DE102018116558A1

DE102018116558A1 - Medizintechnisches Instrumentarium und Verfahren

Info

Publication number: DE102018116558A1
Application number: DE102018116558.7A
Authority: DE
Inventors: Georg Hettich; Ronja Schierjott; Allan Maas; Christoph Schilling
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2020-01-09
Also published as: CN112513996A; EP3821439A1; WO2020011688A1; US20210128251A1; JP2021524337A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizintechnisches Instrumentarium und ein medizintechnisches Verfahren, bei dem auf Basis eines Ist-Zustand-Datensatzes eines als schadhaft angesehenen Knochens ein Planungsdatensatz für einen Operateur erstellt wird. Der Planungsdatensatz kann intraoperativ zur Verbesserung des Operationsergebnisses genutzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein medizintechnisches Instrumentarium zum Unterstützen eines Operateurs bei der Behandlung eines Knochens, insbesondere des menschlichen Beckenknochens, sowie ein medizintechnisches Verfahren.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Instrumentarium und ein Verfahren zum Einsatz bei der Behandlung eines hochgradige Defekte aufweisenden Knochens, zum Beispiel bei Revisionseingriffen in der Hüftendoprothetik, die nachfolgend als Beispiel für die Anwendung der Erfindung herangezogen wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sie eignet sich auch für die Anwendung außerhalb von Revisionseingriffen, bei denen insbesondere von vornherein schlechte Voraussetzungen an Vorhandensein und/oder Substanz oder Beschaffenheit des Knochens bestehen.
Im herkömmlichen Fall stellt die Revision eines Hüftimplantates, insbesondere der Ersatz einer künstlichen Hüftpfanne, bei Vorliegen von höhergradigen Knochendefekten für den Operateur nach wie vor eine große Herausforderung dar. Beispielsweise mangelt es bei fehlender Knochensubstanz im Bereich des Acetabulums intraoperativ an einer Orientierungshilfe für den Operateur, das Revisionsimplantat zu positionieren. Zwar kann der Operateur mit Hilfe von Vergleichen der krankhaften Seite des Beckenknochens mit der gesunden Seite des Beckenknochens, beispielsweise auf Röntgenaufnahmen, bei dem Revisionseingriff unterstützt werden. Umfassende Erfahrung des Operateurs bei Revisionsoperationen ist hilfreich und von Vorteil. Jedoch tritt in der Praxis der Fall auf, dass es selbst erfahrenen Operateuren aufgrund fehlender anatomischer Landmarken des Beckenknochens an der erforderlichen Orientierung fehlt und dadurch das Implantationsergebnis beeinträchtigt wird. Beispielsweise führt die Anwendung der herkömmlichen „Sloof-Technik“ häufig zu einer zu weit lateralen Position des Revisionsimplantates.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein den Operateur unterstützendes Instrumentarium und ein Verfahren bereitzustellen, um den Operateur bei der Behandlung des Knochens im Hinblick auf ein besseres Ergebnis, insbesondere bei einer Revisionsoperation in der Hüftendoprothetik, zu unterstützen.
Diese Aufgabe wird durch ein medizintechnisches Instrumentarium gelöst, umfassend mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung, die ausgebildet und programmiert ist, einen Ist-Zustand-Datensatz eines als schadhaft angesehenen Knochens eines Patienten, insbesondere des menschlichen Beckenknochens, basierend auf Untersuchungsdaten zu erstellen;
rechnerisch einen Gesundzustand-Datensatz des Knochens anhand des Ist-Zustand-Datensatzes zu erstellen;
einen Planungsdatensatz des Knochens zu erstellen, auf Basis des Gesundzustand-Datensatzes, der anatomischen Gegebenheiten (insbesondere der Beckenneigung im Stand) und Anweisungen des Operateurs im Hinblick auf eine Behandlung des Knochens, welche Anweisungen über eine Eingabeeinrichtung des Instrumentariums bereitstellbar sind, wobei der Planungsdatensatz insbesondere Informationen über charakteristische anatomische Merkmale des Knochens umfasst;
den Planungsdatensatz an einer Anzeigeeinrichtung des Instrumentariums darzustellen;
wobei das Instrumentarium ein medizintechnisches Navigationssystem und eine von diesem erfassbare, am Knochen festgelegte oder festlegbare Markiereinrichtung zur Definition einer Referenz umfasst, wobei Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung vom Navigationssystem bereitstellbar sind; und wobei der Planungsdatensatz von mindestens einer Datenverarbeitungseinrichtung an der Anzeigeeinrichtung in räumlicher Beziehung, unter Zuordnung charakteristischer Landmarken des Knochens zu korrespondieren charakteristischen Landmarken im Planungsdatensatz, zum Knochen darstellbar ist.
Beim erfindungsgemäßen Instrumentarium besteht der Vorteil für den Operateur insbesondere darin, dass abweichend von herkömmlichen Szenarien eine Verknüpfung einer präoperativen Planung mit einer intraoperativen Anwendung erfolgt und der Operateur dadurch, beispielsweise über einen Workflow softwareseitig implementiert, intraoperativ anhand von Informationen unterstützt werden kann, die in die Planung des Eingriffes eingeflossen sind. Im Bereich der intraoperativen Durchführung besteht insbesondere der Vorteil, dass die Planung des Eingriffes im Hinblick auf dessen Verbesserung überprüft und erforderlichenfalls angepasst werden kann.
Das Instrumentarium umfasst mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung, wobei deren mehrere vorgesehen sein können, die bei unterschiedlichen Planungsschritten zum Einsatz kommen können. Eine Datenverarbeitungseinrichtung ist so ausgebildet und programmiert, dass sie Untersuchungsdaten des zu behandelnden Knochens heranzieht, beispielsweise auf Basis von Röntgenaufnahmen und/oder CT-Aufnahmen. Es wird ein Ist-Zustand-Datensatz des „schlechten“ Knochens erstellt, wobei Datensätze im vorliegenden Fall vorzugsweise eine dreidimensionale Repräsentation des Knochens umfassen. Rechnerisch kann die Datenverarbeitungseinrichtung einen Gesundzustand-Datensatz des Knochens erstellen. Hierbei können zum Beispiel statistische Formmodelle herangezogen werden. Von Vorteil ist die Erzeugung des Ist-Zustand-Datensatzes patientenindividuell anstelle der Nutzung eines generischen Standard-Datensatzes für den Knochen. Im Anschluss daran kann unter Berücksichtigung von Planungsanweisungen des Operateurs ein Planungsdatensatz erstellt werden. Dieser kann insbesondere klinisch relevante Informationen umfassen, im Fall der Hüftendoprothetik zum Beispiel die Lage der Ebene des Acetabulums, das Rotationszentrum und/oder die Achse des Acetabulums. Der Planungsdatensatz kann vorteilhafterweise alternativ oder ergänzend Empfehlungen und/oder Hinweise für den Operateur für den Eingriff aufweisen, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Intraoperativ kann am Knochen mittels der Markiereinrichtung, die vom Navigationssystem in an sich bekannter Weise erfassbar ist, eine Referenz am Knochen geschaffen werden. Charakteristische Landmarken des Knochens können charakteristischen Landmarken des Planungsdatensatzes zugeordnet werden. Dies erlaubt es, die visuelle Information des Planungsdatensatzes in definierter räumlicher Beziehung zum Knochen an der Anzeigeeinrichtung des Instrumentariums darzustellen. Der Operateur erhält auf diese Weise eine visuelle Unterstützung im Sinne einer augmentierten Wirklichkeit (AR, augmented reality). Hierbei besteht beispielsweise die Möglichkeit, einer Darstellung des realen Knochens die berechnete Darstellung des Knochens im Planungsdatensatz an der Anzeigeeinrichtung optisch zu überlagern. Durch die Verfolgung der Markiereinrichtung mittels des Navigationssystems können Änderungen der Lage des Knochens im OP-System festgestellt werden. Da der Knochen im Referenzsystem der Markiereinrichtung hinsichtlich Lage und Geometrie bekannt ist, können Planungsdaten bei einer Bewegung des Knochens rechnerisch am Knochen „angeheftet“ bleiben und entsprechende visuelle Informationen für den Operateur an der Anzeigeeinrichtung vorzugsweise dauerhaft zur Verfügung gestellt werden.
Die Darstellung der Bildinhalte des Planungsdatensatzes an der Anzeigeeinrichtung erfolgt vorzugsweise in Echtzeit relativ zum Patienten, um dem Operateur den Eingriff zu erleichtern.
Günstig ist es, wenn das Navigationssystem mindestens eine Kamera zum Erfassen des Knochens umfasst und diesbezügliche Aufnahmen an der Anzeigeeinrichtung in Kombination mit der Darstellung des Planungsdatensatzes darstellbar sind. Der Bildinhalt des Planungsdatensatzes kann auf diese Weise optisch den Aufnahmen des Knochens zugeordnet werden, beispielsweise über diese gelegt werden oder in diese integriert werden. Planungsinformationen, anhand derer der Operateur insbesondere den gesunden Zustand des Knochens mit beispielsweise klinisch relevanten Parametern im Verhältnis zum kranken Ist-Zustand des Knochens vergleichen kann, können auf diese Weise besonders intuitiv vom Operateur wahrgenommen werden.
Das Navigationssystem ist oder umfasst beispielsweise ein Head-mounted-Display, das die Anzeigeeinrichtung umfasst. Dies bietet den Vorteil, dass der Operateur, ohne den Blick vom Operationsfeld auf eine räumlich entfernt positionierte Anzeigeeinrichtung richten zu müssen, den Bildinhalt des Planungsdatensatzes im Sichtfeld angezeigt bekommen kann. Dieser Bildinhalt kann so dargestellt werden, dass er visuell unter Zuordnung korrespondierender charakteristischer Landmarken beispielsweise über dem Knochen liegt. Die vorstehend erwähnte Kamera kann beispielsweise in diesem Fall eingespart werden.
Dieselben Vorteile können bei einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erzielt werden, dass das Navigationssystem eine Datenbrille ist oder umfasst, die die Anzeigeeinrichtung umfasst.
Günstig ist es, wenn am Display oder an der Datenbrille eine vom Navigationssystem erfassbare Markiereinrichtung angeordnet ist, deren Bewegung im Raum verfolgt wird, wobei die Darstellung des Planungsdatensatzes abhängig von der Lage und/oder Orientierung des Displays bzw. der Datenbrille erfolgt. Auf diese Weise kann die Zuordnung der Bildinhalte des Planungsdatensatzes zum Knochen vorgenommen werden, wenn der Operateur sich mit dem Display oder der Brille bewegt. Die Bewegung kann vom Navigationssystem verfolgt werden. Der Datenverarbeitungseinrichtung kann eine diesbezügliche Information übermittelt werden. Je nach Blickrichtung des Operateurs kann der Bildinhalt derart angepasst werden, dass er insbesondere mit demjenigen Bildinhalt des realen Knochens übereinstimmt, den der Operateur sieht (beispielsweise Blickrichtung auf den Knochen, Abschnitt des Knochens etc.).
Von Vorteil ist es, wenn das Display oder die Datenbrille das Navigationssystem ausbildet zum Erfassen der Markiereinrichtung am Knochen. Ein gesondertes medizintechnisches Navigationssystem kann auf diese Weise eingespart werden. Ein Messsystem des Navigationssystems zur Erzeugung der Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung kann physisch in das Display oder die Datenbrille integriert sein. Alternativ oder ergänzend ist mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung vorzugsweise in das Display oder die Datenbrille integriert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Instrumentariums kann vorgesehen sein, dass dieses ein handhaltbares integriertes Navigationssystem umfasst, das mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung und die Anzeigeeinrichtung umfasst, beispielsweise in Gestalt eines Smartphones oder Tablet-Computers. „Integriert“ kann beispielsweise dahingehend aufgefasst werden, dass die Datenverarbeitungseinrichtung und die Anzeigeeinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Ferner weist das Instrumentarium bevorzugt eine Kamera zum Erfassen der Markiereinrichtung und des Knochens auf. Diesbezügliche Aufnahmen können an der Anzeigeeinrichtung dargestellt und mit den Bildinhalten des Planungsdatensatzes angereichert werden. Das Messsystem zur Bestimmung der Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung ist vorzugsweise ebenfalls in das handhaltbare Navigationssystem integriert.
Von Vorteil ist es, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und programmiert ist, Abweichungen zwischen dem Ist-Zustand-Datensatz und dem Gesundzustand-Datensatz zu ermitteln.
Von Vorteil ist es dabei insbesondere, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und programmiert ist, Abweichungen im Hinblick auf mindestens eines der Folgenden zu klassifizieren:

- Knochenschwund des schadhaften Knochens gegenüber dem rekonstruierten gesunden Knochen;
- Knochenzuwachs des schadhaften Knochens gegenüber dem rekonstruierten gesunden Knochen;
- von Knochen unterschiedliches Material am schadhaften Knochen, zum Beispiel Knochenersatzmaterial oder Knochenzement;
- die Menge oder den Grad der Abweichung, beispielsweise die Größe des Knochendefektes bzw. dessen Ausdehnung in mindestens einer Raumrichtung;
- den Ort der Abweichung, beispielsweise die Position des Knochendefektes am Knochen.

Vorteilhafterweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und programmiert, eine Klassifikation segmentweise am Knochen vorzunehmen. Hierunter kann vorliegend insbesondere verstanden werden, dass der Knochen rechnerisch segmentiert werden kann, beispielsweise in klinisch relevante Sektoren. Die klinische Relevanz kann von dem vorzunehmenden Eingriff abhängen, wobei die Sektoren bei unterschiedlichen Eingriffen eine höhere oder geringere Relevanz aufweisen können. Die Segmentierung der Klassifikation bietet für den Operateur beispielsweise den Vorteil, sich bei der Planung nicht in Details zu verlieren, sondern strukturiert und systematisch vorzugehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und programmiert, abhängig von der Klassifikation Hinweise insbesondere an der Anzeigeeinrichtung bereitzustellen und/oder dem Planungsdatensatz für die Durchführung der Operation Hinweise hinzuzufügen. Dies unterstützt den Operateur bei der Planung und/oder Durchführung der Operation.
Hinweise können beispielsweise die Implantationstechnik betreffen, zum Beispiel die Art der Implantation, einen Vorschlag für den Knochenaufbau (beispielsweise die Nutzung porösen Metallschaums, von Knochenersatzmaterial, Knochenzement oder Entnahme von Knochen an anderer Stelle und Einbringung in den zu behandelnden Knochen).
Alternativ oder ergänzend können sich die Hinweise zum Beispiel auf die Implantatauswahl beziehen, beispielsweise die Art des Implantates und/oder die Größe des Implantates.
Günstigerweise umfassen die Planungsdaten mindestens einen für die Operation am Knochen relevanten Parameter, beispielsweise die Lage einer charakteristischen Ebene, einer charakteristischen Achse und/oder eines charakteristischen Punktes in Bezug auf den Knochen im Planungsdatensatz. Die charakteristischen Parameter, die insbesondere als klinisch relevant angesehen werden können, können bei der Durchführung des Eingriffes beispielsweise über augmented reality den tatsächlichen, vom Operateur betrachteten oder mittels Aufnahmen an der Anzeigeeinrichtung dargestellten Knochen visuell überlagern. Bei einer Hüftoperation können als relevante Parameter beispielsweise die Ebene des Acetabulums, die Achse des Acetabulums oder das Rotationszentrum dem Planungsdatensatz hinzugefügt werden.
Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und programmiert, das Operationsergebnis auf Basis der Planungsdaten zu simulieren und dem Operateur diesbezügliche Informationen bereitzustellen. Beispielsweise kann im Rahmen der Simulation die mechanische Stabilität des Knochens bei einer Implantation abgeschätzt werden. Hierzu kann die Datenverarbeitungseinrichtung zum Beispiel eine Finite-Elemente-Berechnung auf Basis der Planungsdaten durchführen.
Zum Erfassen der charakteristischen Landmarken des Knochens intraoperativ kann beispielsweise eine Ultraschallsonde vorgesehen sein, an der eine vom Navigationssystem erfassbare Markiereinrichtung festgelegt ist.
Alternativ oder ergänzend kann ein Palpationswerkzeug zu demselben Zweck vorgesehen sein, an dem eine vom Navigationssystem erfassbare Markiereinrichtung festgelegt ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Navigationssystem mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung umfasst oder ausbildet oder umgekehrt.
Die Erstellung des Ist-Zustand-Datensatzes, des Gesundzustand-Datensatzes und des Planungsdatensatzes kann beispielsweise von derselben Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt werden wie die intraoperative Nutzung des Planungsdatensatzes. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Planungsdaten zur intraoperativen Nutzung auf eine unterschiedliche Datenverarbeitungseinrichtung übertragen werden.
Zumindest zwei der folgenden Aufgaben sind mittels derselben Datenverarbeitungseinrichtung oder mittels unterschiedlicher Datenverarbeitungseinrichtungen durchführbar:

- Erstellen des Ist-Zustand-Datensatzes;
- Erstellen des Gesundzustand-Datensatzes;
- Erstellen des Planungsdatensatzes;
- Darstellen des Planungsdatensatzes an der Anzeigeeinrichtung.

Wie eingangs erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren.
Die eingangs genannte Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes medizintechnisches Verfahren gelöst, bei dem:

ein Ist-Zustand-Datensatz eines als schadhaft angesehenen Knochens eines Patienten, insbesondere des menschlichen Beckenknochens, basierend auf Untersuchungsdaten erstellt wird;
rechnerisch ein Gesundzustand-Datensatz des Knochens anhand des Ist-Zustand-Datensatz erstellt wird;
ein Planungsdatensatz des Knochens erstellt wird, auf Basis des Gesundzustand-Datensatzes und Anweisungen des Operateurs im Hinblick auf eine Behandlung des Knochens, welche Anweisungen über eine Eingabeeinrichtung des Instrumentariums bereitstellbar sind, wobei der Planungsdatensatz insbesondere Informationen über charakteristische anatomische Merkmale des Knochens umfasst;
wobei der Planungsdatensatz an einer Anzeigeeinrichtung darstellbar ist; wobei mit einem medizintechnischen Navigationssystem eine am Knochen festgelegte Markiereinrichtung zur Definition einer Referenz erfasst und Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung vom Navigationssystem bereitgestellt werden;
und der Planungsdatensatz an der Anzeigeeinrichtung in räumlicher Beziehung, unter Zuordnung charakteristischer Landmarken des Knochens zu korrespondieren charakteristischen Landmarken im Planungsdatensatz, zum Knochen dargestellt wird.

Die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des erfindungsgemäßen Instrumentariums erwähnt wurden, können bei der Ausübung des Verfahrens ebenfalls erzielt werden. Diesbezüglich kann auf die voranstehenden Erläuterungen verwiesen werden.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Instrumentariums. Diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Die beschriebenen Instrumentarien erlauben die Durchführung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigen:

1: eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Instrumentariums in Anwendung durch einen Operateur bei einem Patienten mit einem zu behandelnden Knochen, bei dem es sich vorliegend um den Beckenknochen handelt;
2: eine grafische Repräsentation des Bildinhaltes eines Ist-Zustand-Datensatzes des Beckenknochens, gesehen von lateral;
3: eine grafische Repräsentation des Bildinhaltes eines Gesundzustand-Datensatzes des Beckenknochens, gesehen von lateral;
4: eine grafische Repräsentation des Bildinhaltes eines Planungsdatensatzes des Beckenknochens, gesehen von lateral;
5: eine schematische Teildarstellung einer eine Anzeigeeinrichtung aufweisenden Datenbrille für den Operateur, wobei ein Bildinhalt des Planungsdatensatzes dargestellt wird;
6: eine Darstellung entsprechend 5 mit andersartiger Darstellung des Bildinhaltes des Planungsdatensatzes; und
7: eine Darstellung entsprechend 1 bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Instrumentariums.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Instrumentariums. Darüber hinaus ist ein Operateur 12 bei der Behandlung eines auf einer Patientenliege 14 liegenden Patienten 16 dargestellt. Der Patient 16 unterzieht sich einem operativen Eingriff, insbesondere einer Revisionsoperation an einem Knochen 18. Bei dem Knochen 18 handelt es sich vorliegend um den Beckenknochen.
Die Zeichnung zeigt dementsprechend die Anwendung der Erfindung bei einer Revisionsoperation in der Hüftendoprothetik. Beispielsweise wird eine in der Zeichnung nicht dargestellte künstliche Hüftpfanne des Patienten 16 durch eine ebenfalls nicht dargestellte neue Hüftpfanne ersetzt. Der Knochen 18 weist insgesamt Knochendefekte auf, die dem Operateur 12 den Eingriff erschweren.
Um dem Operateur 12 den Eingriff im Hinblick auf ein besseres Operationsergebnis zu erleichtern, kann dieser die vorliegende Erfindung anwenden.
Das Instrumentarium 10 umfasst ein medizintechnisches Navigationssystem 20, das bei der vorliegenden Ausführungsform ein optisches Messsystem 22 aufweist. Das Messsystem 22 steht mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 24 des Navigationssystems 20 in Wirkverbindung.
Mit dem Messsystem 22 kann eine medizintechnische Markiereinrichtung 26 in an sich bekannter Weise erfasst werden. Die Datenverarbeitungseinrichtung 24 kann diesbezügliche Lage- und/oder Positionsdaten an die Datenverarbeitungseinrichtung 24 übertragen. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, die Markiereinrichtung 26 im Raum zu verfolgen.
Im vorliegenden Fall ist die Markiereinrichtung 26 zur Definition einer Referenz am Knochen 18 festgelegt, beispielsweise durch Verschraubung oder Verklebung. Alternativ ist eine nicht-invasive Anbringung einer medizintechnischen Markiereinrichtung am Knochen 18 denkbar.
Das Instrumentarium 10 umfasst ferner eine weitere Markiereinrichtung 28. Die Markiereinrichtungen 26, 28 können vom Navigationssystem 20 unterschieden werden. Die Markiereinrichtung 28 ist vorliegend an einer Ultraschallsonde 30 gehalten. Mittels der Ultraschallsonde 30 können charakteristische Landmarken des Knochens 18 nicht-invasiv erfasst und dadurch im Bezugssystem der Markiereinrichtung 26 lokalisiert werden.
Als charakteristische Landmarken des Knochens 18 können beispielsweise die Darmbeinstachel und das Schambein zur Definition der Beckeneingangsebene im Referenzsystem bestimmt werden. Denkbar ist selbstverständlich auch die Nutzung anderer oder weiterer charakteristischer Landmarken, die Aufschluss über die Lage und Orientierung des Knochens 18 im Raum liefern.
Anstelle der navigierten Ultraschallsonde 30 kann zum Ertasten charakteristischer Landmarken beispielsweise ein nicht dargestelltes Palpationswerkzeug mit einer Tastspitze eingesetzt werden, an dem eine Markiereinrichtung gehalten ist.
Die Markiereinrichtungen 26, 28 können passiv und insbesondere retroreflektierend für vom Messsystem 22 ausgesandte Strahlung sein. Denkbar ist auch die Nutzung aktiver Markiereinrichtungen.
Das Instrumentarium 10 umfasst ferner eine vom Operateur 12 tragbare Datenbrille 32. Alternativ oder ergänzend kann ein Head-mounted-Display, am Kopf des Operateurs 12 tragbar, vorgesehen sein, zum Beispiel in Gestalt einer VR-Brille.
Die Datenbrille 32 weist vorliegend ein herkömmliches Brillengestell auf, mit Bügeln 34 zum Auflegen auf den Ohren und einem Steg 36 zum Auflegen auf der Nase des Operateurs 12. Es kann vorgesehen sein, dass die Datenbrille 32 optische Gläser umfasst. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich.
Durch die Datenbrille 32 hindurch kann der Operateur 12 die Szene beobachten. Ein durch gestrichelte Linien 38 in 1 gekennzeichneter Bereich symbolisiert ein Sichtfeld 40 des Operateurs 12. Das Sichtfeld 40 ist vorliegend auf den Knochen 18 gerichtet.
Die Datenbrille 32 weist vorliegend eine Anzeigeeinrichtung 42 auf. Die Anzeigeeinrichtung 42 ist derart an der Datenbrille 32 angeordnet, dass Bildinhalte der Anzeigeeinrichtung 42 vom Operateur 12 beim natürlichen Betrachten einer Szene wahrgenommen werden können. Die Bildinhalte werden daher derart eingeblendet, dass sie innerhalb des Sichtfeldes 40 liegen. Dies bietet die Möglichkeit, dem Operateur 12 Informationen an der Anzeigeeinrichtung 42 darzustellen, die über die von ihm betrachtete Szene gelegt werden, im Sinne einer augmentierten Realität (AR, Augmented Reality).
Zum Bereitstellen der Bildinhalte an der Anzeigeeinrichtung 42 ist beispielsweise die Datenverarbeitungseinrichtung 24 vorgesehen. Beispielsweise werden Informationen betreffend die Bildinhalte von der Datenverarbeitungseinrichtung 24 über korrespondierende Kommunikationsglieder 44, 46 vorzugsweise kabellos an die Datenbrille 32 übertragen.
Vorzugsweise ist denkbar, dass die Datenbrille 32 eine eigenständige Datenverarbeitungseinrichtung 48 aufweist, die in einer Kommunikationsverbindung mit der Datenverarbeitungseinrichtung 24 steht, wobei die Anzeigeeinrichtung 42 von der Datenverarbeitungseinrichtung 48 angesteuert werden kann.
Die Datenbrille 32 weist vorliegend eine vom Messsystem 22 erfassbare Markiereinrichtung 50 auf. Dies bietet die Möglichkeit, die Lage und Orientierung der Datenbrille 32 mittels des Navigationssystems 22 zu bestimmen. Dies erlaubt es insbesondere festzustellen, in welche Richtung das Sichtfeld 40 des Operateurs 12 gerichtet ist. Infolgedessen kann das Sichtfeld 40 in Beziehung mit dem von der Markiereinrichtung 26 definierten Referenzsystem gebracht werden.
Betrachtet der Operateur 12 beispielsweise den Knochen 18, liegt dieser im Sichtfeld 40. Augmented-Reality-Informationen in Bezug auf den Knochen 18 können wie nachfolgend erläutert an der Anzeigeeinrichtung 42 derart dargestellt werden, als befänden sie sich am Knochen 18 selbst oder an der Stelle des Knochens 18. Alternativ oder ergänzend ist die Möglichkeit gegeben, Augmented-Reality-Informationen so an der Anzeigeeinrichtung 42 darzustellen, dass der Operateur 12 sie zusammen mit dem Knochen 18 wahrnehmen und „betrachten“ kann, zum Beispiel seitlich neben dem Knochen 18, über oder unter diesem etc.
7 zeigt eine mit dem Bezugszeichen 100 belegte vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Instrumentariums, bei dem das Navigationssystem 20 durch die Datenbrille 32 ausgebildet wird und abweichend vom Instrumentarium 10 kein räumlich gesondertes Navigationssystem 20 vorhanden ist. Auf das Instrumentarium 100 wird nachfolgend noch eingegangen.
Mit der Datenverarbeitungseinrichtung 24 oder einer weiteren Datenverarbeitungseinrichtung des erfindungsgemäßen Instrumentariums 10 kann präoperativ eine Planung des Eingriffes durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann zunächst insbesondere ein Ist-Zustand-Datensatz des Knochens 18 erstellt werden, basierend auf Untersuchungsdaten. Die Untersuchungsdaten beruhen beispielsweise auf Röntgenaufnahmen oder CT-Bildern.
2 zeigt in einer Sicht von lateral den Bildinhalt des Ist-Zustand-Datensatzes 52 des hier mit dem Bezugszeichen 18' belegten Knochens. Der Ist-Zustand-Datensatz weist vorzugsweise, wie auch die weiteren vorliegend erwähnten Datensätze, eine 3D-Repräsentation des Knochens auf.
Im Ist-Zustand-Datensatz kann der Operateur 12 zunächst visuell die Beschaffenheit des Knochens 18 feststellen und insbesondere einschätzen, inwieweit Knochendefekte vorliegen.
2 kennzeichnet in einem mittels Punkten hervorgehobenen Areal 54 Abschnitte des Knochens 18 mit Knochendefekten. Es versteht sich, dass weitere Areale 54 mit Knochendefekten am Ist-Zustand-Datensatz 52 vorhanden und dargestellt werden könnten, zum Beispiel wenn dieser in drei Dimensionen untersucht wird.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 24 ist ausgebildet und programmiert, auf Basis des Ist-Zustand-Datensatzes einen Gesundzustand-Datensatz des Knochens 18 rechnerisch zu erstellen. Hierbei werden statistische Modelle herangezogen. Berücksichtigt werden können insbesondere auch das Geschlecht, das Alter, das Gewicht, die Größe, die Anamnese und/oder der soziokulturelle Hintergrund des Patienten 14.
3 zeigt eine zweidimensionale Darstellung des Gesundzustand-Datensatzes 56 des hier mit dem Bezugszeichen 18' belegten Knochens in einer Ansicht von lateral.
Vorteilhaft ist es, dass der Gesundzustand-Datensatz 56 patientenindividuell errechnet werden kann und nicht auf einen generischen Datensatz zurückgegriffen werden muss.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 24 ist so ausgebildet und programmiert, dass sie Abweichungen zwischen dem Ist-Zustand-Datensatz 52 und dem Gesundzustand-Datensatz 56 rechnerisch bestimmen kann. Dabei kann insbesondere eine Klassifikation der Abweichungen vorgenommen werden, beispielsweise in Bezug auf Knochenschwund, Knochenzuwachs, von Knochen unterschiedliches Material, wie etwa Knochenersatzmaterial oder Knochenzement, Menge oder Grad der Abweichung sowie Ort der Abweichung.
Die Klassifikation der Abweichungen kann von der Datenverarbeitungseinrichtung 24 beispielsweise segmentweise am Knochen 18 vorgenommen werden. Beispielsweise wird rechnerisch der Knochen 18 in klinisch relevante Sektoren unterteilt. 4 stellt dies schematisch dar, am Beispiel von Sektoren 58, 60 und 62, die jeweils unterschiedlich in der grafischen Repräsentation hervorgehoben sind.
4 stellt einen bei der Planung der Operation erstellten Planungsdatensatz 64 mit Blickrichtung von lateral auf den vorliegend mit dem Bezugszeichen 18"' belegten Knochen dar. Zum Erstellen des Planungsdatensatzes 64 werden beispielsweise die anhand der Klassifikation bestimmten Knochendefekte der Sektoren 58, 60 und 62 berücksichtigt. Insbesondere besteht die Möglichkeit für den Operateur, die Planung unter Nutzung einer Eingabeeinrichtung 66 des Instrumentariums 10 vorzunehmen. Dabei kann der Operateur 12 den Planungsdatensatz 64 im Hinblick auf ein optimales Implantationsergebnis nutzen, anpassen und auswerten.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 24 kann dem Operateur 12 beispielsweise abhängig von der Klassifikation der Knochendefekte Hinweise bezügliche der Implantationstechnik und/oder der Implantatauswahl unterbreiten. Die Hinweise können dem Planungsdatensatz 64 hinzugefügt und/oder an einer beispielhaft dargestellten Anzeigeeinrichtung 68 dargestellt werden.
Denkbar ist insbesondere auch, dass dem Planungsdatensatz 64 relevante Parameter, die von Bedeutung für den Eingriff sind, hinzugefügt werden. Relevante Parameter sind beispielsweise die Lage der Ebene des Acetabulums 70, die Lage der Achse des Acetabulums 70 und/oder die Lage des Rotationszentrums. Präoperativ kann der Operateur 12 mit dem erfindungsgemäßen Instrumentarium interagieren, um beispielsweise diese relevanten Parameter im Planungsdatensatz 64 zu überprüfen, oder die Datenverarbeitungseinrichtung 64 kann entsprechende Vorschläge unterbreiten.
Zur intraoperativen Nutzung kann der Planungsdatensatz 64 erforderlichenfalls auf eine Datenverarbeitungseinrichtung im Operationsraum übertragen werden. Anderenfalls kann der an der Datenverarbeitungseinrichtung 24 erstellte Planungsdatensatz 64 genutzt werden.
Der Operateur 12 kann wie beschrieben charakteristische Landmarken des Knochens 18 festlegen, deren Lage im Referenzsystem der Markiereinrichtung 26 bestimmt werden können. Der Blick des Operateurs 12 ist beispielsweise auf den Knochen 18 gerichtet, erfassbar vom Navigationssystem 20. In die vom Operateur 12 beobachtete reale Szene kann ein Bildinhalt des Planungsdatensatzes 64 eingeblendet werden, um den Operateur 12 beim Eingriff zu unterstützen. Dies ist in den 5 und 6 schematisch dargestellt.
Die Zuordnung der charakteristischen Landmarken des realen Knochens 18 zu den korrespondierenden charakteristischen Landmarken des Knochens 18'" im Planungsdatensatz 64 kann rechnerisch von der Datenverarbeitungseinrichtung 24 vorgenommen werden. Die im Planungsdatensatz 64 enthaltene räumliche Information wird dadurch räumlich in Übereinstimmung mit der realen Geometrie des Knochens 18 gebracht und mit dieser in definierte räumliche Beziehung gesetzt.
Zusätzlich kann im Planungsdatensatz 64 weitere Information an der Anzeigeeinrichtung 42 angezeigt werden. 5 stellt dies beispielhaft für die verschiedenartigen Knochendefekte in den Sektoren 58, 60 und 62 dar. 6 zeigt beispielhaft schematisch die Lage der Ebene 72 des Acetabulums 70 sowie von dessen Achse 74. Die 5 und 6 symbolisieren mit Bezugszeichen 76 belegt weitere Inhalte des Planungsdatensatzes 64, ausgebildet als Anweisungen 76 zur Anleitung des Operateurs während des Eingriffs.
Der Operateur 12 kann die zusätzliche Information der augmentieren Realität nutzen und die reale Situation während der Operation mit der im Vorfeld vorgenommenen Planung im Hinblick auf ein optimales Operationsergebnis abgleichen.
Die Aktualisierung der Anzeigeeinrichtung 42 erfolgt vorzugsweise in Echtzeit, so dass die Bildinhalte der Anzeigeeinrichtung 42 über eine Bewegung des Operateurs 12 und/oder des Patienten 14 stets positionsgerecht angezeigt werden können.
Es versteht sich, dass die Darstellung der 5 und 6 nur schematisch ist. Die Darstellung des Planungsdatensatzes 64 und der Anweisungen 76 wird vom Operateur 12 so wahrgenommen, als befänden sich die dargestellten Bildinhalte innerhalb seines Sichtfeldes 40 an der korrekten Solllage, wobei der Operateur 12 lediglich durch die Anzeigeeinrichtung 42 hindurchblickt.
Die bereits erwähnte vorteilhafte Ausführungsform des Instrumentariums 100 in 7 kommt ohne externes Navigationssystem 20 aus. Insbesondere ist das Navigationssystem 20 in die Datenbrille 32 integriert oder wird von dieser ausgebildet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die Datenbrille 32 mit der Markiereinrichtung 50 versehen mittels eines Navigationssystems zu verfolgen.
Zum Erfassen der Markiereinrichtungen 26, 28 weist die Datenbrille 32 beim Instrumentarium 100 insbesondere ein integriertes Messsystem mit einer Kamera 102 auf, die anstelle der Navigationskamera 78 des Messsystems 22 zum Einsatz kommt.
Im Übrigen können die mittels des Instrumentariums 10 erzielbaren Vorteile beim Instrumentarium 100 ebenfalls erzielt werden, so dass diesbezüglich auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein integriertes, handhaltbares Navigationssystem vorgesehen sein, beispielsweise in Gestalt eines Smartphones oder eines Tablet-Computers. Dieses kann eine Kamera zum Erfassen der Szene aufweisen, wobei Aufnahmen der Szene an einer Anzeigeeinrichtung dargestellt werden können. Die Informationen des Planungsdatensatzes 64 können die Bildinhalte der Aufnahmen augmentieren und in entsprechender Weise wie bei den Instrumentarien 10, 100 genutzt werden.

Claims

Medizintechnisches Instrumentarium, umfassend mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48), die ausgebildet und programmiert ist, einen Ist-Zustand-Datensatz (52) eines als schadhaft angesehenen Knochens (18) eines Patienten (16), insbesondere des menschlichen Beckenknochens, basierend auf Untersuchungsdaten zu erstellen; rechnerisch einen Gesundzustand-Datensatz (56) des Knochens (18) anhand des Ist-Zustand-Datensatzes (52) zu erstellen; einen Planungsdatensatz (64) des Knochens (18) zu erstellen, auf Basis des Gesundzustand-Datensatzes (56) und Anweisungen des Operateurs (12) im Hinblick auf eine Behandlung des Knochens, welche Anweisungen über eine Eingabeeinrichtung (66) des Instrumentariums (10; 100) bereitstellbar sind, wobei der Planungsdatensatz (64) insbesondere Informationen über charakteristische anatomische Merkmale des Knochens (18) umfasst; den Planungsdatensatz (64) an einer Anzeigeeinrichtung (42, 68) des Instrumentariums (10; 100) darzustellen; wobei das Instrumentarium (10; 100) ein medizintechnisches Navigationssystem (20) und eine von diesem erfassbare, am Knochen (18) festgelegte oder festlegbare Markiereinrichtung (26) zur Definition einer Referenz umfasst, wobei Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung (26) vom Navigationssystem (20) bereitstellbar sind; und wobei der Planungsdatensatz (64) von mindestens einer Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) an der Anzeigeeinrichtung (42, 68) in räumlicher Beziehung, unter Zuordnung charakteristischer Landmarken des Knochens (18) zu korrespondieren charakteristischen Landmarken im Planungsdatensatz (64), zum Knochen (18) darstellbar ist.
Instrumentarium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Navigationssystem (20) mindestens eine Kamera (78, 102) zum Erfassen des Knochens (18) umfasst und diesbezügliche Aufnahmen an der Anzeigeeinrichtung (42, 68) in Kombination mit der Darstellung des Planungsdatensatzes (64) darstellbar sind.
Instrumentarium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Navigationssystem (20) ein Head-mounted-Display oder eine Datenbrille (32) umfasst, das bzw. die die Anzeigeeinrichtung (68) umfasst.
Instrumentarium nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Display oder an der Datenbrille (32) eine vom Navigationssystem (20) erfassbare Markiereinrichtung (50) angeordnet ist, deren Bewegung im Raum verfolgt wird, wobei die Darstellung des Planungsdatensatzes (64) abhängig von der Lage und/oder Orientierung des Displays bzw. der Datenbrille (32) erfolgt.
Instrumentarium nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Display oder die Datenbrille (32) das Navigationssystem (20) ausbildet zum Erfassen der Markiereinrichtung (26) am Knochen (18).
Instrumentarium nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrumentarium ein handhaltbares integriertes Navigationssystem umfasst, das mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung und die Anzeigeeinrichtung umfasst.
Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausgebildet und programmiert ist, Abweichungen zwischen dem Ist-Zustand-Datensatz (52) und dem Gesundzustand-Datensatz (56) zu ermitteln.
Instrumentarium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausgebildet und programmiert ist, Abweichungen im Hinblick auf mindestens eines der Folgenden zu klassifizieren: - Knochenschwund; - Knochenzuwachs; - von Knochen unterschiedliches Material, zum Beispiel Knochenersatzmaterial oder Knochenzement; - Menge oder Grad der Abweichung; - Ort der Abweichung.
Instrumentarium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausgebildet und programmiert ist, eine Klassifikation segmentweise am Knochen (18) vorzunehmen.
Instrumentarium nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausgebildet und programmiert ist, abhängig von der Klassifikation für den Operateur (12) Hinweise bezüglich mindestens eines der Folgenden insbesondere an der Anzeigeeinrichtung (42, 68) bereitzustellen und/oder dem Planungsdatensatz (64) hinzuzufügen: - Hinweise zur Implantationstechnik; - Hinweise zur Implantatauswahl.
Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planungsdatensatz (64) mindestens einen für die Operation am Knochen (18) relevanten Parameter umfasst, beispielsweise die Lage einer charakteristischen Ebene (72), einer charakteristischen Achse (74) und/oder eines charakteristischen Punktes in Bezug auf den Knochen (18) im Planungsdatensatz (64).
Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausgebildet und programmiert ist, das Operationsergebnis auf Basis der Planungsdaten zu simulieren und dem Operateur (12) diesbezügliche Informationen bereitzustellen, insbesondere im Hinblick auf die mechanische Stabilität des Knochens (18) bei einer Implantation.
Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Navigationssystem (20) mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) umfasst oder ausbildet oder umgekehrt.
Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrumentarium (10; 100) zum Erfassen der charakteristischen Landmarken zumindest eines der Folgenden umfasst: - eine Ultraschallsonde (30), an der eine vom Navigationssystem (20) erfassbare Markiereinrichtung (28) festgelegt ist; - ein Palpationswerkzeug, an dem eine vom Navigationssystem (20) erfassbare Markiereinrichtung (28) festgelegt ist.
Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Folgenden mittels derselben Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) oder mittels unterschiedlicher Datenverarbeitungseinrichtungen (24, 48) durchführbar sind: - Erstellen des Ist-Zustand-Datensatzes (54); - Erstellen des Gesundzustand-Datensatzes (56); - Erstellen des Planungsdatensatzes (64); - Darstellen des Planungsdatensatzes (64) an der Anzeigeeinrichtung (42, 68).
Medizintechnisches Verfahren, bei dem ein Ist-Zustand-Datensatz eines als schadhaft angesehenen Knochens eines Patienten, insbesondere des menschlichen Beckenknochens, basierend auf Untersuchungsdaten erstellt wird; rechnerisch ein Gesundzustand-Datensatz des Knochens anhand des Ist-Zustand-Datensatz erstellt wird; ein Planungsdatensatz des Knochens erstellt wird, auf Basis des Gesundzustand-Datensatzes, der anatomischen Gegebenheiten (insbesondere der Beckenneigung im Stand) und Anweisungen des Operateurs im Hinblick auf eine Behandlung des Knochens, welche Anweisungen über eine Eingabeeinrichtung des Instrumentariums bereitstellbar sind, wobei der Planungsdatensatz insbesondere Informationen über charakteristische anatomische Merkmale des Knochens umfasst; wobei der Planungsdatensatz an einer Anzeigeeinrichtung darstellbar ist; wobei mit einem medizintechnischen Navigationssystem eine am Knochen festgelegte Markiereinrichtung zur Definition einer Referenz erfasst und Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung vom Navigationssystem bereitgestellt werden; und der Planungsdatensatz an der Anzeigeeinrichtung in räumlicher Beziehung, unter Zuordnung charakteristischer Landmarken des Knochens zu korrespondieren charakteristischen Landmarken im Planungsdatensatz, zum Knochen dargestellt wird.