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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur chirurgischen Bearbeitung einer anatomischen Struktur, umfassend ein Bearbeitungsgerät mit einem eine Längsachse aufweisenden Werkzeug.
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In der Chirurgie, speziell in der Unfallchirurgie, besteht oft das Problem, eine anatomische Struktur wie z.B. einen Knochen zu bearbeiten, um beispielsweise ein Implantat zu verschrauben, den Knochen geometrisch für eine Behandlung vorzubereiten, indem Material abgetragen wird, etc. Hierzu ist es erforderlich, unter Verwendung eines Bearbeitungsgeräts beispielsweise ein Loch in den Knochen zu bohren, eine Schraube daran zu verschrauben etc. Der Chirurg ist dabei gefordert, das Loch in einer vorgeplanten Ausrichtung und Tiefe einzubringen, oder die Schraube im dementsprechend ausgerichteten Winkel und in der geforderten Tiefe einzudrehen. Hierzu muss er das Gerät mit dem Werkzeug, beispielsweise eine Bohrmaschine mit einem Bohrer, freihändig führen, ihm steht höchstenfalls eine Werkzeugführung zur Verfügung, die das Werkzeug, also beispielsweise den Bohrer, etwas führt. Hinsichtlich der konkreten Ausrichtung respektive Arbeitstiefe kommt es jedoch allein auf die Erfahrung des Chirurgen an. Aus diesem Grund kommt es mitunter zu Fehlern, indem beispielsweise die Bohrrichtung nicht korrekt ist, oder zu tief gebohrt wird, weshalb mitunter gesunde Strukturen unnötig verletzt werden, oder die Schrauben nicht den nötigen Halt haben. Auch bei der Behandlung anderer anatomischer Strukturen wie z.B. Weichteilgewebe z.B. bei einer stereotaktischen Hirnoperation oder der Behandlung eines Tumor, z.B. eines Konchentumors sind ähnliche Probleme hinsichtlich der Werkzeugführung gegeben.
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In der Veröffentlichungsschrift
WO 2006/ 131 373 A2 ist eine Vorrichtung zum berührungslosen Ermitteln und Vermessen einer Raumposition und/oder einer Raumorientierung von Körpern offenbart, wobei das Trackingsystem oder ein Bauteil oder Bauteilgruppen davon mobil einsetzbar sind. Insbesondere ist eine Anordnung des mobilen Trackingsystems auf einem Bohrgerät mit einem Bohreinsatz beschrieben. Nach Absatz [163] orientiert sich das Trackingsystem anhand der temporär auf einigen geeigneten Zähnen angebrachten Strukturen, welche entsprechende Muster aufweisen.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die demgegenüber verbessert ist und dem Arzt entsprechende Arbeitsinformationen gibt.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass am Bearbeitungsgerät wenigstens eine Kamera vorgesehen ist, und dass wenigstens eine in eine feste Lagebeziehung zur anatomischen Struktur zu bringende und von der Kamera aufnehmbare optische Markierung vorgesehen ist, wobei anhand der die optische Markierung zeigenden Kamerabilder mittels einer Auswerteeinrichtung eine Positions- und/oder Richtungsinformation, die die Position oder Ausrichtung des Bearbeitungsgeräts relativ zu der optischen Markierung beschreibt, ermittelbar und ausgebbar ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt zum einen wenigstens eine Videokamera, bevorzugt jedoch mehrere, zum Einsatz, die an dem Bearbeitungsgerät, beispielsweise der Bohrmaschine oder dem Schraubwerkzeug etc., fest angeordnet ist bzw. sind. Diese Kamera ermöglicht es, Bilder aufzunehmen, die den Werkzeug- respektive Bearbeitungsbereich an der anatomischen Struktur, z.B. am Knochen oder dem Weichteilgewebe zeigen, das heißt, dass die Kamera in Richtung des Werkzeugs ausgerichtet ist. Die Kamera ist selbstverständlich lagefest und registriert, bevorzugt relativ zur Werkzeuglängsachse, um die Kamerabilder in einem bestimmten Koordinatensystem aufzunehmen.
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Die Vorrichtung umfasst ferner wenigstens eine, vorzugsweise mehrere, optische Markierungen. Diese eine oder die mehreren Markierungen werden in einer festen Lagebeziehung zum Bearbeitungsbereich z.B. an einem benachbarten Knochen oder der Schädelkalotte positioniert, das heißt, sie sind während der Behandlung positionsfest.
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Die Videokamera nimmt nun während der Bearbeitung kontinuierlich Videobilder auf. Eine zugeordnete Auswerteeinrichtung als Teil der Vorrichtung wertet die aufgenommenen, einzelnen Kamerabilder kontinuierlich aus und analysiert die darin gezeigte optische Markierung. Des Weiteren wird die Position der Markierung im Kamerabild bestimmt. Aus dieser bildseitigen Markierungsposition kann nun die Auswerteeinrichtung exakt ermitteln, wie demzufolge die Videokamera relativ zur positionsfesten Markierung im Zeitpunkt der Bildaufnahme steht, woraus wiederum eine exakte Positions- und/oder Richtungsinformation der Videokamera und damit zwangsläufig auch des Bearbeitungsgeräts respektive des Werkzeugs relativ zur optischen Markierung ermittelbar ist. Das heißt, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung quasi online eine exakte Positions- und/oder Richtungsinformation ermittelt werden kann, die dem Arzt die Relativposition des Bearbeitungsgeräts respektive des Werkzeugs zur optischen Markierung und damit zum eigentlichen Bearbeitungsbereich an der anatomischen Struktur angibt. Als eine solche Positionsinformation kann die Verschiebestrecke des Werkzeugs relativ zur optischen Markierung ermittelt werden, mithin also eine Weginformation, die beschreibt, wie der Abstand zwischen Videokamera respektive deren Bildaufnahmeebene und der optischen Markierung ist, und folglich, wie sich dieser verändert. Hieraus ergibt sich wiederum zwangsläufig die Bohrtiefe, beispielsweise indem bei Beginn der Behandlung eine Null-Ebene definiert wird, ausgehend von welcher sodann die kontinuierliche Abstandsänderung als Weginformation ermittelt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann als Richtungsinformation auch eine die Bewegungsrichtung des Werkzeugs relativ zur optischen Markierung angebende Richtungsinformation ermittelt werden. Diese Richtungsinformation gibt die Winkelstellung des länglichen Werkzeugs, also des Bohrers oder dergleichen, relativ zur optischen Markierung an. Dies ist ohne Weiteres möglich, als wie ausgeführt die eine oder die mehreren Videokameras bezüglich der Werkzeuglängsachse registriert sind, mithin also eine definierte zentrale Bildaufnahmerichtung gegeben ist, sodass sich entsprechende Winkelinformationen, also Rauminformationen bezüglich der Werkzeuglängsachsenausrichtung, relativ zu der im Videobild gezeigten optischen Markierung ermitteln lassen.
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Das heißt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung letztlich in der Lage ist, exakte Informationen über die Eindringtiefe, also beispielsweise die Bohrtiefe oder Einschraubtiefe etc., wie auch bezüglich der Einbringrichtung einer Bohrung oder Schraube und dergleichen respektive einer räumlichen Werkzeugstellung relativ zum Bearbeitungsbereich zu ermitteln.
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Bevorzugt sind wie ausgeführt mehrere Kameras und/oder mehrere optische Markierungen vorgesehen. Zweckmäßigerweise kommen wenigstens drei Kameras zum Einsatz, die an dem Bearbeitungsgerät bevorzugt symmetrisch um die Werkzeuglängsachse verteilt angeordnet sind. In entsprechender Weise kommen bevorzugt auch wenigstens drei optische Markierungen zum Einsatz, die in entsprechender lagefester Beziehung zum Bearbeitungsbereich, also z.B. dem Knochen oder dem Gehirn, positioniert werden.
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Dabei ist es möglich, dass die optische Markierung oder die mehreren Markierungen direkt am Patienten angeordnet werden, beispielsweise am zu bearbeitenden Knochen selbst. Denkbar ist es aber auch, sie an einem Drittgegenstand wie beispielsweise einem Implantat anzuordnen. Beispielsweise ist das Implantat zu verschrauben. Zum Setzen eines Bohrlochs kann beispielsweise das Implantat, an dem die eine oder die mehreren Markierungen angeordnet sind, zunächst lagefest am Knochen selbst beispielsweise mittels eines Kirschnerdrahts fixiert werden, wonach durch das implantatseitige Verschraubungsloch hindurch zunächst das benötigte Loch in den Knochen gebohrt wird. Dies kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung exakt erfolgen, da genauestens überwacht. Danach wird ebenfalls unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mittels eines anderen Bearbeitungsgeräts die Schraube gesetzt. Alternativ hierzu ist es natürlich auch denkbar, die eine oder die mehreren optischen Markierungen an anderen Arbeitshilfen wie beispielsweise einem sonstigen, in eine feste Lagebeziehung bringbaren Gerät anzuordnen.
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Erfindungsgemäß kommt eine in eine feste Lagebeziehung zur anatomischen Struktur, z.B. dem Knochen, zu bringende Werkzeugführung zum Einsatz, in der das Werkzeug während der Bearbeitung geführt ist, und an der die wenigstens eine optische Markierung angeordnet ist. Eine solche Werkzeugführung, die beispielsweise unmittelbar am Knochen selbst, wenn dieser die anatomische Struktur bildet, oder einem der anatomischen Struktur benachbarten Knochen wie z.B. der Schädelkalotte fixiert werden kann, oder an dem Implantat, das dann seinerseits am Knochen befestigt wird, dient dazu, das Werkzeug axial zu führen, wobei mitunter auch eine gewinkelte, also verkippte Führung möglich ist. In jedem Fall befindet sich die eine oder befinden sich die mehreren optischen Markierungen an der Werkzeugführung, die letztlich direkt mit dem Bearbeitungsgerät zusammenwirkt.
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Sofern die Werkzeugführung das Werkzeug axial führt, also letztlich als zylindrische Hülse ausgeführt ist, durch die das längliche Werkzeug geschoben wird, so kann als Positionsinformation eine die Einführtiefe des Werkzeugs in die Werkzeugführung angebende Information ermittelt und ausgegeben werden. Das heißt, dass die Einführinformation als Weginformation ermittelt wird, aus welcher der Arzt genau erkennen kann, wie tief er das Loch gebohrt hat und Ähnliches.
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Sofern die Werkzeugführung neben der axialen Führung auch ein Verkippen des Werkzeugs relativ zur Werkzeugführung ermöglicht, indem beispielsweise die Werkzeugführung als konischer Hohlzylinder ausgeführt ist, so kann als Richtungsinformation (gegebenenfalls zusätzlich) eine die Bewegungsrichtung des Werkzeugs relativ zur Werkzeugführung angebende Information ermittelt und ausgegeben werden. Das heißt, dass die Bewegungsrichtung letztlich eine Richtungsinformation ist, die angibt, in welcher Relativstellung die Werkzeuglängsachse zur Werkzeugführung steht. Der Chirurg erhält in diesem Fall also sowohl eine die Bohr- oder Schraubtiefe angebende Weginformation als auch eine die Bohr- oder Schraubrichtung angebende Information.
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Die Positions- oder Richtungsinformation, unabhängig davon, welchen Inhalts sie nun ist, kann in unterschiedlicher Weise an einer geeigneten Anzeigevorrichtung wie beispielsweise einem Monitor oder einem Display ausgegeben werden. Denkbar ist die Wiedergabe in Text- oder Zahlenform oder grafisch, beispielsweise um etwaige Richtungsinformationen anzugeben. Auch eine optische oder akustische Wiedergabe ist denkbar. Ziel ist es, die Erfassbarkeit der Positionsinformation so einfach wie möglich zu realisieren.
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Die Werkzeugführung selbst ist, je nach ihrer Führungsart, als zylindrische oder als sich konisch verjüngende Hülse ausgeführt, wobei an der zum Bearbeitungsgerät gewandten Seite die eine oder die mehreren optischen Markierungen vorgesehen sind.
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Um die Werkzeugführung in eine lagefeste Beziehung zum Bearbeitungsbereich zu bringen, ist zweckmäßigerweise ein Befestigungsabschnitt zur Fixierung am Knochen oder einem Drittgegenstand, insbesondere einem Implantat vorgesehen, über welchen Befestigungsabschnitt die Werkzeugführung fixiert wird. Dieser Befestigungsabschnitt ist folglich eine Schnittstelle zum Implantat oder einer geeigneten Halterung, beispielsweise ein Einführabschnitt, der in eine geeignete Einsteckaufnahme am Drittgegenstand wie dem Implantat oder dergleichen eingesetzt wird.
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Das Bearbeitungsgerät als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann unterschiedlicher Art sein. Denkbar ist die Ausführung als Bohrer, insbesondere als Bohrmaschine oder als Handbohrer, als Schaber, als Schleifer, als Ahle oder als Schraubendreher, wobei auch diese Gerätschaften entweder von Hand betätigt werden, oder elektrisch sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 eine Aufsicht auf die Werkzeugführung aus 1,
- 3 eine Aufsicht auf ein an einem Knochen zu verschraubendes Implantat, und
- 4 eine Seitenansicht des Implantats nebst Knochen aus 3 mit Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, umfassend ein Bearbeitungsgerät 2 hier in Form einer Bohrmaschine 3 mit einem Werkzeug 4 in Form eines länglichen Bohrers 5, mit dem als anatomische Struktur ein Knochen zu bearbeiten ist, hier also ein Loch in den Knochen zu bohren ist, um beispielsweise eine Schraube zu verschrauben.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Werkzeugführung 6, hier in Form einer sich konisch verjüngenden, zylindrischen Hülse 7, die einen Befestigungsabschnitt 8 aufweist, über den sie an einem Implantat, das nachfolgend noch beschrieben wird, und welches über Schraubverbindung am Knochen zu fixieren ist, befestigt werden kann. Am oberen Rand ist ein umlaufender Flansch 9 vorgesehen, an dessen Oberseite, siehe 2, vier optische Markierungen 10 in symmetrischer Verteilung angeordnet sind. Diese optischen Markierungen sind in der Arbeitsstellung zur Bohrmaschine 3 gerichtet.
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An der Bohrmaschine 3 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere, hier insgesamt vier, Videokameras 11 angeordnet, und zwar im Bereich der vorderen Maschinenseite. Die Kameras 11 sind bezüglich der Längsachse des Bohrers 4 ausgerichtet und registriert, sodass letztlich ein maschineninternes Koordinatensystem gegeben ist.
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In der Arbeitsstellung wird der Bohrer 5 in die Öffnung 12 der Werkzeugführung 6 eingeführt. Die Kameras 11 nehmen den Bereich zur Werkzeugführung 6 hin auf, das heißt, dass in jedem der kontinuierlich aufgenommenen, einzelnen Kamerabilder die Markierungen 10 zu sehen sind.
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Die aufgenommenen Kamerabilder werden an eine Auswerteeinrichtung 13 gegeben, der eine Anzeigevorrichtung 14, hier ein Monitor, zugeordnet ist. Die Anzeigeeinrichtung 13 ist nun in der Lage, durch Bildanalyse in den einzelnen Kamerabildern die optischen Markierungen 10 zu bestimmen, wie auch deren relative Bildposition. Ausgehend hiervon errechnet die Auswerteeinrichtung 13 sodann die Lage der optischen Markierungen, die lagefest in Bezug zum zu bearbeitenden Knochen während der Bearbeitung angeordnet sind, relativ zu den Videokameras 11 respektive deren Bildaufnahmeebene, mithin also zu einem festen Bezugspunkt der Bohrmaschine 3. Das heißt, dass letztlich aus diesen Informationen eine Positions- und/oder Richtungsinformation ermittelt werden kann, die die Relativposition oder Relativausrichtung der Bohrmaschine 3 zu den Markierungen 10 angibt.
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Wird nun zu Beginn der Bearbeitung der Bohrer 5 in die Öffnung 12 eingeführt und beispielsweise bis auf den Knochen abgesenkt, so kann z. B. durch Betätigen einer Taste z. B. an der Auswerteeinrichtung diese Position als Null-Position oder Ausgangsposition definiert werden. Diesbezüglich wird die Auswerteeinrichtung kalibriert.
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Mit Beginn und Durchführung des Bohrvorgangs, wenn also der Bohrer sich zur Werkzeugführung 6 hin absenkt, wird kontinuierlich die Positions- und/oder Richtungsinformation ermittelt, mithin also letztlich eine Abstandsinformation, die wiederum genau angibt, wie weit der Bohrer 5 schon in den Knochen eingedrungen ist, also wie tief das Bohrloch ist.
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Nachdem die Werkzeugführung konisch ist, kann folglich auch eine Verkippung der Längsachse des Bohrers 5 relativ zur Längsachse der Werkzeugführung 6 gegeben sein, das heißt, dass das Bohrloch unter einem Winkel eingebracht wird. Auch dieser Verkippungswinkel kann seitens der Auswerteeinrichtung 13 exakt bestimmt werden. Denn aufgrund der optischen Kalibrierung ist die Position der optischen Markierungen 10 in der Ausgangsstellung im Koordinatensystem der Bohrmaschine definiert. Jedwede Verkippung resultiert folglich zwangsläufig in einer Positionsänderung der optischen Markierungen 10 im jeweiligen Kamerabild, woraus wiederum exakt der Verkippungswinkel ermittelt werden kann.
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Die aufgenommenen Positions- und/oder Richtungsinformationen werden sodann online an der Anzeigeeinrichtung 14 ausgegeben, das heißt, dass der Chirurg kontinuierlich Information über die axiale Verschiebung, also die Bohrlochtiefe, wie auch über die etwaige Verkippung, also dem Bohrlochwinkel erhält.
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3 zeigt exemplarisch eine Aufsicht auf ein Implantat 15, das an einem Knochen 16 zu verschrauben ist. Am Implantat 15 sind im gezeigten Beispiel eine Vielzahl einzelner Löcher 17 vorgesehen, die der Aufnahme von Befestigungsschrauben dienen, wobei natürlich nicht alle Löcher 17 mit Schrauben zu belegen sind.
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Vorgesehen sind ferner mehrere Löcher 18, die der Aufnahme eines Kirschnerdrahts dienen, über den das Implantat vor dem Verschrauben am Knochen 16 fixiert wird. Das heißt, dass das Implantat in eine feste Lagebeziehung zum Knochen gebracht wird.
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Die einzelnen Löcher 17, insbesondere die im vorderen, links gezeigten Bereich, weisen eine Einsteckgeometrie 19 auf, die eine Einführschnittstelle für die Werkzeugführung 6 bzw. den dortigen Befestigungsabschnitt 8 bildet, der geometrisch entsprechend ausgebildet ist, sodass beim Einstecken ein formschlüssiger Eingriff gegeben ist. Dieser formschlüssige Eingriff stellt sicher, dass die Werkzeugführung 6 wiederum positionsfest am Implantat 15 angeordnet ist. Nachdem das Implantat 15 selbst über den Kirschnerdraht positionsfest am Knochen angeordnet ist, steht folglich die eingesteckte Werkzeugführung 6 ebenfalls in positionsfester Beziehung zum Knochen.
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4 zeigt schließlich die Möglichkeit, die Befestigungsschraube 20 unter verschiedenen Winkeln verschrauben zu können. Die Werkzeugführung 6, die hier gestrichelt angedeutet ist, verläuft konisch. Der Winkel des Konus definiert den maximalen Winkel, unter dem die Bohrung verkippt relativ zur Längsachse der Werkzeugführung 6 eingebracht werden kann. Im gezeigten Beispiel sind dies exemplarisch 15°. Hierzu ist es, wie in 4 dargestellt, lediglich erforderlich, den Bohrer 5, also die Bohrmaschine 3, entsprechend in die Werkzeugführung 6 zu verkippen und anschließend unter dem Verkippungswinkel einzubohren. Ersichtlich kann der Verkippungswinkel exakt erfasst werden, nachdem die Videokameras 11 die optischen Markierungen kontinuierlich aufnehmen und die Auswerteeinrichtung 13 folglich vor und während des Bohrens exakt den Ist-Verkippungswinkel ermittelt und anzeigt. Neben dem eigentlichen Verkippungswinkel wird aber auch die Raumrichtung des Bohrers 5 ermittelt, letztlich also ein Azimutwinkel, der angibt, wie der Bohrer und damit auch das einzubringende Loch räumlich verläuft.
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All diese Informationen werden an der Anzeigeeinrichtung 14 ausgegeben, beispielsweise in Textform oder, besonders intuitiv, in Form einer Grafik, die beispielsweise die entsprechend ermittelte Tiefeninformation wie auch Richtungsinformation in Form einer Bilddarstellung der Vorrichtung angibt respektive dort einzeichnet.
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Wenngleich in den zuvor beschriebenen Figuren die optischen Markierungen 10 an der Werkzeugführung 6 angeordnet sind, ist es nicht erforderlich, die Markierungen dort anzuordnen respektive überhaupt eine Werkzeugführung 6 zu verwenden. Es ist gleichermaßen denkbar, diese optischen Markierungen beispielsweise unmittelbar am Implantat 15 anzuordnen, wenn nämlich ohne Werkzeugführung 6 gearbeitet wird. Daneben ist es auch möglich, die optischen Markierungen unmittelbar am Knochen selbst anzuordnen, der ja in der Regel zugänglich ist. Alternativ können die optischen Markierungen auch anderswo patientenseitig angeordnet werden, solange in jedem Fall sichergestellt ist, dass sie eine feste Lagebeziehung zum Knochen, also dem Bearbeitungsbereich selbst, haben.
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Schließlich kann anstelle einer Bohrmaschine 3 jedwedes andere Bearbeitungsgerät verwendet werden, beispielsweise ein Fräser oder ein Schraubendreher, über den die Schrauben 20 eingeschraubt werden. Auch in diesem Fall ist es zweckmäßig zu wissen, wie tief die Schraube eingeschraubt wurde und ob der Verschraubungswinkel in Ordnung ist. Auch eine Ahle kann als Bearbeitungsgerät verwendet werden, oder jedwedes andere, in der Regel Material abnehmende Gerät. Auch kann die zu bearbeitende anatomische Struktut beliebig sein, z.B. auch ein Weichteilgewebe wie das Gehirn sein. Wesentlich ist lediglich die lagefeste Anordnung der Markierungen z.B. an einem Knochen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Bearbeitungsgerät
- 3
- Bohrmaschine
- 4
- Werkzeug
- 5
- Bohrer
- 6
- Werkzeugführung
- 7
- Hülse
- 8
- Befestigungsabschnitt
- 9
- Flansch
- 10
- optische Markierung
- 11
- Videokamera
- 12
- Öffnung
- 13
- Auswerteeinrichtung
- 14
- Anzeigevorrichtung
- 15
- Implantat
- 16
- Knochen
- 17
- Loch
- 18
- Loch
- 19
- Einsteckgeometrie
- 20
- Befestigungsschraube
