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Die
Erfindung betrifft die Verwendung eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Bestimmung der Beweglichkeit von Funktionssegmenten eines Wirbelsäulenabschnitts
mit einer Sonographieeinrichtung, die einen Aufnahmekopf aufweist,
einer Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der dreidimensionalen
Position des Aufnahmekopfes sowie seiner Ausrichtung im Raum, und
einer Auswertungseinrichtung.
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Zur
Diagnostik von Rückenschmerzen
sind lange Zeit die morphologischen Parameter der Wirbelsäule unter
statischen Bedingungen betrachtet worden. Hierbei hat man jedoch
wenig Erfolg bei der Klärung
chronischer Rückenschmerzen
erzielt.
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In
neuerer Zeit verfolgt man deshalb funktionsmorphologische Ansätze, und
zwar werden Gefügestörungen als
Auslöser
von Rückenschmerzen
untersucht. Gefügestörungen sind
Störungen
(meist Lockerungen) des anatomisch-funktionellen Gefüges im Bewegungssegment,
d.h. der für
die Bewegungsvorgänge
zwischen zwei Wirbeln zuständigen
Funktionseinheit der Wirbelsäule,
bestehend aus der Bandscheibe, den Wirbelgelenken, Bändern u.
Zwischenwirbellöchern.
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Beispielsweise
führt eine
Ausweitung des Bewegungsradius einzelner Funktionssegmente, die jeweils
aus Wirbelkörper,
Bandscheibenfach und nachfolgendem Wirbelkörper bestehen, zu einer vermehrten
schmerzhaften Belastung von Bandstrukturen und der kleinen Wirbelgelenke
oder zu einer Alteration der zugeordneten Nervenwurzeln.
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Zur
Unterstützung
der Diagnose von Gefügestörungen können Funktionsuntersuchungen durchgeführt werden,
die die Funktionssegmente des zu untersuchenden Wirbelsäulenabschnitts
in verschiedenen Stellungen der Wirbelsäule zum Gegenstand haben. Die
Bestimmung der Position der Wirbelkörper eines Segments relativ
zueinander bspw. in Normalstellung und Ante- und/oder Retroflexion führt zu Aussagen über die
rotatorische und/oder translatorische Bewegung der Wirbel relativ
zueinander.
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Zu
messende Parameter solcher Bewegungen sind beispielsweise die Drehachsen
oder Zentroden der jeweils einem Funktionssegment zugehörigen Wirbelkörper als "Mean Center of Rotation". Die Position dieser
Drehachsen zueinander ist ein Maß dafür, ob die Wirbelkörper eine
Dreh- oder Gleitbewegung durchführen.
Drehachsen, die ausserhalb des erwarteten Drehzentrums liegen, lassen
auf eine Translation im entsprechenden Wirbelsegment schließen. Im
Extremfall liegt das Drehzentrum bei einer reinen Translation im
Unendlichen. Weiterhin ist die Berechnung der segmentalen angulären Beweglichkeiten
in Flexion und Extension von Bedeutung für die Untersuchung von Gefügestörungen,
insbesondere bei unspezifischen Rückenschmerzen. Weiterhin ist
die Vermessung von skoliotischen Wirbelsäulenformen, d.h. der Bestimmung
funktioneller Torsionsparameter (Torsionswinkel), von Bedeutung
zur Unterstützung
der Diagnose entsprechender Krankheitsbilder.
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Das
Standardverfahren zur Funktionsuntersuchung der Wirbelsäule zur
Unterstützung
der Diagnose von Gefügestörungen,
d.h. etwa der Untersuchung der Hals- oder Lendenwirbelsäule in der Bewegung, ist das
Funktionsröntgen.
Dabei wird der zu untersuchende Wirbelsäulenabschnitt im freien Röntgenstrahl
in sagittaler Projektion durchleuchtet und die Wirbelsäule während der
Ante- und Retroflexion betrachtet. Zusätzlich werden Röntgenaufnahmen
in den maximalen Endpositionen der Bewegung angefertigt. Das Verfahren
erlaubt die Beurteilung der Gesamtbeweglichkeit, die Erfassung von
Wirbelkörperverschiebungen
in sagittaler Richtung (Wirbelgleiten) sowie indirekt die Erfassung
von Insuffizienzen des vorderen und hinteren Längsbandes über das Aufklappen der Bandscheibenfächer.
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Mit
solchen Verfahren kann jedoch nur ein Teil der Bewegungsachsen in
der räumlichen
Bewegung der Wirbelsäule
bestimmt werden. So ist die Erfassung von Torsionsfehlern nicht
möglich.
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Darüberhinaus
ist die Untersuchung mit einer nicht unerheblichen Strahlenbelastung
für den Patienten
und den Untersucher verbunden. Diese ist bspw. im Rahmen von Gesundheits-Vorsorgeuntersuchungen
gesunder Menschen, etwa bei Arbeitnehmern im Rahmen der arbeitsmedizinischen
Vorsorge, nicht akzeptabel. Weiterhin stellen Röntgenuntersuchungen, etwa im
Bereich der Lendenwirbelsäule, bei
Frauen im gebärfähigen Alter
ein Problem dar, weil hier u.U. die Gonaden im Strahlengang liegen und
nicht abgeschirmt werden können.
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Untersuchungen
mittels offener Magnetresonanztomographen (MRI) erlauben die Untersuchung segmentaler
Wirbelsäulenbeweglichkeit
mit hoher Genauigkeit, jedoch sind die Kosten solcher Vorrichtungen
hoch und ihr Aufbau sehr aufwendig.
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Untersuchungen
der segmentalen Wirbelsäulenbeweglichkeit
mit Körperoberflächenmarkern oder
Neigungsmessgeräten
erlauben keine eindeutige Zuordnung zu bestimmten Wirbelsegmenten. Eine
Trennung translatorischer zu rotatorischen Bewegungen ist nicht
möglich.
Durch die auftretenden Hautverschiebungen ist eine segmentale Bewegungsmessung
nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich.
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Zur
Untersuchung der globalen Wirbelsäulenbeweglichkeit, insbesondere
der Lendenwirbelsäule,
stehen verschiedene Messsysteme zur Verfügung, bei denen die maximale
Beweglichkeit mittels Goniometer oder berührungslos messenden Bewegungsmesssystemen
bestimmt wird. Untersuchungen zeigen jedoch, dass die Aussagekraft
der maximalen Beweglichkeit der globalen Lendenwirbelsäule sehr
eingeschränkt
ist: Diese ist von einer Reihe von Faktoren abhängig, wie etwa dem Willen des
Patienten oder der Tageszeit. Darüberhinaus verfügt die Wirbelsäule über segmentale
Kompensationsmechanismen, bei denen die Bewegungseinschränkung hypomobiler
Segmente durch hypermobile Segmente ausgeglichen wird.
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In
weiteren Verfahren wird die 3D-Oberfläche des Rückens mit einem Streifenlichtverfahren abgetastet.
Hierdurch kann eine Verlaufskontrolle von Skoliosen durchgeführt werden.
Die berechnete Wirbelsäulenform
gibt allerdings die tatsächliche
Wirbelsäulenform
nur angenähert
wieder. Es können keine
Funktionsparameter abgeleitet werden.
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Bildgebungsverfahren
mittels Ultraschall werden in der Pränataldiagnostik zur Bestimmung von
Fehlbildungen der Wirbelsäule
durchgeführt. Auch
sind Untersuchungen des Neurokanals bei Neugeborenen durch Sonographie
bekannt. Jedoch ist die Aussagekraft von sonographischen Bildern, die
im wesentlichen nur Teile der Dorn- und Querfortsätze erfassen
können,
nach herrschender Meinung zu gering, als dass sie bei funktionellen
Wirbelsäulenuntersuchungen
sinnvoll eingesetzt werden könnten.
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Aus
jüngerer
Zeit ist bekannt, dass Parameter der Bewegung nicht nur über die
Oberflächenkontur
der Wirbelkörper,
sondern auch über
die Kontur der Dorn- und/oder
Querfortsätze
berechnet werden können.
So würden
zur Bestimmung von Drehachsen als "Mean Center of Rotation" rechnerisch drei widerauffindbare
anatomische Punkte an den Dornfortsätzen ausreichen. Sind jedoch
deren Oberflächenkonturen
bekannt, erfolgt die Bestimmung der Drehachsen leichter und genauer.
Diese Zusammenhänge
wurden anhand von Röntgenbildern
am biomechanischen Institut ENSAM LBM in Paris zusammen mit den
Orthopaedics and Medical Imaging Laboratory Montreal, LIO Quebec
nachgewiesen. Ebenso ist es möglich,
aus Oberflächenkonturen
der Dorn- und/oder Querfortsätze
in sagittaler Projektion anguläre
intersegmentale Beweglichkeiten zu bestimmen.
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Die
DE 196 49 399 A1 der
Anmelderin offenbart eine Vorrichtung zur Messung der Beweglichkeit des
Rückens
oder Rumpfes eines Patienten durch Bestimmung des Weges der dreidimensionalen
Absolutposition zumindest dreier Referenzpunkte in einem Referenzbereich
der Vorrichtung gegenüber
einer stationären
Messvorrichtung. Aus der Rumpfbeweglichkeit können Rückschlüsse auf mögliche Wirbelsäulenschäden gezogen werden.
Eine Vorrichtung oder ein Verfahren zur direkten Bestimmung der Beweglichkeit
der Wirbelsäule
selbst ist jedoch in der Druckschrift nicht offenbart.
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In
der
DE 43 44 741 A1 der
Anmelderin ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der
Position von Messpunkten offenbart, bei der die Messung räumlicher
Positionen von Messpunkten mittels Ultraschallsignalen erfolgt.
Die Anwendung erfolgt im Bereich der Bestimmung der räumlichen Position
oder Bewegung des menschlichen Körpers. Eine
Anwendung für
den Bereich der Wirbelsäulenvermessung
ist der Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.
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Die
US 5,510,229 offenbart ein
System für die
Simulation echographischer Untersuchungen. Das System besteht aus
elektromagnetischen Feldsensoren, einer Positionsmesseinrichtung
sowie einer Auswertungseinrichtung. Als Anwendung wird lediglich
allgemein die Abbildung biologischer Strukturen angegeben. Die Verwendung
einer derartigen Vorrichtung zur Bestimmung der Beweglichkeit von Funktionssegmenten
eines Wirbelsäulenabschnitts ist
nicht offenbart.
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Die
US 4,100,916 beschreibt
eine Vorrichtung zur Erfassung dreidimensionaler Daten, die die Struktur
der Weichteile tierischer Organe repräsentieren. Die Vorrichtung
weist als Sonografie-Einrichtung einen Ultraschallscanner, ferner
eine Positionsmesseinrichtung und als Auswertungseinrichtung einen
Digitalcomputer auf. Die Vorrichtung ist zur Verwendung in der Herzdiagnostik
vorgesehen. Zur Verwendung der offenbarten Vorrichtung für die Bestimmung
der Beweglichkeit der Wirbelsäule
ist der Druckschrift keinerlei Hinweis zu entnehmen. Auch ein entsprechendes
Verfahren ist nicht beschrieben.
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Angesichts
des Standes der Technik besteht die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe also darin, die Verwendung einer bekannten Vorrichtung und
Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung anzugeben, mit denen
die Funktionssegmente in wenigstens einem Teilabschnitt der Wirbelsäule mit
hoher Genauigkeit und unter Vermeidung von Strahlenbelastung einfach
und kostengünstig
vermessen werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Verwendung mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen und ein Betriebsverfahren für eine solche Vorrichtung mit den
im Anspruch 2 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht zunächst darin, mit einer Sonographiereinrichtung,
die einen Aufnahmekopf aufweist, ultraschallbasierte Aufnahmen der
Wirbelsäule
zu erstellen. Zwar bietet die Sonographie im Gegensatz zur Röntgentechnik
keine Möglichkeit,
die Wirbelkörper
direkt abzubilden, da diese abgeschattet sind und sich somit nicht
im Sichtbereich befinden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können jedoch
die Oberflächenkonturen
der Dorn- und/oder Querfortsätze der
Wirbelkörper
eines Abschnittes der Wirbelsäule, der
eine Mehrzahl von Funktionssegmenten umfasst, dargestellt werden.
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Weiterhin
können
durch die Kombination des Aufnahmekopfes der Sonographieeinrichtung
mit einer Positionsmesseinrichtung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Auswertungseinrichtung
die Oberflächenkonturen
der Dorn- und/oder Querfortsätze
exakt im Raum rekonstruiert werden. Aufgrund der Kenntnis der exakten
Positionsdaten ist es möglich, eine
Mehrzahl von Ultraschalleinzelbildern, die jeweils nur die Oberflächenkonturen
der Dorn- und/oder Querfortsätze
der Wirbelkörper
von einem oder zwei Funktionssegmenten zeigen, zu Kombinationsdarstellungen
zusammenzufügen,
die die Konturen der Mehrzahl von Funktionssegmenten eines Abschnitts
der Wirbelsäule
zeigen. Hierdurch kann die Lageänderung
der Fortsätze
absolut sowie relativ zueinander für diesen Teilabschnitt der
Wirbelsäule bestimmt
werden.
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In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist die Auswertungseinrichtung
zur Bestimmung von Parametern der Bewegung der Funktionssegmente
des vermessenen Wirbelsäulenabschnittes
anhand einer Mehrzahl von Kombinationsdarstellungen ausgebildet.
Eine Mehrzahl von Ultraschalleinzelbildern oder Kombinationsdarstellungen, bei
verschiedenen Stellungen der Wirbelsäule bestimmt, erlauben in weiteren
Auswertungsschritten bspw. die Lokalisation des "Mean Center of Rotation", d.h. der Drehachsen
der Wirbelkörper
in den Funktionssegmenten. Weiterhin ist es möglich, neben der Bestimmung
von Gleitbewe gungen der Wirbelkörper
und der Ermittlung von Konformationsänderungen der Bandscheibenfächer, funktionelle
Torsionsparameter zu bestimmen, wie Wirbelsäulendeformierungen dreidimensional
zu vermessen. Diese Parameter werden durch die erfindungsgemässe Vorrichtung
unmittelbar und in einfacher Weise zur Verfügung gestellt.
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In
weiteren Ausgestaltungen kann die erfindungsgemäße Auswertungseinrichtung zur
Bestimmung von Form und Lage von Dorn- und/oder Querfortsätzen der
Wirbelsäule
anhand der Kombinationsdarstellungen ausgebildet sein. Die Bestimmung erfolgt
anhand der Oberflächenkonturen
der Fortsätze.
Anhand der Kombinationsdarstellungen und anatomischer Mittelwerte
kann weiterhin die dreidimensionale Position der Wirbelkörper des
Wirbelsäulenabschnitts
bestimmt werden.
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Da
die bildgebende Einrichtung nicht auf Röntgenstrahlen basiert, wird
die funktionelle Untersuchung gesunder Menschen möglich, bei
denen eine Röntgenuntersuchung
aufgrund der damit verbundenen Strahlenbelastung nicht zu rechtfertigen ist,
also etwa gesunden Arbeitnehmern, Frauen im gebärfähigen Alter, sowie auch bei
Kindern und Jugendlichen.
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Darüberhinaus
wird die Diagnostik funktioneller Störungen der Wirbelsäule vereinfacht
und kostengünstiger
möglich,
da im Gegensatz zum Funktionsröntgen
etwa auch Torsionsfehler bestimmt werden können, ohne auf Magnetresonanzverfahren zurückgreifen
zu müssen.
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In
einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist die Positionsmesseinrichtung wenigstens einen Messlokator
auf, wobei dieser Lokator mit dem Aufnahmekopf während eines Messvorganges,
d.h. der Gewinnung eines Ultraschalleinzelbildes, mechanisch starr
verbunden ist. Aus der Position des Lokators kann, etwa in der Auswertungseinrichtung,
in einfacher und zuverlässiger Weise
die Position des Aufnahmekopfes sowie seine Ausrichtung im Raum
bestimmt werden.
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In
weiteren Ausgestaltungen der Erfindung weist die Positionsmesseinrichtung
raum- und/oder körperfeste
Referenzlokatoren auf. Hierdurch ist es möglich, die Position der Oberflächenkonturen
der Dorn- und/oder Querfortsätze
in verschiedenen dreidimensionalen Koordinatensystemen zu bestimmen. So
kann ein solches Koordinatensystem raumfest, d.h. unabhängig vom
Körper
des Patienten sein, oder in Bezug auf den Körper ruhen. Bei einer Kombination
von raum- und körperfesten
Referenzlokatoren ist etwa die Korrektur von Bewegungen des Körpers zwischen
zwei Ultraschalleinzelbildern möglich.
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Die
Positionsmesseinrichtung kann nach dem Prinzip der Laufzeitmessung
von Ultraschallimpulsen arbeiten. Hierdurch ist die Ermittlung von
genauen Positionsdaten, die sich auf jeweils ein Ultraschalleinzelbild
beziehen, in einfacher und zuverlässiger Weise möglich.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird derart betrieben, dass für
einen Wirbelsäulenabschnitt
wenigstens zwei Kombinationsdarstellungen bei unterschiedlichen
Stellungen der Wirbelsäule
bestimmt werden. Jeweils eine Kombinationsdarstellung wird dabei
aus einer Mehrzahl von Ultraschalleinzelbildern sowie deren Positionsdaten
bestimmt. Hierdurch repräsentiert
jeweils eine Kombinationsdarstellung die knöchernen Oberflächenkonturen
der Dorn- und/oder Querfortsätze
des Wirbelsäulenabschnitts
mit einer Mehrzahl von Funktionssegmenten bei einer bestimmten,
im wesentlichen unveränderten
Stellung. Die aus diesem Betriebsverfahren gewonnenen Kombinationsdarstellungen
stellen Daten zur Beurteilung der Beweglichkeit des betreffenden Wirbelsäulenabschnittes
zur Verfügung.
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In
einer Ausgestaltung dieses Betriebsverfahrens wird in der Auswertungseinrichtung
aus den Kombinationsdarstellungen anhand der Oberflächenkonturen
der Dorn- und/oder Querfortsätze
ein Satz Bewegungsparameter der Funktionssegmente bestimmt. Hierdurch
stehen die Bewegungsparameter ebenfalls unmittelbar für weitere
Beurteilungen zur Verfügung.
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Weitere
Vorteile und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispieles
anhand der Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
der Komponenten einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine schematische perspektivische Ansicht
des starr mit Messlokatoren verbundenen Aufnahmekopfes einer Sonographieeinrichtung
einer Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine schematische Ansicht
erfindungemäßer Mess-
und Referenzlokatoren, wobei letztere am Körper eines Patienten befestigt
sind;
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4 eine schematische Ansicht
erfindungemäßer Mess-
und Referenzlokatoren, wobei letztere am Körper eines Patienten befestigt
sind sowie stationär
vorliegen.
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In
der 1 ist eine beispielhafte
Ausführung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bestimmung der Position der Wirbelkörper 1 in den Funktionssegmenten 2 eines
Abschnitts 3 einer Wirbelsäule schematisch dargestellt.
Die Wirbelkörper 1 sind
durch Bandscheibenfächer 4 voneinander
getrennt, und mit Dornfortsätzen 5 sowie
Querfortsätzen 6 versehen.
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Die
Wirbelsäule
wird mit Ultraschall 7 aus einem Schwinger bzw. Geber 8 bestrahlt.
Der Sender (nicht dargestellt) kann sich in dem Geberkopf 8 befinden
oder abgesetzt vorliegen. Der einfallende Ultraschall dringt durch
die Körperoberfläche 9 eines Patienten
und wird von der Wirbelsäule 3,
genauer gesagt, der durch die Oberfläche der Dorn- und/oder Querfortsätze 4, 5 gebildeten
Grenzfläche
zwischen Knochen und umliegenden Gewebe, reflektiert. Ein Teil des
reflektierten Ultraschalls (der Übersichtlichkeit
wegen nicht angedeutet) gelangt zurück zum Geber- bzw. Schwingerkopf 8.
Die eintreffenden Ultraschallsignale werden im Kopf 8 in
elektrische Signale umgewandelt und an eine Auswertungseinrichtung 10 übermittelt,
die aus diesen Signalen in bekannter Weise ein zweidimensionales
Ultraschalleinzelbild errechnet, dessen eine Dimension im wesentlichen senkrecht
zur Körperoberfläche 9 liegt,
und dass sich bspw. in der Ebene der 1 befindet.
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Mit
dem Kopf 8 der Sonographieeinrichtung starr verbunden sind
Messlokatoren 11. Diese sind als Ultraschallsender ausgeführt. Zur
Bestimmung der Position und Ausrichtung des Kopfes 8 sind
wenigstens drei Messlokatoren 11 erforderlich. Der von den
Lokatoren 11 ausgesendete Ultraschall wird von Referenzlokatoren 12 empfangen.
Diese können bspw.
raumfest angeordnet sein, d.h. stationär in geringer Entfernung vom
Körper
des Patienten aufgestellt sein. In diesem Falle wird die Position
des Bildgebungskopfes 8 in einem raumfesten Koordinatensystem,
welches vom Körper
des Patienten unabhängig
ist, bestimmt.
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Ebenso
ist es möglich,
Referenzlokatoren 13 (s. 3)
am Körper
des Patienten zu befestigen, beispielsweise mittels eines Gürtels oder
Gurtzeugs 17. In diesem Falle wird die Position des Meßkopfes 8 der
Sonographieeinrichtung in Bezug auf den Körper des Patienten gemessen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem sowohl raum- als auch körperfeste
Lokatoren 12, 13 verwendet werden, ist in 4 gezeigt und wird weiter
unten diskutiert. Die Referenzlokatoren 12 übermitteln
Meßdaten
zur Positionsbestimmung an die Auswertungseinrichtung 10.
Zur Ausgabe der Auswertungsergebnisse der Auswertungseinrichtung 10 kann
beispielsweise eine Anzeigeeinheit 14 dienen, und/oder
weitere Ausgabeeinrichtungen.
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In 2 ist ein Beispiel einer
mechanischen Kombination von Schwinger- bzw. Bildgebungskopf 8 und
fest mit diesem verbundenen Messlokatoren 11 gezeigt. Der
Schwingerkopf 8 der bildgebenden Sonographieeinrichtung
wird über
seine Kontaktoberfläche 15 (und
bspw. ein Gel o.ä.
welches in der 1 zur
Vereinfachung nicht gezeichnet ist) auf der Haut bzw. Körperoberfläche 9 des
Patienten über
der Wirbelsäule 3 angelegt.
Die Erstreckung des Ultraschalleinzelbildes entspricht der längeren Hauptachse
des Schwingerkopfes 8.
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In
dem in 2 gezeigten Beispiel
sind vier Messlokatoren 11 mit dem Messkopf 8 mechanisch starr
verbunden, deren Abstrahlrichtung von Ultraschall 16 zu
derjenigen des Schwingerkopfes 8 entgegen gesetzt ist.
Zum Empfang des Ultraschalls 16 ausgebildete, raumfeste
Referenzlokatoren können sich
etwa in einer Ebene befinden, die sich im wesentlichen parallel
zum Rücken
des Patienten (d.h. senkrecht zur Bildebene der 1) und in einiger Entfernung von diesem
erstreckt.
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Der Übersichtlichkeit
wegen sind Kabel oder dergleichen Einrichtungen für die Stromversorgung sowie
zur Übermittlung
von Steueranweisungen und Signaldaten in der 2 lediglich angedeutet.
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Beispiele
für die
Anordnung von raum- und/oder körperfesten
Referenzlokatoren, sind in den 3 und 4 gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel
der 3 sind Lokatoren 13 mittels
eines Gürtels 17 am
Körper
des Patienten befestigt. Dadurch verschiebt sich das Koordinatensystem,
in welchem die Bewegung des Bildgebungsmesskopfes 8 gemessen
wird, entsprechend den Bewegungen des Patienten. Anders als in 2 gezeigt, strahlen die Messlokatoren 11 in
dem Beispiel der 3 senkrecht
zur Kontaktfläche 15 des
Meßkopfes 8.
Die Anordnung der 2 könnte hierfür verwendet
werden, wenn die Verbindung zwischen dem Kopf 8 und den Messlokatoren 11.
beispielsweise schwenk- oder klappbar, und bspw. in den gezeigten
Positionen rastbar ausgeführt
ist.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 4 sind neben den
als Sender ausgebildeten Messlokatoren 11 weitere, körperfeste
Referenzlokatoren 13 mittels eines Befestigungsgürtels 17 am
Patientenkörper
angebracht. Die Lokatoren 13 sind ebenfalls als Sender ausgebildet.
Die Ultraschallwellen der Lokatoren 11, 13 werden
von einer raumfesten Anordnung von als Sensoren ausgebildeten Referenzlokatoren 12 empfangen
und an die nicht gezeigte Auswertungseinheit 10 weitergeleitet.
Mit dieser Anordnung von Lokatoren 11, 12, 13 ist
es möglich,
Körperbewegungen
des Patienten zu kompensieren.
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Zur
Gewinnung von Daten, die die Funktionssegmente eines Abschnitts
einer Wirbelsäule
betreffen, wird erfindungsgemäß wenigstens
eine Kombinationsdarstellung der Oberflächenkonturen der Dorn- und/oder
Querfortsätze
des Abschnitts erstellt. Hierzu kann – etwa bei manueller Verschwenkung des
Aufnahmekopfes – zur
Gewinnung eines Einzelbildes ein Bediener den Aufnahmekopf auf Höhe eines
Fortsatzes bzw. Funktionssegmentes über diesen hinwegbewegen und
dabei die auf der Anzeigeeinheit 14 (1) dargestellten Oberflächenkonturen beobachten.
Ergibt sich in einer bestimmten Position des Aufnahmekopfes am Rücken des
Patienten ein besonders scharfes Bild, kann der Bediener durch Eingabe
eines Kommandos veranlassen, dass dieses Ultraschalleinzelbild mit
den dazugehörigen
Positionsdaten in der Auswertungseinheit gespeichert wird.
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Der
Bediener wiederholt diesen Vorgang, bis alle Fortsätze bzw.
Funktionssegmente des Wirbelsäulenabschnitts
erfasst sind. Weil für
jede Ultraschalleinzelaufnahme Positionsdaten in einem dreidimensionalen
raum- und/oder körperfesten
Koordinatensystem bekannt sind, können bei der Erstellung der
Kombinationsdarstellung, die die Oberflächenkontur der Dorn- und/oder
Querfortsätze
des gesamten Wirbelsäulenabschnitts
zeigt, aus einer Mehrzahl von – mehr
oder weniger gegeneinander versetzten – Ultraschalleinzelaufnahmen
Fehlerkorrekturen vorgenommen und die Oberflächenschärfe verbessert werden.
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In
bestimmten Fällen
genügt
bereits eine einzelne Kombinationsdarstellung, etwa zur Rekonstruktion
skoliotischer Wirbelsäulenformen.
Aufgrund der Verdrehung der Wirbelkörper werden in diesem Fall
neben den Dorn- auch die Konturen der Querfortsätze herangezogen.
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Für weitere
Anwendungszwecke wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Weise
betrieben, dass wenigstens zwei Kombinationsdarstellungen bei unterschiedlichen
Stellungen der Wirbelsäule
bestimmt werden. Beispielsweise können zur Bestimmung der Drehachsen
als "Mean Center
of Rotation" zwei
Aufnahmen in sagittaler Projektion der Neutralstellung undder Flexion
oder Extension bestimmt werden.
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Die
Kombinationsdarstellungen zeigen die Oberflächenkonturen der Dornfortsätze in diesen zwei
Stellungen. In den zwei Kombinationsdarstellungen können sodann
entweder automatisch durch die Auswertungseinrichtung oder aber
auch manuell einander entsprechende Konturen identifiziert werden.
Aus der Lage der Oberflächenkonturen
benachbarter Dornfortsätze
zueinander bei den verschiedenen Stellungen der Wirbelsäule ist
es sodann möglich,
die Drehachsen zu bestimmen. Die Positionen dieser Drehachsen zueinander
sind ein Maß die Dreh-
und/oder Gleitbewegungen der Wirbelkörper.
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In
wenigen Fällen,
in denen bspw. besonders schwerwiegende Störungen der Wirbelsäulenbeweglichkeit
vorliegen, können
diese durch den augenscheinlichen Vergleich der zwei Kombinationsdarstellungen
erkannt werden. In der Regel sind jedoch zur Bestimmung der Parameter
der Bewegung, also etwa der Position der Drehachsen, Berechnungen
in der Auswertungseinrichtung durchzuführen, die auf den Kombinationsdarstellungen
sowie den zugehörigen
Positionsdaten basieren.
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Kombinationsdarstellungen,
die die Oberflächenkonturen
von Dorn- und/oder Querfortsätzen
in der sagittalen Projektion repräsentieren, können ebenso
zur Berechnung der segmentalen angulären Beweglichkeiten, etwa in
Flexion und Extension, herangezogen werden. Die Kombinationsdarstellungen eines
Abschnitts der Wirbelsäule
mit einer Mehrzahl von Funktionssegmenten können auch die Neutralstellung
und wenigstens eine Seitstellung der Wirbelsäule betreffen. In diesem Falle
wird aus den Oberflächenkonturen
der Dorn- und/oder Querfortsätze
die laterale Beweglichkeit der Funktionssegmente bestimmt. Weiterhin
können
die Kombinationsdarstellungen die Neutralstellung und wenigstens
eine Torsionsstellung der Wirbelsäule betreffen, wobei aus den
Oberflächenkonturen
funktionelle Torsionsparameter, insbesondere Torsionswinkel der
Funktionssegmente bestimmt werden.
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In
den hier gezeigten Ausführungsbeispielen sind
die Lokatoren 11, 12, 13 Ultraschallsender
beziehungsweise -empfänger.
Die Positionsmesseinrichtung kann jedoch ebenso nach dem Prinzip
der aktiven oder passiven optischen Ortung, also bspw. unter Verwendung
von Kameras, oder nach dem Prinzip der magnetsensitiven Ortung arbeiten.
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Ergänzend oder
alternativ kann die Positionsmesseinrichtung einen Positionierarm,
ggf. mit einer Mehrzahl von Gelenken, aufweisen, dessen eines Ende
mit dem Aufnahmekopf starr verbunden ist. Die Bestimmung der Position
des Aufnahmekopfes erfolgt dann bspw. über die Bestimmung der Stellung der
Gelenke.
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Die
in den 3 und 4 dargestellte Einrichtung
aus Messkopf 8 und Messlokatoren 11 wird jeweils
am Rücken
des Patienten über
dessen Wirbelsäule
geführt.
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Dies
kann entweder manuell erfolgen, oder ein Roboterarm kann an der
mechanischen Einheit von Aufnahmekopf 8 und Lokatoren 11 befestigt
sein. Der Roboterarm kann über
eine Steuerungseinheit gesteuert werden und führt den Meßkopf 8 über den Rücken des
Patienten, wobei eine Mehrzahl von Ultraschalleinzelaufnahmen gewonnen
werden. Die Steuerungseinheit steuert den Roboterarm nach einer
festgelegten Vorschrift oder aufgrund von Steuerungsanweisungen
eines Bedieners. Der Roboterarm kann auch als Positionierarm dienen.
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Weiterhin
kann die Auswertungseinheit 10 (1) so ausgebildet sein, dass auf den
Oberflächenkonturen
einander entsprechender Dornfortsätze in einer Mehrzahl von Kombinationsdarstellungen charakteristische
Punkte identifiziert werden. Die Abstände dieser Punkte zu benachbarten
Wirbelkörpern
können
bestimmt werden. Aus den Abständen sind
Rückschlüsse auf
die Beweglichkeit der Wirbelkörper
möglich.
Ebenso kann die Auswertungseinheit 10 aus der Position
der Oberflächenkonturen
der Dorn- und Querfortsätze
deren Lage bestimmen und anhand dieser Lage sowie anatomischer Mittelwerte die
Position der Wirbelkörper
rekonstruieren und darstellen.
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In
den Ausführungsbeispielen
wurde die Vermessung von Funktionssegmenten einer Wirbelsäule geschildert.
Ebenso kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Vermessung der Funktionssegmente der Handknochen verwendet werden.
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Weiterhin
ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele und die oben
hervorgehobenen Aspekte beschränkt,
sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die
im Rahmen fachgemäßen Handelns
liegen.
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- 1
- Wirbelkörper
- 2
- Funktionssegment
- 3
- Wirbelsäulenabschnitt
- 4
- Bandscheibenfach
- 5
- Querfortsatz
- 6
- Dornfortsatz
- 7
- einfallender
Ultraschall
- 8
- Aufnahme-
bzw. Schwingerkopf der Sonographieeinrichtung
- 9
- Körperoberfläche
- 10
- Auswertungseinrichtung
- 11
- Messlokatoren,
fest mit dem Aufnahmekopf verbunden
- 12
- Referenzlokatoren,
raumfest
- 13
- Referenzlokatoren,
körperfest
- 14
- Anzeigeeinheit
- 15
- Kontaktoberfläche des
Aufnahmekopfes
- 16
- Zur
Positionsmessung ausgesendeter Ultraschall
- 17
- Befestigungsgürtel für körperfeste
Referenzlokatoren