DE102007007915A1

DE102007007915A1 - Verbessertes Hartgewebe-Schnittsystem

Info

Publication number: DE102007007915A1
Application number: DE102007007915A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Burger; Gordon Dodds
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-08-21

Abstract

Ein Multi-modales Schnittwerkzeug bestehend aus chirurgischen Werkzeugen, chirurgischem Navigationssystem sowie einem navigierten Schnitt- und Markierungssystem. Weiterhin bestehend aus einem Computer der basierend auf dem verwendeten Implantat und der geplanten Positionierung einen Plan für die Positionierung und Orientierung von Führungsschnitten berechnet um die benötigte Zeit, Größe des Führungsschnitts und die Genauigkeit zu optimieren.

Description

Zur Implantierung künstlicher Gelenkte, wie zum Beispiel einem künstlichen Kniegelenk, muß der Knochen des Patienten entsprechend präpariert werden. Hierzu wird nach dem derzeitigen Stand der Technik der Knochen mit einer chirurgischen Säge oder einem Frässystem bearbeitet um anschliessend das Implant darauf zu setzen. Die meisten Implante verlangen großflächige, ebene Schnitte des Knochens.
Neuartige Implantsysteme können jedoch auch eine nicht plane Knochenpräparation nötig machen.
Stand der Technik ist auch ein chirurgisches Navigationssystem wie zum Beispiel das DePuy Ci^TM System, hiermit lassen sich die benötigten Schnitte zur optimalen Positionierung eines Implantats planen und mit Hilfe einer navigierten Säge auch ausführen und anschliessend verifizieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schnittssystem in der Medizin gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein System zu entwickeln, das schnell und genau ist. Dieses System verwendet weiterentwickelte Werkzeuge in Kombination mit Werkzeugen gemäß dem Stand der Technik, wie traditioneller chirurgischer Säge, sowie eine neue Methode zur Ausrichtung der Schnitte.
Weiterhin Stand der Technik ist, das abhängig vom verwendeten Implantatsystem die benötigten Schnitte zunächst geplant werden und dann mit navigierten Schablonen oder navigierten Sägen ausgeführt werden.
Normalerweise sind hohe Kosten und Aufwand notwendig um das Instrumentarium für ein neues Implantatsystem zu entwickeln, insbesondere müssen wir jede Implantatgröße eigene Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden. Das System gemäß der Erfindung verwendet die Knochen selbst als Schablone indem die nötigen Ansatzpunkte oder Führungsschnitte für die Knochenbearbeitung mit einem navigierten Bohr-Schneide- oder Frässystem (im weiteren Multi-modales Schnitt-Werkzeug genannt) durchgeführt werden. Diese Ansatzpunkte oder Führungsschnitte dienen dann dem Stand der Technik entsprechenden chirurgischen Werkzeugen als eine Art Schablone.
Wichtige Komponenten der Erfindung sind zudem sogenannte Hilfsverfahren, die z. B. eine freihändige exakte Navigierungen einer Fläche, einfache Ausrichtungsinstrumente oder für die Anwendung optimierte Sägen.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Schnitt-System für Knochen und hartes Gewebe für medizinische Anwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das eigentliche Ziel von komplett automatischer Knochenbearbeitung ist begrenzt durch die Anforderungen von schadensfreier, aber trotzdem sicherer Montierung des Schneide/Fräswerkzeuges am Knochen. Zudem benötigen Robotersysteme zur automatschen Knochenbearbeitung einen großen Zugang zum Knochen und damit einen Schnitt durch das Weichteilgewebe.
Zur Navigation von Knochen und den entsprechenden Bearbeitungswerkzeugen relativ zu diesen gibt es einige Lösungen. Im Patent WO 2005091978 A2 , werden die Werkzeuge ausgeschaltet, wenn sie sich außerhalb einer markierten Grenze bewegen. Diese Lösung verlangt ununterbrochene Navigierung und ist nur für einen Teil der chirurgischen Prozedur geeignet.
In US 20040157188 , wird mit Hilfe einer Schablone ein vordefinierter Teil des Knochen entfernt. Allerdings verwendet dieses System nur einen Schnittmodi, eine Fräse. Zudem ist diese Methode ist nur anwendbar, weil das zu bearbeitende Volumen sehr klein ist.
US 20030208296 beschreibt ein geführtes Werkzeug mit einem Fräser, der durch ein Abdecksystem vom Schneiden gehindert, ausgeschaltet oder nur mit reduzierter Geschwindigkeit betrieben wird falls er außerhalb eines vordefinierten Volumens verwendet wird. Dieses Patent ist für tragbare Geräte geeignet, verwendet aber nur ein einziges Werkzeug für die gesamte Prozedur.
In US 4733049 , beschreibt die gleichzeitige Verwendung zweier Werkzeuge, einer Hilfsmethode mit einer Primärschnittmethode. Durch einen Laser wird die Säge erhitzt um besseres Schneiden zu ermöglichen. In der hier vorliegenden Erfindung wird im Gegensatz zu '049 keine Änderung der Beschaffenheit des Knochens riskiert und die beiden Werkzeuge in vorliegender Erfindung werden nach einander verwendet.
In DE 10133341 wird die Knochendicke und Gewebetypus durch das Geräuschprofil beim Schneiden/Fräsen identifiziert. Diese Signale werden nicht für eine Messung der Schnitt-Tiefe verwendet, sondern lediglich für eine Optimierung von der Schnitt-Geschwindigkeit.
US 20050137599 beschreibt ein Werkzeug um die Oberflächenqualität bzw. Rauhigkeit des initial erzielten Schnittes zu messen. Anschliessend wird dieser Schritt durch einen feinen Fräser fertig gestellt. Eine ähnliches System wird mit einem schrittweise Verfeinerungs-Werkzeug auch bereits in US 20030208296 beschrieben. Im Gegensatz dazu wird in der hier vorliegenden Erfindung, zunächst mit einem navigierten fräser ein Führungsschnitt erstellt und dann dieser zur Führung der unnavigierten Säge verwendet. US 20050137599 verwendet zudem einen Rotationsquerschneider, während in der vorliegenden Anmeldung eine lineare Säge, wie z. B. In US 5725530, verwendet wird.
Eine genaue Positionierung ist wichtig für die Lebensdauer eines Implantates. Um dies zu gewährleisten müssen die für die Positionierung maßgeblichen Knochenschnitte sehr präzise durchgeführt werden. Hierzu werden nach derzeitigen Stand der Technik Navigationssysteme für Knochen und Instrumente verwendet. Zudem müssen die entsprechenden Schnitte verwendeten Werkzeuge bzw. Gemäß Stand der Technik Sägen möglichst dünne Sägeblatter haben um Knochen und umliegendes Gewebe zu schonen. Anderseits müssen die Sägeblätter stabil genug sein, damit sie sich während der Anwendung nicht verbiegen. Diese zum Teil widersprüchlichen Anforderungen werden mit der vorliegenden Erfindung gelöst.
Ein Schnittsansatz, der verschiedene Schnittmodi besitzt (im weiteren multi-modal genannt), z. B. Laser, Fräse, Säge oder ähnliches ermöglicht eine schnellere und genauere Bearbeitung (fräsen, sägen etc) des Knochens. Die korrekte Planung der Schnitt-Anordnung ermöglicht eine effiziente Kombination vonpreisgünstigen, nicht-navigierten Werkzeugen zusammen mit navigierte Werkzeugen. Die optimale Anordung, Reihenfolge und Orientierung der einzelnen Werkzeuge erlaubt es die Zahl der beteiligten Werkzeuge, deren Wechsel und damit die zu verwendete Zeit zur Knochenbearbeitung zu minimieren.
Aufgabenstellung
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein System zu entwickeln, das die Schnittqualität verbessert und die Operationszeit verringert. Dieses System verwendet normale Werkzeuge, klinische Navigierungssysteme und ein neues navigiertes Schnitt- und physikalisches Markierungs-System.
Diese Aufgabe wird durch ein System nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Verbessertes Hartgewebe-Schnittssystem bestehend aus einem navigierten Fräser (multi-modales Schnitt- und Markierungssystem) (1), normaler chirurgischer Säge oder einer Säge mit niedriger Vibration (2), Ein/Ausgabe-System und einem Rechner (3) um Schnitt und Fräsermarkierung zu berechnen und zu beurteilen. Andere Lösungen sind in den Ansprüchen beschrieben.
Das System kann mit oder ohne prä-operative Bildgebung wie Röntgen, CT oder dergleichen arbeiten. Modelle von Knochen und die klinische gewünschte Implantat-Positionierung kann mit Hilfe von Computer Navigations Systemen wie DePuy's Ci^TM geplant werden.
Um die Geschwindigkeit und das Ergebnis zu der Operation zu verbessern, bestimmt das System ob eine hybrid Lösung, d. h. zunächst ein grober Schnitt mit anschliessender Verfeinerung notwendig ist. Dies ist insbesondere ein Vorteil gegenüber herkömmlichen navigierten Frässystemen die zur Bearbeitung eines großen Knochenvolumens sehr zeitintensiv sind. Falls das Implantatsystem eine nicht plane Knochenpräparation erfordert, bestimmt das erfindungsgemäße System ob zunächst ein grober Schnitt durchgeführt werden sollte und falls ja, wird die notwendige Positionierung berechnet.
Das System ist preiswert und nimmt im Operationssaal kaum zusätzlich Platz ein, im Gegensatz z. B. zu einigen großen Robotersystemen.
Instrumenten- und Sterilisierung-Kosten sind im Vergleich zu derzeitigen Systemen deutlich geringer, da Anstelle vieler Schnittschablonen nur ein einziger Fräser verwendet wird.
Gegenwärtig wird in anderen Systemen ein einziger Schnitt- oder Fräsmodus bei der Knochenbearbeitung verwendet, dies hat Nachteile wie einen Mangel an Geschwindigkeit, beschränkter Reproduzierbarkeit und eine begrenzte Benutzerreaktionszeit. Letzteres insbesondere wenn die Säge oder Fräse in Bereiche vordringt die eigentlich nicht bearbeitet werden sollen. Systeme mit vollständig automatisierter Knochenbearbeitung gewinnen zwar an Bedeutung, werden aber immer noch sehr selten verwendet. Sie sind insbesondere zu teuer und verlangen einen zu großen Hautschnitt bzw. Schnitt durch das Weichteilgewebe als Zugangsvoraussetzung zum Knochen.
Als weiteren Nachteil im derzeitigen Stand der Technik wird mit Hilfe des navigationssystems nur der vorzunehmende Schnitt am Knochen geplant, nicht jedoch die dabei benötige Schnitt- bzw. Fräsrichtung und somit nicht die geplante Orientierung des entsprechenden Werkzeugs. Erfindungsgemäß wird dies hier mit berücksichtigt um zusätzlich sicherzustellen, dass der benötigte Zugang zum Knochen vorhanden ist und die zur Navigation nötige Sichtbarkeit der optischen Marker gegeben ist.
Ausführungsbeispiel
Ein erfindungsgemäßes Multi-modales Schnittwerkzeug kann von einem Navigationssystem geführt werden, um an den korrekten, vorgeplanten Punkten zu schneiden. Das Navigationssystem, wird hierzu entsprechend adaptiert, dass jedes der gegenwärtigen möglichen Werkzeuge (Fräser, Säge, Laser etc.) verwendet werden kann. Die verwendete Werkzeugmodalität kann mit Hilfe der Workflow Steuerung des Navigationssystems definiert werden. Jedes der möglichen Werkzeuge wird zunächst mit dem System kalibriert (prä-operativ). Zu Beginn der Operation ist jedes der verwendeten Werkzeuge ausgeschaltet oder der entsprechende für das Schneiden/Fräsen verantwortlich Werkzeugteil ist abgedeckt. Im folgende werden mögliche Ausführungsformen aufgelistet,

1. Laserresektion, bis der Schnitt einen bestimmten Abstand zu einem vordefinierten Endpunkt auf einer Oberfläche hat, siehe 1. Anschliessend wird der Schnitt mit der normalen Säge bzw. Fräse oder weichteilgewebefreundlichen Säge vervollständigt.
2. Laserresektion, wobei die Oberfläche des Knochens bis zu einer definierten Tiefe markiert wird, diese Markierung dient anschliessend als Schnittführung für eine Sägeklinge, siehe 2.
3. das Verwenden desselben Werkzeugs kann sowohl zum Markieren eines nachfolgenden Schnittes, wie auch der Ausführung des Schnittes selbst verwendet werden, sehen 3
4. ein navigierter Fräser erstellt Markierungen am Knochen zur anschliessenden Schnittführung eines nicht navigierten Werkzeugs. Diese Schnittführung wird mit Hilfe des Navigationssystems so geplant, dass eine nicht navigierte Säge für einen initialen, grob ausgerichteten Schnitt verwendet werden kann um den Großteil des Knochens zu resektieren. Anschliessend wird ein navigierte Fräser verwendet um die Knochen-oberflache genauer zu bearbeiten, sehen 3.

1: Navigiertes Werkzeug
2: Normale Säge oder Stable-Blade Saw
3: Planungscomputer
4: Mikrofon
5: DSP für Signal-Verarbeitung
6: Landmarke
7
8: Bildschirm-Schnittstelle
9: Knochen
10: Toleranz Abstand für Laser-Schnitt
11: Führungsschnitt
12: Laser
13: Laser Steuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2005091978 A2 [0010]
- US 20040157188 [0011]
- US 20030208296 [0012, 0015]
- US 4733049 [0013]
- DE 10133341 [0014]
- US 20050137599 [0015, 0015]

Claims

Ein Multi-modales Schnittwerkzeug bestehend aus chirurgischen Werkzeugen, chirurgischem Navigationssystem sowie einem navigierten Schnitt- und Markierungssystem. Weiterhin bestehend aus einem Computer der basierend auf dem verwendeten Implantat und der geplanten Positionierung einen Plan für die Positionierung und Orientierung von Führungsschnitten berechnet um die benötigte Zeit, Größe des Führungsschnitts und die Genauigkeit zu optimieren.
Ein System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Führungsschnitte mit Hilfe des navigierten Schnitt- und Markierungssystem am Knochen angezeichnet werden und diese anschliessend zur Führung eines nicht-navigierten Werkzeugs verwendet werden.
Ein System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantatposition mit einem Navigationssystem ohne prä-operative Bildgebung geplant wird, und die Knochenoberfläche mit einem navigierten Werkzeug abgefahren wird und so das zu bearbeitende Volumen abgeschätzt wird, anschliessend die benötigten Schnitte bzgl des zu bearbeitenden Volumens optimiert werden und mit demselben Werkzeug durchgeführt werden.
Ein System nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass Laser, Fräser, Säge oder Energie-Strahlung alternative Schnittmoden des navigierten Schnitt- und Markierungssystem sind
Ein System gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein nicht-navigierter Sägeschnitt durchgeführt wird um dem navigierte Schnitt-System Zugang zum tieferliegenden Knochen zu ermöglichen und dann die geplanten Führungsschnitte auszuführen.
Ein System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass grobe Schnitte zunächst mit einem nicht-navigierten Werkzeug ausgeführt werden und anschliessend mit dem navigierten Schnitt- und Markierungssystem verfeinert werden.
Ein System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Planung für nicht-plane, gekrümte Schnitte, zunächst plane Schnitte zum Entfernen großen Knochenvolumens ausserhalb der endgültig erforderlichen gekrümten Fläche vorsieht.
Ein System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnitt-/Markierungsfunktion des navigierten Schnitt- und Markierungssystem vom Navigationssystem gesteuert werden kann und ausserhalb des erlaubten Schnittvolumens ausgeschaltet wird.
Ein System gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feedback Signal der Laser-Ablation dazu verwendet wird um die Schnitttiefe des Laser im Knochen zuberechnen und rechtzeitig vor Erreichen des Weichteilgewebes den Laser abschaltet.
Ein System gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Feedback Signal aus der Geräuschentwicklung bei der Laserablation besteht, das mit einem Mikrofon (4) erfasst die Lasertiefe mit einem System zur Signalverarbeitung (5) berechnet wird.
Ein System gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Laser begonnene Schnitt mit einem chirurgischen Werkzeug vollendet wird.
Ein System gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieprofil des Laser vom Navigationsprofil abhängig von seiner Position relativ zu den geplanten Schnitten gesteuert wird.
Ein System gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnitt- und Markierungssystem im Knochen Führungslöcher für eine nicht navigierte Bohrmaschine erstellt.
Ein Methode zur Knochenpräparation bei der mit Hilfe eines navigierten Schnitt- und Markierungssystem zunächst Ansatzpunkte oder Führungsschnitte bearbeitet werden. Diese Ansatzpunkte oder Führungsschnitte dienen dann dazu die weitere Knochenpräparation mit nicht navigierten Werkzeugen abzuschliessen.
Methode gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansatzpunkte oder Führungsschnitte mit Hilfe eines Navigationssystems geplant werden.
Methode gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Plannung die zur Knochenbearbeitung benötigte Zeit, Größe des Führungsschnitts und die Genauigkeit optimiert.
Methode gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansatzpunkte oder Führungsschnitte zunächst nur ein großvolumige Entfernung von Knochen durch ein nicht navigiertes Werkzeug ergeben und dann die abschliessende Knochenbearbeitung mit dem navigierten Schnitt- und Markierungssystem erfolgt.
Methode gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die abschliessende Knochenbearbeitung nicht plane Oberflächen erzielt.