DE102006056399B4

DE102006056399B4 - Funktionsgelenk-Arthroplastikverfahren

Info

Publication number: DE102006056399B4
Application number: DE102006056399.9A
Authority: DE
Inventors: José Luis Moctezuma de La Barrera; Stuart Lee Axelson Jr.; Peter Zimmermann
Original assignee: Stryker European Holdings I LLC
Current assignee: Stryker European Operations Holdings LLC
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: DE102006056399A1; JP5357384B2; JP2007152100A; US20070179626A1; US20160228193A1

Abstract

Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Arthroplastik an einem Gelenk unter Verwendung eines eine Anzeigevorrichtung (114) aufweisenden, chirurgischen Navigationssystems (112), dem eine Kamera (110) zugeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:Lokalisieren artikulärer anatomischer Strukturen unter Verwendung der dem chirurgischen Navigationssystem (112) zugeordneten Kamera (110), die dazu ausgebildet ist, den Ort eines einem Gelenkknochen zugeordneten Verfolgungselements (108) zu verfolgen;Aufzeichnen von Daten biomechanischer Eigenschaften des Gelenks durch das chirurgische Navigationssystem (112);Aufzeichnen von Werten der Eigenschaften des Weichgewebemantels für das Gelenk durch das chirurgische Navigationssystem (112);Auswählen eines Implantats aus einer Mehrzahl zur Verfügung stehender prothetischer Systeme durch das chirurgische Navigationssystem (112) unter Berücksichtigung der aufgezeichneten Daten und Werte;Anzeigen einer interaktiven Ansicht des Gelenks, der Eigenschaften des Weichgewebemantels, der biomechanischen Eigenschaften und des gewählten Implantats auf der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112), um es einem Chirurgen zu ermöglichen, gleichzeitig die Eigenschaften des Weichgewebemantels, die biomechanischen Eigenschaften und das gewählte Implantat auf der interaktiven Ansicht auf der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112) zu beeinflussen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Unterstützung bei der Durchführung von Gelenkrekonstruktions- sowie Total- und Teilgelenkersatzoperationen. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Unterstützung bei chirurgischen Rekonstruktionseingriffen an Gelenken, die ein durch den sie umgebenden Weichgewebeapparat beeinflusstes kinematisches Verhalten besitzen. Typische Beispiele sind chirurgische Eingriffe an Knie oder Fußgelenk, wie etwa eine Instandsetzung des vorderen Kreuzbandes (ACL), ein unikompartimentaler oder ein multikompartimentaler Ersatz der Gelenkoberflächen, eine Revisionsoperation und Ähnliches.
Beschreibung des Hintergrundes der Erfindung
Die momentane Gelenkrekonstruktions- und Gelenkersatzchirurgie, einschließlich der Fußgelenk-, Knie-, Schulter- oder Ellenbogenarthroplastik, basiert zum Großteil auf standardisierten Verfahren und Richtlinien zur akzeptablen Durchführung. In dieser Hinsicht basiert das Positionieren der Implantate in dem Gelenk auf Standardwerten für die Ausrichtung bezüglich der biomechanischen Achsen, wie etwa Varus/Valgus, oder Flexion/Extension, und Bewegungsbereich. Ein chirurgisches Ziel kann darin bestehen, dass die zum Erreichen der Rekonstruktion des Gelenks verwendeten künstlichen Komponenten eine bestimmte Ausrichtung relativ zu den Belastungsachsen aufweisen. Diese Standards basieren auf einer statischen Belastungsanalyse und sind deshalb nicht dazu geeignet, eine optimale Gelenkfunktionalität zu schaffen, welche die Lebensgewohnheiten des sich der Operation unterziehenden Individuums berücksichtigt. Es hat Systeme gegeben, welche die ipsilaterale Seite betrachten, um Parameter für das funktionsfähige Gelenk zu vermessen. Es hat auch kinematische Herangehensweisen gegeben, die versuchen, geeignete Werte für Varus/Valgus, Flexion/Extension und den Bewegungsbereich zu bestimmen. Ein Grund für die Notwendigkeit, für nicht-geführte Gelenke, wie etwa das Knie, das Fußgelenk und den Ellenbogen, einen Abgleich bzw. eine Balance vorzunehmen, besteht darin, dass diese Gelenke durch das Gelenk umgebendes Weichgewebe, einschließlich der Bänder, zusammengehalten werden. Das richtige Funktionieren des Gelenks hängt von einer Kombination der richtigen Resektion des Gelenks zur Aufnahme des Implantats, der richtigen Wahl der Größe des Implantats und dem richtigen Abgleich des Weichgewebes relativ zu den Implantaten und der Resektion ab. Momentan wird dieser Abgleich durch den Chirurgen auf Basis von Erfahrung und einfachen Richtlinien (_„Daumenregeln“) durchgeführt.
Ein Computer unterstütztes chirurgisches Navigationssystem benötigt normalerweise eine zeitaufwändige Einrichtung und eine Ausrichtung der Anatomie des Patienten entweder bezüglich einer präoperativen Abtastung („Scan“) oder eines dreidimensionalen Modells, das man aus von der Anatomie des Patienten erhaltenen Referenzpunkten konstruiert. Ferner haben bisherige computerunterstützte Navigationssysteme den Chirurgen nicht dahingehend unterstützt, dass sie schrittweise Prozeduren zur Verfügung stellen würden, um den Chirurgen beim Durchführen des richtigen Abgleichs bzw. der richtigen Balance zwischen Beschränkungen und Abstimmungen der Knochenschnitte, der Implantatgröße und des Weichgewebes zu führen. Die Notwendigkeit hinzukommender Schritte ohne entsprechende zusätzliche Vorteile haben Chirurgen davon abgehalten, chirurgische Navigationssysteme für orthopädische Operationen zu verwenden, obwohl die erhöhte Genauigkeit des chirurgischen Navigationssystems das Endergebnis für den Patienten verbessern könnte.
Aus Dokument DE 10 2004 042 347 A1 ist ein Verfahren zum Durchführen einer vollständigen Austausch-Chirurgie eines Kugelgelenks eines Patienten unter Verwendung eines chirurgischen Navigationssystems bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein dreidimensionales Modell des Gelenks intra-operativ, basierend auf Charakteristika des Patienten, erstellt. Das Gelenk zur Aufnahme von Implantaten präpariert. Implantate werden in dem präparierten Gelenk platziert und der Bewegungsbereich und/oder die Stabilität des rekonstruierten Gelenks werden ermittelt. Des Weiteren ist aus Dokument DE 10 2004 042 347 A1 ein System zum Durchführen einer vollständigen Austausch-Chirurgie eines Kugelgelenks eines Patienten bekannt, das ein chirurgisches Navigationssystem, einen ersten Schaltkreis zum intra-operativen Erstellen eines dreidimensionalen Modells des Gelenks, ein erstes Werkzeug zum Präparieren des Gelenks, ein zweites Werkzeug zum Platzieren eines Implantats in dem präparierten Gelenk und einen zweiten Schaltkreis zum Ermitteln des Bewegungsbereichs und/oder der Stabilität des rekonstruierten Gelenks aufweist.
KURZER ABRISS DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Arthroplastik an einem Gelenk unter Verwendung eines eine Anzeigevorrichtung aufweisenden chirurgischen Navigationssystems, dem eine Kamera zugeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Lokalisierens artikulärer anatomischer Strukturen unter Verwendung der dem chirurgischen Navigationssystem zugeordneten Kamera, die dazu ausgebildet ist, den Ort eines einem Gelenkknochen zugeordneten Verfolgungselements zu verfolgen; Aufzeichnen von Daten biomechanischer Eigenschaften des Gelenks durch das chirurgische Navigationssystem; und Aufzeichnen von Werten der Eigenschaften des Weichgewebemantels für das Gelenk durch das chirurgische Navigationssystem. Das Verfahren umfasst auch die Schritte des Auswählens eines Implantats aus einer Mehrzahl zur Verfügung stehender prothetischer Systeme durch das chirurgische Navigationssystem unter Berücksichtigung der aufgezeichneten Daten und Werte, und des Anzeigens einer interaktiven Ansicht des Gelenks, der Eigenschaften des Weichgewebemantels, der biomechanischen Eigenschaften und des gewählten Implantats auf der Anzeigevorrichtung des chirurgischen Navigationssystems, um einem Chirurgen das gleichzeitige Beeinflussen der Eigenschaften des Weichgewebemantels, der biomechanischen Eigenschaften und des gewählten Implantats in der interaktiven Ansicht auf der Anzeigevorrichtung des chirurgischen Navigationssystems zu ermöglichen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht eines Knies eines Patienten, das für eine Knieersatzoperation unter Verwendung von Komponenten einer Ausführungsform eines chirurgischen Navigationssystems präpariert worden ist;
2 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Bildschirmabbild einer weiteren Ausführungsform, welches das Erfassen der biomechanischen Eigenschaften des Knies im Vorfeld von Schnitten zum Öffnen des Knies zeigt;
4 ist ein Bildschirmabbild einer weiteren Ausführungsform, welches das Erfassen der biomechanischen Eigenschaften des Knies zeigt, nachdem die Anfangsschnitte zum Öffnen des Knies durchgeführt worden sind;
5 ist ein Bildschirmabbild, das eine zusätzliche Ausführungsform zeigt, welche die Berechnung der internen/externen Achsen mittels verschiedener Verfahren zeigt;
6 ist ein Bildschirmabbild der Bestimmung der natürlichen Gelenklinie eines Knies, die während der Erfassung des offenen Knies durchgeführt wurde;
7 ist ein Bildschirmabbild, das eine Beziehung zwischen Varus/Valgus und Flexion über einen Flexionsbereich zeigt;
8 ist ein Bildschirmabbild einer Ausführungsform zum Abgleichen bzw. Balancieren des Kniegelenks;
9 ist ein Bildschirmabbild einer Ausführungsform der anfänglichen Implantatsplanung;
10 ist ein der 9 ähnliches Bildschirmabbild, das eine zur Implantatsplanung auf das Gelenk ausgeübte Varus-Belastung zeigt;
11 ist ein Bildschirmabbild einer weiteren Implantatsabgleich-Ausführungsform;
12 ist ein der 11 ähnliches Bildschirmabbild, welches ein Ergebnis der Verwendung eines unterschiedlichen Satzes an Kriterien zeigt;
13 ist ein Bildschirmabbild einer weiteren Ausführungsform der Implantatsplanung;
14 ist ein Bildschirmabbild, das eine Ausführungsform einer interaktiven iterativen Anzeige zeigt, wobei sich das Knie in Extension befindet;
15 ist ein der 14 ähnliches Bildschirmabbild einer interaktiven iterativen Anzeige, wobei sich das Knie in Flexion befindet;
16 ist ein Bildschirmabbild, das eine weitere Ausführungsform einer interaktiven iterativen Anzeige zeigt, wobei sich das Knie in Extension befindet;
17 ist ein der 16 ähnliches Bildschirmabbild einer interaktiven iterativen Anzeige, wobei sich das Knie in Flexion befindet;
18 ist ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 ist ein Bildschirmabbild, das eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
20 ist eine schematische Ansicht eines Fußgelenks eines Patienten, das für eine Fußgelenkersatzoperation unter Verwendung von Komponenten einer weiteren Ausführungsform eines chirurgischen Navigationssystems vorbereitet worden ist;
21 ist eine schematische Ansicht eines Ellenbogens eines Patienten, der für eine Ellenbogenersatzoperation unter Verwendung von Komponenten einer weiteren Ausführungsform eines chirurgischen Navigationssystems vorbereitet worden ist; und
22 ist eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer In-Situ-Distraktionsvorrichtung, die bei der vorliegenden Erfindung nützlich ist

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obwohl der folgende Hauptteil der Beschreibung die Verwendung des Systems und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung für Knieersatzoperationen veranschaulicht, kann die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, beliebige nicht-geführte Gelenke, wie etwa das Fußgelenk, die Schulter und den Ellenbogen, zu ersetzen oder instandzusetzen, wie in den 20 und 21 veranschaulicht.
Bezug nehmend auf 1 wird das Bein 100 eines Patienten für eine Knieersatzoperation vorbereitet. Das Bein 100 ist angewinkelt, so dass der Oberschenkel bzw. Femur 102 des Patienten sich in einen Winkel von näherungsweise 90 Grad zu dem Unterschenkel bzw. der Tibia 104 des Patienten befindet. Diese Positionierung des Beins 100 bringt das Knie 106 des Patienten in Position für den Eingriff. Zwei Verfolgungsvorrichtungen 108, die mit einer einem computerunterstützten chirurgischen Navigationssystem 112 zugeordneten Kamera 110 kommunizieren können, sind dem Femur 102 und der Tibia 104 so zugeordnet, dass die Verfolgungsvorrichtungen 108 sich mit dem Femur 102 bzw. der Tibia 104 bewegen. Die Zuordnung kann mittels einer direkten Befestigung an dem Knochen oder mittels anderer Zuordnungsverfahren geschehen, wie sie im Folgenden erläutert werden. Das computerunterstützte chirurgische Navigationssystem 112 ist ein im Stand der Technik gut bekanntes und wird hier nicht weiter erläutert. Geeignete chirurgische Navigationssysteme sind in der US-Patentveröffentlichung Nr. US 2001 / 0 034 530 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme eingefügt wird. Ein typisches Navigationssystem 112 weist auch eine Anzeigevorrichtung 114 auf, wie etwa einen Computer- oder einen Videomonitor. Zusätzlich verwenden die meisten Navigationssysteme 112 auch spezialisierte Werkzeuge, wie etwa einen Zeiger 116, der vorhergehend kalibriert wurde, um mit dem Navigationssystem 112 zusammenzuarbeiten. Die Kalibrierung des Zeigers 116 ermöglicht es dem Navigationssystem 112, den genauen Ort einer Zeigerspitze 118 mittels Lokalisierung einer Reihe von Lokalisierungsvorrichtungen 120 zu bestimmen, wie etwa an dem Zeiger 116 befindliche LEDs. Diese Lokalisierungsvorrichtungen sind von der gleichen Art, wie sie für die Verfolgungsvorrichtungen 108 verwendet werden.
Zusätzlich zu dem Femur 102 und der Tibia 104 besitzt das Knie 106 eine Patella 122. Der Ort der Patella 122 kann unter Verwendung des Zeigers 116 bestimmt werden. Auch da die Patella 122 anatomisch mit dem Ort der Tibia 104 verbunden ist, kann das Navigationssystem 112 auch die Patella 122 unter Bezugnahme auf den Ort der Tibia 104 lokalisieren. Da ferner die Patella 122 geführt ist, ist es oft nur notwendig, die Patella 122 bezüglich dreier Freiheitsgrade zu lokalisieren. Wie gut bekannt, sollten die Eigenschaften der Patella 122 während der Knieersatzoperation berücksichtigt werden, und ein beliebiges Implantat, das die Patella 122 nachbildet, kann einen Einfluss auf das postoperative Funktionieren des Knies 106 haben.
Eine Beziehung, die bei bestimmten Ausführungsformen in Betracht gezogen werden kann, ist eine Gelenklinie zwischen dem Femur 102 und der Tibia 104 sowie die Beziehung der femoral-tibialen Gelenklinie zu einer Gelenklinie zwischen dem Femur 102 und der Patella 122. Die Gelenklinie ist die momentane Rotation des Gelenks im Raum, in diesem Fall des Knies 106. Die Gelenklinie unterscheidet sich von der funktionalen Flexionssachse. Die funktionale Flexionsachse beschreibt die Gesamtflexion des Gelenks. Bei einem beliebigen Gelenk gibt es typischerweise bestimmte Kontaktpunkte zwischen den Knochen, aus denen das Gelenk besteht. Sobald die Oberfläche eines dieser Knochen einmal bestimmt worden ist, kann das System die Kontaktpunkte an einem Knochen bestimmen und die Kontaktpunkte des einen Knochens mit den Kontaktpunkten des zweiten Knochens an der gleichen Position des Gelenks verbinden. Im Fall des Knies stehen die zwei Kontaktpunkte an dem ersten Knochen miteinander über eine Linie in Verbindung, der Gelenklinie. Die zwei Kontaktpunkte an dem zweiten Knochen stehen anfänglich ebenfalls über die gleiche Linie in Verbindung. Man kann jedoch jede Linie individuell für jeden der Knochen betrachten, aus denen das Gelenk besteht. Da einer oder beide Knochen als Ergebnis einer Krankheit oder einer Verletzung deformiert sein kann/können, weist die optimale Gelenklinie relativ zu dem rekonstruierten Gelenk oft einen Versatz bezüglich der anfänglich beobachteten Gelenklinie für einen oder beide Knochen auf.
Wie in 2 dargelegt, bestimmt ein Block 200 den Ort des Femurs 102 und der Tibia 104. Wie oben vermerkt, wird dies durch das Zuordnen von Verfolgungsvorrichtungen zu dem Femur 102 und der Tibia 104 und durch das nachfolgende Bewegen der entsprechenden Extremität innerhalb des Gesichtsfelds der Kamera 110 des Navigationssystems 112 durchgeführt. Optional hierzu kann der Block 200 auch den Ort der Patella 112 bestimmen.
Die Steuerung fährt dann mit Block 202 fort, wo die biomechanischen Eigenschaften für den Femur 102, die Tibia 104, das Knie 106 und optional für die Patella 122 bestimmt werden. Einige der biomechanischen Eigenschaften können bestimmt werden, bevor der tatsächliche Schnitt gemacht wird. Beispielsweise kann, nachdem die Verfolgungsvorrichtung 108 an dem Femur 102 befestigt oder ihm zugeordnet ist, der Ort des Femurkopfes durch Bewegen des Femurs 102 in Form einer Rotation um die Hüftgelenkpfanne bestimmt werden. Zusätzlich kann eine anfänglich funktionale Flexionsachsenanalyse und eine Bewegungsbereichsanalyse durch ein Bewegen des Knies 106 über den gesamten Bewegungsbereich des Knies 106 durchgeführt werden. Auch kann der Ort des lateralen Malleolus und des medialen Malleolus unter Verwendung des Zeigers 116 und durch Berühren der geeigneten knöchernen Landmarken an dem Fußgelenk mit der Zeigerspitze 118 bestimmt werden. Das Navigationssystem 112 kann eine Reihe von Bildschirmdarstellungen auf der Anzeige 114 gemäß der in 3 gezeigten Art anzeigen, um den Chirurgen beim Durchführen der Evaluation des Knies 106 am geschlossenen Knie zu führen. Das Navigationssystem 112 verfolgt den Ort des Verfolgungselements 108, das dem Femur 102 zugeordnet ist, und zeigt an, wenn ausreichend Punkte aufgezeichnet worden sind, um den Femurkopf zu lokalisieren und den Bewegungsbereich sowie die anfängliche funktionale Flexionsachse zu bestimmen. Zusätzlich kann zu diesem Zeitpunkt auch die Beziehung der Patella 122 zu der Tibia 104 bestimmt werden. Einige dieser Evaluationen an dem geschlossenen Knie 106 können vorher als Teil einer präoperativen Vorarbeit durchgeführt und zur Verwendung während einer späteren Operation aufgezeichnet werden.
Herkömmlicherweise fokussiert sich die Knieersetzung stark auf das tibio-femorale Gelenk. Nichtsdestotrotz ist das Knie ein tri-kompartimentales Gelenk, wobei die in der femoralen Trochlea gleitende Patella Kräfte des Quadrizeps auf die Tibia überträgt. Ein Fehlschlagen einer richtigen Wiederherstellung der patella-femoralen Kinematik führt oft zu unbefriedigenden Schmerzniveaus nach der Implantation. Einer der wichtigsten zu berücksichtigenden Parameter, um einen richtigen Betrieb des Quadrizeps-Mechanismus wiederherzustellen, ist der Abstand der Patella zu der funktionalen Flexionsachse. Falls der Abstand vergrößert wird, tritt ein sogenanntes Overstuffing („Overstuffing = Überfüllen“) der Patella auf, was zu einem begrenzten Bewegungsbereich und zu Schmerzen führt. Wenn der Abstand verringert wird, leidet die Wirksamkeit des Quadrizeps-Mechanismus und es kann eine Fehlführung der Patella auftreten. Eine medial-laterale Verlagerung der Patella wird wiederum durch eine intern-externe Rotation des Implantats beeinflusst. Wenn hier eine große Abweichung der natürlichen Führung der Patella und der rekonstruierten Trochlea des Implantats auftritt, können eine Dislokation und Schmerzen auftreten. Die Rotationsfreiheitsgrade der Patella, nämlich die Verkippung, die Rotation und die Flexion, sind mit den obigen Parametern gekoppelt und von sekundärer Bedeutung.
Das alleinige Verfolgen der Trajektorie der Patella vereinfacht die benötigten Vorrichtungen, indem nicht alle sechs Freiheitsgrade zu implementieren sind. Dies ist wichtig, da die Patella eine relativ kleine Struktur ist und sich die Kinematik der Patella verändern kann, wenn ein fremdes Objekt an der Patella befestigt wird. Darüber hinaus besitzt die Patella eine konstante Beziehung zu der Tibia. Sie ist mit einer Sehne an dem proximalen Dorn der Tibia befestigt, an dem die Kräfte des Quadrizeps-Mechanismus aufgenommen werden und an den Fuß weitergeleitet werden. Diese Beziehung ist selten beeinflusst und stellt eine sehr zuverlässige Landmarke dar, die intrinsisch einige der kinematischen Parameter des Kniegelenks beschreibt. Diese Parameter sind beim Wiederherstellen der Funktion des Knies sehr hilfreich, und sind insbesondere in Fällen hilfreich, in denen keine weiteren Bezüge mehr verfügbar sind, wie beispielsweise bei einer Revisionsoperation, bei der das tibiofemorale Gelenk ersetzt worden ist.
Nachdem die biomechanischen Daten des geschlossenen Knies bestimmt und aufgezeichnet worden sind, wird der Anfangsschnitt an dem Knie 106 durchgeführt, um den distalen Abschnitt des Femurs 102, die Patella und den proximalen Abschnitt der Tibia 104 offenzulegen. Der Chirurg kann dann, von dem Navigationssystem 112 durch die verschiedenen, auf der Anzeige 114 angezeigten Bildschirmdarstellungen geleitet, weitere Landmarken unter Verwendung des Zeigers 116 bestimmen. Typisehe Landmarken beinhalten die Oberfläche der lateralen und medialen Kondylen, die tibialen Plateauscheiben und andere Landmarken.
Bestimmte Landmarken können der Digitalisierung anderer Landmarken entnommen werden. Beispielsweise können die Oberflächen der femoralen Kondylen durch Feststellen des Ortes der Oberfläche des tibialen Plateaus über den gesamten Bewegungsbereich bestimmt werden. Aufgrund der Umhüllenden- (Mantel-) Beschränkungen des Kniegelenks, durchläuft die Oberfläche der femoralen Kondylen das tibiale Plateau, wenn das Kniegelenk über den gesamten Bewegungsbereich gebeugt wird, und kann berechnet werden, sobald diese zwei Eigenschaften bzw. Landmarken bekannt sind. Obwohl es eine Situation mit einem Abheben geben kann, hat dies keinen signifikanten Einfluss auf die Berechnung, da der Femur nicht in die Tibia eindringen kann. Weiterhin kann das Zentrum des Knies als der am meisten entfernte Punkte der Furche von dem Zentrum des Femurkopfes berechnet werden.
Zusätzlich können über eine weitere geometrische Analyse der erhaltenen Oberflächen fundamentale Eigenschaften abgeleitet werden, wie etwa Krümmungsradien oder Rotationsachsen. Beispielsweise kann in einem Knie 106 die Intern-/ Extern-Rotation des Femurs 102 mittels eines Konus bzw. Zylinders berechnet werden, der an die Geometrie der posterioren Kondylen angepasst ist, die üblicherweise nicht durch den Krankheitszustand des Knies 106 beeinflusst sind. Die femoral-tibiale Gelenklinie wird durch das Verbinden der zwei Kontaktpunkte der tibialen Scheiben mit den femoralen Kondylen konstruiert. Da eine der Kondylen normalerweise aufgrund des Krankheitszustands erodiert ist, ist die Gelenklinie beeinflusst und spiegelt die Varus- oder Valgusdeformation wider. Die Varus-/Valgusdeformation wurde während der Analyse des Bewegungsbereichs am geschlossenen Knie bestimmt, und das chirurgische Navigationssystem 112 kann die momentane Gelenklinie berechnen und das System kann auch eine wiederhergestellte Gelenklinie vorschlagen, die das Knie in einem instandgesetzen Zustand widerspiegelt. Die wiederhergestellte Gelenklinie kann von dem Chirurgen als Ziel während des Abgleichens des Knieweichgewebes, der Implantate und der an den die Implantate aufnehmenden Knochen durchgeführten Modifikationen verwendet werden.
Über die geometrische Analyse der paarweise zusammengehörigen Oberflächen eines Gelenks hinaus können dessen funktionale kinematische Daten analysiert werden, um momentane oder instantane Rotationsachsen oder Gesamtrotationsachsen durch das Analysieren von Abschnitten der instantaren Achsen oder aller instantanen Achsen abzuleiten. Eine der am besten bekannten und weitverbreitet verwendeten Techniken ist die Berechnung einer helikalen Achse, von der berichtet wird, dass sie den Schlussrotations- bzw.„Home Screw“-Mechanismus nicht-geführter Gelenke beschreibt. Im Fall des Knies können sowohl die Flexionsachse des patello-femoralen Gelenks als auch des tibio-femoralen Gelenks mittels eines passiven Bewegens des Gelenks über dessen Bewegungsbereich berechnet werden. Die so abgeleitete Flexionsachse eines erkrankten Gelenks spiegelt zweifellos die erkrankte Kinematik des Gelenks wider. Eine partielle Korrektur einiger seiner Freiheitsgrade ist notwendig, bevor sie als Richtlinie für die chirurgische Maßnahme verwendet wird. Die Korrekturen können durch ein Kombinieren der durch die biomechanischen Achsen des Gelenks und/oder durch dynamische Belastungstransfermuster gegebenen Informationen oder Beschränkungen während der Bereichsermittlung des Gelenks abgeleitet werden. Eine weitere Alternative besteht in einer Kombination von durch unbeeinflusste Freiheitsgrade anderer paarweise zusammengehöriger Oberflächen des Gelenks zur Verfügung gestellter Informationen. Im Fall des Knies 106 könnte eine mögliche Kombination die Rechtwinkligkeit der abgeleiteten funktionalen Flexionsachse zu der biomechanischen Achse, die durch die patello-femorale Flexionsachse gegebenen Translationsbeschränkungen und deren durch die Konusanpassung-Achse der posterioren Kondylen des Femurs diktierte Intern-/Extern-Rotation sein.
Ein weiteres Verfahren zu Wiederherstellung der normalen Kinematik des beeinflussten Gelenks besteht in dem Feststellen der Kinematik der nichtbeeinflussten ipsilateralen Seite. Diese Parameter können durch die gleichen Verfahren gewonnen werden und werden vorzugsweise bezogen auf lokale nichtbeeinflusste anatomische Strukturen ausgedrückt, um ihren Transfer auf die beeinflusste Stelle nach der Identifikation der entsprechenden anatomischen Strukturen zu ermöglichen. Im Fall des Knies 106 kann ein lokaler Bezug mittels der interkondylären Grube und des anterioren Femurcortex 102 wiederhergestellt werden. Die Identifikation dieser Strukturen kann intra-, vorzugsweise aber präoperativ mit einer beliebigen nichtinvasiven Bildgebungstechnologie durchgeführt werden. In dem Fall, in dem die funktionale Analyse nicht mit den gleichen Modalitäten wie die zur Identifikation der Referenzstrukturen verwendeten durchgeführt wird, ist die Erfassung beider Modalitäten notwendig. Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet Ultraschall als Bildgebungsmodalität. Dies, gekoppelt mit einer Verfolgungstechnologie, bezieht kinematische Informationen auf die zugrundeliegenden Referenzstrukturen und minimalinvasiven Verfolgungsvorrichtungen, wie in der veröffentlichen US-Patentanmeldung Nr. US 2005 / 0 199 250 A1, veröffentlicht am 15. September 2005, beschrieben, wobei der Offenbarungsgehalt derselben hierdurch mittels Bezugnahme eingefügt wird.
Die berechneten Kinematikinformationen in Form wiederhergestellter funktionaler Achsen und Gelenklinien der Gelenkoberflächen können nicht nur als eine Richtlinie zur Vorgabe der Position prothetischer Komponenten, sondern auch zum Festlegen eines Optimums zwischen den kinematischen Beschränkungen des Gelenks des Individuums und dem verwendeten prothetischen System verwendet werden. In einem Szenario, in dem mehrere prothetische Systeme oder chirurgische Techniken verfügbar sind, kann das Computersystem das optimale Implantat wählen und eine optimierte Position vorschlagen, um den durch die Funktionen des Gelenks und des Implantats gegebenen Beschränkungen am besten zu entsprechen. Ein weiteres Beispiel eines Optimierungskriteriums könnte das optimale Verhalten bei einer gegebenen Aktivität des Individuums sein, das seine bzw. ihre Lebensqualität am besten wiederherstellt.
Ein Block 204 evaluiert das das Gelenk umgebenden Weichgewebe. Das Weichgewebe kann durch ein weiteres manuelles Bewegen des Knies 106 und auch durch die Verwendung von Dehnungsmessgeräten oder ähnlichen Vorrichtungen evaluiert werden. Das Knie umfasst vier Hauptbänder, die mit der Tibia 104 und dem Femur 102 interagieren, um ein stabiles Knie 105 zu bilden. Die Spannung an diesen Bändern muss richtig balanciert bzw. abgeglichen werden, um dem Knie 106 Stabilität zu verleihen. Das chirurgische Navigationssystem 112 kann den Chirurgen auch durch die Weichgewebeanalyse führen und auf der Basis der bestimmten manuell durchgeführten Bewegung Werte für die Spannung der verschiedenen Bänder und Muskeln des Knies 106 aufzeichnen. Anderen Verfahren zum Ermitteln der Weichgewebe-Spannungswerte können ebenfalls verwendet werden.
Besonders nützlich sind die In-Situ-Vorrichtungen des in 22 gezeigten und im Folgenden beschriebenen Typs, die keiner Modifikation des Weichgewebegelenkmantels bedürfen, wie etwa ein Umwenden der Patella im Fall des Knies. Solche Vorrichtungen können Ballonsysteme sein, die normale Aktivität simulierende Distraktionskräfte ausüben können und folglich eine enge Annährung an die während einer freiwilligen Bewegung des Gelenks ausgeübten Kräfte zur Verfügung stellen. Diese Systeme benötigen wenig oder keine örtliche Präparation, um verwendet zu werden, und sie können durch kleine Schnitte oder durch ein Kanülensystem, wie etwa dem bei der Arthroskopie verwendeten, eingeführt werden. Ferner ermöglichen diese Systeme die Beurteilung der Funktion des Gelenks über dessen gesamten Bewegungsbereich im Gegensatz zu typischen repräsentativen Stellungen in Flexion und Extension. Zusätzlich können auch anderen Vorrichtungen als die in der Anmeldung gezeigten verwendet werden. Beispielsweise können die in den US-Patenten mit den Nummern US 6 702 821 B2 und US 6 770 078 B2 gezeigten Vorrichtungen genauso gut verwendet werden, wobei die Offenbarungen derselben hiermit durch Bezugnahme eingefügt werden.
Ein weiterer Vorteil von In-Situ-Vorrichtungen liegt in der Fähigkeit, iterativ die funktionalen Parameter zu erstellen oder festzuhalten, wie etwa die funktionale Flexionsachse des Gelenks, die exakt den tatsächlichen Zustand des Weichgewebemantels des Gelenks beschreibt. Die instantane Feststellung des Effekts einer gegebenen Weichgewebemessung ist wichtig, um die gewünschte Weichgewebekorrektur präzise zu steuern.
Die Verwendung ausgefeilterer Distraktionsvorrichtungen, bei denen kraft- oder druckerfassende Elemente eingebaut wurden, kann präzise Informationen über Belastungsmustercharakteristiken für das Gelenk über den gesamten Bewegungsbereich ergeben. Diese wiederum können dazu verwendet werden, eine bestimmte Weichgewebemanagementstrategie festzulegen, bei der spezifische Gruppen oder Bündel von Bändern selektiv dahingehend angegangen werden, um das Belastungs- oder Kraftmuster bei einem spezifischen Flexions- oder Kinematikzustand des Gelenks zu beeinflussen. Diese Vorrichtungen können drahtlos in Echtzeitmanier die Informationen an das Computersystem für eine Sofortanalyse übertragen. Die Informationen können dann numerisch oder grafisch in Beziehung zu dem geschaffenen Modell des Gelenks angezeigt werden. Unter Verwendung dieser Informationen kann das Computersystem auch die wahrscheinlichste Weichgewebemanagementstrategie auf Basis z.B. eines zugrundeliegenden Expertensystems liefern.
Das chirurgische Navigationssystem 112 umfasst auch eine Datenbank 206 der Implantatkomponenten in digitalisierter Form. Der Block 208 nimmt die Werte von der Ortsanalyse 200 des Femurs 102 und der Tibia 104, der Analyse 202 der biomechanischen Eigenschaften, der Weichgewebevaluation 204 und der Datenbank 206. Unter Verwendung all dieser Werte sowie anderer Kriterien, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, des Geschlechts, des Alters, der Rasse, der Lebensführung u.ä., löst der Block 208 gleichzeitig das funktionale Ziel und zeigt das berechnete Ergebnis an, einschließlich eines vorgeschlagenen Implantats aus der Datenbank der Implantate 206, auf einer interaktiven Bildschirmdarstellung auf der Anzeige 114 an. Ein mögliches Element des funktionalen Ziels bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die wiederhergestellte Gelenklinie sein. Dies kann auf der interaktiven Bildschirmdarstellung zusammen mit anderen Werten bezüglich der Wiederherstellung des Gelenks angezeigt werden. Die Steuerung fährt mit einem Block 210 fort, der es dem Chirurgen ermöglicht, manuell das gewählte funktionale Ziel und andere Werte anzupassen, sofern notwendig, um die Erfahrung des Chirurgen mit dem Eingriff widerzuspiegeln. Falls der Chirurg bestimmt, dass die von dem Block 208 angezeigte Lösung nicht optimal ist, fährt die Steuerung über eine NEIN-Abzweigung mit einem Block 112 fort, der es dem Chirurgen ermöglicht, digital das Gelenk zu bewegen und möglicherweise das vorgeschlagene Implantat oder andere auf der interaktiven Bildschirmdarstellung angezeigte Parameter zu verändern. Nachdem die Veränderungen durchgeführt sind, berechnet das Navigationssystem 112 das Ergebnis neu und der Block 208 zeigt das aktualisierte Resultat an. Wenn an dieser Stelle der Chirurg glaubt, dass die vorgeschlagene Lösung der chirurgischen Aufgabe entspricht, fährt die Steuerung über eine JA-Verzweigung zu einem Block 214 fort, der eine Bestätigung erbittet und die Wahl des Implantats und anderer Parameter aufzeichnet An dieser Stelle präpariert der Chirurg in Block 214 das Gelenk, um es an die gewählte Lösung anzupassen. Das Navigationssystem 112 kann den Chirurgen durch den Eingriff führen und Vorschläge notwendiger Modifikationen zu machen, um das gewünschte Resultat zu erreichen, oder der Chirurg kann auf eine konventionelle Weise fortfahren, das Gelenk ohne das Navigationssystem 112 zu präparieren. Nachdem das Gelenk in Block 216 präpariert ist, wird das Implantat in Block 218 installiert. Wenn es der Chirurg wiederum bevorzugt, kann das Navigationssystem 112 den Chirurgen genauso durch diesen Eingriff führen. Wie später erläutert wird, kann das Installieren der Implantate auch die Verwendung von Versuchsimplantaten umfassen, die das Endimplantat nachbilden und es dem Chirurgen ermöglichen, die Konfiguration des Gelenks zu testen, bevor die Endimplantate permanent in dem Gelenk platziert werden.
Die Präparation des Gelenks gemäß dem festgelegten Ziel kann manuell mit der Hilfe der Navigation durchgeführt werden, aber auch mit einer beliebigen Art passiver, semiaktiver oder aktiver Mantelbeschränkungsvorrichtungen, mit Master-Slave-Manipulatoren oder mit autonomen in-situ angebrachten oder externen Manipulatoren, einschließlich Telemanipulatoren, durchgeführt werden.
Die 3 und 4 sind zwei Bildschirmabbilder 300 und 302, die das Erfassen des Kniegelenks zeigen, wie in Block 202 dargelegt. Wie gezeigt führt die Anzeige 114 den Chirurgen durch die zum Erfassen des Kniegelenks benötigten Schritte bei der Präparation für den Eingriff. Es sind ebenfalls Prüflisten 304 und 306 der Parameter vorgesehen, die bestimmt werden sollen, und das Navigationssystem 112 sieht auch zusätzliche Bildschirmdarstellungen vor, um den Chirurgen beim Bestimmen des Ortes des Hüftzentrums, des Bewegungsbereichs des Knies, des Orts des medialen Malleolus sowie des lateralen Malleolus unterstützen. Zusätzlich kann, nachdem das Kniegelenk geöffnet worden ist, der Zeiger 116 zusammen mit dem Navigationssystem 112 verwendet werden, um das Kniezentrum, den anterioren Kortex, das Zentrum des tibialen Plateaus, das mediale Kompartiment und das laterale Kompartiment zu bestimmen. Das Navigationssystem 112 kann den Chirurgen an den Ort dieser Landmarken führen oder nur den Ort aufzeichnen, wenn der Chirurg manuell den Ort der Landmarke unter Verwendung des Zeigers 116 bestimmt.
Es können weitere biomechanische Eigenschaften und Landmarken mittels des Navigationssystems 112 über eine indirekte Digitalisierung unter Verwendung der oben bestimmten Landmarken bestimmt werden, wie oben festgehalten. Die Oberfläche der femoralen Kondylen kann durch ein Kombinieren der Bewegungsbereichsanalyse mit dem digitalen Ort des tibialen Plateaus bestimmt werden.
Die Intern-/Extern-Rotation des Femurs 102 kann auch über eine Vielzahl von Verfahren bestimmt werden. Beispielsweise kann die Intem-/Extem-Rotation aus der frühen (0° bis 45°) Flexion abgeleitet werden. Es gibt eine Mehrzahl gut bekannter Algorithmen, die diese Berechnung durchführen können, einschließlich der helikalen Achse, der Residuenminimierung und anderer ähnlicher geometrischer Optimierungstechniken. Alternativ hierzu kann die Intern-/Extern-Rotation aus der Form der posterioren Kondylen abgeleitet werden. Normalerweise ist die Form der Kondylen bei großer Flexion (größer als 90°) durch einen möglichen Krankheitszustand des Gelenks unbeeinflusst. Die Intern-/Extern-Rotation wird durch ein Anpassen eines Konus oder Zylinders an den Femur 102 bestimmt, wenn das Knie 106 relativ zu dem Femur 102 gebeugt ist. 5 zeigt ein Bildschirmabbild 310, das die Ergebnisse des Ortes der Inter-/Extern-Achsen mittels zweier verschiedener Verfahren, wie obenstehend beschrieben, und auch mittels einer Mittelung oder einer anderen Gewichtung der zwei Ergebnisse der internen/externen Rotationsachse anzeigt. Die tibiale interne/externe Rotationsachse kann ebenfalls auf eine ähnliche Weise bestimmt werden.
6 zeigt ein Bildschirmabbild 312 der Bestimmung der anfänglichen Gelenklinie. In einem oberen Ausschnitt 314 ist eine Darstellung der femoralen Kondylen 316 gezeigt, in einem unteren Ausschnitt 318 ist eine Darstellung der tibialen Kompartimente 320 gezeigt. Eine Druckzone 321 ist dort vorhanden, wo die femoralen Kondylen 316 die tibialen Kompartimente 320 kontaktieren. Eine Reihe von Kontaktpunkten 323 stellt Kontaktpunkte auf jeder der femoralen Kondylen dar, und eine ähnliche Reihe von Kontaktpunkten 322a stellt die Kontaktpunkte an den tibialen Kompartimenten dar. Eine Reihe von Linien 324 sind momentane Rotationsachsen, die Paare von Kontaktpunkten 322 der femoralen Kondylen 316 mit dem tibialen Kompartiment 320 verbinden. Für jede Gelenklinie 324 auf den femoralen Kondylen 316 gibt es eine entsprechende Gelenklinie 324a. Eine funktionale Flexionsachse 326 für das Knie 106 ist ebenfalls als Referenz gezeigt. Eine wiederhergestellte Gelenklinie kann durch das System berechnet werden und als ein chirurgisches Ziel des Chirurgen und des Navigationssystems 112 verwendet werden. Die wiederhergestellte Gelenklinie wird durch Heranziehen des prominentesten Punktes der femoralen Kondylen 316 und durch Heranziehen einer Linie, die diesen prominenten Punkt auf den femoralen Kondylen 316 schneidet und die rechtwinklig zu der mechanischen Achse des Femurs 102 ist, bestimmt.
In dem Block 204 wird der Weichgewebemantel evaluiert. Ein Verfahren zum Durchführen dieser Evaluation besteht darin, das offene Kniegelenk über den gesamten Bewegungsbereich zu beugen, während gleichzeitig eine Varus- oder Valgus-Belastung auf das Kniegelenk appliziert wird. Der Chirurg bewegt das Kniegelenk, indem er das Knie beugt und entweder auf die laterale Oberfläche drückt, um eine Varus-Belastung zu applizieren, oder auf die mediale Oberfläche drückt, um eine Valgus-Belastung zu applizieren. 7 ist ein Bildschirmabbild 330, bei dem die Belastungen über die Flexionswinkel aufgetragen sind. Ein Cursor 332 bei 5° Valgus und 45° ist die augenblickliche Position des Gelenks. Ein Bereich 334 in dem Diagramm zeigt das Ausmaß der Laxität des Gelenks bei bestimmten Flexionswinkeln. Der Chirurg ist daran interessiert, die Größe der Laxität des Weichgewebes zu sehen, das das Kniegelenk 106 führt. Die Größe der Laxität hat einen Einfluss auf die Auswahl des möglichen Implantats sowie auf den Ort der Knochenschnitte, die der Chirurg machen muss, um das Gelenk zur Aufnahme des Implantats zu präparieren. Diese Evaluation schlägt dem Chirurgen auch die Art und den Umfang beliebiger Weichgewebereleases vor, die notwendig sind, um das Knie 160 abzugleichen bzw. auszubalancieren, nachdem die Implantate sich in Position befinden. Zusätzlich ist es auch möglich, ähnliche Informationen bezüglich der wiederhergestellten Gelenklinie zu bestimmen.
Als Anfangsaspekt des Schritts des Blocks 208 unterstützt ein Bildschirmabbild 340 ähnlich der 8 den Chirurgen bei dem anfänglichen Abgleich des Gelenks und der anfänglichen Bestimmung des Ortes der Schnitte, die an der Tibia und dem Femur durchgeführt werden müssen. Für die meisten Rekonstruktionsoperationen ist die Höhe der Varus- und Valgusabweichung so nahe bei Null wie möglich. In einem linken Ausschnitt 342 ist das Knie 106 in einer 0°-Flexion gezeigt. Eine Linie 344 ist die mechanische Achse des Femurs. Dies zeigt den Fall, bei dem eine femorale Schnittlinie 346 rechtwinklig zu der mechanischen Achse des Femurs verläuft. Eine Linie 348 zeigt die mechanische Achse der Tibia und eine tibiale Schnittlinie 350 zeigt den vorgeschlagenen Ort des Schnittes an dem tibialen Plateau. Dies ergibt eine Lücke von 24 mm, wie in 8 gezeigt. Ein rechter Ausschnitt 352 zeigt das Gelenk bei einer 86°-Flexion. Eine Linie 354 zeigt den Schnitt, der an dem posterioren Abschnitt des Femurs durchzuführen ist. Dies ergibt ebenfalls eine Lücke von 24 mm. Typischerweise sind die Schnittlinien 346 und 354 parallel zueinander. Dies bietet eine einfachere Lösung für die bestimmten, aus der Datenbank 306 auszuwählenden Implantate. Auch sollte die Lücke während aller Flexionsgrade des Gelenks ähnlich sein, so dass die Endimplantate so gleichmäßig wie möglich funktionieren, wenn nach dem Eingriff der Patient läuft und sich bei normalen Aktivitäten betätigt, die der Lebensführung des Patienten angemessen sind.
Die Analyse des Weichgewebes kann durchgeführt werden, indem das Knie 106 bewegt wird, oder sie kann alternativ hierzu durchgeführt werden, indem ein zu dem tibialen Plateau rechtwinkliger Schnitt durchgeführt wird, um Raum für eine In-Situ-Abgleichvorrichtung mit der Patella am Ort zu schaffen. Die Vorrichtung kann von einer beliebigen geeigneten Konstruktion sein, solange die Vorrichtung es dem Chirurgen ermöglicht, das Kniegelenk 106 gegen das Weichgewebe zu spannen. Eine geeignete Abgleichvorrichtung ist in 22 gezeigt, die detaillierter unten beschrieben wird. Da der Femur über die Abgleichvorrichtung läuft, ist es nicht notwendig, irgendwelche Schnitte an dem Femur zu diesem Zeitpunkt durchzuführen. Der Chirurg kann das Kniegelenk 106 über den gesamten Bewegungsbereich beugen und eine funktionale Flexionsachse des Kniegelenks 106 ermitteln. Dies schafft eine Zeitersparnis sowie eine zusätzliche Flexibilität des Eingriffs. Der Chirurg kann auch die Anordnung der femoralen Schnitte bestimmen, nachdem das Weichgewebe evaluiert worden ist. Der Chirurg besitzt eine größere Kontrolle die Wahl der Implantate und ist in der Lage, sofern gewünscht, die Größe der an dem Weichgewebe durchzuführenden Veränderungen zu minimieren. In Abhängigkeit von der Ausbildung des Chirurgen möchte der Chirurg möglicherweise das Weichgewebe respektieren und sowenig Veränderungen an dem Weichgewebe vornehmen wie möglich. Eine alternative Ausbildung besteht darin, mehr Veränderungen an dem Weichgewebe als an den Knochenstrukturen durchzuführen. Es gibt auch Schulen, die eine Kombination der obigen zwei Herangehensweisen vorsehen. In Abhängigkeit von der Herangehensweise kann der Chirurg die Größe der Veränderung an dem Weichgewebe oder an den Knochen steuern und bestimmen.
Die 9 und 10 zeigen zwei Bildschirmabbilder 360 und 362, bei denen Implantate 364 und 366 virtuell in das Kniegelenk 106 platziert sind. Die bestimmten Implantate 364 und 366 werden auf der Basis der Parameter des Kniegelenks 106 gewählt, wobei diese mit den Eigenschaften der verschiedenen Implantate in der Datenbank 206 kombiniert werden. 9 zeigt das Kniegelenk 106 ohne irgendwelche Seitenbelastung oder Druck. 10 zeigt das gleiche Kniegelenk 106, einer 10° Varusbelastung unterworfen. Dies zeigt die Möglichkeit für den Chirurgen, die vorher getroffenen Auswahlen zu modifizieren, bevor er sich auf eine bestimmte Gelenkkonfiguration festlegt. Der Chirurg kann auch das Knie 106 virtuellen Kräften aussetzen, wie in 10 gezeigt, und die Auswirkung dieser Kräfte auf das Kniegelenk 106 und die vorgeschlagenen Implantate 364 und 366 beobachten. Die 11 und 12 zeigen Bildschirmabbilder 370 und 372 einer alternativen Ausführungsform ähnlich den 9 und 10. 11 zeigt die vorgeschlagenen Implantate 364 und 366, die ausgewählt wurden, um die Gelenklinie wiederherzustellen. 12 zeigt die vorgeschlagenen Implantate 364 und 366, die das Knochenreferenzziel erreichen.
13 zeigt ein Bildschirmabbild 380 einer alternativen Ausführungsform, die weder eine Komponentendatenbank verwendet noch für den Chirurgen eine Option vorsieht, wenn es keine gute Lösung für das Implantat der Datenbank gibt. In einem rechten Ausschnitt 382 ist der Femur 102 mit einem Größenraster 384 gezeigt. Dieses zeigt die Anordnung der verschiedenen Implantate relativ zu einem distalen 386, einem anterioren 384 und einem posterioren 388 Abschnitt des Femurs 102. Nachdem der Chirurg manuell ein Implantat gewählt hat, kann das Navigationssystem 112 wie oben das gewählte Implantat am Ort in dem Gelenk anzeigen. Der Chirurg kann dann das Knie 106 wie oben bewegen.
Die 14 und 15 zeigen Bildschirmabbilder 400 und 402. Bei dieser Ausführungsform wird der Abgleich relativ zu Knochenreferenz durchgeführt. Beide Ausschnitte 404 und 406 weisen eine Reihe von Knöpfen 408 auf, die virtuell beliebige gezeigte Werte variieren können. Das Ergebnis der Variation des Wertes wird unmittelbar in beiden Ausschnitten 404 und 406 gezeigt. Dies bietet dem Chirurgen eine weitergehende Kontrolle über die von dem Navigationssystem 112 vorgeschlagenen Auswahlen. Auf ähnliche Weise zeigen die 16 und 17 Bildschirmabbilder 410 und 412 einer weiteren Ausführungsform, die den Abgleich im Hinblick auf die wiederhergestellte Gelenklinie durchführt.
Wie in 18 gezeigt, kann die Installation der Implantate mehrere Schritte umfassen. In einem Block 420 unterstützt das Navigationssystem 112 den Chirurgen durch die Anordnung von Versuchsimplantaten bei der Präparation des Gelenks und der Modifikation der Weichgewebespannung. Es kann in einem Block 422 notwendig sein, die Weichgewebespannung mittels bekannter Verfahren anzupassen. Das Navigationssystem 112 unterstützt den Chirurgen beim Führen der Werkzeuge an den richtigen Ort zum Verringern der Spannung eines bestimmten Bandes oder eines Bänderbündels. Wenn der Chirurg mit den Versuchsimplantaten und dem Weichgewebe zufrieden ist, fährt das System mit einem Block 424 fort, der den Chirurgen bei der Anordnung der Endimplantate unterstützt.
19 zeigt ein weiteres Verfahren zum Visualisieren des interaktiven Charakters der vorliegenden Erfindung. Das Diagramm zeigt verschiedene Kurven, die eine Reihe von Lösungen für das optimale Positionieren des Implantats für eine bestimmte Implantatkombination darstellen. Das chirurgische Navigationssystem 112 zeigt die Kurven 500 bis 510 relativ zu der Flexion und Rotation des Knies 106 an. Der Punkt auf der Anzeige 512 zeigt die momentane Position des Kniegelenks 106 und der vorgeschlagenen Implantate an. Durch Bewegen des Knies 106 kann der Chirurg die Kombination der Implantate und der Weichgewebekorrekturen wählen, die das gewünschte Ergebnis bzw. Ziel erzeugen.
Die Visualisierung der oben offenbarten Informationen wie etwa der Flexionsachse, der Gelenklinie, der Ausrichtung, der Belastungsverteilung über den gesamten Bewegungsbereich, die Implantatgröße und -position, etc. stellt eine Herausforderung dar und kann manchmal überfordern. Ein effektives und darüber hinaus ergonomisches Verfahren zum Vermitteln dieses komplexen Kontextes besteht in der Zuhilfenahme von Techniken der Erweiterten Realität („augmented reality“), bei denen durch Projektionstechniken die graphischen Informationen über die behandelten anatomischen Strukturen gelegt werden kann. Dies ergibt eine intuitive, kontextorientierte Visualisierung der benötigten Informationen. Beispielsweise kann das gewählte Implantat an der korrekten Position direkt der anatomischen Struktur überlagert werden, was dem Chirurgen die Gelegenheit gibt, die insgesamte Anpassung und die benötigte Präparation eines intakten Gelenks festzustellen.
Das System und die Verfahren der vorliegenden Erfindung wurden unter Verwendung des Knies 106 als ein Beispielgelenk beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass das Knie 106 das komplizierteste Gelenk vom nicht-geführten Typ ist. Demnach können die Verfahren der vorliegenden Erfindung auf andere nicht-geführte Gelenke im Körper wie etwa das Fußgelenk, die Schulter oder den Ellenbogen angewendet werden. Es versteht sich auch, dass jede Art von chirurgischer Maßnahme innerhalb des gesamten Behandlungsspektrums der Gelenke von den hier beschriebenen Verfahren profitiert. Die verschiedenen chirurgischen Implantate können von autologen Geweben zur fokussierten Instandsetzung über strukturierte belastungstragende Biomaterialien und Ersatzoberflächen inerter Materialien bis zu prothetischen Implantaten zur Revision reichen. Es versteht sich auch, dass die Verfahren der vorliegenden Erfindung mittels des chirurgischen Navigationssystems 112 bewerkstelligt werden können, das eine in den Direktzugriffsspeicher in Form maschinenlesbaren Codes geladene Software besitzt, wobei dieser Code mittels eines Arrays logischer Elemente wie etwa einem Mikroprozessor oder einer anderen digitalen Signalverarbeitungseinheit ausführbar ist, die innerhalb des chirurgischen Navigationssystems 112 oder innerhalb eines beliebigen Standardcomputersystems enthalten ist.
20 ist eine schematische Ansicht eines Fußgelenks 600, das für eine Fußgelenkersatzoperation vorbereitet worden ist. Die Verfolgungsvorrichtung 108 ist der Tibia 104 zugeordnet. Zusätzlich gibt es eine zweite Verfolgungsvorrichtung 108, die einem Talusknochen (nicht abgebildet) des Fußgelenks 600 zugeordnet ist. Wenn der Chirurg einen Fuß 602 bewegt, ermöglicht es das Fußgelenk 600, dass sich der Fuß auf und ab bewegt. Das Fußgelenk 600 besteht aus dem eigentlichen Sprunggelenk, an dem Tibia 104, Fibula und Talus zusammentreffen. Unterhalb des Talus befindet sich das subtalare Gelenk, an dem der Talus auf den Calcaneus trifft. Das eigentliche Sprunggelenk ermöglicht es, dass sich der Fuß 602 relativ zu der Tibia 104 auf und ab bewegt, und das subtalare Gelenk ermöglicht es, dass sich der Fuß 602 seitlich bewegt. In Abhängigkeit von dem Eingriff kann auch eine optionale Verfolgungsvorrichtung 108 vorgesehen sein, die dem Fuß 602 zugeordnet ist. Unter Verwendung des gleichen Arbeitsablaufs wie oben für das Knie 106 kann der Chirurg die geeignete Ersatzoperation für das Fußgelenk 600 durchführen. Auf ähnliche Weise wie in 21 schematisch veranschaulicht, kann auch eine Operation eines Ellenbogens 630 durchgeführt werden. Die Verfolgungsvorrichtungen 108 werden dem Humerus 632 und der Ulna 634 wie abgebildet zugeordnet. Wiederum kann eine Ersatzoperation des Ellenbogens 630 unter Verwendung der Eingriffe und des oben dargelegten Arbeitsablaufs durchgeführt werden.
22 zeigt eine Ausführungsform einer Distraktionsvorrichtung 650. Die Vorrichtung 650 besitzt zwei dehnbare Blasen 652 und 654. Die Blasen 652 und 654 können aufgeblasen oder entleert werden, um einen Druck auf das Kniegelenk 106 vorzusehen. Bei einer Ausführungsform sind die Blasen 652 und 654 so separat derart steuerbar, dass jede der Blasen 652 und 654 einen unterschiedlichen Druck auf das Kompartiment des Kniegelenks 106 ausüben kann. Bei anderen Ausführungsformen üben die Blasen 652 und 654 den gleichen Druck auf beide Kompartimente des Kniegelenks 106 aus. Die Blasen 652 und 654 können aus einem beliebigen, geeigneten, chirurgisch akzeptablen, flexiblen Material gebildet sein. Beispiele sind Kunststoffe wie Polyethylenterephthalat, Polyurethan, Polyvinylchlorid und ähnliche. Die Blasen 652 und 654 können, wie gezeigt, eine glatte Seitenwand 666 aufweisen oder die Seitenwände 656 können gerillt sein. Die Blasen 652 und 654 sind auf Grundflächen 656 bzw. 660 angebracht. Die Grundflächen 658 und 660 können mittels eines Scharniers 662 verbunden sein, oder bei einer alternativen Ausführungsform können die Grundflächen 658 und 660 so verbunden sein, dass die Grundflächen 658 und 660 sich nicht relativ zueinander bewegen können. Ein flexibler Schlauch 664 erstreckt sich zwischen den Blasen 652 und 654. Bei unserer Ausführungsform, bei der die Blasen 652 und 654 den gleichen Druck ausüben, kommuniziert der Schlauch 664 mit dem Innenraum der Blase 652. Bei der Ausführungsform, bei der die Blasen 652 und 654 unterschiedliche Drücke ausüben, befindet sich der Schlauch 664 in Kommunikation mit einer nicht abgebildeten individuellen Luftversorgung. Ein zweiter Schlauch 666 verbindet die Blase 652 mit der externen Luftversorgung. Die Distraktionsvorrichtung 650 kann so dimensioniert sein, dass die Distraktionsvorrichtung 650 in das Kniegelenk 106 unter Verwendung von minimal invasiven chirurgischen Techniken eingebracht werden kann.
Die Computersoftware kann in einem beliebigen zweckdienlichen Format gespeichert werden, das von Computern verwendbar ist, die sich innerhalb chirurgischer Operationsräume befinden. Oft wird die Software auf Medien wie etwa CD-ROM, DVD-ROM oder ähnlichen Datenspeichermedien verfügbar gemacht. Zusätzlich kann die Software zum Herunterladen über eine Internetverbindung verfügbar gemacht werden.
Dem Fachmann sind im Hinblick auf die vorangegangene Beschreibung zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung offensichtlich. Dementsprechend soll diese Beschreibung lediglich als veranschaulichend ausgelegt werden und wird zu dem Zweck dargelegt, den Fachmann zum Durchführen und Verwenden sowie zum Lernen des besten Ausführungsmodus derselben zu ertüchtigen. Die ausschließlichen Rechte an allen Modifikationen innerhalb des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche sind vorbehalten.

Claims

Verfahren zum Durchführen einer virtuellen Arthroplastik an einem Gelenk unter Verwendung eines eine Anzeigevorrichtung (114) aufweisenden, chirurgischen Navigationssystems (112), dem eine Kamera (110) zugeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Lokalisieren artikulärer anatomischer Strukturen unter Verwendung der dem chirurgischen Navigationssystem (112) zugeordneten Kamera (110), die dazu ausgebildet ist, den Ort eines einem Gelenkknochen zugeordneten Verfolgungselements (108) zu verfolgen; Aufzeichnen von Daten biomechanischer Eigenschaften des Gelenks durch das chirurgische Navigationssystem (112); Aufzeichnen von Werten der Eigenschaften des Weichgewebemantels für das Gelenk durch das chirurgische Navigationssystem (112); Auswählen eines Implantats aus einer Mehrzahl zur Verfügung stehender prothetischer Systeme durch das chirurgische Navigationssystem (112) unter Berücksichtigung der aufgezeichneten Daten und Werte; Anzeigen einer interaktiven Ansicht des Gelenks, der Eigenschaften des Weichgewebemantels, der biomechanischen Eigenschaften und des gewählten Implantats auf der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112), um es einem Chirurgen zu ermöglichen, gleichzeitig die Eigenschaften des Weichgewebemantels, die biomechanischen Eigenschaften und das gewählte Implantat auf der interaktiven Ansicht auf der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112) zu beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gelenk ein Knie ist und die anatomischen Strukturen gewichttragend und Femur, Tibia und Patella sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gelenk ein Fußgelenk ist und die anatomischen Strukturen Tibia, Fibula und Talus sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gelenk ein Ellenbogen ist und die anatomischen Strukturen Ulna, ein Humerus und ein Radius sind.
Verfahren nach Anspruch 2, das den Schritt des Lokalisierens einer Patella des Kniegelenks unter Verwendung des chirurgischen Navigationssystems beinhaltet, und wobei die biomechanischen Eigenschaften des Kniegelenks die biomechanischen Eigenschaften der Patella beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Lokalisieren der Patella mit zumindest drei Freiheitsgraden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, das den Schritt des Auswählens eines Patellaimplantats auf der Basis einer Wechselwirkung zwischen den biomechanischen Eigenschaften des Femurs und den biomechanischen Eigenschaften der Patella und einer Befestigungsbeziehung der Patella mit der Tibia beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die biomechanischen Eigenschaften zumindest den Ort des Femurkopfes und/oder die Digitalisierung des anterioren Femurcortex und/oder die Digitalisierung des Tibiazentrums und/oder die Digitalisierung der Plateauscheiben der Tibia und/oder den Ort des Zentrums des Fußgelenks und/oder eine anfängliche funktionale Flexionsachse des Knies beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die biomechanischen Eigenschaften auch eine abgeleitete Eigenschaft auf der Basis der bestimmten biomechanischen Eigenschaften beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die abgeleiteten Eigenschaften die Oberfläche der femoralen Kondylen, das Zentrum des Kniegelenks, die Intern-/Extern-Rotation des Femurs, die Intern-/Extern-Rotation der Tibia und die momentanen Rotationsachsen des Knies beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Extern-/Intern-Rotation des Femurs unter Verwendung der Form der posterioren Kondylen des Femurs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Evaluierens der Weichgewebeeigenschaften unter Verwendung einer Distraktionsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, Distraktionskräfte auszuüben, die die normale Aktivität einer freiwilligen Bewegung des Gelenks simulieren..
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Gelenk das Knie ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Belastungsverteilung auf den tragenden Oberflächen der Implantatkomponenten über den Bewegungsbereich des Gelenks mittels in der Distraktionsvorrichtung eingebetteter Erfassungselemente beurteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die interaktive Ansicht auf der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112) eine Vorschau des gewählten Implantats aufweist, das in vorgeschlagenen Resektionen der Knochen platziert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine optimierte Position der Implantatkomponenten die kinematischen Weichgewebebeschränkungen und die dem verwendeten prothetischen System intrinsischen berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die interaktive Ansicht auf der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112) auch eine Anzeige einer Lücke zwischen den Artikulationsoberflächen des Implantats bei einer beliebigen Position des Gelenks aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Gelenk ein Knie ist und die interaktive Ansicht auf der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112) auch eine Anzeige einer Lücke zwischen dem femoralen Implantat und dem tibialen Implantat bei einer beliebigen Flexion des Kniegelenks aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die interaktive Ansicht auf der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112) mehrere Ansichten des Gelenks aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Implantat aus einer Implantatdatenbank ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Auswahl des Implantats Geschlechts- und Rassencharakteristiken in Betracht zieht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anzeige der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112) ein Größenraster zeigt, um die Auswahl der Implantatkomponenten zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die interaktive Ansicht auf der Anzeigevorrichtung (114) des chirurgischen Navigationssystems (112) auch die Lücke zwischen Femur und Tibia anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Information mit Techniken der Erweiterten Realität direkt in-situ angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die als Modell der Implantatkomponenten angezeigten Informationen an der richtigen Position den anatomischen Strukturen des Gelenks überlagert werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die angezeigten Informationen eine benötigte Präparation des Gelenks gemäß der Position der verwendeten Implantatskomponenten zeigt.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die angezeigten Informationen auch die notwendige Instrumentierung beinhalten, um die Präparation durchzuführen, und wobei die Instrumentierung an der richtigen Position relativ zu den anatomischen Strukturen des Gelenks gezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die angezeigten Informationen auch die Präparationsgrenzen und die Mäntel bzw. Umhüllenden, die von der Instrumentierung benötigt werden, um die Präparation durchzuführen, beinhalten, und wobei die Grenzen und Mäntel bzw. Umhüllenden an den richtigen Positionen relativ zu den anatomischen Strukturen des Gelenks gezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei präoperativ gemessene biomechanische Eigenschaften berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend den Schritt des Vergleichens der präoperativ gemessenen biomechanischen Eigenschaften mit den nach dem Eingriff gemessenen.
System zum Durchführen einer virtuellen Funktionsgelenk-Arthroplastik, umfassend ein eine Anzeigevorrichtung (114) aufweisendes, chirurgisches Navigationssystem (112) sowie eine dem Navigationssystem (112) zugeordnete Kamera (110), wobei die Kamera (110) dazu ausgebildet ist: - den Ort eines einem Gelenkknochen zugeordneten Verfolgungselements (108) zu verfolgen, und das chirurgische Navigationssystem (112) dazu ausgebildet ist: - Daten biomechanischer Eigenschaften des Gelenks sowie Werte der Eigenschaften des Weichgewebemantels für das Gelenk aufzuzeichnen, - ein Implantat aus einer Mehrzahl zur Verfügung stehender prothetischer Systeme unter Berücksichtigung der aufgezeichneten Daten und Werte auszuwählen, und - eine interaktive Ansicht des Gelenks, der Eigenschaften des Weichgewebemantels, der biomechanischen Eigenschaften und des gewählten Implantats auf der Anzeigevorrichtung (114) anzuzeigen, um es einem Chirurgen zu ermöglichen, gleichzeitig die Eigenschaften des Weichgewebemantels, die biomechanischen Eigenschaften und das gewählte Implantat auf der interaktiven Ansicht auf der Anzeigevorrichtung (114) zu beeinflussen.