DE102010061777A1

DE102010061777A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Parameters eines Fixierelementes für ein an einem Knochen zu fixierendes Implantat

Info

Publication number: DE102010061777A1
Application number: DE102010061777A
Authority: DE
Inventors: Rainer Graumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: US20120130686A1; DE102010061777B4; US8886496B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Parameters eines Fixierelementes (12) für ein an einem Knochen (4) zu fixierendes Implantat (6), mit folgenden Schritten: a) Die tatsächliche Gestalt des Knochens (4) und die Relativlage des daran positionierten Implantats (6) werden ermittelt, b) ein die tatsächliche Gestalt des Knochens (4) und die Relativlage des Implantats (6) abbildendes virtuelles 3D-Modell (10) wird erzeugt, c) anhand des virtuellen 3D-Modells (10) wird der Parameter des Fixierelements (6) automatisch ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Parameters eines Fixierelementes für ein an einem Knochen zu fixierendes Implantat.
In der Traumatologie werden Implantate wie beispielsweise Nägel und Platten zur Fixierung von einem eine Fraktur aufweisenden Knochen verwendet. Diese Implantate werden mit Hilfe von Fixierelementen wie beispielsweise Schrauben am Knochen befestigt. Zur optimalen Befestigung müssen diese in einer möglichst günstigen Lage, also in einer richtigen Position und in einem richtigen Winkel in den Körper eines Patienten eingebracht werden. Neben diesen Parametern spielt auch die richtige Länge des Fixierelements für dessen korrekten Halt eine wichtige Rolle.
Bisher werden diese Parameter der Fixierelemente entsprechend dem klinischen und anatomischen Vorwissen des Chirurgen gewählt. Dieser entscheidet beispielsweise anhand von Röntgenaufnahmen, wo und wie ein geeignetes Fixierelement in den Körper des Patienten eingebracht werden muss, was dann unter Röntgenbildkontrolle geschieht. Daher können sowohl bei der manuellen Auswahl der Parameter als auch beim Einbringen des Fixierelements Fehler auftreten. Wird die Länge des Fixierelements zu kurz gewählt, so kann kein ausreichender Halt für das Implantat sichergestellt werden. Wird die Länge hingegen zu lang gewählt, so kann es passieren, dass das Fixierelement aus dem Knochen heraus steht und in den Knochen umliegendes Gewebe oder in einen Gelenkspalt hineinragt, so dass hierdurch erhebliche Verletzungen entstehen können. Außerdem ist es möglich, dass die Fixierelemente in einer falschen Lage, z. B. in einem ungünstigen Winkel in den Knochen eingesetzt werden, wodurch keine optimale Stabilität des Implantats an dem Knochen gewährleistet wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Parameters eines Fixierelementes für ein an einem Knochen zu fixierendes Implantat gemäß Patentanspruch 1.
Demnach werden in einem Schritt a) die tatsächliche Gestalt des Knochens und die Relativlage des daran positionierten Implantats ermittelt. Dies kann vorzugsweise dadurch geschehen, dass mittels eines Durchleuchtungsverfahrens die Gestalt, also die Form des Knochens und die Knochenqualität, wie etwa die Knochendichte, und die Relativlage des daran positionierten Implantats ermittelt werden. Die Knochendichte stellt dabei einen wesentlichen Faktor dar. Ein Knochen besteht aus der innen liegenden Spongiosa mit geringer Knochendichte und der außen liegenden Kortikalis mit hoher Knochendichte. Das Fixierelement sollte daher, wenn möglich, in dem Bereich der Kortikalis liegen, um eine hohe Festigkeit zu erreichen.
Um möglichst viele derartige Informationen insbesondere der räumlichen Geometrie bezüglich des Knochens und des daran positionierten Implantats zu erhalten, werden z. B. zwei möglichst orthogonale oder auch mehrere Bilder angefertigt, wobei die Perspektive, aus der die einzelnen Bilder angefertigt werden bekannt ist, so dass ein räumliches Zusammenfügen der jeweils gewonnenen Informationen möglich ist.
Im nächsten Schritt b) wird ein die tatsächliche Gestalt des Knochens und die Relativlage des Implantats abbildendes virtuelles 3D-Modell erzeugt. Darunter ist auch zu verstehen, dass hierbei nicht unbedingt ein Modell des vollständigen Knochens erzeugt werden muss. Es reicht vielmehr aus, dass das Modell ein oder mehrere betreffende Knochenfragmente und beispielsweise auch ein benachbartes Gelenk umfasst. Dieses Modell enthält dann die aus den im Schritt a) ermittelten Informationen wie beispielsweise die Geometrie und die Knochendichte sowie die Lageinformationen von dem Implantat in Bezug auf den Knochen.
In einem Schritt c) wird dann anhand des virtuellen 3D-Modells der Parameter des Fixierelements automatisch ermittelt.
Auf Grundlage der in dem 3D-Modell enthaltenen Informationen bezüglich der Gestalt des Knochens und der entsprechenden Relativlage des Implantats kann beispielsweise zunächst ermittelt werden, welche Anzahl von Fixierelementen überhaupt verwendet werden kann. Dabei spielt auch die Beschaffenheit des Implantats eine Rolle oder inwiefern an diesem Bereiche, vorgesehen sind, an denen das Implantat fixiert werden kann. Desweiteren ist auch die Knochenqualität, also beispielsweise dessen materielle Beschaffenheit sowie dessen Stabilität ausschlaggebend, insbesondere müssen die Fixierelemente in ausreichend großen Knochenfragmenten eingebracht werden. Danach werden die geometrischen Daten der einzelnen Fixierelemente wie etwa deren Länge, Position und der Winkel, unter welchem die Fixierelemente in den Knochen eingebracht werden, derart bestimmt, dass das Implantat über einen optimalen Halt am Knochen verfügt und diesen bzw. die einzelnen Fragmente ausreichend stabilisiert. Ist beispielsweise eine bestimmte Lage der Fixierelemente erforderlich oder festgelegt worden, so kann dann dessen maximale bzw. optimale Länge bestimmt werden. In der Regel müssen wenigstens zwei Parameter optimal ermittelt werden, nämlich die Länge und Orientierung Fixierelemente. Die Position ist meist schon durch die Lage des Implantats, wie beispielsweise eine Platte und durch die Lage der an diesem vorhandenen Bereiche an denen das Fixierelement befestigt werden kann, wie etwa in der Platte vorhandene Löcher, vorgegeben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein intelligentes Verfahren zur Bestimmung von optimalen Parametern wie beispielsweise der Anzahl oder der Länge von Fixierelementen bereitgestellt, das dem medizinischen Personal die entsprechenden Informationen in Echtzeit liefert. Auf Grund dieser Informationen kann das Implantat in einer optimalen Art und Weise fixiert werden, so dass Eingriffskorrekturen auf Grund von sich als fehlerhaft herausstellenden Parametern vermieden werden. Außerdem wird durch die Berechnung der Parameter eine permanente Röntgenkontrolle, wie sie bisher notwendig ist entbehrlich, so dass die Strahlenbelastung des Patienten minimiert wird.
Der Parameter kann also dabei z. B. die Länge, Position, Orientierung oder Lage des Fixierelements oder auch dessen Anzahl sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das 3D-Modell in Schritt b) erzeugt, indem ein virtuelles Knochenmodell, das beispielsweise auf Grund von statistischen Erfahrungswerten in einer Datenbank vorhanden ist, an den tatsächlich vorhandenen Knochen bzw. das Knochenfragment angepasst wird. Es wird also ein lediglich nahezu den tatsächlichen Verhältnissen entsprechendes vorhandenes Modell an die tatsächliche Situation adaptiert. Basis für eine derartige Anpassung können dabei die mittels des Durchleuchtungsverfahrens gewonnenen, also beispielsweise die einem Röntgenbild entnehmbaren, Informationen sein.
An das nunmehr angepasste virtuelle Knochenmodell, wird dann ein virtuelles Implantatmodell gemäß der in Schritt a) ermittelten Relativposition angepasst. Dieses Implantatmodell kann beispielsweise auf einfache Art und Weise aus einer Datenbank ausgewählt werden, da bereits bekannt ist, welches Implantat verwendet wird. Das Ergebnis ist dann ein 3D-Modell von Knochen und Implantat, das deren tatsächlichen Verhältnisse abbildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird nach der Berechnung des Parameters ein z. B. ebenfalls in einer Datenbank vorhandenes Modell des Fixierelements in ein den Knochen und das Implantat enthaltendes Bild virtuell eingeblendet. Dieses Bild enthält dann beispielsweise die optimale Lage von einer zuvor berechneten Anzahl von Fixierelementen, die bereits in ihrer Zielposition in das Bild eingeblendet worden sind. Das medizinische Personal erhält somit eine Information, wie die korrekte Soll-Lage des Fixierelements im Patienten auszusehen hat und kann dieses Bild als eine Vorlage für einen Eingriff verwenden.
Alternativ kann der Parameter zur Führung des Fixierelements entsprechend der virtuellen Darstellung wie beispielsweise mittels des Surgix-Verfahrens verwendet werden. Außerdem kann der Parameter wie beispielsweise die Lage des Fixierelements an ein zu navigierendes Werkzeug übermittelt werden, so dass das medizinische Personal beim Einbringen des Fixierelements in den Knochen unterstützt wird. Es wird somit der gesamte Prozess des Einbringens durch das erfindungsgemäße Verfahren geführt, so dass Fehler, die bei ausschließlicher Verwendung einer lediglich die Zielposition angebende Vorlage auftreten, vermieden werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 ein die tatsächliche Gestalt eines Knochens und die Relativlage eines daran positionierten Implantats wiedergebendes Röntgenbild in einer ersten Aufnahmerichtung,
2 ein die tatsächliche Gestalt eines Knochens und die Relativlage eines daran positionierten Implantats wiedergebendes Röntgenbild in einer zweiten Aufnahmerichtung,
3 ein 3D-Modell des in den 1,2 dargestellten Knochens sowie Implantats,
4 das 3D-Modell aus 3 mit Fixierelementen,
5 das Röntgenbild aus 2 mit virtuell eingeblendeten Fixierelementen.
1 zeigt ein aus einer ersten Aufnahmerichtung angefertigtes Röntgenbild 2, auf dem ein Knochen 4, der auf Grund einer Fraktur aus zwei Fragmenten 4a, 4b besteht, abgebildet ist. Auf diesem bereits reponierten Knochen 4 wurde zu dessen Fixierung ein Implantat 6 positioniert, welches nun seinerseits an dem Knochen 4 fixiert werden muss. Um eine Fixierung zu ermöglichen, weist das Implantat 6 eine Mehrzahl von Löchern 8 auf.
In 2 ist nun ein weiteres Röntgenbild 2a dargestellt, das aus einer zweiten Aufnahmerichtung angefertigt wurde und den gleichen Knochen 4 sowie das Implantat 6 in einer weiteren Ansicht zeigt. Die beiden Röntgenbilder 2 und 2a wurden aus jeweils orthogonalen Aufnahmerichtungen aufgenommen, um somit eine möglichst gute Datengrundlage hinsichtlich der Bildinformationen bezüglich der tatsächlichen räumlichen Verhältnisse zu schaffen. Um diese Grundlage weiter zu verbessern, ist es aber auch möglich eine größere Anzahl von Röntgenbildern anzufertigen. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der Bildinformationen die tatsächliche Gestalt des Knochens 4, also die Form und die materielle Beschaffenheit wie etwa die Dichte sowie die Relativlage des daran positionierten Implantats 6 beispielsweise mittels Segmentierung ermittelt.
Aus diesen gewonnenen Daten wird nun in einem nächsten Schritt ein die tatsächliche Gestalt des Knochens 4 und die Relativlage des Implantats 6 abbildendes virtuelles 3D-Modell 10 erstellt, wie es in 3 abgebildet ist. Grundlage hierzu bildet zunächst ein in einer Datenbank enthaltenes virtuelles statistisches Knochenmodell, das als Vorlage dient und dann mit Hilfe der oben gewonnenen Daten hinsichtlich der tatsächlichen Gestalt des Knochens 4 an die tatsächliche Situation angepasst wird. Das Knochenmodell wird beispielsweise an den tatsächlichen Knochendurchmesser und an die Knochenlänge adaptiert. An dieses Modell des Knochens 4 wird dann ein virtuelles Implantatmodell, welches ebenfalls in einer Datenbank vorhanden ist, gemäß der oben ermittelten Relativposition angepasst. Ergebnis ist dann ein exaktes 3D-Modell 10 mit Knochen 4 und Implantat 6, das somit nahezu ein Abbild der tatsächlichen Verhältnisse darstellt.
Anhand dieses virtuellen 3D-Modells 10 wird nun der Parameter eines gewünschten Fixierelements wie beispielsweise von Schrauben automatisch ermittelt. In dem gezeigten Beispiel ist in 4 das 3D-Modell 10 mit mehreren in ihrer Zielposition befindlichen Fixierelementen 12 dargestellt, wobei durch das erfindungsgemäße Verfahren als Parameter die Anzahl der benötigten Fixierelemente 12 automatisch auf vier berechnet wurde. Desweiteren wurde entsprechend der Implantat- und Knochengeometrie als Parameter die optimale Lage, also dessen Position und Richtung eines jeden einzelnen Fixierelements 12 ermittelt, so dass das Implantat 6 einen größtmöglichen Halt an dem Knochen aufweist, die Fixierelemente 12 also eine möglichst große Länge aufweisen, aber nicht aus dem Knochen 4 herausragen.
Um einem Chirurgen die Zielposition der einzelnen Fixierelemente 12 in dem realen Röntgenbild 2a anzuzeigen, können entsprechende Modelle der Fixierelemente 12 in das Röntgenbild 2a eingeblendet werden, wie es in 5 dargestellt ist.
Alternativ kann die automatisch ermittelte Lage auch zur Führung des Fixierelements 12 während eines chirurgischen Eingriffs verwendet werden. Dazu werden die Lageinformationen an ein zu navigierendes Werkzeug übermittelt, so dass das medizinische Personal beim Einbringen des Fixierelements 12 in den Knochen 4 unterstützt und somit die korrekte Zielposition erreicht wird.
Bezugszeichenliste

2: Röntgenbild
2a: Röntgenbild
4: Knochen
6: Implantat
8: Loch
10: 3D-Modell
12: Fixierelement

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Parameters eines Fixierelementes (12) für ein an einem Knochen (4) zu fixierendes Implantat (6), mit folgenden Schritten: a) Die tatsächliche Gestalt des Knochens (4) und die Relativlage des daran positionierten Implantats (6) werden ermittelt, b) ein die tatsächliche Gestalt des Knochens (4) und die Relativlage des Implantats (6) abbildendes virtuelles 3D-Modell (10) wird erzeugt, c) anhand des virtuellen 3D-Modells (10) wird der Parameter des Fixierelements (6) automatisch ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Parameter eine Anzahl, Länge, Position, Orientierung oder Lage des Fixierelements (6) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt a) die Gestalt und die Relativlage anhand eines Durchleuchtungsverfahrens ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt b) das 3D-Modell (10) erzeugt wird, indem ein virtuelles Knochenmodell an den tatsächlich vorhandenen Knochen (4) angepasst und danach an das angepasste virtuelle Knochenmodell ein virtuelles Implantatmodell gemäß der ermittelten Relativposition angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein den Parameter aufweisendes Modell des Fixierelements (12) in ein den Knochen (4) und das Implantat (6) enthaltendes Bild (2a) eingeblendet wird.