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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung befasst sich mit dem Ermitteln von für die Charakterisierung
von Gelenkbewegungen relevanten Informationen. Insbesondere befasst sich
die Erfindung mit der Analyse von Gelenkbewegungen basierend auf
der zeit- und/oder bewegungsabhängigen Vermessung von auf
oder in den beteiligten Körpersegmenten angebrachten Markern.
Die vorliegende Erfindung erlaubt dabei eine Quantifizierung von
Hautmarkerverschiebungen und eine Bestimmung der Hautelastizität,
wenn es bei den verwendeten Markern um Hautmarker handelt. Ferner befasst
sich die Erfindung mit Bestimmen von Gelenkparametern (z. B. Körpergelenkzentren
und -achsen) und mit Ermittlung der Genauigkeit der bestimmten Gelenkparameter.
Zusätzlich erlaubt die Erfindung das Ermitteln von Informationen,
welche sich allgemein auf Bewegungen von mit einander in beweglicher
Beziehung stehenden Knochenfragmenten oder -Teilen wie z. B. Kno chenfragmenten
einer Fraktur bzw. Knochenbruchs beziehen. Der Begriff eines Gelenks
weist somit eine breite Bedeutung auf.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei
Bewegungsanalysen, dem Bestimmen von funktionellen Defiziten bei
Bewegungen, der Diagnose von Erkrankungen und Verletzungen des Bewegungsapparates
(z. B. Osteoarthrose, Kreuzbandverletzung), der Planung, Durchführung
und Überwachung chirurgischer Eingriffe, dem Überwachen
des Therapieerfolges, in der Prävention und der Rehabilitation
von Erkrankungen und Verletzungen am Bewegungsapparat, sowie in
der Entwicklung von Orthesen oder Endoprothesen bedarf es oft einer
genauen Analyse, Charakterisierung und Bestimmung von Bewegungen
von Gelenken (z. B. eines Knies oder einer Hüfte). Die
Bewegung eines Skeletts kann mit einer Vielzahl von Verfahren wie
beispielsweise perkutanen Verfolgungsmarkern in Kombination mit Videofluroskopie
und Knochenstiften gemessen werden. Diese Verfahren sind jedoch
aufgrund ihres invasiven Charakters sehr eingeschränkt.
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Messungen
von Markern, die an der Haut befestigt sind, können Informationen
zu vorbestimmten Körpersegmenten bereitstellen und werden
auch bei der Bestimmung der in vivo Gelenkkinematik angewandt. Werden
reflektive Marker verwendet, so wird eine nichtinvasive Bestimmung
der Bewegung von vorbestimmten Körpersegmenten in der Regel
mittels direkten Messens von Positionen dieser reflektiven Marker
mit infraroten optischen Messsystemen während eines bestimmten
Zeitraums durchgeführt. Aus den mittels eines nichtinvasiven
Verfahrens gewonnen Daten können verschiedene für
Bewegungsanalysen relevante Informationen wie z. B. Gelenkachsen
oder Gelenkdrehpunkte abgeleitet werden. Die bisherigen Verfahren
haben allerdings den Nachteil, dass sie zu ungenau sind. Während
des Messens von Markerpositionen entsteht eine relative Bewegung
zwischen den Markern und dem zu untersuchenden Knochen. Die Fehler,
die bei solchen nichtinvasiven Messungen auftreten, haben in der Regel
ihren Ursprung in derartigen Bewegungen der Marker, die auf Hautelastizität
und leichte Gewebedeformierungen oder -Unregelmäßigkeiten
zurückzuführen sind. Um die Genauigkeit dieser
Verfahren zu verbessern, müssen oft manuelle und zeitaufwändige
Korrekturen durchgeführt werden.
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Es
ist das Ziel invasiver oder nichtinvasiver Verfahren, für
ein jeweiliges Körpergelenk, z. B. ein Kniegelenk oder
ein Hüftgelenk, einen oder mehrere möglicherweise
von der Position der Segmente abhängige (d. h. zeitabhängige)
Gelenkparameter wie Gelenkachsen oder einen oder mehrere Drehpunkte zu
bestimmen. Bisherige Verfahren, die dieses ermöglichen,
haben jedoch das gemeinsame Problem, dass ein Segment in das Koordinatensystem
eines anderen Segments transformiert werden muss, um das Verwenden
eines gemeinsamen Koordinatensystems zu ermöglichen. Mit
dieser Transformation werden aber auch alle hinsichtlich eines Segments entstandenen
Messfehler in das Koordinatensystem des anderen Segments transformiert;
dies ist ein weiterer Grund für die Ungenauigkeit und somit
die Unzuverlässigkeit der bisherigen Verfahren.
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Solche
bisherigen Verfahren bzw. Aspekte solcher Verfahren sind beispielsweise
in Taylor, W. R. et al., "On the influence of soft tissue
coverage in the determination of bone kinematics using skin markers",
J. of Orthopaedic Research, (2005), in Ehrig, R.
M., et al. „A survey of formal methods for determining
the centre of rotation of ball joints", J. of Biomechanics (2006),
in Ehrig, R. M., et al. „A survey of formal methods
for determining functional joint axes", J. of Biomechanics (2007),
beschrieben.
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Insgesamt
sind bisher alle Verfahren, die sich auf das Ermitteln von für
die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen
(z. B. Hautmarkerverschiebungen, Hautelastizität, Gelenkparametern
wie Körpergelenkzentren oder -Achsen) beziehen, zu fehlerbehaftet,
ungenau und somit unzuverlässig. Um diesen Nachteil auszugleichen müssen
in der Regel zeitaufwändige und komplizierte manuelle Analysen
durchgeführt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, neben einer möglichst
genauen Ermittlung oder Bestimmung von für die Charakterisierung
von Gelenkbewegungen relevanten Informationen (z. B. Hautmarkerverschiebungen,
Hautelastizität, Gelenkparameter wie Körpergelenkzentren
oder -Achsen) auch die Ermittlung einer Aussage über die
Zuverlässigkeit der ermittelten bzw. bestimmten Informationen.
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Erfindungsgemäß wird
dieses Ziel durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erreicht,
im Rahmen dessen Durchführung Marker zu beiden Seiten eines
Körpergelenks auf die Haut angebracht werden und welches
die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- – Bestimmen
einer mittleren Markerkonfiguration und Bestimmen von zeitabhängigen
Abweichungen von der mittleren Konfiguration, wobei eine orthogonale
Distanzregression (ODR) zum Bestimmen einer mittleren Markerkonfiguration durchgeführt
wird und wobei jeweils auf einer Seite das Körpergelenks
angebrachte Marker verwendet werden;
- – Durchführen einer gewichteten ODR unter
Verwendung der zeitabhängigen Abweichungen von der mittleren
Konfiguration zur Gewichtung, wobei jeweils auf einer Seite das
Körpergelenks angebrachte Marker verwendet werden; und
- – Lösen eines linearen Ausgleichsproblems
unter Verwendung von Informationen, welche durch das Durchführen
der gewichteten ODR bestimmt wurden.
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Ferner
wird das Ziel mittels einer Vorrichtung zur Bewertung der Gelenksfunktion
eines Probanden und/oder mittels einer Vorrichtung zur Bewertung muskuloskeletaler
Belastungen eines Probanden erreicht, wobei die Vorrichtungen jeweils
mit geeigneten Mitteln zur Durchführung des oben skizzierten Verfahrens
ausgestaltet sind, wobei die Vorrichtungen jeweils verschiedene
Mittel zum Durch führen verschiedener Verfahrensschritte
des oben skizzierten Verfahrens aufweisen können und wobei
diese Mittel in verschiedenen Kombinationen gestaltet sein können.
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Das
oben genannte Ziel wird mittels eines Bewegungsanalysesystems erreicht,
insbesondere eines Ganganalysesystems, wobei das Bewegungsanalysesystem
mit der oben genannten Vorrichtung zur Bewertung der Gelenksfunktion
eines Probanden gekoppelt ist
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Das
Ziel wird auch mittels eines Navigationssystems für die
computerunterstützte Chirurgie erreicht, wobei das Navigationssystem
mit geeigneten Mitteln zur Durchführung des oben skizzierten
Verfahrens ausgestaltet ist, wobei das Navigationssystem verschiedene
Mittel zum Durchführen verschiedener Verfahrensschritte
des oben skizzierten Verfahrens aufweisen können und wobei
diese Mittel in verschiedenen Kombinationen umgesetzt sein können.
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Ferner
wird das oben genannte Ziel mittels eines medizinischen Bildgebungsverfahrens
erreicht, insbesondere mittels eines magnetresonanzbasierten Verfahrens,
wobei das medizinische Bildgebungsverfahren mit mindestens einer
der oben genannten Vorrichtungen – Vorrichtung zur Bewertung der
Gelenksfunktion eines Probanden, Vorrichtung zur Bewertung muskuloskeletaler
Belastungen eines Probanden – gekoppelt ist.
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Die
oben genannten Schritte werden, wie teilweise in der Darstellung
des Hintergrunds der Erfindung angedeutet, nach einem Befestigen
von Hautmarken auf Hautpartien zu beiden Seiten eines Körpergelenks
und nach einem Aufnehmen der Marker-Trajektorien während
einer Gelenkbewegung des Körpergelenks mit Hilfe eines
optischen, infrarot- oder eines anderen geeigneten Systems durchgeführt. 1a zeigt
beispielhaft auf die Haut eines Beines eines Probanden angebrachte
Hautmarker. 1b zeigt beispielhaft die nach
der Aufnahme von Hautmarkern und den entsprechenden Hautmarker-Trajektorien
abgeleiteten Gelenkzentren und Achsen für Hüft-,
Knie- und Fußgelenk.
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Mit
einem der ersten Schritte zur Analyse von Gelenkbewegungen aus Markerdaten
wird eine ODR durchgeführt, mittels der eine mittlere Markerkonfiguration
von jeweils auf einer Seite das Körpergelenks angebrachten
Markern bestimmt wird. Dabei werden im ersten Schritt auch zeitabhängige
Korrekturen einzelner Marker, d. h. zeitabhängige Abweichungen
von der mittleren Konfiguration, berechnet. Die in diesem Schritt
durchgeführte ODR kann eine konventionelle ODR sein, z.
B. solche wie die in Taylor, W. R. et al., "On the influence
of soff tissue coverage in the determination of bone kinematics
using skin markers", J. of Orthopaedic Research, (2005), dargestellte
ODR.
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Ferner
werden die bereits bestimmten zeitabhängigen Korrekturen
einzelner Marker bzw. die zeitabhängigen Abweichungen von
der mittleren Konfiguration verwendet, um eine gewichtete ODR durchzuführen.
Dabei werden die sich am stärksten relativ zu den anderen
Hautmarkern bewegenden Hautmarker ermittelt, und die Hautmarker
werden entsprechend derer Relativbewegung derart gewichtet, dass
stärker relativbewegte Hautmarker geringer gewichtet werden.
Dadurch wird eine optimale Markerkonfiguration bestimmt, zu der
alle der zu der Konfiguration angehörenden Marker entsprechend
ihrer Stabilität innerhalb der experimentellen Konfiguration beitragen.
Auf diese Weise wird eine robuste, automatische Vorverarbeitung
der Markerdaten ermöglicht und die unterschiedliche zeitabhängige
Stabilität einzelner Marker berücksichtigt. Des
Weiteren wird auf diese Weise eine Quantifizierung der Hautmarkerverschiebungen
einzelner Marker und somit eine Beschreibung der Elastizität
der Weichteile ermöglicht.
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In
einem weiteren Schritt wird ein lineares Ausgleichsproblem unter
Verwendung von Informationen, welche durch das Durchführen
der gewichteten ODR bestimmt wurden, gelöst. Diese Informationen
sind die mit der ODR korrigierten Markerdaten bzw. die optimale
Markerkonfiguration. Die Bestimmung des linearen Ausgleichsproblems
erfolgt unter Verwendung von Transformationsmatrizen. Diese Transformationsmatrizen
können für jeden Messzeitpunkt und jede Seite
des Körpergelenks berechnet werden.
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Da
beim Durchführen sowohl der konventionellen ODR als auch
der gewichteten ODR und/oder beim Lösen des linearen Ausgleichsproblems
die Seiten des Gelenks berücksichtigt werden, wird die Bewegung
zweier artikulierender Gelenkkörper beschrieben.
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Vermittels
der Lösung des Ausgleichsproblems werden Parameter für
eine Beschreibung Gelenkbewegung (Gelenkparameter) durch ein Gelenkszentrum,
Gelenksachsen und/oder die primäre Gelenksachse) bestimmt.
Dieses Verfahren ist bezüglich der beteiligten Gelenksegmente
vollständig symmetrisch und bietet des weiteren den Vorteil, dass
keine fehlerbehafteten Transformationen in lokale (Koordinaten-)Systeme
der Segmente erforderlich sind.
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Das
Lösen des linearen Ausgleichsproblems selbst kann unter
Verwendung einer Singulärwert-Analyse durchgeführt
werden. Durch die Verwendung aller Singulärwerte und der
zugehörigen Singulärvektoren bietet das Verfahren
eine Analyse der primären und sekundären Komponenten
der Gelenksbewegung. Dabei werden Gelenkbewegungen in Rotationen
um drei (Rotations-)Hauptachsen zerlegt und die Singulärwerte
mit den Hauptachsen assoziiert. Die mit den Hauptachsen assoziierten
Singulärwerte ergeben dabei Gewichtungen für alle Komponenten
einer Gelenkbewegung, die sich auf diese Weise automatisch klassifizieren
und beurteilen lassen. Auf diese Weise lässt sich der Gelenktyp (z.
B. Kugelgelenk, Scharniergelenk) eindeutig aus experimentellen Daten
ableiten. Des Weiteren ermöglicht das Konzept der Zerlegung
einer beliebigen Gelenkbewegung in Rotationen um drei Rotations-Hauptachsen
eine Quantifizierung einer Gelenkbewegung nicht nur bezüglich
der Hauptachse, was in bestehenden Verfahren die Regel ist, sondern
bezüglich aller drei Hauptachsen.
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Aus
dem Residuum des linearen Ausgleichsproblems kann die Genauigkeit
der bestimmten Gelenkparameter direkt ermittelt und somit automatisch quantifiziert
werden. Auf diese Weise wird eine direkte Darstellung der Qualität
der Messung erlaubt, ohne dass es weiterer manueller Analysen bedarf. Damit
wird eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse bei longitudinalen
Studien am gleichen Probanden sichergestellt oder bei verschiedenen
Probanden eine routinemäßige Optimierung der Platzierung
von Markern ermöglicht. Ferner ergibt sich beim Berücksichtigen
von Korrekturen, die durch die ODR vorgenommen werden, eine automatische
Separation der Markerbewegungen in kollektive Bewegungen und in
Bewegungen einzelner Marker.
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Der
Gedanke, aus den Residuen des linearen Ausgleichsproblems die Genauigkeit
der bestimmten Gelenkparameter direkt zu ermitteln und automatisch
zu quantifizieren, stellt einen eigenständigen Erfindungsgedanken
dar, der auch unabhängig von den übrigen Verfahrensschritten,
insbesondre auch unabhängig von dem Durchführen
einer gewichteten ODR verwirklicht werden kann.
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Ein
selbstständig erfinderisches Verfahren zum Ermitteln von
für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten
Informationen umfasst beispielsweise die folgenden Verfahrensschritte:
- – Vorgeben oder Ermitteln von wenigstens
zwei Matrizen, die Markerpunkte vor und nach einer Gelenkbewegung
beschreiben,
- – Bestimmen einer Transformationsmatrix für
die beiden Matrizen durch Lösen eines linearen Ausgleichsproblems,
- – Auswerten der Residuen der Lösung des linearen
Ausgleichsproblems und Bestimmen eines Qualitätsindex für
das durchgeführte Verfahren aus den Residuen.
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Des
Weiteren kann aus einer Bewegung des Gelenks die Primärachse
und mindestens eine Sekundärachse dieser Bewegung bestimmt
werden. Dabei kann die Stabilität der Primärachse
der Bewegung des Gelenks mittels Informationen zu der mindestens
einen Sekundärachse der Bewegung ermittelt wird.
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Ferner
ist es möglich, wenn wiederholt Bewegungen durchgeführt
werden und entsprechend wiederholt die Sekundärachsen und
die Stabilität der Primärachsen ermittelt werden,
aus den so gewonnenen Informationen, einen Zyklus zu bestimmen, der
eine Charakterisierung der Funktion des entsprechenden Gelenks (Gelenkfunktion)
bereitstellt.
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Zusätzlich
kann ein Raum der individuellen dynamischen Gelenkstabilität
und/oder Bewegungsumfang des Gelenks durch Informationen zu Sekundärachsen
mehrerer Bewegungen ermittelt werden.
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Zusätzlich
wird das oben genannte Ziel mittels eines Verfahrens zum Bestimmen
der Gelenksteifigkeit erreicht, wobei durch dieses Verfahren Schritte
gemäß des oben skizzierten Verfahrens durchgeführt
werden, wobei die Schritte in beliebiger sinnvoller und einem Fachmann
ersichtlicher Kombination durchgeführt werden können,
und wobei die Gelenksteifigkeit unter Verwendung von Informationen
zu Kräften von Gelenkbewegungen bestimmt wird. Die Informationen
zu äußeren Kräften bei Gelenkbewegungen
können unter Verwendung eines Roboters bzw. unter Verwendung
eines Roboterassistenzsystems ermittelt werden. Dabei werden Gelenkbewegungen
durch einen in dem Roboterassistenzsystem eingebundenen Roboter
durchgeführt und von dem Roboterassistenzsystem zusammen mit
der für die Durchführung der Bewegung erforderlichen
Kräfte und Momente erfasst. Die so gewonnenen Informationen
enthalten Informationen zu Kräften für die Ausführung
der Gelenkbewegungen, mittels derer Gelenksteifigkeit (Steifigkeit
des entsprechenden Gelenks) insgesamt oder für spezifische Richtungen
ermittelt werden kann.
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Das
oben genannte Ziel wird ferner auch mittels eines Systems zum Ermitteln
von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten
Informationen, wobei das System mindestens ein Mittel aufweist,
das zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen der Gelenksteifigkeit
ausgestaltet ist und das an das Roboterassistenzsystem zur Erfassung, zur
Analyse und/oder zum Bestimmen von für Gelenkbewegungen
relevanten Informationen gekoppelt ist.
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Des
Weiteren wird das oben genannte Ziel durch ein Verfahren zum Ermitteln
von für die Charakterisierung und/oder Bewertung von Orthesen
relevanten Informationen, wobei durch das Verfahren Schritte gemäß des
oben skizzierten Verfahrens zum Ermitteln von für die Charakterisierung
von Gelenkbewegungen relevanten Informationen durchgeführt werden
und wobei die für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen
relevanten Informationen mit Informationen zu Orthesen verknüpft
und analysiert werden. Mittels dieses Verfahrens können
Aussagen über verschiedene Merkmale wie z. B. die Effektivität der
entsprechenden Orthesen getroffen werden. Es wird dabei das Wissen über
die entsprechenden Gelenke bzw. Gelenkbewegungen, welches unter
anderem durch die oben genannten erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelt wird, mit dem Wissen über die entsprechenden
Orthesen auf geeignete Weise im Zusammenhang gebracht bzw. verknüpft
und entsprechend analysiert, und somit eine umfassende Charakterisierung
und/oder Bewertung von Orthesen erreicht.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird somit eine robuste Analyse der Gelenkbewegungen
bei gleichzeitiger automatischer Quantifizierung der Genauigkeit
ermöglicht. Ferner wird eine Analyse der durch Markerbewegungen
verursachten Fehler und eine Klassifizierung der Gelenkbewegung
bezüglich orthogonaler Rotations-Hauptachsen erreicht.
Des Weiteren bietet die vorliegende Erfindung verschiedene Optionen
zur Ermittlung oder Bestimmung von für die Charakterisierung
von Gelenkbewegungen relevanten Informationen, wodurch verschiedene
Aspekte zur Funktionalität eines Gelenks bereitgestellt werden
können.
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Wie
bereits erwähnt, erlaubt die Erfindung das Ermitteln von
Informationen, welche sich allgemein auf Bewegungen von mit einander
in beweglicher Beziehung stehenden Knochenfragmenten oder -Teilen
wie z. B. Knochenfragmenten einer Fraktur bzw. Knochenbruchs beziehen.
Der Begriff eines Gelenks weist somit eine breite Bedeutung auf.
Unter den Begriffen Gelenkbewegung, Bewegung, Bewegung eines Gelenks
sind somit auch Bewegungen von solchen Knochenfragmenten zu sehen,
die wie bei Knochenbrüchen bzw. Frakturen beweglich zu einander
in Beziehung stehen und eine Art abstrakte Gelenkbewegung beim Bewegen
aufweisen. Unter dem Begriff Gelenk ist nicht nur ein konkretes
Gelenk wie z. B. Kniegelenk oder Hüftgelenk zu sehen, es kann
auch eine Art abstrakter Gelenk sein, um den herum eine Bewegung
von Knochen bzw. Knochenfragmenten oder -Teilen stattfindet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Figuren detailliert beschrieben, in welchen:
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1a auf
Haut befestigte Marker zeigt;
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1b eine
typische Markerkonfiguration mit abgeleiteten Gelenkzentren und
Achsen für Hüft-, Knie- und Fußgelenk
zeigt;
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2 ein
Blockdiagramm zeigt, welches das Ermitteln der Bewegung eines Gelenks
aus Marker-Trajektorien darstellt;
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3 ein
Blockdiagramm zeigt, welches das Bestimmen und Bewerten von Gelenkparametern darstellt;
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4 die
Definition lokaler Koordinaten für zwei Positionen eines
Segments verdeutlicht;
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5 das
Zentrum und die Hauptachse der Kniebewegung und zwei sekundäre
Achsen (Tibia und Femur);
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6a einen
Vergleich der Lage der mittleren Flexionsachse für einen
ersten definierten Flexionswinkelbereich bei 7 Probanden mit Ruptur
des Vorderen Kreuzbandes im Vergleich zur Lage der Achse bei gesunden
Probanden in einer seitlichen Ansicht zeigt; und
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6b einen
zweiten Vergleich der Lage der mittleren Flexionsachse für
einen weiteren definierten Flexionswinkelbereich bei 7 Probanden
mit Ruptur des Vorderen Kreuzbandes (Pink) im Vergleich zur Lage
der Achse bei gesunden Probanden in einer Ansicht von vorn zeigt;
und
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6c einen
dritten Vergleich der Lage der mittleren Flexionsachse für
einen ersten definierten Flexionswinkelbereich bei 7 Probanden mit
Ruptur des Vorderen Kreuzbandes (Pink) im Vergleich zur Lage der
Achse bei gesunden Probanden in einer Ansicht von vorn zeigt.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das
in 2 dargestellte Blockdiagramm zeigt ein Ausführungsbeispiel
zum Ermitteln der Bewegung eines Gelenks aus Marker-Trajektorien.
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Im
Schritt S0 werden Marker auf die Haut angebracht, bzw. befestigt. 1a zeigt
ein Beispiel von solchen auf die Haut eines Beins eines Probanden
befestigten Markern. Anschließend werden Marker-Trajektorien
bei einer Bewegung des Probanden vermessen. Das Ergebnis von S0
sind zeitabhängige, räumliche Positionen aller
Marker. Zur Durchführung von S0 kann jede dafür
bestimmte Standardmethode der Biomechanik verwendet werden. Werden reflektierende
Hautmarker verwendet, so können die Marker-Trajektorien-Daten
mit Hilfe eines optischen, infrarot- oder eines anderen geeigneten
Systems während einer Gelenkbewegung eines Körpergelenks
aufgenommen wurden.
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Die
Ergebnisdaten (Informationen zu Marker-Trajektorien, bzw. zeitabhängige
Positionen aller Marker) und eine mögliche Menge an für
weitere Berechnung und Analyse relevanten Zusatzinformationen stellen
Eingangsdaten D1 für den weiteren Schritt S1 dar. Es kann
an dieser Stelle eine Benutzerschnittstelle zum Aufnehmen oder Einlesen
von Daten D1 verwendet werden. Gegebenfalls kann auch eine graphische
3D Visualisierung der Daten D1 angeboten werden. Die verschiedenen
Möglichkeiten der Behandlung von Daten werden einem Fachmann
aus der üblichen Praxis ersichtlich sein.
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Im
Schritt S1 wird eine konventionelle ODR durchgeführt, wobei
durch die ODR für jedes Körpersegment diejenige
Markerkonfiguration, die für alle Zeitpunkte die gemessenen
Konfigurationen am besten beschreibt, ermittelt wird. Dies geschieht
durch Minimierung des Funktionals Σn i<j|RiAi + ti – (RjAj + tj)|.
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Hierbei
sind Ri, ti die zu ermittelnden Rotationen und Translationen für
den Markersatz Ai, n die Anzahl der Beobachtungen. In der Mathematik
ist dies eine sogenannte „Generalized Procrustes Analysis",
die mit einer orthogonalen Distanz Regression gelöst wird.
Man erhält dadurch eine optimale mittlere Konfiguration AP = Σ(RiAi + ti)/nund
minimal geänderte zeitabhängigen Konfigurationen APi = RTi AP – ti mit identischen Geometrien. Die ODR
korrigiert also die Abweichungen einzelner Marker von der optimalen
mittleren Konfiguration. Ein solches Verfahren ist beispielsweise
in der oben genannten Publikation Taylor et al. 2005 beschreiben.
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In
einem weiteren Schritt S2 wird basierend auf Rohdaten zu der optimalen
mittleren Konfiguration eine Berechnung von zeitabhängigen
Abweichungen der Konfiguration durchgeführt. Für
diese Berechnung gilt: Je weniger die Position eines Markers innerhalb
der Konfiguration schwankt, desto geringer sind die an den experimentell
gemessenen Markerpositionen durch die ODR vorgenommenen Korrekturen.
Diese sind daher ein direktes Maß für die Stabilität
der Marker. Damit lassen sie sich verwenden, um möglichst
stabile Marker-Konfigurationen zu ermitteln, d. h. die Platzierung
von Markern zu optimieren. Als optimal können solche Marker-Platzierungen betrachtet
werden, für die sich z. B. einerseits kleine Korrekturen
durch die ODR ergeben und diese Korrekturen zudem für alle
Marker möglichst gleich groß sind. Zudem wird
eine routinemässige Erkennung fehlerhafter Messungen (z.
B. Markervertauschungen) möglich, da diese durch sehr viel
größere Korrekturen erkannt und ausgeschlossen
werden können. Weiterhin ermöglichen sie den Aufbau
einer Datenbank DB1, die den Zusammenhang dieser Abweichungen von
Alter, Geschlecht, BMI, Erkrankungen, Messverfahren und Messort
sammelt und eine Analyse solcher Zusammenhänge gestattet.
Zu diesem Zweck werden die für die Datenbank DB1 relevanten Ergebnisdaten
D2 von S2 in die Datenbank DB1 aufgenommen und ggf. gespeichert.
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Aus
den Schritten S1 und S2 können für die Charakterisierung
von Gelenkbewegungen relevanten Informationen wie Muskelaktivität
und/oder lokale Elastizität der Weichteile ermittelt werden.
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Im
Schritt S3 wird eine zweite ODR – eine gewichtete ODR unter
Verwendung der ermittelten Abweichungen – durchgeführt.
Aus den durch den S2 bestimmten Korrekturfaktoren lassen sich Gewichtungsfaktoren
ermitteln, die für die Durchführung der zweiten,
gewichteten ODR genutzt werden. Die Gewichtsfaktoren ergeben sich
z. B. aus den Inversen der Korrekturterme der ODR. Die Gewichtung
kann zum einen zeitunabhängig durchgeführt werden,
indem für jeden Marker ein gemittelter Korrekturterm verwendet
wird. Eine zeitabhängige Anwendung wird erreicht, indem
für jeden Zeitpunkt die aktuelle Korrektur der ODR zur
Gewichtung herangezogen wird. In beiden Fällen tragen alle
Marker entsprechend ihrer experimentellen Stabilität zur
Ermittlung der optimalen mittleren Konfiguration bei. Bei Verwendung einer
zeitabhängigen Gewichtung kann die Gewichtung eines Markers
zudem stark von der relativen Position der Segmente zueinander,
also z. B. einem Flektionswinkel, abhängig sein. In S3
wird eine optimale Konfiguration der Marker ermittelt, zu der alle Marker
entsprechend ihrer Stabilität innerhalb der experimentellen
Konfiguration beitragen.
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Im
Schritt S4 wird eine Bewertung der optimalen Konfiguration durchgeführt.
Dabei werden die Ergebnisse in Entsprechung zu S2 bewertet. Insbesondere
werden signifikante Unterschiede zwischen den Ergebnissen aus den
Schritten S1 und S3 analysiert – robuste Markerplatzierungen
zeichnen sich z. B. durch geringe Unterschiede zwischen der einfachen
und der gewichteten ODR aus.
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Durch
die Schritte S1–S3 und/oder durch S4 wird eine robuste,
automatische Vorverarbeitung der Markerdaten ermöglicht.
Zeitaufwendige manuelle Korrekturen, die durch unterschiedliche
zeitabhängige Stabilität bedingt werden, können somit
vermieden werden. Des Weiteren wird eine Quantifizierung der Hautmarkerverschiebungen
einzelner Marker und damit eine Ermittlung der Elastizität
der Weichteile möglich.
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Das
Blockdiagramm der 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel
mit Schritten zum Bestimmen und Bewerten von Gelenkparametern, insbesondere
von Positionen. eines Gelenkzentrums und Gelenkachsen, wobei diese
Positionen auch zeitabhängig sein können. Des
Weiteren können auch sekundäre Bewegungskomponenten
ermittelt werden.
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Die
aus der Bewertung der optimalen Konfiguration gewonnenen Daten und/oder
die Ergebnisdaten der Schritte S1–S3 können als
Eingangsdaten D3 für die Ermittlung von Gelenkparametern
und deren Bewertung dienen. Da die Schritte S1–S4 auf der Verwendung
von Hautmarkern basieren, ist hier anzumerken, dass das durch 3 beispielhaft
dargestellte Bestimmen und Bewerten von Gelenkparametern nicht zwingend
Informationen zu auf Haut angebrachten Markern voraussetzt. Hier
können beispielsweise auch auf Knochen fixierte Marker
(z. B. Pins im Knochen) in Betracht. Die Ermittlung von Gelenkparametern
und deren Bewertung findet ihren Platz sowohl in invasiven als auch
in nichtinvasiven Verfahren. Invasive Verfahren wie Pins in Knochen kommen
zum Beispiel für eine intra-operative Anwendung im Rahmen
einer computergestützten Navigation bei orthopädisch/traumatologischer
Eingriffen (Ersatz/Rekonstruktion der Kreuzbänder, Korrekturosteotomien,
endoprothetischer Gelenkersatz) zum Einsatz. Hier wird der Einsatz
von verschiedenen Markern ermöglicht – optisch
reflektierenden Markern, die auf die Haut befestigt werden, elektromagnetischen
Markern, die dann auch auf der Haut oder im/am Knochen befestigt
sein können. Denkbar ist auch die Methode zur Berechnung
eines Gelenkzentrums oder einer Achse zusammen mit Tantal-Markern,
die für sogenannte RSA Untersuchungen zum Einsatz kommen
(dabei werden kleine Tantal-Marker in den Knochen (intraoperativ)
oder an/in Prothesen(-Komponenten) eingebracht, und dann mit einem
Röntgenverfahren die 3D Position der Marker rekonstruiert).
Ferner ist es auch denkbar, dass z. B. aus einer ggf. dynamischen
Kernsein Aufnahme Oberflächen oder Konturen von Knochen/Gelenken ermittelt
werden. Als Ergebnis stehen dann "Punktwolken" (Sammlungen von Punkten)
zur Verfügung, mit welchen die Gelenkzentren und/oder -achsen
ermittelt werden können.
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In
Anbetracht dieser Tatsachen muss vorausgeschickt werden, dass das
Durchführen der Verfahrensschritte gem. des Ausführungsbeispiels
der 3 nicht zwingender Weise die Durchführung
von Schritten der 2, insbesondere von S1–S3,
voraussetzt. Einem Fachmann wird dieses aus den folgenden Ausführungen
ersichtlich sein. Als Eingangsdaten D4 können somit neben
D3 auch allgemein Daten zu Markern oder „Punktewolken"
und/oder deren Konfigurationen dienen.
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Das
Ausführungsbeispiel wird jedoch beispielhaft basierend
auf den Schritten der 2 dargestellt werden.
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Die
mittels der zweimaligen ODR ermittelten Markerpositionen werden
nun zur Berechnung der Gelenkparameter genutzt. Dies sind die (ggf.
auch zeitabhängigen) Positionen von Gelenkzentrum und Gelenkachsen,
sowie die Detektion sekundärer Bewegungskomponenten. Hierzu
werden in den zugehörigen Körpersegmenten mit
Hilfe von jeweils drei Markern lokale Koordinatensysteme definiert
und die Rotationen Ri und Translationen ti. (Körpersegment 1),
bzw. Si und di (Körpersegment 2) von globalen Koordinaten
in diese lokalen Systeme berechnet, siehe 4. Die Bedingungen
für ein Gelenkzentrum bzw. eine Gelenkachse ergeben folgendes überbestimmte
lineare Gleichungssystem, das ein lineares Ausgleichsproblem darstellt: Σi=1,..,n(Ric1 – Sic2) = Σi=1,..,n(di – ti)
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Hierbei
sind c1 und c2 die Koordinaten des Gelenkzentrums in den jeweiligen
lokalen Systemen, n die Zahl der Messungen. Dieser Ansatz zeichnet sich
dadurch aus, dass er bezüglich beider Segmente vollständig
symmetrisch ist und keine vorherige Transformation erfordert. Durch
die vermittels der ODR vorgenommenen Korrekturen sind die Markerkonfigurationen
für alle Zeitpunkte iden tisch, die Ergebnisse daher vollständig
unabhängig von der Wahl der drei Marker zur Konstruktion
lokaler Koordinaten.
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Die
Lösung des Ausgleichsproblems wird in Schritt S5 vermittels
einer Singulärwert-Zerlegung (SVD) der Matrix des linearen
Ausgleichsproblems berechnet. Diese liefert für jedes Körpersegment eine
lokale Beschreibung des Gelenkzentrums (c1, c2). Bewegt sich das
Gelenk wie ein ideales Scharniergelenk, so existiert keine eindeutige
Lösung des Ausgleichsproblems. Das heißt, dass
der eindimensionale Lösungsraum, der assoziiert zum Singulärwert mit
dem Wert Null ist, dann die Gelenkachse in lokalen Koordinaten repräsentiert.
Im praktischen Fall wird durch das Verhältnis des kleinsten
Singulärwerts relativ zu den übrigen das Verhalten
des Gelenks exakt beschrieben, d. h. es ergibt sich eine einfache Klassifizierung
des Gelenks zwischen Kugel- und Scharniergelenk. Die in den Segmentkoordinaten
erhaltene Beschreibung von Zentrum bzw. Achse kann abschließend
in zeitabhängige globale Koordinaten transformiert werden.
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Da
das Ausgleichsproblem in der Regel nicht exakt lösbar ist,
ergibt sich ein Residuum r, das die Genauigkeit der Messung widerspiegelt.
Im Schritt S6 wird eine Analyse des Residuums r des Ausgleichproblems
durchgeführt.
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Eine
mathematische Analyse des Residuums ergibt, dass es in einem direkten
Zusammenhang mit dem Ausmaß der Markerbewegungen steht. Nimmt
man etwa nur kollektive Markerbewegungen in beiden Segmenten an,
so erhält man |r|2 =
(6n – 12)σ2
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Für
reine Einzelmarkerbewegungen ergibt sich folgendes |r|2 = 0,5(n – 2)σ2(|c1|2+
|c2|2|)σ ist
dabei die mittlere Abweichung der Marker von der optimalen Position.
Für den Fehler d in der Position eines Gelenkzentrums ergibt
sich unter den gleichen Voraussetzungen die Abschätzung: |δ|2 = 12σ2/σ6 2, wobei σ6 der kleinste Singulärwert
der SVD ist.
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Für
Einzelmarkerbewegungen wiederum gilt folgendes: |δ|2 = σ2(|c1|2 + |c2|2|)/(2σ6 2)
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Diese
Zusammenhänge lassen sich wirkungsvoll nutzen, um die tatsächliche
Genauigkeit der ermittelten Gelenkparameter zu bestimmen. In Kombination
mit den experimentell ermittelten Abweichungen von der mittleren
Konfiguration lassen sich somit kollektive Bewegungen der Marker
und Bewegungen einzelner Marker quantitativ beschreiben. Damit lässt
sich die Platzierung der Marker bei Probanden spezifisch optimieren.
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Im
Schritt S7 wird eine Zerlegung einer beliebigen Gelenkbewegung in
Rotationen um drei Rotationshauptachsen durchgeführt. Die
SVD-Analyse des Ausgleichsproblems gestattet so eine weitergehende
Analyse der tatsächlichen Gelenkbewegungen. Die den einzelnen
Singularwerten zugeordneten Singularvektoren lassen sich als Achsen
primärer und sekundärer Bewegungskomponenten auffassen und
liefern eine Zerlegung der Bewegung in drei Rotations-Hauptachsen.
In 5 sind ein Gelenkzentrum und drei Gelenkachsen
am Beispiel eines Knies dargestellt. Das Gelenkzentrum ist mit Z1,
die Hauptachse der Kniebewegung mit A1 und zwei sekundäre Achsen
mit A2 und mit A3 gekennzeichnet, wobei die A2 auf Tibia, und die
A3 auf Femur verweist. Je kleiner der zugehörige Singulärwert
ist, desto größer ist der Anteil der zugehörigen
Rotation (siehe 5). Dies ermöglicht
eine routinemäßige Erfassung von Bewegungskomponenten
wie interner Rotation und Abduktion/Adduktion für das Kniegelenk,
ohne dass es zusätzlicher Messungen bedarf. Während
diese Bewegungskomponenten in einem stabilen Gelenk gering sind,
kann es infolge von Verletzungen der inneren Strukturen des Gelenkes
(z. B. durch einen Riss des vorderen Kreuzbandes) oder infolge eine degenerativen
Erkrankung des Gelenkes (Gonarthrose) zu einem Verlust an Gelenkstabilität
kommen, der sich in erhöhten Anteilen interner/externer
Rotation bzw. Ab/Adduktion widerspiegelt und mit dem neuen Ansatz
quantifiziert werden kann. In ähnlicher Weise kann der
Einfluss von Eingriffen an den stabilisierenden Elementen (Bänder/Knochen)
im Rahmen einer Korrekturosteotomie oder des künstlichen Gelenkersatzes
(Resektion/Aufbau des Knochens, Manipulationen an den Weichteilen
(Bändern) auf die Funktion des Gelenkes genau und zuverlässig
ermittelt werden. Um diese Information auch intra-operativ für
den Operateur nutzbar zu machen ist die Verbindung des Verfahrens
mit einem Navigationssystem vorteilhaft. Dabei können z.
B. die Gelenkachsen in Bezug auf die individuelle knöcherne
Anatomie und z. B. die Lage von Bandansatzpunkten während
verschiedener Phasen der Operation angezeigt werden, um dem Operateur
z. B. durch einen Vergleich mit der Lage der Achse beim Gesunden
oder einer auf andere Weise als optimal ermittelte Achse die genauer
Einschätzung des Erfolgs des chirurgischen Eingriffes bezüglich
der Gelenksfunktion zu erlauben.
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Die
Ergebnisse von S6, welche die Residuen charakterisieren, können
in eine Datenbank oder einen anderweitigen Datencontainer D2 abgelegt,
bzw. gespeichert werden. D2 enthält dann Daten zu Residuen
in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie Alter, Geschlecht,
BMI, Erkrankung, Ausprägung der Erkrankung, Messort, Gelenktyp
usw.
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Im
Schritt S8 kann eine Bewertung der Gelenkkonfiguration, der für
die Gelenkbewegungen relevanten Daten durchgeführt werden.
Dabei können die Ergebnisse des Schritts S6 und/oder des
Schritts S7 mit den Ergebnissen des Schritts S4 abgeglichen werden,
wobei auch Daten aus D2 für die Ermittlung der Bewertung
herangezogen werden können.
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Die
durch das Verfahren ermittelten Daten, Informationen aus D1 und/oder
aus D2 und/oder weitere Informationen können nach Belieben
als Daten D6 in verschiedenen Kombinationen und Detailebenen ausgegeben
und ggf. graphisch (3D) visualisiert werden.
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Zur
Darstellung der Ergebnisse können die Achsen mittels einer
Farbskala (z. B. blau...rot) visualisiert werden, welche die Singulärwerte
der Achsen mit einer entsprechenden Farbe verknüpft. Ferner können
auch die Durchmesser der Achsen entsprechend der zugehörigen
Singulärwerte variiert und visualisiert werden. Die oben
genannten Visualisierungsvarianten können auch kombiniert
sein und so auch das Heranziehen und Visualisieren der Verhältnisse
für die Gesamtbewegung oder spezielle Bereiche der Bewegung
ermöglichen. Auf diese Weise wird dem Anwender eine schnelle
Erfassung der Ergebnisse ermöglicht.
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Des
Weiteren können sowohl die Schritte, die ODR durchführen,
als auch die Formulierung des Ausgleichsproblems so implementiert
werden, dass neue Daten mit sehr geringem rechnerischem Aufwand
hinzugefügt werden können. Auf diese Weise können
Real-Time Messungen ermöglicht werden, bei denen während
der Bewegung bereits Gelenkparameter als auch Daten zur Genauigkeit
zur Verfügung stehen.
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Zudem
ist anzumerken, dass durch das Ausführen der auf ODR bezogenen
Schritte S1 und S3 die (Haut-)Marker bezogenen Daten so hinreichend genau
ermittelt sind, dass auch für kleine Bewegungen (ROM, Range
of Motion) gute primäre Gelenkachsen bestimmt werden können.
Die sekundären Achsen sind zusammen mit den zugehörigen
Singulärwerten dann ein empfindliches Kriterium, um zwischen
normalen oder auffälligem Bewegungsverhalten zu unterscheiden.
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Des
Weiteren kann die vorliegende Erfindung angewendet werden, um die
Funktion eines Gelenkes z. B. des Kniegelenkes auf verschiedenen hierarchischen
Stufen (global: Gelenk, spezifisch: Strukturen) zu quantifizieren,
ggf. mittels spezieller Feedbackmechanismen zur Interaktion mit
dem Anwender des Verfahrens.
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Es
ist bekannt, dass die Flexion/Extensionachse die Hauptbewegungsachse
des Kniegelenkes ist. Daher wird bei dem Verfahren zur Charakterisierung
der Funktion des Gelenkes zunächst das Knie gebeugt, und
aus der Flexion bzw. Flexionsextensionsbewegung die Haupt- und Nebenachsen
der Bewegung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet.
Berechnet werden sowohl über den gesamten Bewegungsumfang
als auch über spezielle Teilbereiche des Bewegungsumfanges,
z. B. flexionswinkelabhängig, gemittelte Achsen. Für
die Entscheidung, welche Bereiche zur Ermittlung der Achsen herangezogen
werden, kann auch Wissen um die vorliegende Pathologie einfließen
(z. B. beugewinkelabhängige Bedeutung des vorderen Kreuzbandes
für die Stabilität des Gelenkes bezüglich
Rotation/Translation). Die dabei erfindungsgemäß ermittelten
Sekundärachsen (Größe der zugehörigen Singulärwerte,
Lage der Sekundärachsen, z. B. in medio-lateraler, anterior-posterior,
superior-inferiorer Richtung im Vergleich zur Lage der Primärachse)
geben dabei direkte, quantitative Informationen zur Stabilität
der Primärachse und damit des Gelenkes. Als zusätzliche
Information zur Bewertung und Darstellung der Ergebnisse kann auch
die Lage der Achsen zur individuellen Anatomie (z. B. transepicondyläre Achse,
Achse der posterioren Kondylen, Lage der Bandinsertionen z. B. der
Seitenbänder), auch im Vergleich zur Situation beim Gesunden,
herangezogen werden. Zur Quantifizierung des Unterschiedes in der
Lage der Achsen kann ein Gelenkzentrum ermittelt werden, und so
ein ausgezeichneter Punkt auf der Achse festgelegt werden. Daraufhin
können Unterschiede in der Lage der verschiedenen Achsen
ermittelt werden. Ein möglicher Weg eines solchen Berechnung
der Unterschiede der Lage der verschiedenen Achsen ist beispielsweise
in Ehrig et al., „A survey of formal methods for
determining functional joint axes" Journal of Biomechanics 2007;
40: 2150–57, angegeben. Eine Bewertung der Lage
der Primärachse zur Anatomie ist in 6a und 6b dargestellt. 6a, 6b und 6c zeigen
jeweils einen Vergleich der Lage der mittleren Flexionsachse 61–67 für
einen definierten Flexionswinkelbereich bei sieben Probanden mit
Ruptur des Vorderen Kreuzbandes im Vergleich zur Lage der Achse 68 bei
gesunden Probanden. Durch das Oval 69 und durch Länge
der Halbachsen korreliert mit Standardabeichung wird in 6a zusätzlich
die Standardabweichung der Lage der Achse beim Gesunden angegeben.
In 6b trägt das Vordere Kreuzband nur wenig
zu Gelenkstabilität bei, so dass die Achsen für
die Patienten nur wenig von der Achse eines Gesunden abweichen.
In 6c wiederum trägt das Vordere Kreuzband
deutlich zur Gelenkstabilität bei, so dass die Achsen für
die Patienten erheblich von der Achse eines Gesunden abweichen.
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Die
Information zu den Sekundärachsen kann darüber
hinaus genutzt werden, um dem Anwender direkt Feedback zugeben,
ob einerseits die Messung den Genauigkeitsanforderungen entsprach,
oder ob die Aufnahme der Bewegung/Funktion ggf. wiederholt werden
muss, um die Funktion des Gelenkes zuverlässig zu charakterisieren.
Dazu kann dem Anwender Rückmeldung gegeben werden, wie die
Bewegung am besten durchgeführt wird, in dem z. B. die
den Sekundärachsen assoziierten Singulärwerte
dargestellt werden und der Benutzer diese optimieren kann. Durch
eine Bewertung der Größe der Singulärwerte
der Sekundärachsen von mehreren Bewegungszyklen kann auch
automatisch derjenige Zyklus bestimmt werden, der sich am besten
zur Charakterisierung der Gelenksfunktion eignet.
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Um
die Gelenksfunktion noch genauer zu analysieren können
weitere Bewegungen so durchgeführt werden, dass sekundäre
Bewegungsfreiheitsgrade des Kniegelenkes sich am Maximum bzw. Minimum
des möglichen Bewegungsumfanges befinden. So wird z. B.
das Gelenk für einen Zyklus möglichst innen- oder
außen rotiert, oder möglichst ab- oder adduziert,
und/oder möglichst nach anterior oder posterior, oder medial
oder lateral verschoben. Die erfindungsgemäß ermittelten
Sekundärachsen der Bewegung (Lage der Achsen und Größe
der zugehörigen Singulärwerte) werden berechnet
und angegeben und ermöglichen so die direkte Kontrolle und
Bestimmung, in wie weit sekundäre Freiheitsgrade tatsächlich
eliminiert wurden. Durch die Gesamtheit der Achsen aus der Analyse
der verschiedenen Bewegungen wird insgesamt der Raum der individuellen
dynamischen Gelenkstabilität beschrieben. Somit wird durch
vorliegende Erfindung eine umfassende Charakterisierung der individuellen
Gelenksfunktion über den gesamten Bewegungsumfang, der
bei Ausübung von Alltagsaktivitäten oder auch
während sportlicher Aktivitäten genutzt werden
kann, gestattet.
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Die
stabilisierende Wirkung der Strukturen des Kniegelenkes (z. B. Bänder,
Knochen, Knorpel, Muskeln) ist abhängig von der Kniegelenksstellung. Daher
können durch eine gezielte Analyse der Konfiguration der
Gelenkachsen für spezifische Gelenkstellungen detaillierte
Informationen zur Funktion verschiedener Strukturen gewonnen werden.
Dazu wird das Gelenk in verschiedenen, möglichst gleichbleibenden
Beugewinkeln, gezielt solchen externen Belastungen durch den Anwender
ausgesetzt, die primär in Bewegungen des Gelenkes bezüglich
der sekundären Achsen des Kniegelenkes (Ab/Adduktion, interne/externe
Rotation) resultieren. So wird durch den Anwender für einen
gegebenen Beugewinkel eine möglichst maximale Innen- oder
Außenrotation des Gelenkes bzw. Ab/Adduktion des Gelenkes
induziert. Zur Kontrolle, in wie weit diese Bewegung durch den Anwender
tatsächlich induziert wurde, erfolgt die erfindungsgemäße
Berechnung aller Achsen (Lage der Achsen, und/oder Größe
der den Achsen zugeordneten Singulärwerte) für
diese speziellen Bewegungen. Vermittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Achsenbestimmung kann dann der Bewegungsumfang (jeweils
Maximum minus Minimum) bezüglich dieser Freiheitsgrade
berechnet werden. Die Umfänge sowie die jeweils größten
bzw. geringsten Ausschläge werden zu Daten von z. B. gesunden Probanden
(ggf. alters und/oder geschlechtspezifisch abgeglichen und abgebildet)
ins Verhältnis gesetzt und bewertet.
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Darüber
hinaus wird die Lage der Achsen bezüglich der zuvor ermittelten
Hauptbewegungsachse und/oder des Gelenkzentrums, ggf. auch der Anatomie
(wie z. B. Knochen, Bandinsertionen, anatomische Achsen des Kniegelenkes)
ermittelt. Im Vergleich zur relativen Lagebeziehung der Achsen bzw. Größe
der zu den Achsen gehörenden Singulärwerte für
gesunde Probanden lässt sich so die Abweichung eines pathologischen
Gelenkzustandes genau quantifizieren. Dies erfolgt z. B. durch die
Berechnung der Differenz in der medio-lateralen, anteriorposterioren, oder
superio-inferioren Lage der Achse bei Innen/Außenrotation
oder Ab/Adduktion des Probanden im Vergleich zum Gesunden. Somit
wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich
die genaue quantitative Charakterisierung der Funktion und der Interaktion
selektierter Strukturen des Gelenkes durchgeführt.
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Ein
weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise
die Berechnung und Darstellung von funktionellen Gelenkachsen durch
Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in
Geräte der medizinischen Bildgebung wie z. B. Magnet Resonanz
Tomographen. Durch die Verbindung mit medizinischer Bildgebung können
diese Geräte dazu verwendet werden, dynamisch muskuloskeletale
Funktion anzuzeigen und auch zu bewerten, im Sinne eines „Musculoskeletal
functional imaging".
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Ferner
ermöglicht die vorliegende Erfindung Verbindung von Anatomie
mit Funktion für die detaillierte Berechnung muskuloskeletaler
Belastungen. Diese Verbindung kann auch für die Motion
Capture/Filmindustrie für die realistischere Darstellung
und Animation von Bewegungen von Bedeutung sein.
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Obwohl
die Erfindung oben mit Bezug auf die Ausführungsformen
gemäß der beiliegenden Zeichnungen erklärt
wird, ist es ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt
ist, sondern innerhalb des Bereichs der oben und in den anhängigen Ansprüchen
offenbarten erfinderischen Idee modifiziert werden kann. Es versteht
sich von selbst, dass es noch weitere Ausführungsformen
geben kann, die den Grundsatz der Erfindung darstellen und äquivalent
sind, und dass somit verschiedene Modifikationen ohne Abweichen
vom Umfang der Erfindung implementiert werden können. Insbesondere
betrifft dieses die Wahl der Marker, die auch ein unabhängiges
Durchführen der Schritte S5–S8 gestattet, die Gestaltung
der Datencontainer D1 und D2 und die Bewertungsschritte S4 und S8,
die je nach Interessen des Benutzers entsprechend modifiziert durchgeführt
werden können. Des Weiteren werden verschiedene Ausgestaltungen
der oben genannten Vorrichtungen, Systeme und Bildgebungsverfahren ermöglicht,
diese werden dem Fachmann aus der obigen Beschreibung der vorliegenden
Erfindung und aus dem Inhalt der Patentansprüche ersichtlich sein.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Vielzahl an Einsatzgebieten
(z. B. die oben beschriebene Bewertung von Orthesen), welche ebenfalls
einem Fachmann ersichtlich sein werden. Insbesondere die breite
Definition der Begriffe Gelenk oder Gelenkbewegung lässt
eine Vielzahl an Anwendungsgebieten zu.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Taylor, W.
R. et al., "On the influence of soft tissue coverage in the determination
of bone kinematics using skin markers", J. of Orthopaedic Research,
(2005) [0005]
- - Ehrig, R. M., et al. „A survey of formal methods for
determining the centre of rotation of ball joints", J. of Biomechanics
(2006) [0005]
- - Ehrig, R. M., et al. „A survey of formal methods for
determining functional joint axes", J. of Biomechanics (2007) [0005]
- - Taylor, W. R. et al., "On the influence of soff tissue coverage
in the determination of bone kinematics using skin markers", J.
of Orthopaedic Research, (2005) [0014]
- - Taylor et al. 2005 [0045]
- - Ehrig et al., „A survey of formal methods for determining
functional joint axes" Journal of Biomechanics 2007; 40: 2150–57 [0071]