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Die vorliegende Erfindung betrifft die Positionierung eines medizinischen Instruments, insbesondere eines chirurgischen Instruments, relativ zu einem Objekt, insbesondere einem medizinischen Implantat oder dergleichen.
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Bei medizinischen Anwendungen ist es oftmals hilfreich, die genaue Lage eines medizinischen Instruments relativ zu einer definierten Referenzlage im Raum zu kennen. Die Lage des medizinischen Instruments wird dabei einerseits durch seine Position und andererseits durch seine Orientierung bestimmt. Besonders auf dem Gebiet der Chirurgie kann es von Vorteil sein, die genaue Position und Orientierung eines chirurgischen Instruments, beispielsweise einer Bohrmaschine oder einer Ahle, zu kennen.
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Beispielsweise wäre es in vielen Fällen für die Orientierung von Instrumenten hilfreich zu wissen, wie die Lage eines chirurgischen Instruments relativ zu einem chirurgischen Implantat ist. Derartige Implantate, die oftmals Plattenform aufweisen, besitzen vorgebohrte Löcher, durch die hindurch unter verschiedenen wohldefinierten Winkeln Schrauben eingeführt werden können. In diesem Zusammenhang ist es einerseits erforderlich, Bohrungen durchzuführen. Andererseits müssen im Anschluss daran die Schrauben eingesetzt werden.
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Die gewünschte bzw. die mögliche Winkeleinstellung der Schraube ist zumeist auf eine Längsachse und mindestens eine weitere, zumeist senkrecht auf der Längsachse stehende Achse des Implantats bezogen und bereits im dazugehörigen Implantatdatenblatt vermerkt. Vor einer Befestigung eines Implantats, beispielsweise an einem Knochen eines Patienten, wird die exakte Positionierung der Schrauben geplant. Die so ermittelten Planungsdaten, anhand derer später das Implantat verschraubt wird, umfassen insbesondere die geplanten Schraubenrichtungen im Koordinatensystem des Implantats. Ein Vorgehensplan z. B. bezüglich der Schraubenrichtungen kann auch ohne explizite Planung bekannt sein, beispielsweise aus einem Datenblatt des Implantats.
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Zur Umsetzung der Planungsergebnisse in reale Schraubenpositionen werden in der Praxis oft Hilfsmittel verwendet. So kann beispielsweise zum Erreichen einer geplanten Ziellage des medizinischen Instruments oder zum Erreichen einer geplanten Ziellage der Schraube oder eines anderen Befestigungselements eine Bohrhülse auf das entsprechende Bohrloch im Implantat aufgesetzt werden. Eine solche Bohrhülse, die auch als Bohrführung bezeichnet wird, weist zumeist konisch zulaufende Wände auf und gibt somit Grenzwerte für die Neigung des mit dem Bohrloch zusammenwirkenden Instruments, also beispielsweise eines Bohrers oder Schraubers, vor. Die tatsächliche Winkeleinstellung wird dann im Rahmen dieser Grenzwerte durch den ausführenden Chirurgen manuell vorgegeben. Dabei können Fehler in den Winkelstellungen von mehreren Grad auftreten, die zu Fehlplatzierungen von Schrauben führen können. Solche Fehlplatzierungen müssen dann im Rahmen einer Revisionsoperation korrigiert werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lösung bereitzustellen, mit deren Hilfe es möglich wird, ein medizinisches Instrument und/oder eine Schraube oder ein anderes Befestigungselement gezielt und gut kontrollierbar unter einem gewünschten Winkel in ein Bohrloch eines Implantats einzusetzen bzw. Abweichungen von einer geplanten Ziellage anzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch ein System nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 7 bzw. durch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße System und umgekehrt.
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Erfindungsgemäß umfasst das System ein medizinisches Instrument, insbesondere ein chirurgisches Instrument, mit mindestens einem Sensor, und ein Objekt, insbesondere ein medizinisches Implantat oder dergleichen, relativ zu welchem eine Positionierung des medizinischen Instruments erfolgen soll. Der mindestens eine Sensor des medizinischen Instruments ist ausgebildet zum Ermitteln einer Information zur Lage des Instruments relativ zu einer Referenzlage. Bei der Information zur Lage des Instruments handelt es sich um wenigstens eine Neigung und/oder einen Winkel. Die Referenzlage ist anhand wenigstens eines konstruktiven Merkmals des Objekts festlegbar, insbesondere anhand eines zum Zusammenwirken mit dem medizinischen Instrument bestimmten konstruktiven Elements des Objekts in Gestalt einer am Objekt befindlichen topologischen Besonderheit, insbesondere einer durch das Objekt hindurchführenden Aufnahmeöffnung für ein Befestigungselement, insbesondere für eine Schraube.
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Eine Kernidee der Erfindung ist es, Lagesensoren einzusetzen, die wenigstens eine Neigung und/oder einen Winkel bestimmen, welche Neigung bzw. welcher Winkel als Information zur Lage des medizinischen Instruments relativ zu einer Referenzlage dient. Bei der zu bestimmenden Lageinformation handelt es sich im Wesentlichen um die Winkelorientierung(en) des Instruments. Mit Hilfe dieser Lageinformation kann die aktuelle Lage des medizinischen Instruments ermittelt und dem Bediener des Instruments, beispielsweise dem ausführenden Chirurgen, bereitgestellt werden, beispielsweise in Form einer optischen Anzeige. Anhand dieser bereitgestellten Lageinformationen wird die Lage des medizinischen Instruments solange verändert, bis die ermittelte Lage des medizinischen Instruments mit einer zuvor geplanten Lage des medizinischen Instruments übereinstimmt.
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Eine zuvor durchgeführte Planung liefert individuell für jedes Bohrloch einen Rotationswinkel um jede freie Achse für eine dort einzubringende Schraube. Jeder Rotationswinkel ist relativ zu einer Referenzlage definiert. Die Referenzlage wird mit Hilfe eines an der Bohrhülse bzw. am Implantat angebrachten Lagesensors bestimmt, oder aber die Referenzlage ergibt sich unmittelbar aus der Geometrie des Implantats. Die Lage des Instruments wird mit Hilfe eines am Instrument angeordneten Lagesensors relativ zu der Referenzlage bestimmt. Damit kann das Instrument relativ zu der Referenzlage des Implantats ausgerichtet werden und die Planungsergebnisse können direkt in eine Instrumentenrichtung umgesetzt werden. Die Position des Instruments relativ zu dem Implantat wird dabei durch das Bohrloch vorgegeben, indem sich beispielsweise die Spitze des Instruments in dem Bohrloch oder unmittelbar an dem Bohrloch befindet.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist eine sehr einfache Umsetzung von Planungsergebnissen zur Schraubenplatzierung möglich. Die Lage des Instruments kann dem Benutzer während der Verwendung des Instruments in Echtzeit angezeigt werden. Die dazu notwendigen Komponenten sind in den Systemen integriert. Eine aufwendigen Kalibrierung oder dergleichen ist nicht erforderlich.
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Im Ergebnis führt dies dazu, dass Fehler in den Winkelstellungen der Schrauben verringert oder vollständig vermieden werden und damit chirurgische Eingriffe optimiert werden können. Dadurch können aufwendige Revisionsoperationen verhindert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft anwendbar im Zusammenhang mit chirurgischer Navigation, bei der die Abweichung einer aktuellen Ist-Position von einer vorgeplanten Sollposition visualisiert werden soll. Anwendung findet die Erfindung beispielsweise bei mobilen C-Bogen-Geräten. Mit der Erfindung lässt sich eine hochpräzise chirurgische 3D-Navigation verwirklichen, die mit einer intraoperative 3D-Bildgebung kombiniert werden kann.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 ein chirurgisches Implantat an einem Knochen,
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2 ein erstes Bohrloch mit chirurgischem Instrument,
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3 ein viertes Bohrloch mit Bohrhülse und chirurgischem Instrument,
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4 ein System mit einer Anzeigeeinrichtung,
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5 einen Bohrer mit einer Anzeigeeinrichtung,
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6 eine Anzeige der Lageinformation,
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7 eine weitere Anzeige der Lageinformation.
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Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Die Platzierung von Schrauben in einem Bohrloch 4 eines Implantats 2 bei der Befestigung des Implantats 2 an einem Knochen 5 oder einem anderen Gewebe erfolgt bei modernen chirurgischen Eingriffen mit Hilfe eines zuvor definierten Plans für die gewünschte optimale Schraubenlage. Eine dreidimensionale Lageplanung liefert dabei zwei Rotationswinkel (ϕ, δ) des Instruments 3 bzw. der Schraube, oft in Verlängerung der Instrumentenachse. Genauer gesagt wird hierdurch die Lage der Mittellängsachse des Instruments 3, hier eines Schraubers, angegeben.
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Gebräuchlich ist z. B. die Definition des Winkels ϕ entsprechend der graphischen Darstellung der Orientierung (Himmelsrichtung) im Koordinatensystem einer Windrose (Kompassrose). In diesem Fall wird eine Ebene definiert, die parallel zu der größten Flächenausdehnung des Implantats liegt. Die Windrose liegt in dieser Ebene. Die größte Längsachse des Implantats parallel zu dieser Ebene in distaler Richtung ist z. B. die Nulllinie für ϕ, zeigt also nach Norden (entsprechend einem Winkel ϕ = 0°). Ein Beispiel für die Angabe dieses Ausrichtungswinkels ϕ des Instruments bzw. der Schraube wäre Süd-Südost („SSO“) (entsprechend einem Winkel ϕ = 170°). Für die vollständige Lagebeschreibung im Rahmen des vorliegenden Problems ist noch eine zweite Winkelangabe nötig. Diese bezieht sich gemeinhin auf eine Senkrechte zu der oben genannten Ebene und wird durch einen Neigungswinkel δ beschrieben. Eine leichte Neigung des Instruments nach links bezogen auf das Implantat würde also z.B. durch „West“ (entsprechend einem Winkel ϕ = 270°) und δ = 10° eindeutig beschrieben. Diese Art der Lagebeschreibung ist dem Fachmann bekannt und braucht daher an dieser Stelle auch nicht weiter erläutert werden. Dem Fachmann ist ebenfalls bekannt, dass die Lage des Instruments 3 auch auf andere Art und Weise beschrieben werden kann, beispielsweise mit einem Rotationswinkel um die Längsachse und einem Rotationswinkel um die Querachse des Implantats.
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Bei der Lageplanung, wie sie auch mit Hilfe eines OP-Planungsmoduls durchgeführt werden kann, werden somit bestimmte Rotationswinkel (ϕ, δ) ermittelt, welche bei der praktischen Ausführung der Schraubenplatzierung erreicht und eingehalten werden sollen. Die Lage des Instruments 3 relativ zu dem Implantat 2 wird dann durch die beiden oben beschriebenen Rotationswinkel (ϕ, δ) definiert, mit deren Hilfe die Orientierung des Instruments 3 relativ zu dem Implantat 2 eingestellt werden kann, wenn die Spitze des Instruments 3 die Referenzlage 6 am Implantat 2, genauer gesagt an dem Bohrloch 4 bzw. in dem Bohrloch 4 trifft, wodurch die Position des Instruments 3 und damit zugleich der Dreh- bzw. Angelpunkt der Neigungseinstellung definiert wird. Ist die gewünschte Orientierung des Instruments 3 eingestellt, so wird diese beibehalten und der Bohrvorgang kann durchgeführt bzw. die Schraube eingeschraubt werden. Während der Operation kann somit die korrekte Lage des Instruments 3 in Echtzeit kontrolliert werden.
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Im einfachsten Fall wird das medizinische Instrument 3 freihändig oder aber mit Hilfe eines Hilfsmittels, beispielsweise einer konischen Bohrführung 11, siehe 3, senkrecht auf das Implantat 2 aufgesetzt, genauer gesagt in das betreffende Bohrloch 4 eingesetzt. Dabei wird bei der in 2 gezeigten Variante davon ausgegangen, dass die Referenzlage 6 zentriert in dem Bohrloch 4 und senkrecht zu der Oberfläche des Implantats 2 an dieser Stelle verläuft. Die Mittellängsachse des Instruments 3 befindet sich somit anfangs z.B. für eine Initialisierung genau auf der Referenzlage 6. Dabei kann es sich um ein gerade durch das Implantat 2 verlaufendes Bohrloch 4 handeln, wie in 2 abgebildet. Anschließend kann jede von der Referenzlage 6 abweichende Orientierung des Instruments 3 angezeigt und damit genau eingestellt werden.
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In den zuvor beschriebenen Fällen wird nur ein einziger, am Instrument 3 befestigter Sensor 8 eingesetzt. Dabei wird vorzugsweise zumindest ein Neigungssensor verwendet. Das Festlegen der Referenzlage 6 erfolgt durch eine mehr oder weniger präzise Positionierung des Instruments 3 in einer Startposition relativ zu dem Implantat 2. Die Startposition wird dabei dadurch definiert, dass das Instrument 3 mit seiner Spitze in einem Bohrloch 4 des Implantats 2 einliegt und z.B. senkrecht zum Implantat orientiert ist. Die zum Implantat senkrechte Referenzlage 6 kann auch derart ermittelt werden, dass das Instrument 3, wie in 3 gezeigt, am Rand einer Bohrhülse mechanisch angelegt wird, wobei die Neigung dieses Randes bereits bekannt ist und sich daraus die Null-Orientierung der Referenzlage 6 rückrechnen lässt. Mit anderen Worten wird die Referenzlage 6 in diesen Fällen anhand des Bohrlochs 4 festgelegt.
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Ist eine noch genauere Definition der Referenzlage 6 gewünscht oder kann es nicht ausgeschlossen werden, dass sich das Implantat 2 während des Schraubvorgangs bewegt, ist die Verwendung wenigstens eines weiteren Sensors 9 am Implantat 2 vorgesehen. Dieser weitere Sensor 9 befindet sich vorzugsweise an einer Bohrhülse 11, die mit dem Implantat 2 verbunden wird, wie in 3 dargestellt. Hierzu wird die Bohrhülse 11 mit einem Bohrloch 4 des Implantats 2 mechanisch verbunden, beispielsweise in das Bohrloch 4 eingeschnappt oder eingeklickt. Da die Bohrhülse 11, wie andere individuelle mechanische Instrumentenführungen bzw. Bohrführungen, ebenfalls auf eine oder mehrere Achsen des Implantats 2, also auf das Koordinatensystem des Implantats 2, ausgerichtet sind, wird der an der Bohrhülse 11 angebrachte Sensor 9, bei dem es sich vorzugsweise ebenfalls um einen Neigungssensor handelt, beim Verbinden der Bohrhülse 11 mit dem Implantat 2 initialisiert und dadurch die Referenzlage 6 festgelegt. Somit wird auch hier die Referenzlage 6 anhand von konstruktiven Merkmalen des Implantats 2 festgelegt. Die Referenzlage 6 verläuft in dem in 3 gezeigten Beispiel ebenfalls in der Mitte des Bohrlochs 4 und senkrecht zu der Oberfläche des Implantats 2.
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Mit dem Verbinden der Bohrhülse 11 mit dem Implantat 2 gilt der an der Bohrhülse 11 angebrachte Sensor 9 als am Implantat 2 angebracht. Anschließend wird das Instrument 3, welches ebenfalls über einen solchen Sensor 8 verfügt, in eine definierte Position zu der Bohrhülse 11 gebracht, z. B. an eine aus dem Bohrloch 4 herausragende, schräg zur Oberfläche des Implantats 2 verlaufende Randbegrenzung 12 der Bohrhülse 11 bewegt. Hierdurch erfolgt, entweder automatisch oder auf Knopfdruck, sobald die Initialisierungsposition eingenommen ist, eine Zuordnung der Lage des Instruments 3 zu der Referenzlage 6. Bei einer Bohrhülse 11 mit einer 30 Grad schrägen Randbegrenzung 12 steht dann beispielsweise fest, dass das Instrument „30 Grad SSO“ zu der Referenzlage 6 geneigt ist. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die gewünschte Ziellage 10 des Instruments 2 unter ca. 15° vorgegeben. Mit anderen Worten befindet sich das Instrument 2 mit seiner Mittellängsachse auf der Ziellinie 10, wenn es 15° gegenüber der Referenzlage 6 geneigt ist. Ein unerwünschtes Abweichen der Instrumentenorientierung von der Ziellage 10 bzw. allgemein eine Änderung der Instrumentenorientierung kann somit wieder auf einfache Weise angezeigt werden. Während des Einbringens der Schraube muss das Instrument 3 nun so positioniert werden, dass der am Instrument 3 befestigte Neigungssensor 8 den Relativwert zur Referenzlage 6 und damit zum Neigungswert der Bohrhülse 11 anzeigt. Diese Methode benötigt daher keine Absolutwerte der Neigung, sondern nur Relativwerte. Damit ist eine einfache Festlegung einer Nulllinie bzw. Kalibrierung der Instrumente 3 möglich. Auch stellt der Drift der Sensoren 8, 9 wegen der kürzeren Messperioden kein Problem mehr dar.
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Die Referenzlage 6 muss nicht zentriert in einem der Bohrlöcher 4 des Implantats 2 liegen und auch nicht zwingend senkrecht zu der Oberfläche des Implantats 2 an dieser Stelle verlaufen. Statt dessen kann die Referenzlage 6 auch eine beliebige andere Lage zum Implantat 2 aufweisen.
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Wird kein Hilfsmittel wie beispielsweise eine Bohrhülse 11 oder dergleichen verwendet, so kann der zusätzliche, zur Festlegung der Referenzlage 6 dienende Lagesensor 9 auch direkt am Implantat 2 befestigt sein.
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Ist die Referenzlage 6 zu einem Bohrloch 4 einmal festgelegt, ergibt sich hieraus zugleich jede weitere Referenzlage 6 für andere Bohrlöcher 4 des Implantats 2, ohne dass eine erneute Initialisierung notwendig ist, da die genaue Geometrie des Implantats 2 bekannt ist.
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Vorzugsweise sind die Lagesensoren 9, 8 in die Bohrhülse 11 und/oder das medizinische Instrument 3 integriert. Eine Integration des Sensors 8 in das Instrument 3 ist vor allem bei größeren, wieder verwendbaren Instrumenten 3 sinnvoll. Anstelle einer Integration in das Instrument 3 kann der Lagesensor 8 auch lösbar mit dem Instrument 3 verbunden werden, beispielsweise unter Ausbildung einer Schnapp- oder Rastverbindung. Bei jeder Anwendung erfolgt dann eine Initialisierung des Sensors 8. Eine lösbare Verbindung des Sensors 8 mit dem Instrument 3 ist dann sinnvoll, wenn es sich bei den Instrumenten 3 um Einmal-Erzeugnisse handelt.
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Bei den verwendeten Lagesensoren 8, 9 am Instrument 3 bzw. am Implantat 2 handelt es sich vorzugsweise um Neigungssensoren, welche die Messdaten an einen Empfänger 13 zur weiteren Verarbeitung übertragen. Als Neigungssensoren 8, 9 finden in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Gyroskope, insbesondere Lasergyroskope, und/oder Beschleunigungssensoren Anwendung. Die am Instrument 3 angeordneten Sensoren 8 sind vorzugsweise im Bereich der auf das Implantat 2 zu gerichteten Instrumentenspitze angeordnet, also beispielsweise im Bereich des Bohrkopfes.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt ein Gyroskop 14 zur Messung einer Neigung in Grad/Sekunde und zugleich mindestens ein Beschleunigungssensor 15 zur Anwendung, die zeitgleich Daten aufnehmen. Beschleunigungssensoren können Daten zur Erfassung von Translationen ermitteln oder auch zur Verbesserung der Winkelerfassung beitragen, wenn auch deren Abstände zu einem Drehpunkt bzw. gegenseitige Abstände mehrerer Sensoren bekannt sind. Durch diese parallele Messung kann ein Modell mit sechs Freiheitsgraden erstellt werden, das zur Kalibrierung und Ausrichtung des Instruments 3 dienen kann. Zusätzlich zur Bereitstellung der für eine korrekte Ausrichtung des Instruments 3 benötigten Winkelangaben kann dann auch eine die aktuelle Bohrtiefe betreffende Information ermittelt werden.
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Die Kombination von Gyroskop 14 und Beschleunigungssensor 15 gewährleisten eine besonders sichere und zuverlässige Messung, da sich durch die Mehrfachmessung der Fehler verkleinert.
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Mit Hilfe einer geeigneten Auswertung der von beiden Sensoren 14, 15 bereitgestellten Messwerte im Empfänger 13 ist somit eine besonders zuverlässige Lageinformation des Instruments 3 ermittelbar. Dabei lässt sich durch Schwingungen induziertes Rauschen in den Messsignalen bei Anwendung geeigneter Signalfilter kompensieren, beispielsweise mit Hilfe eines Kalman-Filters. In einem Beispiel wird zunächst der Winkel aus denjenigen Daten ermittelt, die der Beschleunigungssensor 15 übertragt. Dann wird dieser Wert mit einem Winkelwert verglichen, der aus den von dem Gyroskop 14 übertragenen Daten errechnet wurde. Abschließend wird aus diesem Vergleich der für die Anzeige verwendete Winkelwert als Schätzwert ermittelt.
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Alternativ zu einem Neigungssensor kann auch eine elektronische Wasserwaage verwendet werden, insbesondere als am medizinischen Instrument 3 befestigter Sensor 8. Dabei misst man mit Hilfe eines oder mehrerer Messsensoren in der Vertikalen den Winkel zur Richtung der Erdanziehung und/oder in der Waagerechten den Winkel zur Horizontalen. In einem ersten Schritt wird dabei z. B. mit einem elektronischen Kompass der Winkel ϕ bestimmt. Im zweiten Schritt wird der Rotationswinkel δ des Instruments 3 relativ zu einer Senkrechten auf der Windrosenebene ermittelt, z. B. mittels zweier orthogonal zueinander am Instrument angebrachten Wasserwaagen-Sensoren. Wenn die Kippachsen mechanisch festgelegt sind, z. B. bei einem kleeblattförmigen Bohrloch, und es nur auf den Rotationswinkel δ ankommt, kann der Kompass-Sensor entfallen.
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Verschiedene elektrische und optische Messprinzipien, die für die Realisierung einer elektronischen Wasserwaage verwendet werden können, sind dem Fachmann bekannt, so beispielsweise das konduktiometrische oder das kapazitive Messprinzip.
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Die Anwendung einer elektronischen Wasserwaage ist im Vergleich zum vorher beschriebenen Einsatz von Neigungssensoren einfacher und preiswerter zu realisieren. Mit dieser Methode kann beispielsweise auf einfache Art und Weise eine senkrechte Bohrrichtung eingehalten werden. In diesem Fall kann beispielsweise ein Alarm ausgelöst werden, wenn von der senkrechten Bohrrichtung abgewichen wird.
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Der Empfänger 13 ist vorzugsweise Teil des erfindungsgemäßen Systems 1 aus Instrument 3 und Implantat 2 und dient als Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung, wie in 4 dargestellt. Hierzu umfasst der Empfänger 13 beispielsweise eine Recheneinheit und einen Mikrocontroller. Die Recheneinheit ist zur Verarbeitung der von den Lagesensoren 8, 9 ermittelten Werte ausgebildet und der Mikrocontroller ist ausgebildet zur entsprechenden Ansteuerung einer Anzeigeeinrichtung 16, die vorzugsweise ebenfalls Teil des erfindungsgemäßen Systems 1 ist. Die Anzeigeeinrichtung 16 ist vorzugsweise ausgebildet zur Anzeige der Lage einer Abbildung des medizinischen Instruments 3 relativ zur Lage einer Abbildung des Implantats 2.
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Im Fall einer gleichzeitigen Verwendung eines Gyroskops 14 und eines Beschleunigungssensors 15 ist die Recheneinheit im Empfänger 13 dazu ausgebildet, die empfangenen Messdaten nicht nur hinsichtlich zweier Freiheitsgrade der Rotation, sondern auch hinsichtlich dreier Freiheitsgrade der Translation auszuwerten, um die Bohrtiefe entlang einer beliebig schräg im Raum liegenden Steigung zu ermitteln.
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Die beispielsweise als Bildschirm bzw. Monitor ausgeführte Anzeigeeinrichtung 16 ist in einer Ausführungsform der Erfindung unmittelbar am Instrument 3 angeordnet. Dort ist sie entweder lösbar befestigt oder als integraler Bestandteil des Instruments 3 ausgeführt. In 5 dargestellt ist ein Bohrer, bei dem ein Gyroskop 14 und ein Beschleunigungssensor 15 seitlich an dem Gehäuse 17 eines Bohrers 3 angebracht sind, während eine kombinierte Empfänger- und Anzeigevorrichtung 13, 16 in Form eines mit einer Recheneinheit versehenen Bildschirms zur Anzeige der Lageinformation auf der Oberseite des Gehäuses 17 angeordnet ist. Diese Art der Anordnung der Anzeigevorrichtung 16 gewährleistet eine höchstmögliche Sichtbarkeit der Lageinformation für den Benutzer des Instruments 3.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Anzeigeeinrichtung 16 als separate, entfernt von dem Instrument 3 platzierte Einheit ausgeführt. In diesem Fall werden die von den Sensoren 8, 9 ermittelten Lageinformationen vorzugsweise kabellos an den Empfänger 13 übertragen, so dass keine zusätzliche Verkabelung erforderlich ist.
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Nach einer Definition der Nulllage des Instruments 3 durch das Festlegen einer Referenzlage 6, beispielsweise durch Knopfdruck oder dergleichen, werden erfindungsgemäß die Winkel (ϕ, δ) zur aktuellen Lage des Instruments 3 angezeigt bzw. es wird eine Abweichung der Instrumentenlage von dieser Nulllage, d.h. von der Referenzlage 6, angezeigt.
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Ein erstes Beispiel einer solchen Anzeige ist in 6 dargestellt. Dabei erfolgt vorzugsweise eine kontinuierliche dreidimensionale, d.h. räumliche Anzeige der Lage des Instruments 3 relativ zu der Lage der Ziellinie 10 zeitgleich mit einer Anzeige der Abweichung der aktuellen Neigungswerte des Instruments von der geplanten Ziellage durch größenveränderliche Doppelpfeile 18, 19. Die Länge der Pfeile 18, 19 entspricht dabei der Größe der aktuellen Abweichung der Rotationswinkel (ϕ, δ) von der Referenzlage 6. Entspricht die aktuelle Orientierung des Instruments 3 der geplanten Lage, ist die Länge der Pfeile 18, 19 gleich Null. Alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen Form der Anzeige kann während des Instrumenteneinsatzes eine kontinuierliche Anzeige der Abweichung von der Nulllage durch im dreidimensionalen Bild eingezeichnete, der Größe der Abweichung entsprechende Kreisbogensegmente oder durch Plus- und Minuszeichen oder aber eine kontinuierliche Anzeige der Winkelwerte in einem ausgewählten Anzeigeformat erfolgen (nicht dargestellt).
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Ein weiteres Beispiel einer Anzeigeeinrichtung 16 ist in 7 dargestellt. Diese Art der Anzeige verwendet konzentrische Kreise für eine besonders schnelle Auffassung einer Abweichung von der Nulllage, wobei der Radius der konzentrischen Kreise mit dem Winkel δ zunimmt. Die erste Abbildung linker Hand stellt die Anzeige einer vorkalibrierten Nullposition dar. Die aktuelle Lage des Instruments 3 ist durch einen kleinen Punkt 21 gekennzeichnet, der sich in der Mitte der Kreisanzeige befindet. Aufgrund der beiden in der Planung ermittelten Soll-Rotationswinkel (ϕ, δ) wird von der Recheneinheit 13 die Zielposition ermittelt und beispielhaft als Zielkreuz 22 ebenfalls in der Kreisanzeige dargestellt. Der kleine Kreis um das Zielkreuz 22 kann z. B. einen Toleranzbereich für akzeptable Genauigkeit darstellen. Die zweite, mittlere Abbildung stellt die Anzeige einer Position dar, in welcher das Instrument 3 entsprechend der Referenzlage 6 ausgerichtet ist. Der kleine Punkt 21 befindet sich auf dem Zielkreuz 22, jedoch außerhalb des Zentrums 23 der Kreisanzeige. Jetzt kann eine Rekalibrierung durchgeführt werden, so dass die momentane Lage zur neuen Referenz wird. Die dritte Abbildung rechter Hand stellt die Anzeige einer Endposition nach der Rekalibrierung dar. Hier wird die Position des korrekt ausgerichteten Instruments 3 in der Mitte der Kreisanzeige dargestellt. Mit anderen Worten befindet sich der auf dem Zielkreuz 22 angeordnete kleine Punkt 21 im Zentrum 23 der Kreisanzeige. Während der nun folgenden Benutzung des Instruments 3 wird jede Abweichung von der jetzt in der Mitte der Kreisanzeige liegenden Soll-Position dadurch angezeigt, dass sich der kleine Punkt 21 aus dem Zentrum 23 der Anzeige entfernt.
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Eine Anzeige der aktuellen Orientierung kann nicht nur bei der Ausführung einer vorherigen Planung, sondern auch bei Freihand-Bohrungen hilfreich sein.
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Anstelle einer analogen optischen Anzeige kann auch eine (alpha-)numerische optische Lageangabe oder einer akustische Anzeige erfolgen. Die akustische Anzeige kann z. B. aus Tonfolgen bestehen, deren Pulsfrequenz sich um so mehr erhöht, je weiter man sich von der Solllage entfernt. Auch eine Modulation der Tonfrequenz (Tonhöhe) kann eingesetzt werden.
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Die ermittelte Lageinformation kann in einem nicht weiter beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung auch ohne eine optische Anzeige zu einer vorzugsweise automatischen Lagekorrektur des medizinischen Instruments 3 verwendet werden, mit deren Hilfe die Lage des Instruments 3 verändert wird, bis sie mit der geplanten Soll-Lage des Instruments 3 übereinstimmt.
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Das erfindungsgemäße System 1 ist ausgebildet zur Durchführung des beschriebenen Verfahren. Das System 1 umfasst hierzu eine Datenverarbeitungseinheit, insbesondere die in dem Empfänger 13 angeordnete Recheneinheit, ausgebildet zur Durchführung aller Schritte entsprechend des hier beschriebenen Verfahrens, die in einem Zusammenhang mit der Verarbeitung von Daten stehen. Die Datenverarbeitungseinheit weist vorzugsweise eine Anzahl von Funktionsmodulen auf, wobei jedes Funktionsmodul ausgebildet ist zur Durchführung einer bestimmten Funktion oder einer Anzahl bestimmter Funktionen gemäß dem beschriebenen Verfahren. Bei den Funktionsmodulen kann es sich um Hardwaremodule oder Softwaremodule handeln. Mit anderen Worten kann die Erfindung, soweit es die Datenverarbeitungseinheit betrifft, entweder in Form von Computerhardware oder in Form von Computersoftware oder in einer Kombination aus Hardware und Software verwirklicht werden. Soweit die Erfindung in Form von Software, also als Computerprogrammprodukt, verwirklicht ist, werden sämtliche beschriebenen Funktionen durch Computerprogrammanweisungen realisiert, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner mit einem Prozessor ausgeführt wird. Die Computerprogrammanweisungen sind dabei auf an sich bekannte Art und Weise in einer beliebigen Programmiersprache verwirklicht und können dem Rechner in beliebiger Form bereitgestellt werden, beispielsweise in Form von Datenpaketen, die über ein Rechnernetz übertragen werden, oder in Form eines auf einer Diskette, einer CD-ROM oder einem anderen Datenträger gespeicherten Computerprogrammprodukts.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht auf 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
- System
- 2
- Implantat
- 3
- medizinisches Instrument
- 4
- Bohrloch
- 5
- Knochen
- 6
- Referenzlinie
- 7
- Rand des Bohrlochs
- 8
- Sensor am Instrument
- 9
- Sensor am Implantat
- 10
- Ziellage, Ziellinie
- 11
- Bohrhülse
- 12
- Rand der Bohrhülse
- 13
- Empfänger
- 14
- Gyroskop
- 15
- Beschleunigungssensor
- 16
- Anzeigeeinrichtung
- 17
- Gehäuse
- 18
- Doppelpfeil
- 19
- Doppelpfeil
- 20
- (frei)
- 21
- Punkt
- 22
- Zielkreuz
- 23
- Zentrum der Anzeige
