DE102008023760A1

DE102008023760A1 - Anordnung zur Bestimmung der Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals

Info

Publication number: DE102008023760A1
Application number: DE102008023760A
Authority: DE
Inventors: Jens Grünewald; Albrecht Hinkel; Norman Dr. Bitterlich
Original assignee: Medizin and Service GmbH
Current assignee: Medizin and Service GmbH
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals, insbesondere der Position und Lage einer äußerlich nicht sichtbaren Querbohrung an einem Marknagel, welcher in einem Knochen eingesetzt ist. Während es Aufgabe der Erfindung ist, eine Anordnung vorzuschlagen, mit der die Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals, insbesondere die Position und Lage einer äußerlich nicht sichtbaren Querbohrung an einem in den Knochen eingesetzten Marknagel, mit erhöhter Sicherheit bestimmt werden kann, ohne dass dazu von Röntgenstrahlung Gebrauch gemacht werden muss, wird diese bei einer gattungsgemäßen Anordnung dadurch gelöst, dass die erste Kamera (8) mit dem Objekt verbunden ist, welches das in seiner Lage zu bestimmende Merkmal beinhaltet, wobei an dieser Kamera (8) mindestens ein Marker (10) angeordnet ist, dass die zweite Kamera (11), an der ebenfalls mindestens ein Marker (12) vorgesehen ist, frei beweglich gegenüber der ersten Kamera (8) in einem Umfangsbereich des Objekts angeordnet ist, in dem die Lage des zu bestimmenden Merkmals anzunehmen ist, wobei die Kamera (11) mit einem Werkzeug-System verbunden und dessen Werkzeug unter Nutzung der Ergebnisse aus der Datenverarbeitungsanlage zum Merkmal hinführbar ist, dass sich aus der geometrischen Ausgestaltung der Marker (10, 12) in Summe mindestens drei 2-D-Bildkoordinaten aus der optischen Verbindung der beiden Kameras (8, 11) zu den ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals, insbesondere der Position und Lage einer für das menschliche Auge äußerlich nicht sichtbaren Querbohrung an einem Marknagel, welcher in einem Knochen eingesetzt ist. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise im Rahmen der so genannten Marknagelung Anwendung finden. Diese Marknagelung wird zur Versorgung von Brüchen an Röhrenknochen eingesetzt, wodurch die Fixierung der zueinander gehörigen Knochenfragmente unter Wiederherstellung der Achsen- und Gelenkstellung zumindest für die Dauer der Heilung des Bruches dient.
Dabei wird ein als Implantat dienender Marknagel entlang der Achse des Knochens in dessen (z. B. kniegelenkseitig) aufgebohrte Markhöhle des gebrochenen Röhrenknochens (z. B. des Schienbeins) eingesetzt und jeweils knochenendseitig (proximal und distal) am gebrochenen Röhrenknochen durch quer zum Knochen und Marknagel verlaufende Verriegelungsschrauben fixiert. Um die Verriegelungsschrauben eintreiben zu können, wird der Knochen in jenen Bereichen durchbohrt, die mit den im Marknagel vorgesehenen Querbohrungen deckungsgleich liegen müssen. Während die mit bewährten Methoden erfolgende proximale Verriegelung keine Schwierigkeiten bereitet, stellt sich die distale Verriegelung wesentlich problematischer dar, weil die Lage der beim Durchbohren des Knochens zwingend zu treffenden Querbohrung im Marknagel durch ihre verdeckte Position innerhalb des (z. B. sprunggelenkseitigen) Knochenendes für den Operateur nicht sichtbar ist.
Allgemein bekannt ist die Verwendung eines als C-Bogen bezeichneten mobilen chirurgischen Bildverstärkers, mit dem durch Röntgenbilder die Lage der vom Knochen verdeckten Querbohrung des Marknagels bestimmt wird. Dabei kann zwar die Lage der Querbohrung im Marknagel ermittelt werden, während die erforderliche Herstellung der Koaxialität zwischen Querbohrung und Bohrer erst nach Beendigung der Röntgenaufnahmen vom Operateur durch ein Verschwenken der Bohrmaschine in die vermeintliche lagegenaue Bohrstellung erfolgen muss. Dabei kommt es zu Ungenauigkeiten, die Fehlbohrungen bedingen können. Deren Ursachen sind darin zu sehen, dass die koaxiale Lage von Querbohrung und Bohrer mit dem C-Bogen nicht bestimmt werden kann. Selbst wenn der Bohrer zufällig seine zutreffende koaxiale Ausrichtung zur Querbohrung erfahren würde, könnte die Lage der Bohrung mittels des C-Bogens nicht mehr bestimmt werden, da diese dann von Bohrer verdeckt würde. Nachteilig gestaltet sich außerdem die auf den Patienten und das Operationsteam einwirkende Strahlenbelastung.
Eine weitere Lösung zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Körpers, beispielsweise eines chirurgischen Instruments, geht aus der DE 698 19 363 T2 hervor. Dabei wird ausgehend von zwei in einem festen Bezug stehenden Kameras in Verbindung mit mehreren Lichtenergie emittierenden Quellen das sich im Raum bewegende Objekt überwacht. Dazu ist das Objekt mit mehreren Markern (aktiv bzw. passiv wirkend) ausgestattet, die in einer vorbestimmten, festen relativen geometrischen Beziehung angebracht sind. Durch entsprechende mathematische Berechnungen der von den Kameras erfassten Markerkoordinaten auf der Grundlage der analytischen Geometrie des euklidischen Raumes unter Beachtung der Eigenschaften von zentralperspektivischen Abbildungen lässt sich die Position des Objekts mit einer gewissen Grundgenauigkeit bestimmen. Demgegenüber ist die Lage des Objekts im Raum nur mit erhöhten physikalisch bedingten Fehlern ermittelbar, weil bestimmte Drehbewegungen des Objekts nur geringfügig die 2D-Koordinaten des Kamerabildes verändern. Dies betrifft insbesondere Drehbewegungen, die von den beiden Kamera weggerichtet sind, da deren Winkeländerungen wesentlich kleiner ausfallen als solche, die sich beispielsweise quer zu den beiden Kamera erstrecken. Ein weiterer Nachteil ist in der festen Abstandsanordnung der zwei Kameras zueinander zu sehen, ohne die eine angestrebte Messgenauigkeit bei der Positionsbestimmung des Objekts nicht erzielt werden kann. Außerdem umfasst diese Lösung einen großen Bauraum, wobei zur umfassenden Funktionalität bei deren räumlichen Anordnung im Sichtbereich zwischen den Kameras und Markern eine direkte optische Verbindung gewährleistet sein muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung vorzuschlagen, mit der die Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals, insbesondere die Position und Lage einer äußerlich nicht sichtbaren Querbohrung an einem in den Knochen eingesetzten Marknagel, mit erhöhter Sicherheit bestimmt werden kann, ohne dass dazu von Röntgenstrahlung Gebrauch gemacht werden muss.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass durch den Verzicht auf eine vorbestimmte feste Anordnung der beiden Kameras zueinander und dem Kameraeinsatz unmittelbar am Objekt sowie deren gegenseitige „Beobachtung” in Verbindung mit den Markern, eine zielgenaue Positions- und Lagebestimmung des am Objekt (z. B. Marknagel, innerhalb eines Knochen aufgenommen) befindlichen, äußerlich nicht sichtbaren Merkmals (z. B. Querbohrung im Marknagel) erzielt werden kann. Dadurch sind lagegenaue Handhabungen (z. B. das Setzen von Bohrungen durch den Knochen unter Durchdringung der Querbohrung des Marknagels mittels eines Werkzeug-Systems) für die gegenseitige Sicherung (z. B. des Marknagels am Knochen mittels Verriegelungsschraube) durchführbar, so dass schwerwiegende Komplikationen hervorrufende Fehlbohrungen ausgeschlossen werden können. Letztlich weist die Anordnung neben der erhöhten Grundgenauigkeit eine geringe Baugröße auf und eine Strahlenbelastung des Patienten und des Operationsteams kann ausgeschlossen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Patentansprüchen 2 bis 4 hervor.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit Röhrenknochen und Marknagel
2 eine vereinfachte Darstellung der beiden Kameras mit diametral angeordneten Markern
3 eine Prinzipdarstellung des am Röhrenknochen proximal und distal verriegelten Marknagels
In der 1 ist eine Anordnung zur Bestimmung der Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals am Beispiel einer erfolgten Marknagelung am Röhrenknochen 1 eines Schienbeins dargestellt. Dabei ist das Objekt als ein Marknagel 2 ausgestaltet, der als Implantat entlang der Achse des Röhrenknochens 1 in die kniegelenkseitig aufgebohrte Markhöhle des gebrochenen Röhrenknochens 1 eingesetzt ist. Außerdem ist das Merkmal als zumindest eine durch den Marknagel 2 verlaufende Querbohrung 3 ausgestaltet, durch die mittels einer Verriegelungsschraube 4 (3) eine Verriegelung am distalen Ende 5 des Röhrenknochens 1 erfolgt. Eine ebensolche Verriegelung des Marknagels 2 wird auch am proximalen Ende 6 des Röhrenknochens 1 vorgenommen. Diese erfolgt unter Nutzung bewährter Methoden, so dass auf deren Beschreibung verzichtet werden kann.
Die distale Verriegelung durch Eintreiben der Verriegelungsschraube 4 kann nur erfolgreich durchgeführt werden, wenn der Röhrenknochen 1 vorher in jenen Bereichen durchbohrt worden ist, die mit der im Marknagel 2 vorgesehenen, aber durch den Knochen 1 in nicht sichtbarer Position liegenden Querbohrung 3, deckungsgleich liegen.
Dazu ist mit Bezug auf 1 am proximalen Ende 6 des Marknagels 2 ein an- und abschraubbarer, kalibrierter Adapter 7 vorgesehen, der eine erste Kamera 8 trägt, um deren Objektiv 9 diametral zwei aktive, als kreisförmige Lichtquelle ausgestaltete Marker 10 (2) angeordnet sind. Gegenüber dieser ersten Kamera 8 ist eine zweite Kamera 11 positioniert, bei der ebenfalls zwei aktive, als kreisförmige Lichtquelle ausgestaltete Marker 12 (2) diametral im Umfangsbereich des Objektivs 13 vorgesehen sind. Für die rechentechnische Verarbeitung muss die geometrische Anordnung der Marker (10, 12) sowohl untereinander als auch in Bezug zu den Objektiven der beiden Kameras (8, 11) maßlich bekannt sein.
Dabei ist die zweite Kamera 11 in Bezug auf die erste Kamera 8 frei beweglich angeordnet und außerdem mit einem Werkzeug-System in Gestalt einer Bohrmaschine 14 mit Bohrer 15 verbunden, mit dem das Aufbohren des Röhrenknochens 1 unter Durchdringung der Querbohrung 3 des Marknagels 2 vorgenommen werden kann.
Dazu wird im Vorfeld die Geometrie des Marknagels 2 erfasst und insbesondere auch die Position des Querloches 3 am distalen Ende 5 des Marknagels 2 registriert und gespeichert. Dies erfolgt mittels einer nicht dargestellten Datenverarbeitungsanlage (Computer, Monitor, Speicher, Software), mit der die beiden Kameras 8, 11 auch zur elektronischen Verarbeitung der Bildinformationen verbunden sind (siehe Pfeillinien in 2), die die sich gegenseitig „beobachtenden” Kameras 8, 11 in Verbindung mit den Markern 10, 12 liefern. Dabei erfolgen die sich aus der Änderung der Lage der von den Kameras 8, 11 registrierten Markern 10, 12 ergebenden Berechnungen auf der Grundlage der analytischen Geometrie mit besonderer Berücksichtigung der Zentralperspektive und der ebenen Trigonometrie. Dabei müssen die Marker geometrisch so gestaltet sein, dass mindestens zwei 2D-Koordinaten aus dem einen Kamerabild und mindestens eine 2D-Koordinate aus dem anderen Kamerabild ableitbar sind. Das heißt, in Summe werden drei 2D-Koordinaten aus den beiden Kamerabildern zur Berechnung der gegenseitigen Lage und Position benötigt. Weitere 2D-Koordinaten reduzieren die systembedingten Messfehler und sichern das Ergebnis.
Zunächst wird die mit der zweiten Kamera 11 gekoppelte Bohrmaschine 14 mit dem Bohrer 15 in einen Bereich des Knochens 1 bewegt, in dem die Querbohrung 3 des Marknagels 2 ungefähr vermutet wird, wobei die zweite Kamera 11 grob auf die erste Kamera 8 ausgerichtet ist. Die eingenommene Stellung und die Bewegung des Bohrers 15 in Bezug auf die Querbohrung 3 sind auf dem Monitor dargestellt. Anschließend wird die Spitze des Bohrers 15 durch seitliche Bewegung zum Zielpunkt, d. h. die Querbohrung 3, navigiert und nachfolgend durch eine Schwenkbewegung die Achse des Bohrers 15 senkrecht zur Achse der Marknagels 2 gestellt. Dabei ist gleichzeitig eine Koaxialität zwischen des Achse des Bohrers 15 und der Achse der Querbohrung 3 erzielt und somit die Positions- und Lagebestimmung der unsichtbaren Querbohrung 3 im Marknagel 2 des Röhrenknochens 1 für ein treffsicheres Aufbohren des Knochens 1 im Bereich der Querbohrung 3 erfolgt.
Soll beispielsweise und wie allgemein üblich, die distale Verriegelung noch durch eine zweite Verriegelungsschraube 4' erfolgen, die in Verbindung mit einer weiteren Querbohrung 3' axial am Knochen 1 und Marknagel 2 versetzt und um 90° gegenüber die der ersten Verriegelungsschraube 4 angeordnet ist, wird der kalibrierte Adapter 7 am proximalen Ende 6 des Marknagels 2 in eine definierte neue Stellung überführt und der vorstehend geschilderte Ablauf erfolgt erneut.

1: Röhrenknochen
2: Marknagel
3: Querbohrung
3': weitere Querbohrung
4: Verriegelungsschraube
4': zweite Verriegelungsschraube
5: distales Ende (von 1 u. 2)
6: proximales Ende von (1 u. 2)
7: Adapter
8: erste Kamera
9: Objektiv (von 8)
10: Marker (von 8)
11: zweite Kamera
12: Marker (von 11)
13: Objektiv (von 11)
14: Bohrmaschine
15: Bohrer

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

- DE 69819363 T2 [0004]

Claims

Anordnung zur Bestimmung der Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals, insbesondere der Position und Lage einer äußerlich nicht sichtbaren Querbohrung an einem Marknagel, welcher in einem Knochen eingesetzt ist, bestehend aus zwei Kameras, die mit Markern in optischer Verbindung stehen, wobei die Kameras und Marker zur elektronischen Verarbeitung der Bildinformationen mit einer Datenverarbeitungsanlage verbunden sind und dabei die Lage des Merkmals auf der Grundlage der sich im Raum ändernden Position der Marker ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kamera (8) mit dem Objekt verbunden ist, welches das in seiner Lage zu bestimmende Merkmal beinhaltet, wobei an dieser Kamera (8) mindestens ein Marker (10) angeordnet ist, dass die zweite Kamera (11), an der ebenfalls mindestens ein Marker (12) vorgesehen ist, frei beweglich gegenüber der ersten Kamera (8) in einem Umfangsbereich des Objekts angeordnet ist, in dem die Lage des zu bestimmenden Merkmals anzunehmen ist, wobei die Kamera (11) mit einem Werkzeug-System verbunden und dessen Werkzeug unter Nutzung der Ergebnisse aus der Datenverarbeitungsanlage zum Merkmal hinführbar ist, dass sich aus der geometrischen Ausgestaltung der Marker (10, 12) in Summe mindestens drei 2D-Bildkoordinaten aus der optischen Verbindung der beiden Kameras (8, 11) zu den Markern ableiten lassen.
Anordnung zur Bestimmung der Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder vier kreisförmige Marker (10, 12) diametral im Umfangsbereich der Objektive (9, 13) der beiden Kameras (8, 11) angeordnet sind.
Anordnung zur Bestimmung der Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Marker (10, 12) als aktive Lichtquellen ausgestaltet sind.
Anordnung zur Bestimmung der Position und Lage eines an einem Objekt befindlichen Merkmals nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt als Marknagel (2) ausgestaltet ist, dessen Merkmal als eine am distalen Ende (5) angeordnete Querbohrung (3, 3') ausgeführt ist.