß die
beiden Zentrieraufnahmen 6, 7 an den Knöcheln 9, 10 anliegen.
Durch eine Bestimmung der Position der Halterung 1 und
damit der gesamten Vorrichtung gegenüber dem gewünschten Koordinatensystem erhält man auch
eine Information darüber,
wie die Verbindungsachse zwischen den beiden Zentrieraufnahmen 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 Naviga tionssystem 17 somit ebenfalls
unmittelbar berechnet werden kann. Diese Berechnung ist bei jeder
Position des Fußes
relativ zum Navigationssystem 17 möglich.
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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
Tastinstrument zu befestigen und an der Halterung 1 eine
Aufnahme 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 Relativposition an der Halterung 1 festgelegt
werden. Es ist dann selbstverständlich über die
Positionsbestimmung des Tastinstrumentes möglich, auch die gesamte Positionierung der
Vorrichtung und damit auch die Lage des Fußgelenk-Mittelpunktes zu bestimmen.