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Die Erfindung betrifft ein C-Bogen-System zur Freihandverriegelung eines intramedullären Nagels, aufweisend mindestens ein zylindrisches Loch mit einer Lochachse, in das ein Verriegelungselement entlang der Lochachse eingesetzt werden soll.
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Die Verwendung intramedullärer Nägel, wie beispielsweise Femur-Nägel oder Tibia-Nägel, zur Schienung von Brüchen sind allgemein bekannt. Beim Einsetzen solcher Nägel werden diese proximal im Knochen, meist unter Anwendung von mechanischen Lehren, mit Hilfe von Schrauben verriegelt. Ein Beispiel einer solchen Vorgehensweise wird in dem Video http://www.youtube.com/watch?v=ec6I1SaJkHA anschaulich dargestellt. In diesem Video wird auch beschrieben, dass nach der proximalen Verriegelung mit Hilfe von mechanischen Lehren distal eine Freihandverriegelung unter C-Bogen-Kontrolle vorgenommen werden soll. Wie aus der Bezeichnung „Freihand“ hervorgeht, muss der Chirurg hierbei freihändig, also ohne die Anwendung einer mechanischen Schablone, und lediglich unter röntgenoptischer Unterstützung durch das C-Bogen-System den richtigen Ort und Lage der einzusetzenden Schrauben finden. Dabei muss der Chirurg, obwohl der Nagel für ihn nicht sichtbar ist, über die Röntgenkontrolle die Position und Lage eines zylindrischen Loches im Nagel und darüber hinaus den Schrauben-Eintrittspunkt und die Richtung auf der Knochenoberfläche schätzen. Eine solche Schätzung ist sehr schwierig und somit ist auch die korrekte Schraubenplatzierung eine sehr komplexe und nicht immer im ersten Anlauf erfolgreiche verlaufende Aufgabe.
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Naturgemäß sind bei dieser Vorgehensweise relativ viele Kontrollaufnahmen beziehungsweise eine ständige Beobachtung durch das C-Bogen-System notwendig. Entsprechend kommt es hierdurch für den Patienten und gegebenenfalls auch für das medizinische Personal zu einer nicht erwünscht hohen Strahlenbelastung.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu finden, welches eine Freihandverriegelung ohne mechanische Lehre, insbesondere des distalen Endes, eines intramedullären Nagels ermöglicht, ohne dass eine ständige röntgenoptische Unterstützung erfolgt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist, diese Freihandverriegelung eines intramedullären Nagels, insbesondere am distalen Ende des Nagels, rechnergestützt auszuführen, indem zunächst durch Anwendung entsprechendem Programmcodes die Position und Lage eines zylindrischen Loches, welches zur Verriegelung dient, in einem im Knochen eines Patienten eingesetzten Nagels aus der Projektionsaufnahme eines C-Bogen-Systems bestimmt wird, indem die Bestimmung der Lage und Position des zylindrischen Loches unter Verwendung einer Projektionsaufnahme und der dort erkannten Kontur der Lochränder ausgeführt wird. Anschließend kann eine Bohrvorrichtung, im Sinne eines Schraubeneinbringinstrumentes, mit welchem die einzusetzende Schraube appliziert wird, mit Hilfe eines mit der Bohrvorrichtung gekoppelten Gyroskops zur Lagebestimmung und unter Verwendung einer an der Bohrvorrichtung angebrachten translatorischen Positionierungshilfe, zum Beispiel in Form eines ebenen Koordinatengitters, rechnerunterstützt in die richtige Position und Lage gebracht werden, um die Verriegelungsschraube am korrekten Ort und in der richtigen Lage einzusetzen.
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Erfindungsgemäß wird zur rechnergestützten Platzierung der Bohrvorrichtung diese zunächst und unmittelbar vor deren Nutzung für die Schraubeneinbringung an einem vorgegebenen Ort in einer vorgegebenen Lage platziert, damit die nachfolgenden rotatorischen und translatorischen Bewegungen eindeutig auf diesen Referenzort und diese Referenzlage bezogen sind. Dabei werden zu lange Zeiträume, die ein Wegdriften von Lagebestimmungen mit einem einfachen Gyroskop erlauben würden, vermieden. Es erfolgt dann von diesem Ort ausgehend eine ausschließlich translatorische Bewegung der Bohrvorrichtung derart, dass dessen Bohrachse parallel zum Mittelstrahl von Fokus zur Detektormitte ausgerichtet ist, wobei die Bohrachse dann auf den korrekten Aufsetzpunkt deutet. Diese Translation der Bohrvorrichtung wird dadurch rechnergestützt, dass dem Operateur einerseits die Lage der Bohrvorrichtung über Soll- und Istwertangaben optisch angezeigt wird und andererseits die gewünschte Translation auf der translatorischen Positionierhilfe dargestellt wird.
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Beispielsweise kann dies dadurch geschehen, dass ein planes Koordinatengitter an der Bohrvorrichtung befestigt ist und ein Referenzlichtstrahl von der Mitte des Detektors in Richtung Fokus ausgestrahlt wird, wobei der Rechner die vom Referenzlichtstrahl zu treffenden Koordinaten auf einem Display ausgibt. Alternativ kann auch ein variables ebenes Display, z.B. ein elektronisches Tablet mit zumindest einem 3-Achs-Gyroskop und einem graphischen Display, an der Bohrvorrichtung angeordnet werden, auf welchem der Auftreffpunkt für den Referenzlichtstrahl optisch dargestellt wird, so dass der Operateur nur den Lichtstrahl mit der Anzeige in Einklang bringen muss. Dabei kann ergänzend auch eine Art Libelle angezeigt werden, durch welche die korrekte räumliche Lage der Bohrvorrichtung beziehungsweise eine Abweichung davon angezeigt wird. Hat die Bohrvorrichtung die vorgegebene erste Translation vollzogen, so kann diese nun ohne Lageänderung in Richtung der Bohrachse verschoben werden, bis die Bohrerspitze auf den zuvor berechneten Aufsetzpunkt trifft. Darauf erfolgt ein rechnergestütztes Verschwenken der Bohrvorrichtung, indem dem Operateur angezeigt wird, wohin und wie weit die Bohrvorrichtung zu verschwenken ist. Beispielsweise kann dies ebenfalls durch eine Anzeige von entsprechenden Pfeilen oder eine entsprechend eingestellte Libelle auf einem mit der Bohrvorrichtung gekoppelten elektronischen Tablet geschehen.
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Demgemäß schlagen die Erfinder ein C-Bogen-System zur rechnergestützten Freihandverriegelung eines intramedullären Nagels vor, aufweisend mindestens ein zylindrisches Loch mit einer Lochachse, in das ein Verriegelungselement entlang der Lochachse eingesetzt werden soll, mit:
- – einem C-Bogen mit einem Strahler und einem Detektor zur Aufnahme mindestens einer ersten Projektionsaufnahme,
- – einer Bohrvorrichtung mit einer Rotationsachse zur Applikation eines Verriegelungsnagels, wobei die Bohrvorrichtung mit einer 3-achsigen Lagesensorik mit Anzeigevorrichtung und einer mindestens zweidimensional translatorisch wirkenden Positionierungshilfe ausgestattet ist,
- – einer Lageausrichtungsvorrichtung, an welcher die räumliche Lage der Bohrvorrichtung eindeutig eingestellt werden kann,
- – mindestens einem Rechensystem mit jeweils einem Speicher für Programmcode die zur Steuerung des C-Bogen-Systems, zur Auswertung von Bilddaten und zur Unterstützung von Positionierungsaufgaben dienen,
- – wobei im Speicher des mindestens einen Rechensystems Programmcode gespeichert ist, welcher im Betrieb die folgenden Verfahrensschritte ausführt:
- – es wird an Hand mindestens der mindestens einen Projektionsaufnahme des C-Bogen-Systems die räumliche Lage und Position der Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches in dem intramedullären Nagel bestimmt,
- – es wird als Aufsetzpunkt für die Bohrvorrichtung der Schnittpunkt aus Gewebeoberfläche und Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches im intramedullären Nagel bestimmt,
- – es wird die Translation und Rotation der Bohrvorrichtung berechnet, die zum Transfer der Rotationsachse der Bohrvorrichtung in die Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches notwendig ist, und
- – es wird das manuelle Ausrichten der Bohrvorrichtung durch optische Anzeigen an der Bohrvorrichtung automatisch unterstützt.
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Vorteilhaft kann das C-Bogen-System gespeicherten Programmcode, der im Betrieb ausgeführt wird, aufweisen, welcher aufgrund der in der ersten Projektionsaufnahme projizierten Form der Kontur des mindestens einen zylindrischen Loches mit bekannter Geometrie die relative Lage der Lochachse des zylindrischen Loches zum C-Bogen bestimmt.
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Weiterhin kann Programmcode gespeichert sein und im Betrieb ausgeführt werden, welcher:
- – durch optische Anzeige die ausschließlich translatorische Verschiebung der Bohrvorrichtung zu einer ersten Achse unterstützt, wobei die erste Achse parallel zum Mittelstrahl zwischen Detektor und Strahler ausgerichtet ist und den Aufsetzpunkt durchstößt, und
- – wobei anschließend durch optische Anzeige das korrekte Verschwenken der am Aufsetzpunkt aufgesetzten Bohrvorrichtung um den Aufsetzpunkt unterstützt wird.
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Außerdem kann auch Programmcode gespeichert sein und im Betrieb ausgeführt werden, welcher:
- – zur Bestimmung des Aufsetzpunktes für die Bohrvorrichtung in der mindestens einen ersten Projektionsaufnahme eine Gewebe/Luft-Grenze in der Umgebung des mindestens einen zylindrischen Loches im intramedullären Nagel ermittelt,
- – in dieser ersten Projektionsaufnahme den größten Abstand zwischen intramedullärem Nagel und Gewebe/Luft-Grenze senkrecht zur Lochachse des intramedullären Nagels ausgehend von dem mindestens einen zylindrischen Loch ermittelt, und
- – gemäß einem vorgegebenen geometrischen Modell den Abstand von dem mindestens einen zylindrischen Loch im intramedullären Nagel zum Aufsetzpunkt entlang der Lochachse dieses zylindrischen Loches berechnet.
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Alternativ kann auch im C-Bogen-System Programmcode gespeichert sein und im Betrieb ausgeführt werden, welcher:
- – zur Bestimmung des Aufsetzpunktes für die Bohrvorrichtung in einer senkrecht zur Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches im intramedullären Nagel in der Umgebung des mindestens einen zylindrischen Loches im intramedullären Nagel aufgenommenen zweiten Projektionsaufnahme eine Gewebe/Luft-Grenze (=Hautkontur) ermittelt, und
- – in dieser Aufnahme den Abstand zwischen dem intramedullären Nagel und der Gewebe/Luft-Grenze entlang der Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches bestimmt.
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In den beiden letztgenannten Alternativen kann zur Abstandsmessung eine bekannte Dimension des in der Projektionsaufnahme sichtbaren intramedullären Nagels verwendet werden.
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Beispielsweise kann es sich bei der bekannten Dimension am intramedullären Nagel um den Durchmesser des Nagels an einer vorgegebenen Stelle oder in einem vorgegebenen Bereich, vorzugsweise zwischen zwei zylindrischen Löchern im Nagel, handeln oder es kann auch als bekannte Dimension am intramedullären Nagel der Abstand zwischen zwei zylindrischen Löchern oder Einkerbungen im Nagel verwendet werden.
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Die Erfinder schlagen weiterhin vor, dass das C-Bogen-System mit einem optischen Anzeigesystem ausgestattet sein kann, welches mindestens einen Lichtstrahl erzeugt, der den Mittelstrahl zwischen Detektor und Strahler anzeigt.
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Außerdem kann die Lagesensorik an der Bohrvorrichtung ein mindestens 3-achsiges Gyroskop aufweisen, wobei ein solches 3-Achs-Gyroskop vorzugsweise ein MEMS-Gyroskop (MEMS = microelectro-mechanical system), insbesondere ein CVG (=Coriolis Vibratory Gyroscope), sein kann, wie es beispielsweise in Mobiltelefonen oder elektronischen Tablets zur Lage- und Bewegungsbestimmung verwendet wird.
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Grundsätzlich ist es zwar auch möglich beim Einsatz von sogenannten 6-Achs-Gyroskopen, worunter genauer gesagt ein 3-Achs-Gyroskop mit einem 3-Achs-Beschleunigungsmesser zu verstehen ist, eine translatorische Bewegung festzustellen. Allerdings ist hier die Präzision solcher Sensoren in Bezug auf die translatorische Bewegung nicht ausreichend für die hier geforderte Positionierung. Es wird daher vorgeschlagen, dass die translatorisch wirkende Positionierungshilfe ein zweidimensionales Koordinatensystem darstellt beziehungsweise anzeigt. Hierdurch kann in Verbindung mit dem Lichtzeiger, der den Mittelstrahl des C-Bogens optisch nachbildet, eine wesentlich genauere translatorische Verschiebung angezeigt und sichergestellt werden, als dies mit den üblichen MEMS-Beschleunigungssensoren möglich ist.
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Die Bohrvorrichtung kann auch einen Adapter zum revidierbaren Ansatz der Lagesensorik und der Positionierungshilfe aufweisen, damit diese nur nach Bedarf angebracht werden, insbesondere wenn die Lagesensorik und die Positionierungshilfe in einem Tablet oder Mobiltelefon (=Smartphon) integriert sind, kann dieser Adapter aus einer Halterung bestehen, in der ein solches Tablet oder ein solches Mobiltelefon angedockt werden kann. Hierbei können auch Kommunikationsverbindungen und Spannungsversorgungen in diesem Adapter integriert sein, so dass das Rechensystem des C-Bogen-Systems eine unmittelbare Verbindung zur Positionierungshilfe aufbauen kann. Alternativ kann eine drahtlose Kommunikationsverbindung zwischen dem Rechner des C-Bogen-Systems und der Positionierungshilfe errichtet werden. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, wenn im Tablet oder Mobiltelefon ein Programmcode gespeichert ist, welcher die notwendige Rotation und Translation anzeigt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: C-Bogen-System; 2: Detektor; 3: Röntgenröhre/Strahler; 4: Strahlenbündel; 5: Tragarm; 6: Gehäuse; 7: C-Bogen; 8: Patiententisch; 9: Patient; 9.1: Unterschenkel; 10: Rechensystem; 10.1: Speicher; 11: Laser, 12: Mittelstrahl; 13: Adapter; 14: Bohrvorrichtung; 14.1: Koordinatengitter; 14.2: Gyroskop; 14.3: Libelle; 14.4: Tablet; 15: Nagel; 15.1: zylindrisches Loch; 15.2: Lochachse; 15.3: geometrische Struktur; 15.4: Mittellinie; 16: Achse; 17: Gewebe/Luft-Grenze; A: Aufsetzpunkt; α: Schwenkwinkel; F: Fokus; PA1: erste Projektionsaufnahme (im Wesentlichen in Richtung der Lochachse im intramedullären Nagel); PA2: zweite Projektionsaufnahme (im Wesentlichen senkrecht zur Lochachse im intramedullären Nagel); Prg1–Prgn: Programmcode; Pt: Transversalposition; r0: Abstand vom zylindrischen Loch zur Gewebeoberfläche in Richtung der Lochachse; r1: Abstand vom zylindrischen Loch zur Gewerbeoberfläche senkrecht zur Mittelachse des intramedullären Nagels; t: transversale Versatz;
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: Mobiles C-Bogensystem in Seitenansicht;
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2: Bohrvorrichtung;
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3–8: Darstellung der rechnergestützten Ausrichtung der Bohrvorrichtung zur Applikation einer Verriegelung eines intramedullären Nagels;
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9–11: Darstellung der rechnergestützten Abschätzung zur Findung des Aufsetzpunktes mittels einer zweiten Projektionsaufnahme;
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12–16: Darstellung der rechnergestützten Abschätzung zur Findung des Aufsetzpunktes ohne zusätzliche Projektionsaufnahme.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäß ausgestattetes mobiles C-Bogen-System 1 in Seitenansicht mit einem Gehäuse 6, in dem sich ein Rechensystem 10 mit einem in dieser Ansicht nicht sichtbaren Display befindet. An diesem Gehäuse 6 ist ein verfahrbarer Tragarm 5 befestigt, der wiederum einen C-Bogen 7 trägt, der in bekannter Weise sowohl eine Orbitaldrehung als auch eine Angulardrehung ausführen kann. Endseitig am C-Bogen 7 ist eine Röntgenröhre 3 mit einem Fokus F befestigt, die im Betrieb ein strichpunktiert dargestelltes Strahlenbündel 4 auf den gegenüberliegend angeordneten Flachdetektor 2 aussenden kann. Der Mittelstrahl 12 des Strahlenbündels 4 wird durch einen am Flachdetektor 2 angebrachten Laser 11 markiert. Auf dem Patiententische 8 befindet sich ein Patient 9, an welchem ein chirurgischer Eingriff zum Setzen eines intramedullären Nagels vorgenommen werden soll.
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Weiterhin ist mit dem C-Bogen 7 gekoppelt, hier unmittelbar am Flachdetektor 2, ein Adapter 13 zur definierten Ausrichtung und Lagekalibrierung des Schraubeneinbringinstrumentes beziehungsweise der Bohrvorrichtung 14 angebracht. Die Bohrvorrichtung 14 kann über ein Kabel oder über eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit dem Rechensystem 10 des C-Bogen-Systems 1 in Verbindung stehen.
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Das Rechensystem 10 weist einen Speicher 10.1 auf, in dem Programmcode Prg1–Prgn gespeichert ist, der unter anderem zur Steuerung des C-Bogen-Systems, zur Bildauswertung einschließlich der Lage- und Ortsbestimmung von zylindrischen Löchern in einem aufgenommenen intramedullären Nagel relativ zum C-Bogen, zur Bestimmung eines Aufsetzpunktes für die Einbringung einer Verriegelungsschraube und zur Anzeige der korrekten Bewegung der Bohrvorrichtung dienen können. Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass die hier genannten Programme nicht ausschließlich im Rechensystem 10 des C-Bogen-System 1 ausgeführt werden müssen. Wird beispielsweise ein Tablet oder Smartphone mit eigener Rechenkapazität als Lage- und Positionierungsanzeigevorrichtung verwendet, so kann dort auch zumindest ein Teil der Rechenvorgänge ablaufen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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In der 2 ist eine erfindungsgemäß ausgestattete Bohrvorrichtung 14 schematisch dargestellt. An dieser Bohrvorrichtung 14 ist oben eine Koordinatengitter 14.1 angebracht, mit welchem der transversale Versatz der Bohrvorrichtung 14 durch eine entsprechende Lichtmarkierung, zum Beispiel durch den mit Laser markierten Mittelstrahl, bestimmt werden kann.
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Außerdem ist die Bohrvorrichtung 14 mit einem Gyroskop 14.2 ausgestattet, welches die räumliche Orientierung der Bohrvorrichtung 14 detektiert und Abweichungen von einer einmal eingestellten räumlichen Orientierung (=Lage) – abgesehen von transversalen Bewegungen – durch eine Anzeigevorrichtung, hier eine Libelle 14.3, anzeigt. Wird zum Beispiel ein Tablet oder Smartphone auf die Bohrvorrichtung 14 aufgesetzt, so kann deren Lagesensor als Gyroskop verwendet werden, und durch entsprechende Programmierung und Kommunikation mit dem Rechensystem 10 auf dem Display ein Koordinatensystem- oder -gitter und eine elektronische Libelle angezeigt werden. Hierbei kann auf dem Display auch direkt der gewünschte transversale Versatz markiert werden und entsprechend auch mit Hilfe der elektronischen Libelle nach einer ausgeführten Translation ohne Orientierungsänderung die Anzeige der Libelle dahingehend manipuliert werden, dass nun die auszuführende Orientierungsänderung angezeigt wird, um dann mit der Applikation der Verriegelung beginnen zu können.
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Der Ablauf zur Ausrichtung einer Bohrvorrichtung auf der Basis einer Projektionsaufnahme mit einem C-Bogen-System ist in den 3 bis 8 am Beispiel eines in einem Unterschenkelknochen applizierten intramedullären Nagels, der distal rechnergestützt freihand zu verriegeln ist, näher beschrieben.
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Die 3 zeigt die Ausgangssituation des Unterschenkels 9.1 mit eingesetztem Nagel 15. Der Nagel 15 weist ein senkrecht zur Lochachse des Nagels orientiertes zylindrisches Loch 15.1 auf. Die Lochachse 15.2, die die Orientierung des Loches beschreibt, ist ebenfalls angedeutet. Diese Lochachse 15.2 kann mit Hilfe einer einzigen Projektionsaufnahme durch das C-Bogen-System bestimmt werden. Hierbei wird allerdings in der Praxis für diese Projektionsaufnahme der C-Bogen von Bedienungspersonal bereits weitgehend so ausgerichtet, dass der Mittelstrahl 12 des Strahler-Detektor-Systems 3, 2 möglichst nahe an und möglichst in Richtung der Lochachse 15.2 liegt. Lediglich zur besseren Darstellung ist in dem hier gezeigten Beispiel eine relativ große Winkelabweichung zwischen dem Mittelstrahl 12 und der Lochachse 15.2 gezeigt. Durch Vergleich der bekannten Kontur des zylindrischen Loches 15.1 und der in der Projektionsaufnahme dargestellten Projektion der Kontur lässt sich durch einfache geometrische Betrachtungen die Position und Orientierung dieses Loches 15.1 gut bestimmen. Ergänzend ist in der 3 auch noch die bereit stehende Bohrvorrichtung 14 gezeigt, welche auf der Oberseite ein elektronisches Tablet 14.4 mit integriertem, Prozessor, Gyroskop und Display trägt.
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Erfindungsgemäß ist nun das C-Bogen-System 1 so ausgestattet, das mit mindestens einem dort vorliegenden Prozessor, der beispielsweise im eigentlichen Rechensystem 10 oder auch im Tablet 14.4 angesiedelt sein kann, aus der Kenntnis der relativen Position und Lage des Loches 15.1 und der sich daraus ergebenden Position und Lage der Lochachse 15.2, der Aufsetzpunkt A für die Bohrvorrichtung 14 zur Applikation der Verriegelung des Nagels 15 als Schnittpunkt der Lochachse 15.2 mit der äußeren Gewebekontur des Unterschenkels 9.1 bestimmt werden kann. Der Aufsetzpunkt A kennzeichnet dabei den Austrittspunkt der Lochachse 15.2 aus dem Weichgewebe des Unterschenkels 9.1 auf der, dem Detektor 2 nahe liegenden Seite beziehungsweise der Seite, von der aus die Verriegelung des Nagels eingesetzt werden soll. Hiermit kann zunächst der transversale Versatz t einer ersten Achse 16 zu der parallelen Mittelachse 12 bestimmt werden. Außerdem kann der Schwenkwinkel α bestimmt werden, um den die Bohrvorrichtung 14 nach ihrem aufsetzen auf den Aufsetzpunkt A zu verschwenken ist, um diese auf das zylindrische Loch 15.1 auszurichten. Ist der Versatz t berechnet, so kann auf dem Display des Tablets 14.4 die Transversalposition Pt, die diesen Versatz t zur Referenzachse, hier der Mittelachse 12, angibt, bereits angezeigt werden. Der Schwenkwinkel α, der Versatz t zwischen erster Achse 16 und Mittelachse 12 und die Transversalposition Pt sind in der 4 eingetragen, wobei sich die Bohrvorrichtung 14 noch in Warteposition befindet.
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Es erfolgt nun in der 5 die Kalibrierung oder Eichung der Position und Lage der Bohrvorrichtung 14, indem diese an eine entsprechend eindeutige Kalibrierposition, zum Beispiel eine Adaptervorrichtung, verbracht wird. An dieser Kalibrierposition wird die Ausrichtung der Bohrvorrichtung 14 als Referenz gesetzt, so dass die folgenden Lageänderungen relativ zu dieser Lage angezeigt werden können. Entsprechend kann nun manuell, jedoch unterstützt durch rechnergestützte Anzeige von Lageveränderungen, die Bohrvorrichtung 14 in ausschließlich translatorischer Bewegung soweit versetzt werden, bis die Referenzachse, hier die Mittelachse 12, die angezeigte Transversalposition Pt schneidet. Damit ist die Bohrvorrichtung 14 so verschoben worden, dass deren Bohrachse mit der ersten Achse zusammenfällt, wie es in 6 gezeigt ist. Nun wird die Bohrvorrichtung 14 ohne Lageänderung – welche auf dem Display des Tablets 14.4 angezeigt wird – entlang der ersten Achse 16 so lange zum Unterschenkel 9.1 hin verschoben, bis die Spitze der Bohrvorrichtung 14 den Aufsetzpunkt A, wie in 7 gezeigt, trifft.
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Als nächstes erfolgt nun ein Verschwenken der Bohrvorrichtung 14 um den Aufsetzpunkt A mit dem Schwenkwinkel α. Dieser Schwenkwinkel α beziehungsweise die hierfür notwendige Lageänderung kann ebenfalls rechnergestützt auf dem Display, zum Beispiel durch entsprechende Manipulation einer dort dargestellten Libelle (Zentrieranzeige) oder Ähnlichem erfolgen. Die 8 zeigt eine entsprechende Endposition der Bohrvorrichtung 14, in der nun die Applikation der Verriegelung beginnen kann.
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Wie bereits oben erwähnt ist es zur Bestimmung der ersten Achse 16, die parallel zur Referenzachse durch den Aufsetzpunkt A verläuft, notwendig, den Abstand vom zylindrischen Loch 15.1 zur Gewebeoberfläche entlang der Lochachse 15.2 zu kennen. Grundsätzlich kann ein solcher Abstand aus diversen Patientenparametern, beispielsweise einem gemessenen Beinumfang oder -durchmesser an einer repräsentativen Stelle oder dem Patientengewicht in Relation zum absoluten oder relativen Abstand des Loches 15.1 zu einem anatomischen Referenzpunkt, geschätzt werden. Ebenso kann zum Beispiel durch den Einsatz eines Ultraschallgerätes der ungefähre Abstand zwischen Knochen beziehungsweise Nagel im Knochen und der Gewebeoberfläche bestimmt werden. Derartige Schätzungen sind ebenfalls zum Rahmen der Erfindung zu zählen. Besonders vorteilhaft erscheinen allerdings die beiden nachfolgenden Varianten der Bestimmung, einerseits mit Hilfe einer zweiten, senkrecht zur ersten Projektionsaufnahme PA1 aufgenommenen, Projektionsaufnahme PA2 und andererseits unter ausschließlicher Verwendung der bereits vorliegenden ersten Projektionsaufnahme PA1, mit dem auch die Orientierung des Loches im Nagel bestimmt wurde.
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In den 9 bis 11 ist die Vorgehensweise zur Schätzung eines Abstandes r0 vom zylindrischen Loch 15.1 entlang der Lochachse 15.2 mit Hilfe einer weiteren Projektionsaufnahme beschrieben. Die 9 zeigt eine solche zweite Projektionsaufnahme PA2, welche in einem senkrechten Winkel zur ersten Projektionsaufnahme PA1 erstellt wurde. In der 10 ist bereits die durch Bilderkennung ermittelte Lochachse 15.2 und die Mittellinie 15.4 des Nagels 15 eingezeichnet, die ungefähr in der Bildebene verläuft. Hierbei wird die Lochachse 15.2 aufgrund einer typischen geometrischer Struktur 15.3 – hier eine beidseitige Einkerbung – des Nagels 15 bestimmt. Weiterhin wird die Gewebe/Luft-Grenze 17 ermittelt und der Schnittpunkt zwischen der Gewebe/Luft-Grenze 17 mit der Lochachse 15.2 auf der Seite des vorzunehmenden Eingriffs ermittelt. Dieser Schnittpunkt entspricht dem Aufsetzpunkt A für die Bohrvorrichtung. Ein Vergleich des Abstandes vom Aufsetzpunkt A zum Loch 15.1 mit einer bekannten Dimension in der Projektionsaufnahme PA2, zum Beispiel einem bekannten Durchmesser des Nagels, ergibt dann den gesuchten realen Abstand zwischen Loch 15.2 und Aufsetzpunkt A.
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Die 11 zeigt die Aufnahme aus 9 mit dem durch Bilderkennung ermittelten Abstand r0 zwischen zylindrischem Loch im Nagel und dem Aufsetzpunkt A. Diese Bestimmung des Abstandes r0 ist sehr genau, allerdings wird hier die hohe Präzision durch die Strahlenbelastung für eine zusätzliche Projektionsaufnahme erkauft.
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Eine alternative erfindungsgemäße Bestimmungsmethode des Abstandes r0 ohne zusätzliche Projektionsaufnahme wird mit den 12 bis 16 beschrieben. Hierfür wird eine erste Projektionsaufnahme PA1 aus 12 verwendet, welche bereits zur Bestimmung der Orientierung und Position des Loches 15.1 im Nagel 15 diente. In dieser Projektionsaufnahme PA1 werden – wie in 13 dargestellt – wieder durch Bilderkennung die Mittellinie 15.4 des Nagels 15, die Gewebe/Luft-Grenzen 17 und das Loch 15.1 eingetragen. Darauf wird, wie in 14 gezeigt, senkrecht zur Mittellinie 15.4 der Abstand r1 von dem Loch 15.1 zur Gewebe/Luft-Grenze 17 unter Berücksichtigung bekannter Dimensionen des Nagels 15 bestimmt.
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Anhand statistischer Voruntersuchungen kann das typische Verhältnis des ermittelten Abstandes r1 zum gesuchten Abstand r0 bestimmt werden, wie es in der 15, die einen Schnitt durch einen Unterschenkel im Bereich des Loches 15.1 des Nagels 15 zeigt. Ergänzend können in diese Betrachtung auch noch weitere leicht ermittelbare Patientenparameter wie Alter, Größe Gewicht und Geschlecht einfließen. Damit ergibt sich der gesuchte Abstand r0 vom zylindrischen Loch 15.1 im Nagel 15 durch Multiplikation des gefundenen Abstandes r1 mit einem bekannten Faktor oder durch Einblick in eine entsprechende Look-Up-Tabelle, in der auch weitere Patientenparameter berücksichtigt werden.
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Die 16 zeigt dann nochmals die Projektionsaufnahme PA1 aus 12 mit beispielhaft eingetragenem Abstand und einer beispielhaften Berechnung für den gesuchten Abstand r0, wobei hier ein Faktor von 0,6 verwendet wurde.
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Insgesamt beschreibt die Erfindung ein C-Bogen-System zur rechnergestützten Freihandverriegelung eines intramedullären Nagels mit einem Rechensystem, in welchem Programmcode gespeichert ist, der im Betrieb die folgenden Verfahrensschritte ausführt:
- – es wird an Hand mindestens einer Projektionsaufnahme des C-Bogen-Systems die räumliche Lage und Position der Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches in dem intramedullären Nagel bestimmt,
- – es wird als Aufsetzpunkt für die Bohrvorrichtung der Schnittpunkt aus Gewebeoberfläche und Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches im intramedullären Nagel bestimmt,
- – es wird die Translation und Rotation der Bohrvorrichtung berechnet, die zum Transfer der Rotationsachse der Bohrvorrichtung in die Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches notwendig ist, und
- – es wird das manuelle Ausrichten der Bohrvorrichtung durch optische Anzeigen an der Bohrvorrichtung automatisch unterstützt.
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Nachfolgend werden besonders günstige Variationen erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele der vorstehend ausgeführten Erfindung beschrieben:
- I. Ein C-Bogen-System zur rechnergestützten Freihandverriegelung eines intramedullären Nagels, aufweisend mindestens ein zylindrisches Loch mit einer Lochachse, in das ein Verriegelungselement entlang der Lochachse eingesetzt werden soll, mit einem C-Bogen mit einem Strahler und einem Detektor zur Aufnahme mindestens einer ersten Projektionsaufnahme, einer Bohrvorrichtung mit einer Rotationsachse zur Applikation eines Verriegelungsnagels, wobei die Bohrvorrichtung mit einer 3-achsige Lagesensorik mit Anzeigevorrichtung und einer mindestens zweidimensional translatorisch wirkenden Positionierungshilfe ausgestattet ist, einer Lageausrichtungsvorrichtung, an welcher die räumliche Lage der Bohrvorrichtung eindeutig eingestellt werden kann, mindestens einem Rechensystem mit jeweils einem Speicher für Programmcode, der zur Steuerung des C-Bogen-Systems, zur Auswertung von Bilddaten und zur Unterstützung von Positionierungsaufgaben dienen, wobei im Speicher des mindestens einem Rechensystems Programmcode gespeichert ist, welcher im Betrieb die folgenden Verfahrensschritte ausführt: Es wird an Hand der mindestens einen Projektionsaufnahme
des C-Bogen-Systems die räumliche Lage und Position der Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches in dem intramedullären Nagel bestimmt, es wird als Aufsetzpunkt für die Bohrvorrichtung der Schnittpunkt aus Gewebeoberfläche und Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches im intramedullären Nagel bestimmt, es wird die Translation und Rotation der Bohrvorrichtung berechnet, die zum Transfer der Rotationsachse der Bohrvorrichtung in die Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches notwendig ist, und es wird das manuelle Ausrichten der Bohrvorrichtung durch optische Anzeigen an der Bohrvorrichtung automatisch unterstützt.
- II. Ein C-Bogen-System gemäß der Ausführungsvariante I, wobei Programmcode gespeichert ist und im Betrieb ausgeführt wird, welcher aufgrund der in der ersten Projektionsaufnahme projizierten Form der Kontur des mindestens einen zylindrischen Loches mit bekannter Geometrie die relative Lage der Lochachse des zylindrischen Loches zum C-Bogen bestimmt.
- III. Ein C-Bogen-System gemäß einer der Ausführungsvarianten I bis II, wobei Programmcode gespeichert ist und im Betrieb ausgeführt wird, welcher durch optische Anzeige die ausschließlich translatorische Verschiebung der Bohrvorrichtung zu einer ersten Achse unterstützt, welche parallel zum Mittelstrahl zwischen Detektor und Strahler ausgerichtet ist und den Aufsetzpunkt durchstößt, wobei anschließend durch optische Anzeige das korrekte Verschwenken der am Aufsetzpunkt aufgesetzten Bohrvorrichtung um den Aufsetzpunkt unterstützt wird.
- IV. Ein C-Bogen-System gemäß einer der Ausführungsvarianten I bis III, wobei Programmcode gespeichert ist und im Betrieb ausgeführt wird, welcher zur Bestimmung des Aufsetzpunktes für die Bohrvorrichtung in der mindestens einen ersten Projektionsaufnahme eine Gewebe/Luft-Grenze in der Umgebung des mindestens einen zylindrischen Loches im intramedullären Nagel ermittelt, in dieser ersten Projektionsaufnahme den größten Abstand zwischen intramedullärem Nagel und Gewebe/Luft-Grenze senkrecht zur Lochachse des intramedullären Nagels ausgehend von dem mindestens einen zylindrischen Loch ermittelt, und gemäß einem vorgegebenen geometrischen Modell den Abstand von dem mindestens einen zylindrischen Loch im intramedullären Nagel zum Aufsetzpunkt entlang der Lochachse dieses zylindrischen Loches berechnet.
- V. Ein C-Bogen-System gemäß einer der Ausführungsvarianten I bis III, wobei Programmcode gespeichert ist und im Betrieb ausgeführt wird, welcher zur Bestimmung des Aufsetzpunktes für die Bohrvorrichtung in einer senkrecht zur Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches im intramedullären Nagel in der Umgebung des mindestens einen zylindrischen Loches im intramedullären Nagel aufgenommenen zweiten Projektionsaufnahme eine Gewebe/Luft-Grenze ermittelt, und in dieser Projektionsaufnahme den Abstand zwischen dem intramedullärem Nagel und Gewebe/Luft-Grenze entlang der Lochachse des mindestens einen zylindrischen Loches bestimmt.
- VI. Ein C-Bogen-System gemäß einer der Ausführungsvarianten IV bis V, wobei Programmcode gespeichert ist und im Betrieb ausgeführt wird, welcher zur Abstandsmessung eine bekannte Dimension des in der zweiten Projektionsaufnahme sichtbaren intramedullären Nagels verwendet.
- VII. Ein C-Bogen-System gemäß der Ausführungsvariante VI, wobei Programmcode gespeichert ist und im Betrieb ausgeführt wird, welcher als bekannte Dimension am intramedullären Nagel der Durchmesser des Nagels an einer vorgegebenen Stelle oder in einem vorgegebenen Bereich, vorzugsweise zwischen zwei zylindrischen Löchern im Nagel, verwendet.
- VIII. Ein C-Bogen-System gemäß der Ausführungsvariante VI, wobei Programmcode gespeichert ist und im Betrieb ausgeführt wird, welcher als bekannte Dimension am intramedullären Nagel den Abstand zwischen zwei zylindrischen Löchern oder Einkerbungen im Nagel verwendet.
- IX. Ein C-Bogen-System gemäß einer der Ausführungsvarianten I bis VIII, wobei ein optisches Anzeigesystem vorliegt, welches mindestens einen Lichtstrahl erzeugt, der dem Mittelstrahl zwischen Detektor und Strahler folgt.
- X. Ein C-Bogen-System gemäß einer der Ausführungsvarianten I bis IX, wobei die Lagesensorik an der Bohrvorrichtung ein 3-Achs-Gyroskop aufweist.
- XI. Ein C-Bogen-System gemäß der Ausführungsvariante X, wobei das 3-Achs-Gyroskop ein MEMS-Gyroskop (MEMS = micro-electro-mechanical system), insbesondere ein CVG (=Coriolis Vibratory Gyroscope), ist.
- XII. Ein C-Bogen-System gemäß einer der Ausführungsvarianten I bis XI, wobei die translatorisch wirkende Positionierungshilfe ein zweidimensionales Koordinatensystem darstellt.
- XIII. Ein C-Bogen-System gemäß einer der Ausführungsvarianten I bis XII, wobei die Bohrvorrichtung einen Adapter zum revidierbaren Ansatz der Lagesensorik und der Positionierungshilfe aufweist.
- XIV. Ein C-Bogen-System gemäß einer der Ausführungsvarianten I bis XIII, wobei die Lagesensorik und die Positionierungshilfe in einem Tablet (14.4) oder Mobiltelefon integriert sind.
- XV. Ein C-Bogen-System gemäß der Ausführungsvariante XIV, wobei im Tablet oder Mobiltelefon ein Programmcode gespeichert ist, welcher die notwendige Rotation und Translation anzeigt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, 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
- C-Bogen-System
- 2
- Detektor
- 3
- Röntgenröhre/Strahler
- 4
- Strahlenbündel
- 5
- Tragarm
- 6
- Gehäuse
- 7
- C-Bogen
- 8
- Patiententisch
- 9
- Patient
- 9.1
- Unterschenkel
- 10
- Rechensystem
- 10.1
- Speicher
- 11
- Laser
- 12
- Mittelstrahl
- 13
- Adapter
- 14
- Bohrvorrichtung
- 14.1
- Koordinatengitter
- 14.2
- Gyroskop
- 14.3
- Libelle
- 14.4
- Tablet
- 15
- Nagel
- 15.1
- zylindrisches Loch
- 15.2
- Lochachse
- 15.3
- geometrische Struktur
- 15.4
- Mittellinie
- 16
- Achse
- 17
- Gewebe/Luft-Grenze
- A
- Aufsetzpunkt
- Α
- Schwenkwinkel
- F
- Fokus
- PA1
- erste Projektionsaufnahme (im Wesentlichen in Richtung der Lochachse im intramedullären Nagel)
- PA2
- zweite Projektionsaufnahme (im Wesentlichen senkrecht zur Lochachse im intramedullären Nagel)
- Prg1–Prgn
- Programmcode
- Pt
- Transversalposition
- r0
- Abstand vom zylindrischen Loch zur Gewebeoberfläche in Richtung der Lochachse
- r1
- Abstand vom zylindrischen Loch zur Gewerbeoberfläche senkrecht zur Mittelachse des intramedullären Nagels
- t
- transversale Versatz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.youtube.com/watch?v=ec6I1SaJkHA [0002]