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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur präoperativen Planung eines auszuführenden chirurgischen Eingriffes nach einer Mehrfragmentfraktur eines Knochens, vorzugsweise im Bereich der Orthopädie. Außerdem betrifft die Erfindung ein Rechensystem, mindestens aufweisend einen Prozessor, einen Speicher zur Speicherung und Ausführung von Programmcode und eine Ausgabevorrichtung für Operationsanweisungen, wobei Programmcode gespeichert ist, welcher im Betrieb das oben genannte Verfahren ausführt.
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Die Rekonstruktion eines Knochens nach einem Splitterbruch, bei dem eine Vielzahl einzelner Knochenfragmente entstanden ist oder nach einem komplizierten Mehrfachbruch, beispielsweise des Beckens, ist nicht trivial. Hierzu wird in der Regel ein präoperative Planung zur Reponierung der einzelnen Knochenfragmente notwendig, wobei zum Teil auch Hilfsmittel mit eingeplant werden, welche die reponierten Knochenfragmente an der jeweils vorgesehen Position und in der vorgesehenen Lage fixieren sollen. Bekannt ist es, hierfür dreidimensionale Röntgenaufnahmen des mehrfach frakturierten Knochens zu erstellen, die einzelnen Knochenfragmente zu segmentieren und in einer 3D-CAD-Darstellung auf einem Bildschirm zu zeigen. Hier kann nun unter Verwendung von Zeigerinstrumenten, wie einer Maus, eines Trackballs, eines Joysticks oder einer speziellen 3D-Maus, jedes einzelne Fragment in der 3D-Darstellung an eine gewünschte Position und Lage transferiert werden. Leider stellt sich in der Praxis heraus, dass es relativ schwierig ist, solche virtuellen Reponierungen der Knochenfragmente in einem 3D-CAD-System auszuführen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Operationsplanung zu finden, welches die Reponierung in anatomisch korrekter Weise wesentlich vereinfacht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die Erfinder haben erkannt, dass es relativ einfach ist, die Reponierung der Knochenfragmente an einem physischen Knochenmodell vorzunehmen, wobei zur Erzeugung des physischen Knochenmodells zunächst die in einer dreidimensionalen Röntgendarstellung segmentierten Knochenfragmente als reale Knochenfragmente nachgebildet werden. Beispielsweise kann dies durch die Anwendung von 3D-Druckern oder sonstige Rapid-Prototyping-Systeme geschehen. Liegen diese einzelnen Fragmente vor, kann ein reales Knochenmodell erstellt werden, welches die relativen Positionen und Lagen der einzelnen Knochenfragmente definiert. Dabei können die Knochenfragmente mit Markierungen versehen werden, die eine automatische Erfassung der Position und Lage der Knochenelemente erlaubt. Alternativ zu der optischen Markierung und Erfassung können an den Knochenfragmenten auch elektromagnetische Positions- und Lagegeber in vorgegebener Weise angebracht werden, so dass deren Position und Lage über elektromagnetische Sensoren eindeutig bestimmbar sind. Somit kann nun die anatomisch korrekte Position und Lage der Knochenfragmente auf einfache Weise in die virtuelle Welt der 3D-Darstellung übertragen werden und nun der notwendige Versatz und die notwendige Rotation für jedes Knochenfragment ermittelt werden, damit es am Patienten wieder in die anatomisch richtige Lage reponiert wird. Hierbei können zusätzlich auch beliebige Hilfsmittel, wie Metallplatten, Schrauben, Nägel oder sonstige bekannte Fixierungsvorrichtungen eingeplant werden, welche die Knochenfragmente für den späteren Heilungsprozess in einer vorgegebenen Position und Lage halten.
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Damit die Relativkoordinaten des Knochenmodells und die Relativkoordinaten der realen Knochen des Patienten aufeinander abgestimmt werden können, sollten mindestens ein eindeutiger Referenzpunkt und eine Referenzorientierung in beiden Systemen bestimmt werden. Hierzu können entweder entsprechende Referenzen künstlich angebracht werden oder es kann eines der Knochenfragmente, vorzugsweise ein großes Knochenfragment, das sich noch in anatomisch korrekter Position befindet, als Referenz definiert werden, so dass alle Relativpositionen und Lagebestimmungen sich an der Position und Lage dieser Referenz ausrichten.
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Unter Verwendung der so ermittelten notwendigen Bewegung der Knochenfragmente kann dann ein entsprechender präoperativer Operationsplan erstellt werden, der dem Operateur in eindeutiger Weise beschreibt, wie und wohin die einzelnen Knochenfragmente zu bewegen sind.
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Zusätzlich kann am physischen Knochenmodell auch noch eine Lageanzeigevorrichtung beziehungsweise ein Richtungsgeber angeordnet werden, dessen Position und Lage relativ zum Knochenmodell bestimmt werden kann, so dass auf Wunsch ein Aufnahmesystem mit Strahler und Detektor, ein chirurgisches Instrument oder eine Applikationsvorrichtung für Fixierungselemente auf entsprechende Weise automatisch auf die Knochenfragmente des Patienten ausgerichtet werden. Hierdurch kann zum Beispiel die Strahlenbelastung stark reduziert werden, denn zur Zeit wird noch die optimale Ausrichtung eines C-Bogens durch wiederholte Probeaufnahmen korrigiert.
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Demgemäß schlagen die Erfinder ein Verfahren zur präoperativen Planung eines auszuführenden chirurgischen Eingriffes nach einer Mehrfragmentfraktur eines Knochens, vorzugsweise im Bereich der Orthopädie, vor, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- – Übernahme einer ersten 3D-Darstellung des in Knochenfragmente frakturierten Knochens,
- – Segmentierung der einzelnen Knochenfragmente,
- – Erzeugung einer physischen Nachbildung der segmentierten Knochenfragmente,
- – Reponierung der nachgebildeten Knochenfragmente zu einem anatomisch korrekten Knochenmodell,
- – Bestimmung der relativen Lage der reponierten Position und Lage der nachgebildeten Knochenfragmente im reponierten Zustand,
- – Bestimmung des relativen linearen Versatzes und der relativen Drehung zwischen der reponierten Anordnung der nachgebildeten Knochenfragmente im Knochenmodell und der in der 3D-Darstellung ermittelten Lage der entsprechenden Knochenfragmente am Patienten für jedes einzelne Knochenfragment, wobei die Lage eines der Knochenfragmente im Patienten und dessen Nachbildung jeweils als Referenz angesehen wird,
- – Erstellung und Ausgabe oder Speicherung eines Operationsplanes, in welchem der relative Versatz und die relative Drehung zur Reponierung für jedes der Knochenfragmente in Bezug auf das jeweilige Referenzknochenfragment vorgegeben werden.
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Die oben erwähnte 3D-Darstellung des in Knochenfragmente frakturierten Knochens kann aus einer beliebigen bildgebenden Untersuchung, insbesondere jedoch aus einer MR-Abtastung (MR = Magnetresonanz) oder einer CT-Abtastung (CT = Computertomographie), stammen.
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Vorteilhaft kann die physische Nachbildung der einzelnen Knochenfragmente durch einen 3D-Drucker oder eine sonstige Rapid-Prototyping-Technologie erfolgen, beispielsweise können die Knochenfragmente auch durch entsprechend gesteuerte 3D-Fräsen ausgefräst werden.
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Zur einfachen Übertragung des segmentierten Knochenfragmente auf die 3D-Drucker-Technologie, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Oberfläche der segmentierten Knochenfragmente aus einer Vielzahl von Dreiecksfacetten erzeugt wird oder die 3D-Darstellung der segmentierten Knochenfragmente in eine STL-schnittstellen-kompatible Datei (STL=Surface Tesselation Language; *.stl) oder in eine VRML-schnittstellen-kompatible Datei (VRML= Virtual Reality Modeling Language; *.wrl) umgewandelt wird.
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Zur Bestimmung von Position und Lage der physisch nachgebildeten Knochenfragmente können diese mit zur Lage- und Ortsbestimmung geeigneten optischen Markierungen versehen werden. Aus der Kenntnis der reponierten Relativpositionen und Relativlagen zueinander kann dann die rotatorische und lineare Bewegung, die zur Reponierung notwendig ist, bestimmt werden. Hierbei ist es selbstverständlich, dass zur Positions- und Lagebestimmung der Knochenfragmente es ausreicht, drei Positionsmarkierungen am Knochenfragment zu detektieren oder eine Positionsmarkierung und eine Lagemarkierung. Neben oder anstelle der optischen Markierungen können auch elektromagnetische Markierungen verwendet werden. Entsprechend den verwendeten Markierungen werden zur Erfassung der Positionen und Lagen gleichgeartete Sensorsysteme verwendet, um die entsprechenden Markierungen zu erfassen und deren Position beziehungsweise Lage zu bestimmen. Derartige Sensorsysteme können beispielsweise mit dem C-Bogen eines C-Bogen-Systems verbunden sein.
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Weiterhin kann bei der Reponierung der nachgebildeten Knochenfragmente mindestens ein Befestigungselement eingesetzt werden und dessen Einsatz aufgezeichnet werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Befestigungselement um Nägel, Schrauben und/oder Platten zur Fixierung der reponierten Knochensegmente in der gewünschten Stellung.
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Im Rahmen einer durchzuführenden Operation zur Reponierung der Knochenfragmente ist es häufig notwendig, Röntgenaufnahmen mit einem C-Bogen in bestimmten räumlichen Projektionswinkeln zu erstellen oder chirurgische Geräte oder Instrumente in bestimmten Winkeln anzusetzen. Hierfür ist es günstig, wenn an mindestens einem nachgebildeten Knochenfragment oder dem Knochenmodell eine Lageanzeigevorrichtung (z.B. ein Stift) angesetzt wird, welche die Ausrichtung eines C-Bogens und/oder eines chirurgischen Instrumentes bestimmt und automatisch der C-Bogen beziehungsweise das Instrument relativ zur realen Anatomie des Patienten in gleicher Ausrichtung, wie die Lageanzeigevorrichtung relativ zum reponierten Modell, in Position gebracht wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das oben beschriebene Verfahren zur Vorgabe und Bestimmung einer Ausrichtung an einem Knochenmodell mit Hilfe einer am Modell angesetzten Lageanzeigevorrichtung und nachfolgender automatischer oder computergestützter Ausrichtung einer Strahler-Detektor-Anordnung oder eines geführten Instrumentes nicht alleine auf das Knochenmodell beschränkt ist. Grundsätzlich kann hierfür von einem Patienten oder Teilen des Patienten oder von anatomischen Strukturen des Patienten eine Nachbildung erzeugt werden, an welcher das Bedienpersonal eine Lageanzeigevorrichtung anbringt, deren Lage von einem optischen oder elektromagnetischen Erfassungssystem oder durch eine CT-Abtastung registriert wird. Ist die durch die Lageanzeigevorrichtung angegebene Orientierung bekannt, kann das Bedienpersonal durch entsprechende Lageanzeige und Positionsanzeige am Instrument oder an der Strahler-Detektor-Anordnung computergestützt geführt werden, um die richtige Ausrichtung zu bewirken. Alternativ kann das Instrument oder die Strahler-Detektor-Anordnung auch automatisch ausgerichtet werden. Der besondere Vorteil eines solchen Vorgehens liegt darin, dass es für das Bedienpersonal sehr einfach ist, eine gewünschte Orientierung und Position an einem Modell anzugeben, wobei die Übertragung dieser Ausrichtung in die Koordinaten des auf dem OP-Tisch liegenden Patienten durch ein entsprechendes Erfassungssystem geschieht, das mit der Recheneinheit, zum Beispiel eines C-Bogen-Systems, verbunden ist.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren schlagen die Erfinder auch ein Rechensystem vor, welches mindestens einen Prozessor, einen Speicher zur Speicherung und Ausführung von Programmcode und eine Ausgabevorrichtung für Operationsanweisungen aufweist, wobei Programmcode gespeichert ist, welcher im Betrieb die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles 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: Röntgenröhre; 3: Detektor; 4: 3D-Drucker; 5: Erfassungssystem; 6: Gehäuse; 7: C-Bogen; 8: Patientenliege; 9: Speicher; 10: Recheneinheit; F1–F5: Knochenfragmente; F1’–F5’: nachgebildete Knochenfragmente; K: Knochen; KM: Knochenmodell; M: Markierungen; Prg1–Prgn: Programmcode; R2, R3, R4: Rotationswinkel; S: zylindrischer Stab; T: Trajektorie; T2, T3, T4: Translationsvektoren.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: Erfindungsgemäß ausgestattetes C-Bogensystem mit Recheneinheit und 3D-Drucker;
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2: Röntgendarstellung eines Mehrfragmentbruches, daraus resultierender Nachbildung der Knochenfragmente und reponierte Anordnung der Knochenfragmente;
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3: schematische Darstellung der Translations- und Rotationsbewegungen zur Reponierung der Knochenfragmente;
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4: schematische Darstellung der Ausrichtung einer Strahler-Detektor-Anordnung eines C-Bogen-Systems aufgrund einer Vorgabe an der Nachbildung der reponierten Knochenfragmente.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäß ausgestattetes C-Bogen-System 1 mit einem Gehäuse 6, an dem ein C-Bogen 7 befestigt ist. Am C-Bogen 7 befinden sich endständig ein Strahler 2 und gegenüberliegend ein Flachdetektor 3. Die Bewegungen des C-Bogens 7 mit der Strahler-Detektor-Anordnung 2, 3 wird durch eine Recheneinheit 10 gesteuert. An dieser Recheneinheit 10 ist auch ein 3D-Drucker 4 angeschlossen, mit dem Nachbildungen von Knochenfragmenten erzeugt werden können. Weiterhin ist am C-Bogen 7 auch ein optisches Erfassungssystem 5, hier in Gestalt einer Kamera angeordnet, durch welches die Lage und Position von optisch markierten Nachbildungen von Knochenfragmenten möglich ist. Für den zu operierenden Patienten ist eine Patientenliege 8 vorgesehen, auf der auch die zu einem Knochenmodell reponierten nachgebildeten Knochenfragmente durch das optische Erfassungssystem 5 optisch erfasst werden können.
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Die Recheneinheit 10 verfügt über mindestens einen Speicher 9, in dem Programmcode Prg1–Prgn gespeichert ist, der im Betrieb ausgeführt wird, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. In diesem Rahmen kann die Recheneinheit 10 auch die Strahler-Detektor-Anordnung 2, 3, 7 in gewünschter Weise steuern, Rekonstruktionen auf der Basis zuvor gewonnener Abtastungen ausführen, Knochenfragmente segmentieren und deren Nachbildung am 3D-Drucker initialisieren. Weiterhin empfängt diese Recheneinheit 10 auch Daten vom optischen Erfassungssystem 5, so dass die Position und Lage von nachgebildeten Knochenfragmenten im reponierten Knochenmodell bestimmt werden können. Alternativ zu dem hier dargestellten optischen Erfassungssystem 5 kann auch ein elektromagnetisches Erfassungssystem verwendet werden, mit dem ebenfalls nachgebildete Knochenfragmente bezüglich deren Position und Lage bestimmt werden können. In diesem Zusammenhang wird auch darauf hingewiesen, dass es auch möglich ist die Position und Lage der Knochenfragmente ohne zusätzliches Erfassungssystem zu bestimmen, wenn an den Knochenfragmenten röntgenoptische Markierungen angebracht werden und diese vom C-Bogen 7 gescannt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren soll an Hand eines in den 2 und 3 dargestellten Beispieles näher beschrieben werden. Die 2 zeigt unter a) eine CT-Aufnahme einer Mehrfragment-Fraktur eines menschlichen Knochens K in schematischer Darstellung. Zu erkennen ist der eigentliche Knochen, der im mittleren Bereich mit drei Knochenfragmenten aufgesplittert ist, so dass im Bild insgesamt 5 Knochenfragmente F1 bis F5 erkennbar sind. Bei dem Knochenfragment F1 handelt es sich dabei um das proximale Knochenfragment, welches in seiner Position und Lage als mit dem Körper des Patienten fixiert angesehen werden kann, während die Knochenfragmente F2 bis F5 aufgrund eines Traumas beliebig angeordnet sein können und keine feste Verbindung mehr zum proximalen Teil des Knochens aufweisen.
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Erfindungsgemäß werden die einzelnen Knochenfragmente F1 bis F5 segmentiert und mit Hilfe eines 3D-Druckers jeweils nachgebildet, so dass die unter b) gezeigten Nachbildungen F1’ bis F5’ in separaten Einzelteilen vorliegen. Zusätzlich sind allerdings an den Knochenfragmenten optische Markierungen M angebracht, deren Positionierungen in Relation zum jeweiligen Knochenfragment bekannt sind. Das Anbringen der Markierungen M kann beispielsweise bereits bei der Nachbildung durch den 3D-Drucker geschehen. Alternativ kann auch bei der Nachbildung eine entsprechende Aussparung zum Einlegen von optischen, elektromagnetischen oder auch röntgenoptischen Markierungen gebildet werden, in welche dann die entsprechenden Markierungen eingelegt werden.
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Der Operateur kann nun die Knochenfragmente F1 bis F5 in Art eines dreidimensionalen Puzzlespieles in anatomisch korrekter Weise zusammensetzen und damit ein anatomisch korrektes Knochenmodell KM erzeugen, wie es unter c) in der 2 gezeigt wird. Das Knochenmodell KM kann nun durch das optische Erfassungssystem erkannt werden, wobei mit Hilfe der an den Knochenfragmenten angebrachten optischen Markierungen die Position und Lage der Knochenfragmente F1’ bis F5’ relativ zueinander bestimmt werden können.
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Somit sind dem Rechensystem aufgrund der anfänglichen CT-Darstellung die anfänglichen am Patienten vorliegenden Positionen und Lagen der Knochenfragmente F1 bis F5 bekannt. Außerdem sind die - anatomisch korrekten Positionen und Lagen der nachgebildeten Knochenfragmente F1’ bis F5’ aus dem Knochenmodell KM bekannt. Zur präoperativen Planung werden nun die linearen Transformationen und Rotationen bestimmt, die nötig sind, die Knochenfragmente F1 bis F5 in die gleichen relativen Positionen und Lagen zu bringen, wie sie die nachgebildeten Knochenfragmente F1’ bis F5’ relativ zueinander einnehmen. Hierbei kann eines der Knochenfragmente, vorteilhaft ist dies das proximal gelegene Knochenfragment F1, und dessen Nachbildung F1’ als Referenz genommen werden. Die distal gelegenen Knochenfragmente F2 bis F5 werden dann entsprechend den berechneten Translationen und Rotationen reponiert.
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In der 3 sind die drei linearen Translationsvektoren T2, T3 und T4 und die zugehörigen Rotationswinkel R2, R3 und R4 für jedes Knochenfragment F2 bis F4 dargestellt, wobei das distale Knochenfragment F5 unverändert bleibt.
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In vielen Fällen einer solchen Mehrfragmentfraktur ist es zusätzlich notwendig die Knochenfragmente durch entsprechende Hilfsmittel zu fixieren, damit der Heilungsprozess nicht durch ungewollte Bewegungen der Knochenfragmente gestört wird. Hierzu ist es notwendig, dass mit dem C-Bogen-System projektive Aufnahmen mit einer vorgegebenen Trajektorie gefertigt werden und/oder, dass Instrumente oder Geräte unter einer vorgegebenen Richtung am Knochen angesetzt werden. Um dieses zu bewerkstelligen, kann am Knochenmodell KM, wie es in der 4 gezeigt wird, ein Richtungsanzeiger, hier ein einfacher zylindrischer Stab S, angebracht werden. Das Erfassungssystem kann nun die hierdurch vorgegebene Trajektorie T erfassen und auf Anweisung ein Instrument oder wie hier gezeigt die Strahler-Detektor-Anordnung mit dem Fokus des Strahlers 2 und dem gegenüberliegenden Detektor 3 bezüglich seiner Strahlrichtung ausrichten, so dass der Mittelstrahl der vorgegebenen Trajektorie T entspricht.
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Insgesamt werden also mit der Erfindung ein Verfahren und eine Recheneinheit mit einem Programmcode zur präoperativen Planung eines auszuführenden chirurgischen Eingriffes nach einer Mehrfragmentfraktur eines Knochens vorgeschlagen, wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- – Übernahme einer 3D-Darstellung des in Knochenfragmente frakturierten Knochens,
- – Segmentierung der einzelnen Knochenfragmente,
- – Erzeugung einer physischen Nachbildung der segmentierten Knochenfragmente,
- – Reponierung der nachgebildeten Knochenfragmente zu einem anatomisch korrekten Knochenmodell,
- – Bestimmung der relativen Lage der reponierten Position und Lage der nachgebildeten Knochenfragmente im reponierten Zustand,
- – Bestimmung des relativen linearen Versatzes und der relativen Drehung zwischen den nachgebildeten Knochenfragmente im Knochenmodell und den entsprechenden Knochenfragmenten in der 3D-Darstellung,
- – Erstellung und Ausgabe oder Speicherung eines Operationsplanes, in welchem der relative Versatz und die relative Drehung zur Reponierung für jedes der Knochenfragmente vorgegeben werden.
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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
- C-Bogen-System;
- 2
- Röntenröhre
- 3
- Detektor
- 4
- 3D-Drucker
- 5
- Erfassungssystem
- 6
- Gehäuse
- 7
- C-Bogen
- 8
- Patientenliege
- 9
- Speicher
- 10
- Recheneinheit
- F1–F5
- Knochenfragmente
- F1’–F5’
- nachgebildete Knochenfragmente
- K
- Knochen
- KM
- Knochenmodell
- M
- Markierungen
- Prg1–Prgn
- Programmcode
- R2, R3, R4
- Rotationswinkel
- S
- zylindrischer Stab
- T2, T3, T4
- Translationsvektoren
