DE102007049668B3

DE102007049668B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Winkellage einer Hüftgelenkpfanne in einem Beckenknochen

Info

Publication number: DE102007049668B3
Application number: DE102007049668A
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. Kozak
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: US20090105714A1; US8394036B2

Abstract

Um bei einem Verfahren zur Bestimmung des Anteversionswinkels und/oder des Inklinationswinkels einer Hüftgelenkpfanne in einem Beckenknochen eine Vereinfachung zu erzielen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem man markante Punkte am Beckenknochen nichtinvasiv bestimmt, diese markanten Punkte durch eine individuelle Ebene verbindet und diese individuelle Ebene jeweils um vorbekannte, für den Inklinationswinkel beziehungsweise den Anteversionswinkel spezifische Winkelbeträge verdreht und zur Bestimmung des Inklinationswinkels und Anteversionswinkels den Winkel zwischen der verdrehten individuellen Ebene und einer Hauptebene des Beckenknochens bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Anteversionswinkels und/oder des Inklinationswinkels einer Hüftgelenkpfanne in einem Beckenknochen.
Beim Implantieren einer Hüftgelenkpfanne, die im Allgemeinen eine etwa halbkugelige Form hat, müssen die Lage der Hüftgelenkpfanne und deren Winkellage relativ zum Beckenknochen vor der Implantation genau bestimmt werden. Die Lage lässt sich relativ einfach dadurch bestimmen, dass vor der Implantation der Drehmittelpunkt des Hüftgelenks bestimmt wird, beispielsweise durch Verschwenken des Femurs gegenüber dem Beckenknochen. Dieser Mittelpunkt entspricht dann dem Kugelmittelpunkt der halbkugelförmigen Hüftgelenkpfanne.
Schwieriger ist die Bestimmung der Winkellage der Hüftgelenkpfanne. Die Hüftgelenkpfanne weist einen unteren Rand auf, der eine die halbkugelige Hüftgelenkpfanne am unteren Ende begrenzende Ebene definiert, und auf dieser Ebene steht eine zentrale Achse der halbkugeligen Hüftgelenkpfanne senkrecht, die durch den Mittelpunkt der Hüftgelenkpfanne geht. Diese zentrale Achse der Hüftgelenkpfanne ist im allgemeinen so im Raum angeordnet, dass sie mit den Hauptebenen des Beckenknochens unterschiedliche Winkel einschließt. Als Hauptebenen des Beckenknochens kommen dabei in Frage die Transversalebene, also eine bei aufrechtem Becken horizontal verlaufende Ebene, die Sagittalebene, also bei aufrechtem Becken eine senkrecht auf der Transversalebene stehende und von vorne nach hinten verlaufende Ebene, und die Frontalebene, die auf den beiden zuvor genannten Ebenen senkrecht steht.
Zur Beschreibung der Lage der zentralen Achse relativ zu diesen Hauptebenen ist es üblich, den Anteversionswinkel und den Inklinationswinkel anzugeben. Der Anteversionswinkel beschreibt den Winkel, den eine die zentrale Achse enthaltende, senkrecht auf der Transversalebene stehende Anteversionsebene gegenüber einer Frontalebene einschließt. Der Inklinationswinkel beschreibt den Winkel, den die zentrale Achse der Hüftgelenkpfanne relativ zu der Transversalebene einnimmt.
In der Praxis werden der Anteversionswinkel und der Inklinationswinkel durch komplizierte Voruntersuchungen beim Patienten festgestellt, beispielsweise durch Röntgenaufnahmen in verschiedenen Ebenen oder durch Ultraschalluntersuchungen, die sehr aufwendig sind und insbesondere bei Röntgenuntersuchungen den Patienten mit einer hohen Strahlendosis belasten.
Es sind Verfahren zur Bestimmung des Anteversionswinkels und des Inklinationswinkels bekannt ( DE 11 2005 002 453 T5 ; EP 1 611 863 A1 ). Diese verlangen jedoch komplizierte Voruntersuchungen, die teilweise unter Verwendung von bildgebenden Verfahren durchgeführt werden müssen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung dieser Winkelgrößen anzugeben, mit dem in einfacher Weise – gegebenenfalls intraoperativ – der Anteversionswinkel und/oder der Inklinationswinkel bestimmt werden können.
Diese Aufgabe wird bei der Bestimmung des Anteversionswinkels erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem man an einer Seite des Becken knochens nichtinvasiv die Spina iliaca anterior superior (vorderer oberer Darmbeinstachel) und an der selben Seite die Lage der Spina iliaca posterior superior (hinterer oberer Darmbeinstachel) bestimmt, durch diese Punkte eine senkrecht auf einer Transversalebene des Beckenknochens stehende Ebene legt, diese Ebene um eine senkrecht auf der Transversalebene stehende Drehachse um einen vorbekannten Winkelbetrag zwischen 35,6° und 40,4° in Richtung auf eine Frontalebene verdreht und den Winkel zwischen der verdrehten Ebene und der Frontalebene als Anteversionswinkel bestimmt.
Vorzugsweise liegt dieser Winkel bei 38°.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der Bestimmung des Inklinationswinkels mit einem Verfahren gelöst, bei dem man an einer Seite des Beckenknochens nichtinvasiv die Lage der Spina iliaca anterior superior (vorderer oberer Darmbeinstachel) und außerdem die Lage der Symphysis pubis (Schambein) bestimmt, durch diese Punkte eine senkrecht auf einer Frontalebene des Beckenknochens stehende Ebene legt, diese Ebene um eine senkrecht auf der Frontalebene stehende Drehachse um einen vorbekannten Winkelbetrag zwischen 14,1° und 17,9° in Richtung auf eine Sagittalebene des Beckenknochens verdreht und den Winkel zwischen der verdrehten Ebene und der Sagittalebene als Inklinationswinkel bestimmt.
Vorzugsweise liegt der vorbekannte Winkelbetrag bei 16°.
Bei dem beschriebenen Verfahren genügt es also, wenige markante Punkte des Beckenknochens nichtinvasiv zu bestimmen, dies kann beispielsweise durch Tasten von markanten Punkten des Beckenknochens durch die Haut hindurch erfolgen oder durch eine Ultraschalluntersuchung, und aus diesen Punkten sowie Daten über die Hauptebenen des Beckenknochens kann man unter Verwendung des vorbekannten Winkelbetrages rechnerisch sowohl den Anteversionswinkel als auch den Inklinationswinkel bestimmen. Dabei ergeben sich Größen für den Anteversionswinkel und den Inklinationswinkel, die von der jeweiligen Geometrie des Beckenknochens abhängen, die also in dividuell für jeden einzelnen Beckenknochen bestimmt werden können. Komplizierte Röntgenuntersuchungen sind dazu nicht notwendig.
Die angegebene Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung gelöst, die entsprechend den vorbeschriebenen Verfahren arbeitet und die entsprechend den Patentansprüchen 7 beziehungsweise 9 ausgebildet ist. Weitere Ausgestaltungen dieser Vorrichtungen sind in den Ansprüchen 8 sowie 10 bis 12 beschrieben.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines auf einem Operationstisch gelagerten Patienten und eines Navigationssystems zur Lagebestimmung navigierter Lagesensoren;
2: eine schematische Frontansicht eines Patienten bei der Bestimmung einer Frontalebene des Beckenknochens;
3: eine schematische Ansicht eines Beckenknochens, einer Frontalebene, einer Transversalebene und einer Anteversionsebene;
4: eine Ansicht ähnlich 3 mit einer Frontalebene, einer Sagittalebene und einer Inklinationsebene;
5: eine schematische Draufsicht auf eine Transversalebene eines Beckenknochens mit einer durch markante Punkte des Beckenknochens hindurch gelegten individuellen Ebene und
6: eine Draufsicht auf eine Frontalebene des Beckenknochens mit einer durch markante Punkte des Beckenknochens hindurch gelegten individuellen Ebene.
In 1 ist ein Patient 1 auf einem Operationstisch 2 dargestellt, in dieser Lage können Operationen an dem Patienten ausgeführt werden. Neben dem Operationstisch 2 ist ein Navigationssystem 3 angeordnet mit mehreren Strahlungssendern 4, 5, 6, die auch gleichzeitig als Strahlungsempfänger ausgebildet sind. Bei der ausgesendeten Strahlung kann es sich um Infrarotstrahlung handeln. Diese Strahlung wird von Reflexionsflächen 8 reflektiert, dabei kann es sich um Kugeln handeln, die als Markierelemente 9 an diversen Instrumenten 10 angeordnet sein können, beispielsweise einem Tastinstrument 10 und einem Ultraschallsensor 11.
Das Navigationssystem kann in an sich bekannter Weise dadurch die Lage der Instrumente im Raum bestimmen, also ihre exakte Position und ihre Orientierung.
Dem Navigationssystem 3 ist außerdem eine Datenverarbeitungsanlage 12 zugeordnet mit einer Anzeigeeinrichtung 13, im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Monitors.
Um die Lage des Beckenknochens 14 eines Patienten beschreiben zu können, ist es bekannt, drei markante Punkte des Beckenknochens zu verwenden, die eine sogenannte Beckeneingangsebene definieren. Es handelt sich dabei um eine spezielle Frontalebene, die durch besondere markante Punkte gekennzeichnet ist, die in dieser Frontalebene liegen. Es handelt sich dabei um folgende Punkte:

A) Spina iliaca anterior superior rechts (rechter vorderer oberer Darmbeinstachel)
B) Spina iliaca anterior superior links (linker vorderer oberer Darmbeinstachel)
C) Symphysis pubis (Schambein).

Diese drei Punkte lassen sich perkutan tasten, beispielsweise manuell oder mit Hilfe des navigierten Tastinstruments 10. Es ist auch möglich, diese Punkte mit Hilfe des navigierten Ultraschallsensors zu bestimmen, in jedem Fall kann auf diese Weise die Lage der drei Punkte A), B) und C) im Raum festgestellt werden, und das Navigationssystem kann einen Datensatz, der der Lage der Punkte A), B) und C) entspricht, an die Datenverarbeitungsanlage 12 abgeben.
Durch die Bestimmung dieser Punkte wird die Lage des Beckenknochens im Raum definiert, diese Ebene dient als Bezugsebene für alle weiteren Orts- und Orientierungsbestimmungen.
In 4 ist ein Beckenknochen 14 zusammen einer Frontalebene 15 und einer Sagittalebene 22 dargestellt, außerdem mit einer Inklinationsebene 21, die mit der unteren, durch den unteren Rand 17 der Hüftgelenkpfanne 16 aufgespannten Abschlussebene zusammenfällt. Diese Inklinationsebene 22 steht damit senkrecht auf der zentralen Achse 18 der Hüftgelenkpfanne 16. Die Inklinationsebene ergibt sich bei der Darstellung der 4 durch den Winkel β zwischen der Inklinationsebene 21 und der Sagittalebene, dieser Winkel ergibt sich dann zwangsläufig auch für die Neigung der zentralen Achse 18 gegenüber der Transversalebene, die ihrerseits senkrecht auf der Frontalebene 15 und auf der Sagittalebene 22 steht.
In 3 ist ein Beckenknochen 14 dargestellt, außerdem eine Frontalebene 15. In dieser ist schematisch eine Hüftgelenkpfanne 16 eingezeichnet, und zwar derart, dass eine durch den unteren Rand 17 aufgespannte untere Abschlussebene der Hüftgelenkpfanne 16 senkrecht auf der Frontalebene 15 steht. Dadurch liegt eine zentrale Achse 18 der Hüftgelenkpfanne, die senkrecht auf dieser unteren Abschlussebene der Hüftgelenkpfanne 16 steht und durch den Mittelpunkt der halbkugeligen Hüftgelenkpfanne 16 hindurchgeht, bei der Darstellung der 3 in der Frontalebene 15.
Eine solche Anordnung der Hüftgelenkpfanne, wie sie in den 3 und 4 dargestellt ist, würde einem Anteversionswinkel von 0° entsprechen, der jedoch nicht realistisch ist.
Tatsächlich liegt die zentrale Achse 18 der Hüftgelenkpfanne 16 in einer Anteversionsebene 19, die ebenso wie die Frontalebene 15 senkrecht auf einer Transversalebene 20 steht und die gegenüber der Frontalebene 15 um eine senkrecht auf der Transversalebene 20 stehende Drehachse verdreht ist. Der zwischen der Anteversionsebene 19 und der Frontalebene 15 eingeschlossene Winkel α wird als Anteversionswinkel bezeichnet.
In der Einbaulage ist die zentrale Achse 18 also gegenüber der Transversalebene um den Inklinationswinkel geneigt und liegt in einer Anteversionsebene, die gegenüber der Frontalebene den Anteversionswinkel einschließt.
In ähnlicher Weise ist in 4 ein Beckenknochen 14 zusammen mit einer Frontalebene 15 und einer Sagittalebene 22 dargestellt, außerdem mit einer Inklinationsebene 21, die mit der unteren, durch den unteren Rand 17 der Hüftgelenkpfanne 16 aufgespannten Abschlussebene zusammenfällt. Die Inklinationsebene 21 entspricht der tatsächlichen Einbaulage der Hüftgelenkpfanne 16 in den Beckenknochen 14, ebenso wie die Anteversionsebene 19 der tatsächlichen Einbaulage entspricht.
Zur Bestimmung des Anteversionswinkels wird wie aus der schematischen Darstellung der 5 ersichtlich zusätzlich ein weiterer markanter Punkt des Beckenknochens 14 in der oben beschriebenen Weise nichtinvasiv bestimmt, nämlich der Punkt D) Spina iliaca posterior superior.
Durch diesen zusätzlich bestimmten Punkt D) und durch die Spina iliaca anterior superior auf derselben Seite des Beckenknochens 14 wird eine individuelle Ebene 23 hindurchgelegt, die senkrecht auf einer Transversalebene steht. Diese Ebene schließt mit der Frontalebene 15 einen individuellen Winkel γ ein.
In einem weiteren Schritt wird die individuelle Ebene 23 um eine senkrecht auf der Transversalebene stehende Drehachse um einen vorgegebenen Winkel δ verdreht, dieser liegt bei der Anteversion im Bereich zwischen 35,6° und 40,4° und beträgt vorzugsweise 38°. Nach der Verdrehung schließt die verdrehte bene mit der Frontalebene 15 einen Winkel ein, und dieser Winkel ist der Anteversionswinkel α. Die verdrehte Ebene bildet also nach der Verdrehung die Anteversionsebene 19 aus oder fällt mit dieser zusammen.
In ähnlicher Weise erfolgt die Bestimmung des Inklinationswinkels in der in 6 schematisch dargestellten Weise. Durch die Punkte B) und C), also durch die Spina iliaca anterior superior an einer Seite des Beckenknochens und durch die Symphysis pubis wird eine individuelle Ebene 33 gelegt, die senkrecht auf einer Frontalebene 15 steht und die mit einer Transversalebene einen individuellen Winkel γ' einschließt. Diese individuelle Ebene 33 wird anschließend um eine senkrecht auf der Frontalebene stehende Drehachse um einen vorgegebenen Winkel δ' verdreht, der bei der Bestimmung des Inklinationswinkels im Bereich zwischen 14,1° und 17,9° und vorzugsweise bei 16° liegt. Nach der Verdrehung fällt die individuelle Ebene 33 mit der Ebene 21 zusammen, diese schließt mit einer Sagittalebene 22 den Inklinationswinkel β ein.
Allein durch Lagebestimmung der markanten Punkte der Spina iliaca anterior superior sowie der Spina iliaca posterior superior beziehungsweise der Symphysis pubis gelingt es also, individuell von der Form des Beckenknochens 14 abhängige Werte für den Anteversionswinkel und den Inklinationswinkel zu bestimmen, ohne dass dazu aufwendige Röntgenuntersuchungen oder dergleichen notwendig wären.
Die beschriebenen Verfahrensschritte können von der Datenverarbeitungsanlage 12 aufgrund der vom Navigationssystem 3 zur Verfügung gestellten Lagedaten ohne weiteres durchgeführt werden, so dass dem Operateur unmittelbar nach Bestimmung der Lage der beschriebenen markanten Punkte die Werte der Inklinationswinkel und Anteversionswinkel angezeigt werden können.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die vorbekannten Winkelbeträge, um die die Verbindungsebenen der markanten Punkte, also die individuellen Ebenen, gedreht werden müssen, um sie in die Inklinationsebene beziehungsweise die Anteversionsebene zu überführen, unabhängig von den individuellen Dimensionierungen der Beckenknochen bei verschiedenen Patienten eingesetzt werden können und dass dabei Ergebnisse für die Werte der Inklinationswinkel und Anteversionswinkel erhalten werden, die denen ohne weiteres entsprechen, die durch sehr viel aufwendigere Röntgenuntersuchungen aufgefunden werden konnten.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Anteversionswinkels einer Hüftgelenkpfanne in einem Beckenknochen, bei dem man an einer Seite des Beckenknochens nichtinvasiv die Lage der Spina iliaca anterior superior und an derselben Seite die Lage der Spina iliaca posterior superior bestimmt, durch diese Punkte eine senkrecht auf einer Transversalebene des Beckenknochens stehende Ebene legt, diese Ebene um eine senkrecht auf der Transversalebene stehende Drehachse um einen vorbekannten Winkelbetrag zwischen 35,6° und 40,4° in Richtung auf eine Frontalebene des Beckenknochens verdreht und den Winkel zwischen der verdrehten Ebene und der Frontalebene als Anteversionswinkel bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbekannte Winkelbetrag bei 38° liegt.
Verfahren zur Bestimmung des Inklinationswinkels einer Hüftgelenkpfanne in einem Beckenknochen, bei dem man an einer Seite des Beckenknochens nichtinvasiv die Lage der Spina iliaca anterior superior und außerdem die Lage der Symphysis pubis bestimmt, durch diese Punkte eine senkrecht auf einer Frontalebene des Beckenknochens stehende Ebene legt, diese Ebene um eine senkrecht auf der Frontalebene stehende Drehachse um einen vorbekannten Winkelbetrag zwischen 14,1° und 17,9° in Richtung auf eine Sagittalebene des Becken knochens verdreht und den Winkel zwischen der verdrehten Ebene und der Sagittalebene als Inklinationswinkel bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbekannte Winkelbetrag bei 16° liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Lage der Spina iliaca anterior superior und gegebenenfalls der Spina iliaca posterior superior und gegebenenfalls der Symphysis pubis durch perkutanes Tasten bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Lage der Spina iliaca anterior superior und gegebenenfalls der Spina iliaca posterior superior und gegebenenfalls der Symphysis pubis durch eine Ultraschalluntersuchung bestimmt.
Vorrichtung zur Bestimmung des Anteversionswinkels (α) einer Hüftgelenkpfanne (16) in einem Beckenknochen (14) mit einem Navigationssystem (3), mit einem navigierten Lagesensor (10; 11) für markante Punkte des Beckenknochens (14) und mit einer Datenverarbeitungsanlage (12), die so programmiert ist, dass sie aus den Lagedaten der Spina iliaca anterior superior (A oder B) an einer Seite des Beckenknochens (14) und den Lagedaten der Spina iliaca posterior superior (D) an derselben Seite des Beckenknochens (14) und den Lagedaten einer Transversalebene (20) des Beckenknochens (14) eine senkrecht auf der Transversalebene (20) stehende individuelle Ebene (23) berechnet, die durch die Spina iliaca anterior superior (A oder B) und die Spina iliaca posterior superior (D) hindurchgeht, diese individuelle Ebene (23) um eine senkrecht auf der Transversalebene (20) stehende Drehachse um einen vorbekannten Winkelbetrag (δ) zwischen 35,6° und 40,4° in Richtung auf eine Frontalebene (15) des Beckenknochens (14) verdreht und den Winkel zwischen der verdrehten individuellen Ebene (23) und der Frontalebene (15) als Anteversionswinkel (α) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbekannte Winkelbetrag bei 38° liegt.
Vorrichtung zur Bestimmung des Inklinationswinkeis (β) einer Hüftgelenkpfanne (16) in einem Beckenknochen (14) mit einem Navigationssystem (3), mit einem navigierten Lagesensor (10; 11) für markante Punkte des Beckenknochens (14) und mit einer Datenverarbeitungsanlage (12), die so programmiert ist, dass sie aus den Lagedaten der Spina iliaca anterior superior (A oder B) an einer Seite des Beckenknochens (14) und den Lagedaten der Symphysis pubis (C) und den Lagedaten einer Frontalebene (15) des Beckenknochens (14) eine senkrecht auf der Frontalebene (15) stehende individuelle Ebene (33) berechnet, die durch die Spina iliaca anterior superior (A oder B) und die Symphysis pubis (C) hindurchgeht, diese Ebene (33) um eine senkrecht auf der Frontalebene (15) stehende Drehachse um einen vorbekannten Winkelbetrag (δ') zwischen 14,1° und 17,9° in Richtung auf eine Sagittalebene (2) des Beckenknochens (14) verdreht und den Winkel zwischen der verdrehten individuellen Ebene (33) und der Sagittalebene (22) als Inklinationswinkel (β) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbekannte Winkelbetrag bei 16° liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der navigierte Lagesensor ein Tastsensor (10) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der navigierte Lagesensor ein Ultraschallsensor (11) ist.