DE102009034797A1

DE102009034797A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Winkels zwischen einer Frontalebene und einer Beckeneingangsebene einer Person

Info

Publication number: DE102009034797A1
Application number: DE200910034797
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. Kozak
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2009-07-25
Filing date: 2009-07-25
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Um bei einem Verfahren zur Bestimmung des Winkels zwischen einer Frontalebene und einer Beckeneingangsebene einer Person diese Bestimmung zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, dass man bei der aufrecht stehenden Person die Neigung der Beckeneingangsebene gebenüber der Senkrechten mit Hilfe eines Ultraschallkopfes bestimmt, der in einer Untersuchungsebene Ultraschallstrahlung aussendet und nach Reflexion am Beckenknochen der Person wieder empfängt, wobei man den Ultraschallkopf mit seiner Untersuchungsebene parallel zur Frontalebene der Person orientiert an den Beckenknochen der Person anlegt und ihn um eine horizontale, parallel zur Frontalebene verlaufende Schwenkachse neigt und ihn parallel zu sich selbst verschiebt, bis die linke oder die rechte Spina iliaca superior und die Symphysis pubis gleichzeitig in der Untersuchungsebene liegen, und dass man dann den Neigungswinkel zwischen der Untersuchungsebene und der Senkrechten misst und diesen Winkel als Neigungswinkel der Beckeneingangsebene gegenüber der Frontalebene bestimmt. Außerdem wird eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben.

Description

Bei der Implantation von Hüftgelenkspfannen in den Beckenknochen werden die Hüftgelenkspfannen häufig so orientiert, dass gegenüber der Frontalebene eines Patienten bestimmte Winkel eingehalten werden, beispielsweise zur Herstellung der gewünschten Inklination und Anteversion der Hüftgelenkspfanne. Diese in der Literatur beschriebenen Standardwinkel (sogenannte Lewinnek-Winkel) werden dabei gegenüber der Frontalebene des Patienten angegeben, diese Frontalebene ist definiert als eine Ebene, die bei stehendem Patienten senkrecht steht und in medial-lateraler Richtung verläuft, sie steht also senkrecht auf der Sagittalebene und senkrecht auf der Horizontalebene des Patienten.
Zur Bestimmung der Frontalebene eines stehenden Patienten wird üblicherweise die sogenannte Beckeneingangsebene des Patienten bestimmt, diese Ebene ist dadurch definiert, dass sie durch drei markante Punkte des Beckenknochens hindurchgeht, nämlich den linken vorderen Dornfortsatz (linke Spina iliaca superior), den rechten oberen Dornfortsatz (rechte Spina iliaca superior) und durch das Schambein (Symphysis pubis). Diese markanten Punkte des Beckenknochens können auf verschiedene Weise bestimmt werden, beispielsweise durch Ertasten mit einem navigierten Tastinstrument durch die Haut hindurch, durch einen Ultraschallkopf oder durch ähnliche Untersuchungsmethoden.
Die Beckeneingangsebene verläuft annähernd parallel zur Frontalebene des Patienten, und es ist üblich, die Orientierungen der Hüftgelenkspfanne, also beispielsweise die Lewinnek-Winkel, die in der Literatur gegenüber der Frontalebene angegeben sind, in gleicher Weise relativ zur Beckeneingangsebene anzunehmen. Dabei wird eine Parallelstellung der Beckeneingangsebene und der Frontalebene unterstellt.
Tatsächlich hat sich jedoch gezeigt, dass die Beckeneingangsebene gegenüber der Frontalebene um eine horizontale, in der Frontalebene liegende Drehachse verschwenkt sein kann, und zwar in beiden Richtungen (Pichl et al: Konventionelle Hüftpfannennavigation mit dem Röntgenbilddwandler – eine Studie am Beckenmodell Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2008). Abweichungen in beiden Richtungen in der Größenordnung bis zu 25° sind beobachtet worden. Wenn man die Standardwinkel aus der Literatur für die Orientierung der Hüftgelenkspfannen daher unmittelbar auf die Beckeneingangsebene überträgt, ergeben sich Abweichungen, die zu Bewegungseinschränkungen des implantierten Hüftgelenkes führen können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem man den Neigungswinkel zwischen der Frontalebene einer stehenden Person einerseits und ihrer Beckeneingangsebene andererseits bestimmen kann, so dass man die aus der Literatur bekannten Standardwinkel für die Orientierung der Hüftgelenkspfannen entsprechend korrigieren kann, wenn diese Werte relativ zu der Beckeneingangsebene bestimmt werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man bei der aufrecht stehenden Person die Neigung der Beckeneingangsebene gegenüber der Senkrechten mit Hilfe eines Ultraschallkopfes bestimmt, der in einer Untersuchungsebene Ultraschallstrahlung aussendet und nach Reflexion am Beckenknochen der Person wieder empfängt, wobei man den Ultraschallkopf mit seiner Untersuchungsebene parallel zur Frontalebene der Person orientiert an den Beckenknochen der Person anlegt und ihn um eine horizontale, parallel zur Frontalebene verlaufende Schwenkachse neigt und ihn parallel zu sich selbst verschiebt, bis die linke oder die rechte Spina iliaca superior und die Symphysis pubis gleichzeitig in der Untersuchungsebene liegen, und dass man dann den Neigungswinkel zwischen der Untersuchungsebene und der Senkrechten misst und diesen Winkel als Neigungswinkel der Beckeneingangsebene gegenüber der Frontalebene bestimmt.
Die Untersuchung wird also am aufrecht stehenden Patienten durchgeführt, und die Untersuchungsebene des Ultraschallkopfes wird so orientiert, dass in dem Bild des Ultraschallsensors auf einem Beobachtungsmonitor gleichzeitig sowohl entweder die linke Spina iliaca superior oder die rechte Spina iliaca superior und zusätzlich die Symphysis pubis deutlich zu sehen sind. Dabei wird der Ultraschallsensor im Wesentlichen nur um eine Schwenkachse verschwenkt, die horizontal und parallel zur Frontalebene verläuft, außerdem wird der Ultraschallsensor parallel zu sich selbst verschoben, bis die genannte Abbildung auf dem Monitor sichtbar wird. Die Untersuchungsebene fällt dann im Wesentlichen mit der Beckeneingangsebene zusammen, so dass aus der Neigung der Untersuchungsebene gegenüber der Senkrechten unmittelbar der Neigungswinkel gegenüber der Frontalebene abgelesen werden kann.
Dazu ist kein herkömmliches Navigationssystem notwendig, das die Orientierung und Position des Ultraschallkopfes im Raum bestimmt, es genügt die Bestimmung der Neigung des Ultraschallkopfes und damit der Untersuchungsebene gegenüber der Senkrechten, und dies kann insbesondere mit Hilfe eines Neigungsmessers erreicht werden, der direkt am Ultraschallkopf angeordnet ist und dessen Neigung gegenüber der Senkrechten anzeigt oder ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt.
Damit kann der Operateur mit einer einfachen Ultraschallmessung die Neigung der Beckeneingangsebene gegenüber der Frontalebene bestimmen, die für jeden Patienten spezifisch ist und die zur Korrektur der Standardwerte aus der Literatur für die Orientierung der Hüftgelenkspfanne an Beckenknochen verwendet werden kann.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, wie sie in den Ansprüchen 3 und 4 beschrieben ist.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: einen aufrecht stehenden Patienten mit den drei die Beckeneingangsebene bestimmenden markanten Punkten am Beckenknochen;
2: eine Seitenansicht des Beckenknochens eines aufrecht stehenden Patienten mit einer Frontalebene und einer gegenüber dieser geneigten Beckeneingangsebene und
3: eine Draufsicht auf den Beckenknochen eines stehenden Patienten mit einem Ultraschallkopf.
Für die beschriebene Bestimmung des Neigungswinkels der Frontalebene und der Beckeneingangsebene des Patienten wird ein Patient 1 aufrecht stehend untersucht. Es ist üblich, bei einem aufrecht stehenden Patienten bestimmte Ebenen zu definieren, um ausgehend von diesen Ebenen Richtungen und Positionen der Körperteile angeben zu können. Eine Frontalebene ist eine Ebene, die senkrecht steht und parallel zur medial-lateralen Richtung des Patienten verläuft, eine senkrecht auf der Frontalebene stehende senkrechte Ebene wird als Sagittalebene bezeichnet und eine senkrecht auf der Frontalebene und der Sagittalebene stehende Ebene als Horizontalebene.
Der Beckenknochen 2 des Patienten 1 weist mehrere markante Punkte auf, die vom Operateur gegebenenfalls durch die Haut hindurch ertastet werden können, so dass die Lage dieser charakteristischen Punkte im Raum und relativ zu den genannten Ebenen bestimmt werden kann.
Es handelt sich dabei einmal um den linken oberen Dornfortsatz (linke Spina iliaca superior), im Folgenden als Punkt A bezeichnet, weiterhin um den rechten oberen Dornfortsatz (rechte Spina iliaca superior), im Folgenden als Punkt B bezeichnet, und um das Schambein (Symphysis pubis), im Folgenden als Punkt C bezeichnet.
Diese drei Punkte A, B und C spannen eine Ebene auf, die als Beckeneingangsebene 3 bezeichnet wird. Man kann die Beckeneingangsebene beispielsweise dadurch bestimmen, dass man mit einem navigierten Taster die Punkte A, B und C anfährt und deren Lage im Raum bestimmt. Dazu ist aber ein Navigationssystem notwendig, das einen hohen apparativen Aufwand verursacht und nicht in jedem Fall zur Verfügung steht.
Bei einem stehenden Patienten wird in erster Näherung angenommen, dass die Beckeneingangsebene 3 parallel verläuft zu einer Frontalebene 4. Tatsächlich ist dies aber in der Regel nur in erster Näherung der Fall, tatsächlich ist die Beckeneingangsebene 3 normalerweise um einen Winkel α gegenüber der Frontalebene 4 verschwenkt, die Schwenkachse verläuft dabei in lateral-medialer Richtung, ist also eine horizontale, in der Frontalebene 4 liegende Schwenkachse (2). Der Winkel α kann dabei positive oder negative Werte annehmen und liegt in der Regel zwischen ±25°.
Um diesen Winkel α zu bestimmen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ultraschallkopf 5 verwendet, der in einer als Untersuchungsebene bezeichneten Ebene Ultraschallstrahlung aussendet und in dieser Ebene reflektierte Ultraschallstrahlung wieder empfangen kann. In 3 ist die Untersuchungsebene durch zwei Strahlen 6 symbolisiert, in diesem Bereich wird also die Ultraschallstrahlung ausgesandt und nach Reflexion an knöchernen Strukturen reflektiert und vom Ultraschallkopf wieder aufgenommen.
Der Ultraschallkopf sendet entsprechende Signale über eine Steuerleitung 7 an einen Monitor 8, auf dem ein Bild der Untersuchungsebene dargestellt wird mit einer Darstellung der Lage der Reflexionsflächen, an denen Ultraschallstrahlung reflektiert wird. Damit kann man auf dem Monitor 8 Informationen über die knöcherne Struktur erhalten, die sich jeweils in der Untersuchungsebene befindet und von der Ultraschallstrahlung getroffen wird und diese reflektiert.
An dem Ultraschallkopf 5 ist ein Neigungssensor 11 festgelegt, der seine Neigung gegenüber der Senkrechten anzeigt und gegebenenfalls dieser Neigung entsprechende elektrische Signale liefert, die einer Datenverarbeitungseinrichtung 9 über eine Datenleitung 10 zugeführt werden. Bei diesem Neigungssensor kann es sich beispielsweise um einen Neigungs-Beschleunigungssensor handeln, wie er in der DE 10 2004 040 003 B3 beschrieben ist.
Zur Bestimmung des Winkels α wird bei aufrecht stehendem Patienten der Ultraschallkopf 5 so orientiert, dass die Untersuchungsebene im Wesentlichen parallel zu der Frontalebene verläuft, ausgehend von dieser Ausgangsposition wird der Ultraschallkopf um eine horizontale, in der Frontalebene liegende Schwenkachse verschwenkt und parallel zu sich selbst nach vorne oder hinten verschoben bis die Untersuchungsebene durch den Punkt C und einen der beiden Punkte A oder B hindurchgeht. Der Untersucher erkennt diese Situation auf dem Monitor dadurch, dass sowohl eine knöcherne Struktur in der Umgebung des Punktes C als auch eine Struktur in der Umgebung des knöchernen Punktes A oder B auf dem Monitor erkennbar ist, und er kann durch weitere Neigung und Parallelverschiebung die Abbildung so optimieren, dass beide Punkte optimal dargestellt werden, so dass er daran erkennt, dass die Untersuchungsebene des Ultraschallkopfes 5 durch die beiden Punkte hindurchgeht. Wenn bei dieser Verschwenkung und Verschiebung der Ultraschallkopf nicht um eine senkrechte Achse verdreht worden ist, sondern nur um Schwenkachsen, die senkrecht auf der Senkrechten stehen, ist sichergestellt, dass die Untersuchungsebene gegenüber der Frontalebene um eine Drehachse verschwenkt worden ist, die horizontal verläuft und die in der Frontalebene liegt, und damit ergibt sich aus der Neigung dieser Untersuchungsebene gegenüber der Frontalebene direkt der gesuchte Winkel α. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann somit aus den Neigungsdaten, die ihr von dem Neigungssensor 11 zugeführt werden, diesen Neigungswinkel α berechnen, der dann von dem Operateur zur Korrektur der relativ zur Frontalebene angegebenen Standardorientierungen verwendet werden kann.
Es ist wesentlich, dass für diese Untersuchung nur ein Ultraschallkopf benötigt wird, dem ein Neigungssensor zugeordnet ist, eine vollständige Navigation des Ultraschallkopfes ist dagegen nicht notwendig, man benötigt nur die Werte der Neigung des Ultraschallkopfes gegenüber der Senkrechten, um den gesuchten Neigungswinkel α aufzufinden. Geringfügige Abweichungen der Orientierung der Untersuchungsebene, beispielsweise durch eine geringfügige Verdrehung des Ultraschallkopfes um eine senkrechte Achse, beeinflussen das Ergebnis nur sehr geringfügig, so dass diese Abweichungen ohne Weiteres in Kauf genommen werden können, wesentlich sind die am Neigungssensor abgelesenen Neigungswerte, und dabei insbesondere die Neigung um die in medial-lateraler Richtung verlaufende Schwenkachse.
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 102004040003 B3 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Pichl et al: Konventionelle Hüftpfannennavigation mit dem Röntgenbilddwandler – eine Studie am Beckenmodell Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2008 [0004]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Winkels zwischen einer Frontalebene und einer durch die linke und die rechte Spina iliaca superior und die Symphysis pubis definierte Beckeneingangsebene einer Person, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der aufrecht stehenden Person die Neigung der Beckeneingangsebene gegenüber der Senkrechten mit Hilfe eines Ultraschallkopfes bestimmt, der in einer Untersuchungsebene Ultraschallstrahlung aussendet und nach Reflexion am Beckenknochen der Person wieder empfängt, wobei man den Ultraschallkopf mit seiner Untersuchungsebene parallel zur Frontalebene der Person orientiert an den Beckenknochen der Person anlegt und ihn um eine horizontale, parallel zur Frontalebene verlaufende Schwenkachse neigt und ihn parallel zu sich selbst verschiebt, bis die linke oder die rechte Spina iliaca superior und die Symphysis pubis gleichzeitig in der Untersuchungsebene liegen, und dass man dann den Neigungswinkel zwischen der Untersuchungsebene und der Senkrechten misst und diesen Winkel als Neigungswinkel der Beckeneingangsebene gegenüber der Frontalebene bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Orientierung der Untersuchungsebene durch einen Neigungsmesser am Ultraschallkopf bestimmt.
Vorrichtung zur Bestimmung des Winkels zwischen einer Frontalebene und einer durch die linke und die rechte Spina iliaca superior und die Symphysis pubis definierte Beckeneingangsebene einer Person mit einem Ultraschallkopf, der in einer Untersuchungsebene Ultraschallstrahlung aussendet und nach Reflexion am Beckenknochen der Person wieder empfängt, und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ultraschallkopf (5) eine Navigationseinrichtung (11) zugeordnet ist, durch die die Neigung des Ultraschallkopfes (5) gegenüber der Senkrechten bestimmbar ist, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (9) so programmiert ist, dass sie aus der Neigung der Untersuchungsebene, die bei aufrecht stehender Person gleichzeitig durch die linke oder die rechte Spina iliaca superior und die Symphysis pubis hindurchgeht, gegenüber der Frontalebene (4) den Neigungswinkel α der Beckeneingangsebene (3) gegenüber der Frontalebene (4) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Navigationseinrichtung am Ultraschallkopf (5) ein Neigungssensor (11) angeordnet ist.