DE102022104486A1 - Endoprosthesis assistance system and assistance method - Google Patents
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Abstract
Die Offenbarung betrifft ein Endoprothesen-Assistenzsystem (1) für eine Assistenz bei einem chirurgischen Endoprothetik-Eingriff bei einem Patienten (P), insbesondere bei einer totalen Kniearthroplastik oder bei einer Hüftendoprothetik, aufweisend: ein Navigationssystem (2) mit einem Trackingsystem (4), das insbesondere eine 3D-Kamera (6) zur Nachverfolgung aufweist; zumindest einen ersten und einen zweiten Patienten-Tracker (8, 10), welche dafür angepasst sind, an einen ersten Knochen (K1) und einen zweiten Knochen (K2) des Patienten (P), welche die bewegliche Verbindung des Gelenks bilden, starr befestigt zu werden; einen Navigations-Zeiger (12), der zusammen mit dem Navigationssystem (2) über eine Palpation intraoperativ Landmarken (14) aufzeichnen kann und/oder einen 3D-Oberflächenscanner, der dafür angepasst ist, eine Oberfläche abzutasten und dreidimensional zu erfassen; eine Darstellungsvorrichtung (16), insbesondere einen OP-Monitor, die dafür angepasst ist eine visuelle Anzeige an einen Nutzer auszugeben; und eine Steuereinheit (18), die dafür angepasst ist: über die an den Knochen (K1, K2) angebrachten Patienten-Tracker (8, 10) vor einer Inzision eine Kinematik der nachverfolgten Knochen (K1, K2) durch das Navigationssystem (2) zu erfassen und aufzuzeichnen; nach einer Inzision intraoperativ eine Registrierung über den ersten und/oder zweiten Knochen (K1, K2) mittels des Navigations-Zeigers (12) und/oder des 3D-Oberflächenscanners durchzuführen; basierend auf der Registrierung eine Transformation der aufgezeichneten Kinematik zu einem Anatomischen System zu bestimmen; und über die Darstellungsvorrichtung (16) eine Assistenzdarstellung (20) mit Daten der aufgezeichneten Kinematik gegenüber dem anatomischen System auszugeben. Daneben betrifft die Offenbarung ein Assistenzverfahren und ein computerlesbares Speichermedium gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.The disclosure relates to an endoprosthesis assistance system (1) for assistance during a surgical endoprosthesis intervention in a patient (P), in particular in the case of a total knee arthroplasty or hip endoprosthesis, comprising: a navigation system (2) with a tracking system (4), which has in particular a 3D camera (6) for tracking; at least a first and a second patient tracker (8, 10) adapted thereto, rigidly attached to a first bone (K1) and a second bone (K2) of the patient (P) forming the mobile joint of the joint to become; a navigation pointer (12) which, together with the navigation system (2), can record landmarks (14) intraoperatively via palpation and/or a 3D surface scanner which is adapted to scan a surface and record it three-dimensionally; a display device (16), in particular an operating room monitor, which is adapted to output a visual display to a user; and a control unit (18), which is adapted for: via the patient trackers (8, 10) attached to the bones (K1, K2), before an incision, a kinematics of the bones (K1, K2) being tracked by the navigation system (2) capture and record; following an incision, intraoperatively registering the first and/or second bone (K1, K2) using the navigation pointer (12) and/or the 3D surface scanner; determine a transformation of the recorded kinematics to an anatomical system based on the registration; and to output an assistance display (20) with data of the recorded kinematics to the anatomical system via the display device (16). In addition, the disclosure relates to an assistance method and a computer-readable storage medium according to the independent claims.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Endoprothesen-/ ImplantationsAssistenzsystem für eine Assistenz bei einer Implantation bei einem Gelenkersatz (Endoprothese) bei einem Patienten, insbesondere bei einer Operation zum totalen Gelenkersatz wie bei einer Bikondylären Knieendoprothetik oder einer Hüft-Arthroplasty. Daneben betrifft die vorliegende Offenbarung ein Assistenzverfahren bei einem Endoprothetik-Eingriff sowie ein computerlesbares Speichermedium gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.The present disclosure relates to an endoprosthesis/implantation assistance system for assisting in an implantation in a joint replacement (endoprosthesis) in a patient, in particular in an operation for a total joint replacement such as in a bicondylar knee endoprosthesis or a hip arthroplasty. In addition, the present disclosure relates to an assistance method for an endoprosthetic intervention and a computer-readable storage medium according to the preambles of the independent claims.
Technischer HintergrundTechnical background
Orthopädische Navigationssysteme bzw. Navigationssysteme die dafür angepasst sind bei einem orthopädischen Eingriff Instrumente und Implantate zu navigieren, sind bereits seit vielen Jahren bekannt. Diese orthopädischen Navigationssysteme lassen sich im Allgemeinen in Wesentlich zwei Arten bzw. Gruppen von Navigationssystemen unterteilen.Orthopedic navigation systems or navigation systems that are adapted to navigate instruments and implants during an orthopedic intervention have been known for many years. These orthopedic navigation systems can generally be divided into essentially two types or groups of navigation systems.
Eine erste Gruppe der Navigationssysteme ist bildbasiert und basiert auf einer (3D-)Aufnahme als Anatomisches System. Hierbei wird eine präoperative dreidimensionale Aufnahme, wie etwa eine CT-Aufnahme, des Patienten erstellt und der Patienten wird anschließend gegenüber der präoperativen CT-Aufnahme registriert, so dass die reale Anatomie gegenüber der aufgezeichneten (virtuellen) Anatomie der Aufnahmedaten korreliert und registriert wird.A first group of navigation systems is image-based and is based on a (3D) image as an anatomical system. Here, a preoperative three-dimensional image, such as a CT image, of the patient is created and the patient is then registered with respect to the preoperative CT image, so that the real anatomy is correlated with the recorded (virtual) anatomy of the image data and registered.
Eine zweite Gruppe der Navigationssysteme basiert auf einer bildlosen Navigation mit Hilfe eines biomechanischen Modells als Anatomisches System. Bei diesem biomechanischen Modell wird der Bewegungsapparat des Menschen in Anlehnung an die Technischen Mechanik in ein vereinfachtes virtuelles (digitales) anatomisches Modell übertragen. Insbesondere können Knochen wie die Tibia oder der Femur als Linien repräsentiert werden und Gelenke vereinfacht als Gelenkpunkte mit entsprechend beschränkten Freiheitsgraden modelliert sein. Das biomechanische Modell des Patienten erlaubt eine besonders gute Übersicht über die Kinematik eines Patienten. Bei der bildlosen Navigation wird der Patient, insbesondere der oder die Knochen des Patienten, intraoperativ auf das biomechanische Modell registriert.A second group of navigation systems is based on imageless navigation using a biomechanical model as an anatomical system. With this biomechanical model, the human musculoskeletal system is transferred to a simplified virtual (digital) anatomical model based on technical mechanics. In particular, bones such as the tibia or the femur can be represented as lines and joints can be modeled in simplified form as joint points with correspondingly limited degrees of freedom. The biomechanical model of the patient allows a particularly good overview of the kinematics of a patient. In the case of image-free navigation, the patient, in particular the bone(s) of the patient, is registered intraoperatively on the biomechanical model.
Orthopädische Robotersysteme verwenden ähnliche Navigationstechnologien, führen aber zusätzlich noch eine robotergestützte Vorbereitung der zu bearbeitenden Knochen durch.Orthopedic robotic systems use similar navigation technologies, but also carry out robotic preparation of the bones to be processed.
Mit Einführung der Navigation und der Robotik in der orthopädischen Chirurgie sind die resultierenden Ergebnisse der Eingriffe deutlich reproduzierbarer geworden und Abweichungen von einem gewünschten Standard konnten weiter reduziert werden. Jedoch besteht nach aktuellem Stand der Technik weiterhin das Problem, dass ein wesentlicher Anteil der Patienten mit ihren postoperativen Ergebnissen nach einer Operation, wie beispielsweise einer Knieoperation, nicht zufrieden sind. Insbesondere kann diese Unzufriedenheit darauf zurückgeführt werden, dass bei einer Auswahl von Implantaten bzw. Implantat-Komponenten sowie einer Ausrichtung des Implantats keine oder zumindest nur ungenügend patientenspezifische kinematische Gelenkdaten bzw. die individuelle Kinematik des Patienten Berücksichtigung finden.With the introduction of navigation and robotics in orthopedic surgery, the results of the interventions have become significantly more reproducible and deviations from a desired standard could be further reduced. However, with the current state of the art, the problem remains that a substantial proportion of patients are not satisfied with their postoperative results after an operation, such as knee surgery. In particular, this dissatisfaction can be attributed to the fact that no or at least insufficient patient-specific kinematic joint data or the individual kinematics of the patient are taken into account when selecting implants or implant components and aligning the implant.
Diese patientenspezifischen kinematischen Gelenkdaten können generell entweder vor der Operation oder während der Operation erhoben werden. Im Falle einer Erhebung vor der Operation stehen Ganglabore/ Labore für Ganganalysen zur Verfügung, in denen über eine Kamera direkt eine Kinematik des Beins oder der Hüfte des Patienten erfasst wird und damit indirekt die Kinematik der Knochen des Gelenks. Diese präoperativen Erhebungen haben jedoch den Nachteil, dass die Kinematik nicht genau genug erfasst wird, da kein präziser Bezug bzw. keine Relation zu den realen und individuellen Knochen vorhanden ist. Wenn eine Ganganalyse zusätzlich in Kombination mit intraoperativen Live-Röntgenbildern durchgeführt wird bzw. mit Röntgenbildern kombiniert wird, so kann dieses Problem zwar teilweise reduziert werden. Jedoch sind solche Prozesse mit einer zusätzlichen Röntgenaufnahme in der Regel sehr komplex und sehr kostenintensiv und erfordern eine zusätzliche gesundheitsschädliche Exposition von Röntgenstrahlung für den Patienten.This patient-specific kinematic joint data can generally be collected either before the operation or during the operation. In the case of a survey prior to the operation, gait laboratories/laboratories for gait analyzes are available in which the kinematics of the patient's leg or hip are recorded directly via a camera and thus indirectly the kinematics of the bones of the joint. However, these preoperative surveys have the disadvantage that the kinematics are not recorded precisely enough, since there is no precise reference or relation to the real and individual bones. If a gait analysis is additionally performed in combination with intraoperative live X-ray images or is combined with X-ray images, this problem can be partially reduced. However, such processes with an additional X-ray exposure are usually very complex and very expensive and require an additional harmful exposure to X-ray radiation for the patient.
Orthopädische Navigations- oder Robotersysteme als Weiterentwicklung ermöglichen zwar eine Erfassung der Kinematik (der Knochen) des Patienten während der Operation und direkt vor der (Vorbereitung der) Bearbeitung, insbesondere Resektion, der Knochen. Dabei wird vor der Aufzeichnung der Kinematik des Patienten das Gelenk geöffnet und das Gewebe entsprechend manipuliert. Bei Knieoperationen beispielsweise wird die Kniescheibe meist umgedreht. Diese Manipulation beeinflusst jedoch maßgeblich die natürliche Bewegung des Gelenks, da die Rand-Bedingungen des Weichteilgewebes erheblich verändert werden, und in Folge lässt sich die Kinematik nur grob erfassen.Orthopedic navigation or robotic systems as a further development enable the kinematics (of the bones) of the patient to be recorded during the operation and directly before (preparation for) processing, in particular resection, of the bones. Before the patient's kinematics are recorded, the joint is opened and the tissue manipulated accordingly. In knee surgery, for example, the kneecap is usually reversed. However, this manipulation significantly influences the natural movement of the joint, since the boundary conditions of the soft tissue are changed significantly, and as a result the kinematics can only be roughly recorded.
Zusammenfassend lässt sich nach Stand der Technik eine Kinematikbewertung des Patienten nur unzureichend durchführen und für einen Eingriff nicht in vorteilhafter Weise verwenden. Insbesondere vor dem Hintergrund der zunehmend älter werdenden Bevölkerung mit einhergehend arthrotisch veränderten Gelenken, die einen Gelenkersatz erfordern, steht die Endoprothetik vor großen Herausforderungen.In summary, according to the prior art, a kinematics assessment of the patient can only be performed inadequately and cannot be used advantageously for an intervention. In particular before against the background of the increasingly aging population with associated arthritic joints that require joint replacement, endoprosthetics is faced with major challenges.
Zusammenfassung der vorliegenden OffenbarungSummary of the present disclosure
Es sind daher die Aufgaben und Ziele der vorliegenden Offenbarung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mindern und insbesondere ein Endoprothesen-Assistenzsystem bzw. Implantationsassistenzsystem, sowie ein Assistenzverfahren und ein computerlesbares Speichermedium bereitzustellen, welches eine Implantation, insbesondere eine Auswahl und/oder eine Ausrichtung einer Endoprothese, weiter verbessert und ein medizinisches Personal wie etwa einen Chirurgen noch besser assistiert und unterstützt, um ein noch besseres Resultat einer Endoprothese zu gewährleisten. Des Weiteren kann eine weitere Teilaufgabe darin gesehen werden, eine individuelle Anatomie eines Patienten noch besser in eine endoprothetische Operationsplanung zu integriert, um ein Operationsergebnis zu optimieren.It is therefore the objects and goals of the present disclosure to avoid or at least reduce the disadvantages of the prior art and in particular to provide an endoprosthesis assistance system or implantation assistance system, as well as an assistance method and a computer-readable storage medium, which an implantation, in particular a selection and/or an alignment of an endoprosthesis is further improved and a medical personnel such as a surgeon is even better assisted and supported in order to ensure an even better result of an endoprosthesis. Furthermore, another sub-task can be seen as integrating a patient's individual anatomy even better into an endoprosthetic operation plan in order to optimize an operation result.
Die Aufgaben der vorliegenden Offenbarung werden hinsichtlich eines Endoprothesen-Assistenzsystems/ Implantationsassistenzsystems erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich eines Assistenzverfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst und hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermediums erfindungsgemäß durch die Merkmaler des Anspruchs 11.The objects of the present disclosure are achieved according to the invention with regard to an endoprosthesis assistance system/implantation assistance system by the features of
Der grundlegende Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht also darin, zuerst (vor einer Inzision) eine (individuelle) Kinematik (ohne Registrierung und damit gewissermaßen ohne virtueller Referenz) über das Navigationssystem zu erfassen und aufzuzeichnen und erst danach (nach einem Einschnitt/ einer Inzision) eine Registrierung durchzuführen. Hierdurch kann eine natürliche Kinematik bzw. Bewegung der das Gelenk bildenden Knochen erhalten und für eine Analyse und Verarbeitung verwendet werden. Während also beim Stand der Technik zuerst der Einschnitt/ die Inzision zusammen mit der Registrierung erfolgt und erst danach, in einem darauffolgenden Schritt die Kinematik erfasst und aufgezeichnet wird (mit entsprechend verfälschtem und ungenauen Kinematikergebnis), wird gemäß der vorliegenden Offenbarung diese Reihenfolge von Registrierung und Erfassung der Kinematik genau umgekehrt.The basic idea of the present invention is therefore first (before an incision) to capture and record (individual) kinematics (without registration and thus to a certain extent without a virtual reference) via the navigation system and only then (after an incision/an incision). to perform registration. As a result, natural kinematics or movement of the bones forming the joint can be obtained and used for analysis and processing. So while in the prior art first the incision / incision is made together with the registration and only then, in a subsequent step, the kinematics are recorded and recorded (with a correspondingly falsified and inaccurate kinematic result), according to the present disclosure, this sequence of registration and Acquisition of the kinematics exactly the other way round.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Offenbarung liegt insbesondere darin, bei einem Eingriff an einem Patienten für einen Einsatz einer Gelenksprothese vorzugsweise zunächst an denen das Gelenk bildenden (Haupt-)Knochen einen (Patienten-)Tracker vorzusehen und vor einer Inzision eine (natürliche) Kinematik bzw. (Kinematik-)Bewegung dieser Körperstruktur und damit der nachverfolgten Knochen durch ein (Trackingsystem eines) Navigationssystem (über die befestigten Patienten-Tracker) zu erfassen. Erst nach Inzision und Öffnung der anatomischen Struktur des Patienten werden die realen anatomischen Strukturen des Patienten gegenüber den digitalen anatomischen Strukturen (Anatomisches System) registriert, insbesondere mittels eines Pointers/ Navigations-Zeigers, der Landmarken palpatiert und/oder mittels einer Oberflächenabtastung eines Oberflächenscanners. Durch diese Registrierung wird der Patienten gegenüber einem anatomischen System, welches beispielsweise ein bildbasiertes Anatomisches System mit 3D-Aufnahmen oder ein bildloses Anatomisches System mit einem biomechanischen Modell sein kann, registriert. Die Registrierung wird insbesondere dafür verwendet, um die erfasste und aufgezeichnete Kinematik in das anatomische Koordinatensystem des anatomischen Systems gewissermaßen zu übertragen und einzubetten und die Daten dann dem Chirurgen über die Anzeigevorrichtung über eine Assistenzdarstellung visuell bereitzustellen, insbesondere mit eingeblendeten Daten zu einer Abmessung, zu einer Lage, zu einem Verdrehwinkel (Flexionswinkel bei gleichzeitiger abhängiger Rotation) und weiteren Daten. Auf Basis dieser bereitgestellten (visuell aufbereiteten) Daten kann der Chirurg dann eine entsprechende Auswahl eines Implantats treffen und/oder eine Ausrichtung des Implantats optimal anpassen. Auf diese Weise unterstützt das Endoprothesen-Assistenzsystem und das Assistenzverfahren das medizinische Fachpersonal in besondere Weise dadurch, dass ein digitales Anatomisches System (bildbasiert oder bildlos) um die individuelle Kinematik des Patienten erweitert wird und diese Daten dafür verwendet werden können, die Anpassung des Implantats/ der Endoprothese noch besser durchzuführen.An essential aspect of the present disclosure lies in particular in the provision of a (patient) tracker for an intervention on a patient for the use of a joint prosthesis, preferably first on the (main) bones forming the joint and before an incision (natural) kinematics or To record (kinematic) movement of this body structure and thus the tracked bones by a (tracking system of a) navigation system (via the attached patient trackers). Only after the incision and opening of the patient's anatomical structure are the patient's real anatomical structures registered against the digital anatomical structures (anatomical system), in particular by means of a pointer/navigation pointer that palpates landmarks and/or by means of a surface scan of a surface scanner. This registration registers the patient with respect to an anatomical system, which can be, for example, an image-based anatomical system with 3D images or an image-free anatomical system with a biomechanical model. The registration is used in particular to transfer and embed the recorded and recorded kinematics in the anatomical coordinate system of the anatomical system and then to provide the data to the surgeon visually via the display device via an assistance display, in particular with data displayed for a dimension, for a Position, to a twist angle (flexion angle with simultaneous dependent rotation) and other data. On the basis of this provided (visually processed) data, the surgeon can then make a corresponding selection of an implant and/or optimally adjust an alignment of the implant. In this way, the endoprosthesis assistance system and the assistance procedure support the medical staff in a special way, in that a digital anatomical system (image-based or image-free) is expanded to include the individual kinematics of the patient and this data can be used to adapt the implant/ of the endoprosthesis even better.
Mit anderen Worten wird vorliegend insbesondere ein Assistenzsystem bereitgestellt, das ein Navigationssystem mit einem Trackingsystem, insbesondere mit einer 3D-Kamera, aufweist und an dem Patienten befestigbare Patienten-Tracker aufweist, die an jedem Knochen, welche das Gelenk definieren, angebracht werden. Das Assistenzsystem weist ferner einen Navigationszeiger auf, der über das Navigationssystem (mit dem Trackingsystem) intraoperative Landmarken (des Knochens) aufzeichnen kann und/oder das Assistenzsystem weist einen Oberflächenscanner auf, um eine dreidimensionale (intrakorporale) Oberfläche des Knochens zu erfassen und gegenüber einem anatomischen Modell zu registrieren. Das Assistenzsystem weist ferner eine Darstellungsvorrichtung auf, über welche die erfasste und gegenüber dem Anatomischen System registrierte Kinematik an einen Nutzer als Assistenzdarstellung visuell ausgegeben wird, um eine Bewertung der Kinematik und eine Auswahl und Ausrichtung eines Implantats zu unterstützen.In other words, the present invention provides in particular an assistance system that has a navigation system with a tracking system, in particular with a 3D camera, and has patient trackers that can be attached to the patient and are attached to each bone that defines the joint. The assistance system also has a navigation pointer that can record intraoperative landmarks (of the bone) via the navigation system (with the tracking system) and/or the assistance system has a surface scanner to detect a three-dimensional (intracorporeal) surface of the bone and compared to an anatomical one register model. The assistance system also has a display device, via which the detected and compared to the Anatomical Sys tem registered kinematics is visually output to a user as an assistance representation to support an assessment of the kinematics and a selection and alignment of an implant.
Mit noch ganz anderen Worten wird ein Endoprothesen-Assistenzsystem für eine Assistenz bei einem chirurgischen Endoprothetik-Eingriff bei einem Patienten vorgeschlagen, insbesondere bei einer totalen Kniearthroplastik oder bei einer Hüftendoprothetik, welche aufweist: ein Navigationssystem mit einem Trackingsystem, das insbesondere eine 3D-Kamera zur Nachverfolgung aufweist; zumindest einen ersten und einen zweiten Patienten-Tracker, welche dafür angepasst sind, an einen ersten Knochen und einen zweiten Knochen des Patienten, welche die bewegliche Verbindung des Gelenks bilden, starr befestigt zu werden; einen Navigations-Zeiger, der zusammen mit dem Navigationssystem über eine Palpation intraoperativ Landmarken erfassen kann und/oder einen 3D-Oberflächenscanner, der dafür angepasst ist, eine Oberfläche abzutasten und dreidimensional zu erfassen; eine Darstellungsvorrichtung, insbesondere einen OP-Monitor, die dafür angepasst ist eine visuelle Anzeige an einen Nutzer auszugeben; und eine Steuereinheit. Diese Steuereinheit ist speziell dafür angepasst: über die an den Knochen angebrachten Patienten-Tracker vor einer Inzision eine Kinematik der nachverfolgten Knochen über das Navigationssystem zu erfassen und aufzuzeichnen; nach einer Inzision intraoperativ eine Registrierung über den Knochen mittels des Navigations-Zeigers und/oder des 3D-Oberflächenscanners durchzuführen; basierend auf der Registrierung eine Transformation der aufgezeichneten Kinematik zu dem Anatomischen System zu bestimmen; und über die Darstellungsvorrichtung eine Assistenzdarstellung mit Informationen zu der aufgezeichneten Kinematik gegenüber dem anatomischen System auszugeben.In other words, an endoprosthesis assistance system is proposed for assistance in a surgical endoprosthetic intervention in a patient, in particular in the case of a total knee arthroplasty or hip endoprosthetics, which has: a navigation system with a tracking system, which in particular uses a 3D camera for has tracking; at least a first and a second patient tracker adapted to be rigidly attached to a first bone and a second bone of the patient forming the movable connection of the joint; a navigation pointer which, together with the navigation system, can detect landmarks intraoperatively via palpation and/or a 3D surface scanner which is adapted to scan a surface and detect it three-dimensionally; a display device, in particular a surgical monitor, which is adapted to output a visual display to a user; and a control unit. This control unit is specifically adapted to: acquire and record kinematics of the tracked bones via the navigation system via the patient trackers attached to the bones prior to an incision; after an incision, perform intraoperative registration via the bone using the navigation pointer and/or the 3D surface scanner; determine a transformation of the recorded kinematics to the anatomical system based on the registration; and to output an assistance display with information about the recorded kinematics to the anatomical system via the display device.
Insbesondere kann also nach einem Anbringen der Patienten-Tracker und vor dem Öffnen und Manipulieren der Anatomie, ein vorgegebenes Bewegungsmuster mit dem Patienten durchgeführt werden, gefolgt von (nach einer Inzision) einer Registrierung des Patienten, und einer Umwandlung der aufgezeichneten kinematischen Daten bzw. Kinematik in das anatomische Koordinatensystem (des Anatomischen Systems) des Patienten. Abschließend erfolgt die Übermittlung der Ergebnisse der kinematischen Analyse und Beurteilung an den Chirurgen.In particular, after the patient tracker has been attached and before the anatomy is opened and manipulated, a predetermined movement pattern can be carried out with the patient, followed by (after an incision) a registration of the patient and a conversion of the recorded kinematic data or kinematics into the anatomical coordinate system (of the Anatomical System) of the patient. Finally, the results of the kinematic analysis and assessment are sent to the surgeon.
Noch ganz anders ausgedrückt wird insbesondere eine Methode und ein (Assistenz-)System zur Erfassung der (Gelenk-)Kinematik eines Patienten während einer Operation zum totalen Gelenkersatz (beispielsweise bei einer TKA - Total Knee Arthroplasty / Bikondyläre Knieendoprothetik oder einer THA - Total Hip Arthroplasty) vorgeschlagen. Mit einem bekannten Navigationssystem werden die Knochen, die das Gelenk definieren, mit an den Knochen befestigten starren Körpern (Patienten-Tracker) nachverfolgt. Vor der Inzision und der Manipulation des Gewebes wird eine kinematische Erfassung und Bewertung vorgenommen. Nach der Inzision und dem Zugriff auf den Knochen wird der Patient registriert. Die Registrierung dient zur Berechnung der Kinematik in das anatomische Koordinatensystem (des anatomischen Systems) und zur Übermittlung dieser Informationen an den Chirurgen, der die Daten zur Unterstützung bei der Auswahl der richtigen Implantatkomponenten und der richtigen Implantatausrichtung verwenden kann.To put it another way, in particular a method and an (assistance) system for recording the (joint) kinematics of a patient during an operation for total joint replacement (e.g. in TKA - Total Knee Arthroplasty / Bicondylar Knee Prosthetics or THA - Total Hip Arthroplasty ) suggested. A known navigation system tracks the bones that define the joint with rigid bodies (patient trackers) attached to the bones. Kinematic acquisition and evaluation is performed prior to incision and tissue manipulation. After the incision and access to the bone, the patient is registered. Registration is used to calculate the kinematics into the anatomical coordinate system (the anatomical system) and to transmit this information to the surgeon, who can use the data to assist in the selection of the correct implant components and the correct implant orientation.
Der Begriff „Kinematik“ ist in dem Bereich der Medizintechnik bekannt. Insbesondere meint der Begriff vorliegend Daten zu kinematischen Parametern in einem geometrischen Bewegungsraum des Patienten, insbesondere des Skeletts des Bewegungsapparates des Patienten. Beispielsweise kann ein Bein gegenüber einer Hüfte nur innerhalb eines bestimmten Bereichs (einzelne voneinander abhängige Parameter) bewegt werden, was einen Teil des Bewegungsraums darstellt. Insbesondere werden durch die Kinematik Gelenkspezifische Daten des Patienten erfasst (varus/valgus, flexion/extension, interne/externe Rotation und/oder anterior/posterier Verschiebung).The term "kinematics" is known in the field of medical technology. In particular, the term in the present case means data on kinematic parameters in a geometric movement space of the patient, in particular the skeleton of the patient's musculoskeletal system. For example, a leg relative to a hip can only be moved within a certain range (single interdependent parameters), which is part of the range of motion. In particular, joint-specific data of the patient are recorded by the kinematics (varus/valgus, flexion/extension, internal/external rotation and/or anterior/posterior displacement).
Der Begriff „Kinematikbewegung“ soll als Unterbegriff zu der „Kinematik“ verstanden werden und meint vorliegend eine Abfolge von sich ändernden Anordnungen der Körperabschnitte zueinander, beispielsweise eine Bewegung Knies und des Femurs gegenüber der Tibia.The term “kinematic movement” is to be understood as a sub-term of “kinematics” and in the present case means a sequence of changing arrangements of the body sections relative to one another, for example a movement of the knee and the femur relative to the tibia.
Der Begriff „Anatomisches System“ meint vorliegend, dass ein digital gespeichertes anatomisches Modell des Patienten, etwa bildbasiert durch 3D-Aufnahmen wie CT-Aufnahmen oder bildlos in Form eines biomechanischen Modells vorliegt, welches um die Daten zu der Kinematik ergänzt und damit um nützliche und notwendige Informationen bereichert werden kann. Diese Übertragung der aufgezeichneten Kinematik erfolgt auf Basis der durchgeführten Registrierung.In the present case, the term "anatomical system" means that there is a digitally stored anatomical model of the patient, e.g necessary information can be enriched. This transmission of the recorded kinematics takes place on the basis of the registration that has been carried out.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden insbesondere nachstehend erläutert.Advantageous embodiments are claimed in the dependent claims and are explained in particular below.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Navigationssystem in Form eines chirurgischen Navigationssystems ausgeführt sein und/oder das Endoprothesen-Assistenzsystem kann einen medizinischen, insbesondere chirurgischen, Roboter aufweisen und das Navigationssystem kann vorzugsweise ein chirurgisches kinematikbasiertes Robotersystem aufweisen oder in Form eines chirurgischen kinematikbasierten Robotersystems ausgeführt sein. Mit anderen Worten kann das Assistenzsystem also vorzugsweise ein chirurgisches Navigationssystem und/oder ein chirurgisches Robotersystem aufweisen. Insbesondere kann der zumindest eine Roboter dafür angepasst sein, zumindest ein medizinisches Instrument, vorzugsweise eine Knochensäge, zu führen und eine Manipulation, insbesondere Knochenbearbeitung, zu unterstützen. Insbesondere kann das Navigationssystem vorzugsweise dafür angepasst sein, eine kinematikbasierte Erfassung des Robotersystems für eine Navigation einzubinden.According to a preferred embodiment, the navigation system can be designed in the form of a surgical navigation system and/or the endoprosthesis assistance system can have a medical, in particular surgical, robot and the navigation system can preferably be a surgical kinematics-based one Have robot system or be in the form of a surgical kinematics-based robot system. In other words, the assistance system can therefore preferably have a surgical navigation system and/or a surgical robot system. In particular, the at least one robot can be adapted to guide at least one medical instrument, preferably a bone saw, and to support manipulation, in particular bone processing. In particular, the navigation system can preferably be adapted to include a kinematics-based detection of the robot system for navigation.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Navigationssystem als bildbasiertes Navigationssystem ausgeführt sein und die Steuereinheit dafür angepasst sein, die aufgezeichnete Kinematik gegenüber 3D-Aufnahmen des Patienten als anatomisches System, insbesondere segmentierten präoperativen CT- oder MRT-Aufnahmen, zu korrelieren und einzubinden. Mit anderen Worten kann das Assistenzsystem insbesondere ein bildbasiertes Navigations- und/oder Robotersystem aufweisen.According to a further preferred embodiment, the navigation system can be designed as an image-based navigation system and the control unit can be adapted to correlate and integrate the recorded kinematics with 3D images of the patient as an anatomical system, in particular segmented preoperative CT or MRI images. In other words, the assistance system can in particular have an image-based navigation and/or robot system.
Insbesondere kann das Navigationssystem auch als bildloses Navigationssystem ausgeführt sein und die Steuereinheit dafür angepasst sein, die aufgezeichnete Kinematik gegenüber einem biomechanischen Kinematikmodell des Patienten als anatomisches System zu korrelieren und einzubinden. Insbesondere kann also das Assistenzsystem ein bildloses Navigations- und/oder Robotersystem aufweisen.In particular, the navigation system can also be designed as an image-free navigation system and the control unit can be adapted to correlate and integrate the recorded kinematics with a biomechanical kinematic model of the patient as an anatomical system. In particular, the assistance system can therefore have an image-free navigation and/or robot system.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, über den OP-Monitor eine in einer Speichereinheit hinterlegte Bewegungsanleitung, insbesondere in Form von bewegten Bildern, an den Nutzer auszugeben, um den Nutzer eine Anleitung für eine vordefinierte Kinematik(-bewegung) bereitzustellen. Das Assistenzsystem kann vorzugsweise vordefinierte Bewegungsmuster oder -abläufe (als Kinematikbewegung) verwenden, die den Chirurgen durch einen speziellen Arbeitsablauf und Anweisungen führen.According to a further embodiment, the control unit can be adapted to output movement instructions stored in a memory unit, in particular in the form of moving images, to the user via the surgical monitor in order to provide the user with instructions for a predefined kinematics (movement). The assistance system can preferably use predefined movement patterns or sequences (as kinematic movements) that guide the surgeon through a special workflow and instructions.
Vorzugsweise kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, die aufgezeichnete Kinematik über die Darstellungsvorrichtung, insbesondere den OP-Monitor, als Wiederholung (der Kinematikbewegung) auszugeben. Mit anderen Worten können die erfassten kinematischen Daten insbesondere in einem Wiedergabemodus angezeigt werden, nachdem die Registrierung durchgeführt wurde.The control unit can preferably be adapted to output the recorded kinematics via the display device, in particular the OP monitor, as a repetition (of the kinematic movement). In other words, the captured kinematic data can be displayed in particular in a playback mode after the registration has been performed.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, basierend auf einem Algorithmus oder basierend auf einem trainierten KI-System (beispielsweise mit Trainingsdaten zu erfolgreich durchgeführten Endoprotheseneingriffen mit sowohl dem ausgewählten Implantat(en) als auch einer Ausrichtung des Implantats) mit der aufgezeichneten Kinematik als Eingabedaten, eine Auswahl einer Datenbank mit Implantatkomponenten zu beschränken /zu filtern und/oder einen Vorschlag einer Ausrichtung eines vorgegebenen Implantats bereitzustellen und über die Darstellungsvorrichtung an einen Nutzer visuell auszugeben. Das Assistenzsystem kann insbesondere Algorithmen in einer Speichereinheit aufweisen, die dem Chirurgen aus den kinematischen Daten abgeleitete Empfehlungen zur Auswahl von Implantaten geben, insbesondere eine Empfehlung zur Auswahl der Implantatkomponenten und der Implantatausrichtung, um den Chirurgen noch besser zu unterstützen.According to one embodiment, the control unit can be adapted for this, based on an algorithm or based on a trained AI system (e.g. with training data on successfully performed endoprosthetic interventions with both the selected implant(s) and an orientation of the implant) with the recorded kinematics as To restrict/filter input data, a selection of a database with implant components and/or to provide a suggestion for an alignment of a given implant and to output it visually to a user via the display device. In particular, the assistance system can have algorithms in a memory unit, which give the surgeon recommendations for selecting implants derived from the kinematic data, in particular a recommendation for selecting the implant components and the implant orientation, in order to support the surgeon even better.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, eine über das Navigationssystem nach Ende des Eingriffs aufgezeichneten postoperativen Kinematik mit der vor der Inzision aufgezeichneten präoperative Kinematik zu vergleichen und basierend auf dem Vergleich eine Bewertung durchzuführen und über die Darstellungsvorrichtung auszugeben, insbesondere einen Vergleich dahingehend durchzuführen, dass eine postoperative Kinematik der präoperativen Kinematik innerhalb einer vorgegebenen Toleranz, vorzugsweise einer Abweichung der Kinematik von maximal 10%, folgt. Diese postoperative Kinematik (und dessen Bewertung) wird ebenso mit dem geschlossenen Gelenk durchgeführt, es wird also zunächst zugenäht und es werden erst dann die (Kinematik-)Daten aufgenommen. So wird ein direkter Vergleich bereitgestellt. Damit wird sichergestellt, dass die eingesetzte Endoprothese die biomechanische Kinematik des Patienten nicht unvorteilhaft ändert und es kann ein Ergebnis des Implantats entsprechend bewertet werden. Das Assistenzsystem kann also insbesondere dafür angepasst sein, nach der Implantation eine kinematische Bewertung durchzuführen (nachdem der Körper des Patienten wieder verschlossen wurde/ die Anatomie geschlossen wurde, jedoch vor dem Entfernen der Patienten-Tracker) basierend auf einem Vergleich der Post-OP-Kinematik mit der Prä-OP Kinematik.According to a further embodiment, the control unit can be adapted to compare postoperative kinematics recorded by the navigation system after the end of the intervention with the preoperative kinematics recorded before the incision and, based on the comparison, to carry out an evaluation and output it via the display device, in particular a comparison to that effect to carry out that a postoperative kinematics follows the preoperative kinematics within a predetermined tolerance, preferably a deviation of the kinematics of at most 10%. This postoperative kinematics (and its evaluation) is also carried out with the closed joint, i.e. it is sewn up first and only then are the (kinematics) data recorded. This provides a direct comparison. This ensures that the endoprosthesis used does not adversely change the biomechanical kinematics of the patient and a result of the implant can be evaluated accordingly. The assistance system can thus be adapted in particular to carry out a kinematic evaluation after the implantation (after the patient's body has been closed again/the anatomy has been closed, but before the removal of the patient trackers) based on a comparison of the post-operative kinematics with the pre-op kinematics.
Die Aufgaben werden hinsichtlich eines Assistenzverfahrens für einen chirurgischen Endoprothetik-Eingriffs bei einem Patienten dadurch gelöst, dass dieses die Schritte aufweist: Vorzugsweise Befestigen eines ersten und zweiten Patienten-Trackers an jeweils einen ersten und zweiten Knochen des Patienten, welche die bewegliche Verbindung des Gelenks bilden; Anzeigen, insbesondere vor einer Inzision, einer geführten Kinematik durch eine Darstellungsvorrichtung, um einem Nutzer, insbesondere einem medizinischen Fachpersonal, eine visuelle Anweisung bereitzustellen; Erfassen, während der geführten Kinematik, einer präoperativen Kinematik der nachverfolgten Knochen des Patienten durch das Navigationssystem und Bereitstellen (als computerlesbare Daten) an eine Steuereinheit; Durchführen, nach einer Inzision, einer Registrierung auf Basis von palpatierten Landmarken und/oder eines Oberflächenabgleichs einer intrakorporalen Knochen-Struktur, durch das Navigationssystem und einen Navigations-Zeiger und/oder einen 3D-Oberflächenscanner; Bestimmen, auf Basis der Registrierung, einer Transformation der erfassten Kinematik in das (anatomische Koordinatensystem des) Anatomische Modell durch die Steuereinheit; und Ausgeben einer Assistenzdarstellung mit Informationen zu der aufgezeichneten Kinematik gegenüber dem anatomischen System durch die Darstellungsvorrichtung. Durch diese Schritte können die individuellen, patientenbezogenen Kinematiken bestens in den Eingriff, insbesondere in die Auswahl und Ausrichtung des Implantats, mit einbezogen und ein Endergebnis entsprechend verbessert werden. Insbesondere wird also ein optimierter Eingriffsablauf (Assistenzverfahren) offenbart, der es erlaubt, eine natürliche Kinematik des Knies während einer navigierten oder eines robotergeführten orthopädischen Eingriffs aufzunehmen.The objects are achieved with regard to an assistance method for a surgical endoprosthetic intervention in a patient in that it has the following steps: preferably attaching a first and second patient tracker to a first and second bone of the patient, which form the movable connection of the joint ; Displaying, in particular before an incision, guided kinematics by a display device to a user, in particular a medical specialist nal to provide a visual instruction; detecting, during the guided kinematics, a preoperative kinematics of the tracked bones of the patient by the navigation system and providing them (as computer-readable data) to a control unit; performing, after an incision, a registration based on palpated landmarks and/or a surface matching of an intracorporeal bone structure by the navigation system and a navigation pointer and/or a 3D surface scanner; determining, based on the registration, a transformation of the detected kinematics into the (anatomical coordinate system of the) anatomical model by the control unit; and outputting an assistance display with information about the recorded kinematics to the anatomical system by the display device. Through these steps, the individual, patient-related kinematics can be optimally included in the intervention, especially in the selection and alignment of the implant, and the end result can be improved accordingly. In particular, an optimized procedure (assistance method) is thus disclosed, which allows natural kinematics of the knee to be recorded during a navigated or robot-guided orthopedic intervention.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Assistenzverfahren ferner die Schritte aufweisen: Erfassen, nach Schließen des Körpers des Patienten, einer postoperativen Kinematik des Patienten durch das Navigationssystem und Bereitstellen als computerlesbare Daten an die Steuereinheit; und Vergleichen der erfassten präoperativen Kinematik vor einer Öffnung des Patienten mit der postoperativen Kinematik nach dem Schließen des Körpers des Patienten und Bestimmen einer Abweichung zwischen der erfassten präoperativen Kinematik und der erfassten postoperativen Kinematik. Ferner kann also insbesondere nach einem Schließen der Anatomie bzw. des Körpers des Patienten die Bewegung des Körperabschnitts mit dem Gelenkt wiederholt werden, um ein postoperatives Resultat der Kinematik zu erhalten und für eine Kinematikbewertung heranzuziehen.According to a further embodiment, the assistance method can also have the steps: after the patient's body has been closed, recording postoperative kinematics of the patient by the navigation system and providing them as computer-readable data to the control unit; and comparing the recorded pre-operative kinematics before opening the patient with the post-operative kinematics after closing the patient's body and determining a deviation between the recorded pre-operative kinematics and the recorded post-operative kinematics. Furthermore, in particular after the anatomy or the body of the patient has been closed, the movement of the body section with the joint can be repeated in order to obtain a postoperative result of the kinematics and to use this for a kinematics evaluation.
Hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermediums werden die Aufgaben dadurch erfüllt, indem dieses Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch den Computer, diesen veranlasst, die Verfahrensschritte des Assistenzverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen.With regard to a computer-readable storage medium, the objects are achieved by comprising instructions which, when executed by the computer, cause the computer to carry out the method steps of the assistance method according to the present disclosure.
Das Assistenzverfahren kann insbesondere in der Knie-, Hüft-, Schulter- oder Sprunggelenkschirurgie zum teilweisen oder vollständigen Gelenkersatz eingesetzt werden. Insbesondere kann das Endoprothesen-Assistenzsystem dafür angepasst sein, eine Knie-, Hüft-, Schulter-, oder Sprunggelenkoperation zu unterstützen.The assistance method can be used in particular in knee, hip, shoulder or ankle surgery for partial or complete joint replacement. In particular, the endoprosthesis assistance system can be adapted to support knee, hip, shoulder or ankle surgery.
Insbesondere kann das Assistenzverfahren die Schritte aufweisen: Vorzugsweise Befestigen zumindest eines ersten Patienten-Trackers an einem ersten Knochen des Gelenks und eines zweiten Patienten-Trackers an einem zweiten Knochen des Gelenks; Durchführen einer Bewegung des ersten Knochens gegenüber dem zweiten Knochen und damit einer Kinematik (für eine Kinematikbewertung); Erfassen und Aufnehmen der Kinematikdaten der nachverfolgten/ getrackten ersten und zweiten Knochen in einem Tracker-Koordinatensystem (Tracker-KOS gewissermaßen als Zwischen- oder Aufzeichnungskoordinatensystem); Vorzugsweise Durchführen einer Inzision durch insbesondere einen Roboter, für eine Öffnung und ferner vorzugsweise Manipulieren der Anatomie um einen geeigneten Zugang zu dem nachverfolgten Knochen des Gelenks zu erhalten; Durchführen einer Registrierung des ersten und/oder zweiten Knochens mittels Palpation von Landmarken durch einen Navigations-Zeiger und/oder eines Oberflächenabgleichs (das sogenannte „surface mapping“) des freiliegenden ersten und/oder zweiten Knochen (bzw. der freigelegten Knochenstruktur; Transformieren der aufgenommenen Kinematik(-daten) in das anatomische Koordinatensystem des anatomischen Systems; und Ausgabe, insbesondere Anzeigen, von relevanten Kinematikdaten, insbesondere der Kinematik der nicht manipulierten Anatomie, an eine Nutzer wie etwa einen Chirurgen.In particular, the assistance method can have the steps: preferably attaching at least a first patient tracker to a first bone of the joint and a second patient tracker to a second bone of the joint; performing a movement of the first bone relative to the second bone and thus kinematics (for a kinematics evaluation); Acquiring and recording the kinematic data of the tracked first and second bones in a tracker coordinate system (tracker-KOS as it were as an intermediate or recording coordinate system); Preferably making an incision, particularly by robot, for an opening and further preferably manipulating the anatomy to gain appropriate access to the tracked bone of the joint; Carrying out a registration of the first and/or second bone by palpation of landmarks using a navigation pointer and/or a surface adjustment (the so-called "surface mapping") of the exposed first and/or second bone (or the exposed bone structure; transforming the recorded ones). Kinematics (data) into the anatomical coordinate system of the anatomical system and outputting, in particular displaying, relevant kinematics data, in particular the kinematics of the non-manipulated anatomy, to a user such as a surgeon.
Vorzugsweise kann das Assistenzverfahren nach der Darstellung die Durchführung des eigentlichen Eingriffs, insbesondere mit einer Resektion, beinhalten, insbesondere einen robotergestützen Eingriff, aufweisen.According to the illustration, the assistance method can preferably contain the implementation of the actual intervention, in particular with a resection, in particular a robot-assisted intervention.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Assistenzverfahren nach dem Schritt der Erfassung der Kinematik durch das Navigationssystem und vor der Registrierung den Schritt einer robotergeführten Inzision aufweisen.According to a preferred embodiment, the assistance method can have the step of a robot-guided incision after the step of detecting the kinematics by the navigation system and before the registration.
Jegliche Offenbarung im Zusammenhang mit dem vorliegenden Implantationsassistenzsystem der vorliegenden Offenbarung gilt ebenso für das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wie auch umgekehrt.Any disclosure in connection with the present implantation assistance system of the present disclosure also applies to the method according to the present disclosure and vice versa.
Figurenlistecharacter list
Die vorliegende Offenbarung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme von begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines Endoprothesen-Assistenzsystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
2 eine schematische Ansicht eines biomechanischen Modellsder Knochen aus 1 , mit eingezeichneten besonders wichtigen Landmarken; -
3 und4eine schematische perspektivische Ansicht einer Kinematikbewegung nach Befestigen der Patienten-Tracker aber vor der Inzision, welche durch ein medizinisches Fachpersonal oder robotergestützt durchführbar ist; und -
5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Kniegelenks eines Patienten mit den an die Knochen befestigten Patienten-Tracker, wobei das Knie für eine Registrierung geöffnet ist; -
6 eine schematische perspektivische Ansicht einer Registrierung im Fall eines bildlosen Navigationssystems, das einen Navigationszeiger für eine Palpation der Landmarken des Knochens verwendet; -
7 eine schematische Ansicht einer kinematischen Bewegung und Bewertung, wobei der Schritt der Kinematikbewegung nach dem Eingriff und nach Implantation des Knieimplantats sowie nach einem Verschließen des Eingriffsbereichs durchgeführt wird, um eine präoperative Kinematik mit einer postoperativen Kinematik zu vergleichen; -
8 ein Flussdiagramm eines Assistenzverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
-
1 a perspective view of an endoprosthesis assistance system according to a first th preferred embodiment of the present disclosure; -
2 Figure 12 shows a schematic view of a biomechanical model of thebones 1 , with marked particularly important landmarks; -
3 and4a schematic perspective view of a kinematic movement after attaching the patient tracker but before the incision, which can be carried out by a medical specialist or with the help of a robot; and -
5 Figure 12 is a schematic perspective view of a patient's knee joint with the patient trackers attached to the bones, with the knee opened for registration; -
6 Figure 12 is a schematic perspective view of registration in the case of an imageless navigation system using a navigation pointer for palpation of bone landmarks; -
7 a schematic view of a kinematic movement and evaluation, the step of kinematic movement being performed after the intervention and after implantation of the knee implant and after closing the intervention area in order to compare pre-operative kinematics with post-operative kinematics; -
8th a flowchart of an assistance method according to a preferred embodiment.
Die Figuren sind schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der vorliegenden Offenbarung dienen. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.The figures are schematic in nature and are intended only for understanding the present disclosure. Identical elements are provided with the same reference symbols. The features of the various embodiments are interchangeable.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments
Darüber hinaus weist das Assistenzsystem 1 (für eine später durchzuführende Registrierung) einen Navigations-Zeiger / Pointer 12 (wird erst nachstehend zu
Auch hat das Assistenzsystem 1 eine Darstellungsvorrichtung 16 in Form eines OP-Monitors, um dem medizinischen Fachpersonal eine visuelle Anzeige auszugeben.The
Schließlich weist das Assistenzsystem eine Steuereinheit 18 auf, die vorliegend sehr speziell angepasst ist, um, entgegen dem Stand der Technik, zunächst präoperativ eine Kinematik und/oder Kinematikbewegung über das Navigationssystem zu erfassen und aufzuzeichnen und erst nach dieser Erfassung und Aufzeichnung die Registrierung intraoperativ durchzuführen, wie unter Erläuterungen der
Diese befestigten Tracker 8, 10 werden, wie in den
Nachdem die Bewegungsmuster aufgezeichnet wurden, wird der in
In
Nach der in
Die Steuereinheit 18 übernimmt dabei übernimmt die gesamte Datenerfassung, Berechnung und Anzeige der Daten durch die Darstellungsvorrichtung 16. Die aufgezeichneten kinematischen Daten können nun weitergegeben und verarbeitet werden, ohne den Patienten bewegen zu müssen. Der Chirurg kann die über die Darstellungsvorrichtung bereitgestellten Informationen nutzen, um geeignete Implantatkomponenten auszuwählen und/oder eine geeignete Implantatausrichtung zu wählen, die mit Hilfe einer Navigation und/oder Robotik anschließend durchgeführt wird.The
Wie in
Konkret ist also in dem Assistenzsystem 1 der vorliegenden Ausführungsform die Steuereinheit 18 dafür angepasst über die an den Knochen K1, K2 angebrachten Tracker 8, 10 vor einer Inzision präoperativ eine Kinematik und/oder Kinematikbewegung der nachverfolgten Knochen K1, K2 durch das Navigationssystem 2 zu erfassen und aufzuzeichnen und nach einer Inzision intraoperativ eine Registrierung über den ersten Knochen K1 und/oder zweiten Knochen K2 mittels des Navigations-Zeigers 12 durchzuführen. Die Steuereinheit 18 bestimmt dann, basierend auf der Registrierung eine Transformation der aufgezeichneten Kinematik (bzw. Kinematikbewegung) zu einem Anatomischen System in Form eines biomechanischen Modells. Schließlich steuert die Steuervorrichtung den OP-Monitor als Darstellungsvorrichtung 16 entsprechend an und gibt eine Assistenzdarstellung 20 aus. Diese Assistenzdarstellung 20 weist Daten bzw. Informationen zu der Kinematik des biomechanischen Modells als anatomisches System auf. Konkret kann die Assistenzdarstellung 20 zu den Knochen Daten zu einem möglichen Verdrehwinkel von Tibia zu Femur eingeblendet werden wie in
Die Assistenzdarstellung verknüpft also visuell Daten der individuell erfassten, präzisen Kinematik des Kniegelenks des Patienten mit einem anatomischen System in Form eines biomechanischen Modells und gibt diese Informationen zusammen übersichtlich und intuitiv aus, so dass der Chirurg einfach und effektiv eine Auswahl eines Implantats als auch einer Ausrichtung des Implantats treffen kann.The assistance display thus links visual data of the individually recorded, precise kinematics of the patient's knee joint with an anatomical system in the form of a biomechanical model and outputs this information together clearly and intuitively, so that the surgeon can easily and effectively select an implant and an alignment of the implant.
In einem optionalen ersten Schritt S1 wird an der Tibia und an den Femur jeweils ein Tracker 8, 10 in Form eines Starrkörper-Trackers, an den Knochen befestigt. Alternativ können diese einfach schon befestigt sein. Femur und Tibia bilden das bewegliche Verbindung des Gelenks aus.In an optional first step S1, a
In einem optionalen zweiten Schritt S2 erfolgt das Anzeigen einer geführten Kinematikbewegung durch die Darstellungsvorrichtung 16, um dem Chirurgen eine visuelle Anweisung eines Bewegungsablaufs bereitzustellen, um möglichst die gesamte Kinematik zu erfassen.In an optional second step S2, a guided kinematics movement is displayed by the
In einem Schritt 3 erfolgt, vor der Inzision und während der ausgeführten Kinematikbewegung des Beins des Patienten P, eine Erfassung einer präoperativen Kinematik der durch das Navigationssystem 2 nachverfolgten Tibia und Femur des Patienten P. Diese erfasste präoperative Kinematik wird der Steuereinheit 18 computerlesbar bereitgestellt:
- Erst nach der Aufzeichnung der Kinematik und ferner erst nach einer darauffolgenden Inzision, erfolgt der Schritt S4 Durchführen einer intraoperativen Registrierung auf Basis von palpatierten Landmarken und/oder eines Oberflächenabgleichs einer intrakorporalen Knochen-Struktur der Tibia und/oder des Femurs durch
das Navigationssystem 2 und den Navigations-Zeiger 12 und/oder dem Navigationssystem 2 und einem 3D-Oberflächenscanner.
- Only after the kinematics have been recorded and then only after a subsequent incision does step S4 carry out an intraoperative registration based on palpated landmarks and/or a surface comparison of an intracorporeal bone structure of the tibia and/or the femur by the
navigation system 2 and theNavigation pointer 12 and / or thenavigation system 2 and a 3D surface scanner.
Hiernach erfolgt der Schritt S5 Bestimmen, durch die Steuereinheit 18, auf Basis der Registrierung, einer Transformation der erfassten Kinematik und/oder Kinematikbewegung in ein anatomisches System.This is followed by the step S5 determining, by the
Schließlich erfolgt in Schritt S6 das Ausgeben der Assistenzdarstellung 20 durch die Darstellungsvorrichtung 16. Diese Assistenzdarstellung umfasst Daten der aufgezeichneten Kinematik gegenüber dem anatomischen System des Patienten.Finally, in step S6, the
In dieser Ausführungsform weist das Assistenzverfahren ferner die folgenden Schritte auf.In this embodiment, the assistance method further includes the following steps.
In einem Schritt S7 erfolgt ein Erfassen, und zwar erst nach einem Schließen des Knies des Patienten P, einer postoperativen Kinematik des Knies des Patienten P durch das Navigationssystem 2, welches der Steuereinheit 18 computerlesbar bereitgestellt wird.In a step S7 , postoperative kinematics of the knee of the patient P are recorded by the
In dem letzten Schritt S8 wird ein Vergleichen der erfassten präoperativen Kinematik vor einer Öffnung des Patienten P mit der postoperativen Kinematik nach dem Schließen des Körpers des Patienten P ausgeführt und eine Abweichung zwischen der erfassten präoperativen Kinematik und der erfassten postoperativen Kinematik bestimmt. Diese Abweichung kann der Chirurg dann für eine Bewertung der Endoprothese heranziehen.In the last step S8, the recorded pre-operative kinematics before the patient P is opened are compared with the post-operative kinematics after the body of the patient P is closed, and a deviation between the recorded pre-operative kinematics and the recorded post-operative kinematics is determined. The surgeon can then use this deviation to evaluate the endoprosthesis.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Endoprothesen-AssistenzsystemEndoprosthesis assistance system
- 22
- Navigationssystemnavigation system
- 44
- Trackingsystemtracking system
- 66
- 3D-Kamera3D camera
- 88th
- Erster Patienten-TrackerFirst patient tracker
- 1010
- Zweiter Patienten-TrackerSecond patient tracker
- 1212
- Navigations-Zeigernavigation pointer
- 1414
- Landmarkelandmark
- 1616
- Darstellungsvorrichtungdisplay device
- 1818
- Steuereinheitcontrol unit
- 2020
- Assistenzdarstellungassistance representation
- 2222
- Speichereinheit storage unit
- PP
- Patientpatient
- K1K1
- Erster (Gelenk-)KnochenFirst (joint) bone
- K2K2
- Zweiter (Gelenk-)KnochenSecond (joint) bone
- S1S1
- Schritt Befestigen eines ersten und zweiten Patienten-TrackersStep Attach a first and second patient tracker
- S2S2
- Schritt Anzeigen einer geführten KinematikbewegungStep Displaying a guided kinematic movement
- S3S3
- Schritt Erfassen einer präoperativen KinematikStep Acquiring a preoperative kinematics
- S4S4
- Schritt Durchführen einer intraoperativen RegistrierungStep Carrying out an intraoperative registration
- S5S5
- Schritt Bestimmen einer Transformation zwischen der Kinematik und einem anatomischen SystemStep Determining a transformation between the kinematics and an anatomical system
- S6S6
- Schritt Ausgeben einer AssistenzdarstellungStep Outputting an assistance representation
- S7S7
- Schritt Erfassen einer postoperativen KinematikStep Acquiring a postoperative kinematics
- S8S8
- Schritt Vergleichen der präoperativen Kinematik mit der postoperativen KinematikStep Comparing the preoperative kinematics with the postoperative kinematics
Claims (11)
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Legal Events
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R163 | Identified publications notified |