DE10311454A1

DE10311454A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an einem Beckenknochen

Info

Publication number: DE10311454A1
Application number: DE10311454A
Authority: DE
Inventors: Andreas GÖGGELMANN; Josef Dr. Kozak
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2003-03-15
Filing date: 2003-03-15
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-16
Also published as: DE20304153U1; DE10311454B4

Abstract

Um bei einem Verfahren zur Bestimmung geometrischer Daten an einem Beckenknochen, bei dem man die Lage des Beckenknochens im Raum mittels eines Navigationssystems bestimmt, diese geometrischen Daten unabhängig von pathologischen Veränderungen am Beckenknochen bestimmen zu können, wird vorgeschlagen, daß man die räumliche Ausdehnung einer oberhalb des Acetabulums angeordneten subchondralen Sklerosezone mißt, den Schwerpunkt dieser subchondralen Sklerosezone und im Randbereich der subchondralen Sklerosezone den Punkt der größten Dicke bestimmt und zusätzlich den Mittelpunkt des Acetabulums und daß man aus diesen Punkten eine Belastungsebene berechnet und diese als Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung geometrischer Daten an einem Beckenknochen, bei dem man die Lage des Beckenknochens im Raum mittels eines Navigationssystems bestimmt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Stabilität und Funktionalität einer Hüftendoprothese hängt nach erfolgter Implantatation von einer Vielzahl von Parametern ab. Besonders wichtig ist dabei die Einhaltung von anatomisch vorgegebenen Einbaurichtungen, beispielsweise im Verhältnis zur Achse des Acetabulums, die sich als Normalenvektor auf einer durch den Rand des Acetabulums gelegten Ebene darstellt. Üblicherweise wird die Richtung dieser Achse durch einen sogenannten Anteversionswinkel und einen sogenannten Inklinationswinkel beschrieben. Als Referenz dieser Winkel wird bisher meist eine Ebene benutzt, die parallel zum Operationstisch verläuft. Durch Verkippung des Beckens in der liegenden Position kann es dabei jedoch zu falschen Werten der implantierten Pfannen führen, Abweichungen in der Größenordnung von 10° sind daher häufig.

Es ist auch bekannt, die genannten Inklinations- und Anteversionswinkel in Bezug auf eine sogenannte Beckeneingangsebene zu definieren. Diese Ebene wird durch die jeweils ventralsten Punkte der Symphysen und der Spinae aufgespannt. Man geht dabei davon aus, daß diese Ebene parallel zur Koronarebene des Patienten liegt. Die genannten Punkte werden üblicherweise perkutan palpiert, und dabei ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Ausgestaltung des Haut- und Fettgewebes Abweichungen. Auch ist es bei unterschiedlicher Patientenlagerung während der Operation häufig schwer oder gar nicht möglich, diese Palpation durchzuführen.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich bei der Bestimmung dieser Daten dadurch, daß der Rand des Acetabulums krankhaft verändert sein kann, beispielsweise bilden sich bei fortschreitender Coxarthrose Osteophyten aus, die es praktisch unmöglich machen, eine definierte, durch den Rand des Acetabulums gehende Ebene zu definieren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem trotz dieser angegebenen Schwierigkeiten geometrische Daten an einem Beckenknochen zuverlässig bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die räumliche Ausdehnung einer oberhalb des Acetabulums angeordneten subchondralen Sklerosezone ausmißt, den Schwerpunkt dieser subchondralen Sklerosezone und im Randbereich der subchondralen Sklerosezone den Punkt der größten Dicke bestimmt und zusätzlich den Mittelpunkt des Acetabulums, und daß man aus diesen Punkten eine Belastungsebene berechnet und diese als Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens verwendet.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß sich im Beckenknochen oberhalb des Acetabulums aufgrund der normalen Belastung der Knochenstruktur eine Verdichtung innerhalb der Knochenstruktur ausbildet, die patientenspezifisch ist. Dieses Verdichtungsgebiet wird als "subchondrale Sklerosezone" bezeichnet. Dieses Verdichtungsgebiet bildet sich unter einer hufeisenförmigen Knorpelschicht des Acetabulums, die als facies lunata bezeichnet wird. Bei arthrotischen Gelenken ist diese Knorpelschicht nicht mehr vorhanden oder stark deformiert, es bildet sich jedoch unterhalb dieser Knorpelschicht aufgrund der ständigen Belastung des Knochens die subchondrale Sklerosezone, also eine knöcherne Verdichtungszone, heraus. Diese Zone besitzt im wesentlichen die Form der facies lunata des Patienten. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Gelenke arthrotisch verändert sind, d.h. wenn der Knorpel bereits verschlissen ist.

Da die individuelle Belastung und Geometrie des Patientengelenks zur Ausbildung dieser Sklerosezone führt, kann im Umkehrschluß aus der Form dieser Sklerosezone auf die individuelle Belastung und Geometrie geschlossen werden. Die Sklerosezone selbst verändert sich nicht im selben Maße wie die äussere Knochengeometrie während einer fortschreitenden Coxarthrose. Es kann daher davon ausgegangen werden, daß die ermittelten Parameter die Situation des gesunden Hüftgelenks wiedergeben.

Die Form dieser Sklerosezone spiegelt hierbei ein Spannungsdiagramm der belasteten Hüfte wider.

Durch Bestimmung der räumlichen Ausdehnung dieser subchondralen Sklerosezone erhält man somit Informationen darüber, wie das Acetabulum belastet worden ist, und diese Belastung wiederum hängt von der geometrischen Anordnung des Acetabulums im Beckenknochen ab und gibt damit indirekt Auskunft über die geometrische Ausgestaltung des Beckenknochens im Bereich des Acetabulums.

Untersuchungen haben weiterhin ergeben, daß der Schwerpunkt der subchondralen Sklerosezone, der Randbereich der subchondralen Sklerosezone mit der größten Dicke und der Mittelpunkt des Acetabulums eine Belastungsebene aufspannen, die für jeden Patienten charakteristisch ist und die zudem eine Frontalebene ist, also parallel zur Koronarebene des Patienten verläuft. Auf diese Weise läßt sich also eine beckenknocheneigene Ebene bestimmen, die parallel zu der Beckeneingangsebene verläuft, die man durch Palpation bestimmter Punkte des Beckenknochens bestimmen will, die aber aufgrund der geschilderten Schwierigkeiten nur sehr ungenau zu bestimmen ist. Die Belastungsebene läßt sich aufgrund des beschriebenen Verfahrens sehr viel exakter bestimmen, und zwar unabhängig von der Ausgestaltung des Haut- und Fettgewebes des Patienten und auch unabhängig von dessen Lage auf dem Operationstisch.

Es ist vorteilhaft, wenn man zusätzlich die Verbindungslinie der Mittelpunkte beider Acetabulen des Beckenknochens bestimmt und diese Verbindungslinie zusammen mit der Belastungsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens verwendet. Durch die Bestimmung einer Ebene und einer Richtung lassen sich alle geometrischen Daten relativ zu dieser Ebene und zu dieser Richtung eindeutig angeben.

Es ist daher vorteilhaft, wenn man die Verbindungslinie der beiden Acetabulen, den Normalenvektor auf der Belastungsebene und einen senkrecht auf diesen beiden stehenden Vektor als Achsen eines beckenknocheneigenen Koordinatensystems verwendet.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß man aus dem Verlauf des Randes der subchondralen Sklerosezone eine Acetabulum-Randebene bestimmt und aus dem Normalenvektor dieser Acetabulum-Randebene durch Projektion desselben auf die Belastungsebene den Inklinationswinkel bestimmt. Dies ist eine übliche Größe zur Beschreibung der Orientierung des Acetabulums und kann auf diese Weise im Einklang mit den üblichen Literaturangaben eindeutig und genau bestimmt werden.

Ebenso kann vorgesehen sein, daß man aus dem Verlauf des Randes der subchondralen Sklerosezone eine Acetabulum-Randebene bestimmt und aus dem Normalenvektor dieser Acetabulum-Randebene durch Projektion desselben auf eine senkrecht auf der Belastungsebene und senkrecht auf der Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Acetabulen stehende Ebene den Anteversionswinkel bestimmt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn man die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone mittels eines bildgebenden Verfahrens bestimmt, welches die Knochendichte in der Umgebung des Acetabulums des Beckenknochens anzeigt. Es kann sich dabei beispielsweise um ein übliches Computertomogra phieverfahren oder auch um ein Kernsein-Tomographieverfahren oder eine 3D Fluoroskopie handeln.

Die auf diese Weise gewonnenen Daten über die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone kann man besonders vorteilhaft weiterverarbeiten, wenn man aus den Meßdaten zur Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone die Dicke der subchondralen Sklerosezone in verschiedenen radialen Richtungen vom Mittelpunkt des Acetabulums aus gesehen bestimmt und diese Werte auf eine Kugelfläche projiziert, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt des Acetabulums ist und deren Oberfläche die subchondrale Sklerosezone schneidet. Die Oberfläche der Kugel schneidet die subchondrale Sklerosezone in dem Bereich, der dem Mittelpunkt des Acetabulums am nächsten liegt, dieser Bereich kann mit der Wand des Acetabulums gleichgesetzt werden. Man erhält dann auf dieser Kugeloberfläche an jedem Punkt einen Wert, der der Dicke der subchondralen Sklerosezone in dieser radialen Richtung entspricht, diese unterschiedlichen Werte kann man beispielsweise durch unterschiedliche Graustufen in der zweidimensionalen Kugelfläche sichtbar machen oder auch als unterschiedliche Massenbelegungen an verschiedenen Stellen der Kugeloberfläche deuten.

Den Radius dieser Kugelfläche kann man beispielsweise durch Palpation der Acetabulumwand bestimmen, also durch Bestimmung des Abstandes vom Mittelpunkt des Acetabulums bis zu seiner Wand.

Eine Vereinfachung der auf diese Weise erlangten Daten läßt sich dadurch erzielen, daß man die Kugeloberfläche zur einer zweidimensionalen, ebenen Flä che auffaltet und an dieser Fläche den Schwerpunkt der auf diese Fläche projizierten Dickenwerte und die Lage des Randpunktes größter Dicke bestimmt.

Den Mittelpunkt eines Acetabulums kann man in unterschiedlicher Weise bestimmen, beispielsweise durch navigierte Bewegung des Femurs im Acetabulum. Diese Bewegung erfolgt immer um den Mittelpunkt des Acetabulums, da es sich beim Hüftgelenk um ein Kugelgelenk handelt, und durch navigierte Aufnahme dieser Bewegung läßt sich dieser Mittelpunkt aus den Bewegungsdaten des Femurs gegenüber dem Acetabulum bestimmen.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Ausmessung der räumlichen Ausdehnung einer oberhalb des Acetabulums angeordneten subchondralen Sklerosezone aufweist sowie eine Datenverarbeitungsanlage, die aus den Ausdehnungsdaten der subchondralen Sklerosezone im Beckenknochen den Schwerpunkt dieser subchondralen Sklerosezone und im Randbereich der subchondralen Sklerosezone den Punkt der größten Ausdehnung bestimmt und aus diesen Punkten und der Lage des Mittelpunktes des Acetabulums eine Belastungsebene berechnet und diese als Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens verwendet.

Es kann vorgesehen sein, daß die Datenverarbeitungsanlage die geometrischen Daten einer Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Acetabulen zusammen mit den geometrischen Daten der Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens verwendet.

Insbesondere kann die Datenverarbeitungsanlage die Verbindungslinie der beiden Acetabulen, den Normalenvektor auf der Belastungsebene und einen senkrecht auf diesen beiden stehenden Vektor als Achsen eines beckenknocheneigenen Koordinatensystems verwenden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Datenverarbeitungsanlage aus dem Verlauf des Randes der subchondralen Sklerosezone eine Acetabulum-Randebene bestimmt und aus dem Normalenvektor dieser Acetabulum-Randebene durch Projektion desselben auf die Belastungsebene den Inklinationswinkel bestimmt.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Datenverarbeitungsanlage aus dem Verlauf des Randes der subchondralen Sklerosezone eine Acetabulum-Randebene bestimmt und aus dem Normalenvektor dieser Acetabulum-Randebene durch Projektion desselben auf eine senkrecht auf der Belastungsebene und senkrecht auf der Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Acetabulen stehende Ebene den Anteversionswinkel bestimmt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Einrichtung zur Ausmessung der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone eine bildgebende Einrichtung ist, welche die Knochendichte in der Umgebung des Acetabulums des Beckenknochens anzeigt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Datenverarbeitungsanlage aus den Meßdaten zur Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone die Dicke der subchondralen Sklerosezone in verschiedenen radialen Richtungen vom Mittelpunkt des Acetabulums aus gesehen bestimmt und diese Werte auf eine Kugelfläche projiziert, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt des Acetabulums ist und deren Oberfläche die subchondrale Sklerosezone schneidet.

Das Verfahren läßt sich vereinfachen, wenn die Datenverarbeitungsanlage die Kugeloberfläche zu einer zweidimensionalen, ebenen Fläche auffaltet und an dieser Fläche den Schwerpunkt der auf diese Fläche projizierten Dickenwerte und die Lage des Randpunktes größter Dicke bestimmt.

De nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

1: eine Übersichtsdarstellung eines Patienten auf einem Operationstisch und eines Navigationssystems;
2: eine schematische Teilansicht des Beckenknochens in Vorderansicht;
3: eine Seitenansicht des Beckenknochens der 2;
4: eine Ansicht ähnlich 2 mit einer schematisch dargestellten Beckeneingangsebene;
5: eine Seitenansicht des Beckenknochens der 4;
6: eine Teilvorderansicht des Beckenknochen mit den auf diesen wirkenden Kräften;
7: eine Ansicht ähnlich 6 mit einer Darstellung der subchondralen Sklerosezone;
8: eine Seitenansicht des Beckenknochens der 7 mit einer Darstellung der subchondralen Sklerosezone;
9: eine Teilvorderansicht des Beckenknochens mit dem Meßbereich zur Bestimmung der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone;
10: eine schematische Darstellung der Auswahl bestimmter Meßdaten aus dem Meßbereich der 9 in einem ausgewählten Kugelbereich;
11: eine schematische Darstellung der Projektion unterschiedlicher Dicken der subchondralen Sklerosezone auf die Oberfläche der ausgewählten Kugel;
12: eine schematische Darstellung der Auffaltung der ausgewählten Kugel in eine zweidimensionale, ebene Fläche;
13: eine schematische Darstellung der von der ausgewählten Kugel in die Ebene abgewickelten Fläche zur Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone;
14: eine vergrößerte Darstellung der in 13 dargestellten Fläche mit Angabe des Schwerpunktes und des Randpunktes größter Dicke;
15: eine schematische Darstellung des Acetabulums mit einer durch den Acetabulummittelpunkt, den Schwerpunkt der in 14 dargestellten Fläche und den Randpunkt größter Dicke aufgespannten Belastungsebene und
16: eine Teilvorderansicht des Beckenknochens mit einem beckenknocheneigenen Koordinatensystem unter Verwendung der Belastungsebene und der Verbindungslinie der beiden Acetabulen.
In 1 ist ein auf einem Operationstisch 1 liegender Patient 2 schematisch dargestellt, bei dem am Beckenknochen 3 eine Hüftgelenks-Endoprothese eingesetzt werden soll.
Sowohl in den Oberschenkelknochen 4 als auch in den Beckenknochen 3 werden zur Vorbereitung der Operation Markierungselemente 5 bzw. 6 eingesetzt, es handelt sich dabei um an sich bekannte sogenannte Marken, die beispielsweise mit einer Knochenschraube eingeschraubt werden und die mehrere Reflektoren oder Strahlungssender 7 tragen.
An einer Konsole 8 sind im Abstand zueinander drei Empfangseinrichtung 9, 10, 11 angeordnet, die die Strahlung empfangen, die von den Strahlungsreflektoren ausgesandt werden. Beim Empfang von Strahlung erzeugen die Empfangseinrichtungen elektrische Signale, die einer Datenverarbeitungsanlage 12 zugeführt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Orientierung von Markierungselementen und Empfangseinrichtung ergeben sich Laufzeitunterschiede zwischen Aussenden und Empfangen der Strahlung, und aufgrund dieser Laufzeitunterschiede kann die Datenverarbeitungsanlage 12 bei jedem Markierungselement dessen Lage im Raum vollständig bestimmen und diese Lagedaten speichern. Es ist dadurch möglich, in der Datenverarbeitungsanlage Datensätze zu erzeugen, die der Lage der Markierungselemente und damit der fest mit ihnen verbundenen Knochen zu bestimmten Zeiten entsprechen.
Es können auch Sende- und Empfangseinrichtungen verwendet werden, die in anderer Weise die relative Lage der Markierungselemente zu den Empfangseinrichtungen bestimmen, wesentlich ist lediglich, daß es aufgrund der Ver wendung von mehreren Empfangseinrichtungen und mehreren Sendern oder Reflexionsflächen an den Markierungselementen möglich ist, die Lage jedes Markierungselementes im Raum eindeutig zu bestimmen.
Im Bereich des Patienten 2 befindet sich ferner eine in 1 nur schematisch dargestellte bildgebende Einrichtung 13, beispielsweise ein Computertomograph, durch den der Bereich des Beckenknochens 3, in den die Hüftgelenk-Endogelenkprothese eingesetzt werden soll, schichtweise aufgenommen werden kann, die entsprechenden Daten werden über eine Leitung 14 ebenfalls der Datenverarbeitungsanlage 12 zugeführt. Die auf diese Weise aufgenommenen Daten geben beispielsweise ein dreidimensionales Bild der Knochendichte in der Umgebung des Acetabulums 15 des Beckenknochens 3 wieder. Die der Datenverarbeitungsanlage 12 übermittelten dreidimensionalen Datensätze der Knochendichte können in geeigneter Weise auf einem Monitor 16 zur Anzeige gebracht werden, dabei können diese Daten in unterschiedlicher Weise modifiziert werden, wie weiter unten ausführlich erläutert wird.
In den 2 und 3 ist schematisch dargestellt, wie das etwa halbkugelförmige Acetabulum 15 im Beckenknochen 3 orientiert ist. Diese Orientierung ist von Patient zu Patient verschieden, und es ist wesentlich, vor der Operation die genaue Orientierung kennenzulernen, um dementsprechend Größe und Lage der einzusetzenden Hüftgelenks-Endoprothese zu bestimmen. Es ist üblich, die Lage des Acetabulums 15 durch die Lage der Acetabulum-Randebene 17 zu beschreiben, genauer durch den Normalenvektor 18 auf dieser Acetabulum-Randebene, die durch den umlaufenden Rand des Acetabulums 15 aufgespannt wird. Grundsätzlich könnte man diese Ebene nach Eröffnung durch Abtasten dieses Randes feststellen, bei krankhaft veränderten Hüftgelenken ist dies jedoch nicht möglich, da durch Kalkablagerungen dieser Rand deformiert und überwuchert ist.
Um die Lage der Acetabulum-Randebene 17 relativ zum Beckenknochen 3 zu beschreiben, ist es üblich, die Orientierung des Normalenvektors 18 durch zwei Winkel zu charakterisieren, nämlich einen Inklinationswinkel und einen Anteversionswinkel. Der Inklinationswinkel ist der Winkel, den der Normalenvektor nach Projektion auf eine Frontalebene mit der Senkrechten einnimmt, der Anteversionswinkel der Winkel, den der Normalenvektor nach Projektion auf die Sagittalebene mit der Senkrechten einschließt. Die Frontalebene ist dabei die quer durch den Patienten gelegte Ebene, die Sagittalebene die von vorn nach hinten (von ventral nach dorsal) mittig durch den Patienten gelegte Ebene.
Üblicherweise wird eine sogenannte Beckeneingangsebene durch Tasten am Patienten bestimmt, die parallel zu der Frontalebene verläuft, dies ist in den 4 und 5 schematisch dargestellt. Durch Palpation kann man die Punkte des Beckenknochens bestimmen, die in ventraler Richtung am meisten vorstehen, diese Punkte sind in den 4 und 5 mit den Buchstaben A und B gekennzeichnet. Sie spannen die Beckeneingangsebene auf, die im wesentlichen parallel zur Frontalebene verläuft. Es ist nur sehr schwierig, diese Punkte A und B in der Praxis aufzufinden, und daher ist die Bestimmung der Beckeneingangsebene mit dieser Methode sehr ungenau.
Mit dem vorliegend beschriebenen Verfahren soll hier Abhilfe geschaffen werden.
Zu diesem Zweck wird ein anatomischer Effekt ausgenutzt, der sich bei allen Patienten in ähnlicher Weise einstellt. Durch die Belastung des Beckenknochens 3 in der Umgebung des Acetabulums 15 bildet sich oberhalb des Acetabulums 15 eine schalenförmige Verdichtung des Knochengewebes aus, diese schalenförmige Verdichtung wird nachstehend als subchondrale Sklerosezone 19 bezeichnet. In diesem Bereich ist das Knochenmaterial gegenüber der Umgebung stark verdichtet, und diese Verdichtung ist direkt proportional der Verteilung der Druckkräfte im Bereich oberhalb des Acetabulums. In Bereichen hoher Druckbeanspruchung ist die Dicke dieser subchondralen Sklerosezone groß, im Bereich geringerer Druckbeanspruchung entsprechend geringer. Man kann also aus der Dicke der subchondralen Sklerosezone auf die Druckbelastungen im Bereich oberhalb des Acetabulums 15 schließen, und diese Dicke der subchondralen Sklerosezone ist bei normalem Acetabulum gleich ausgebildet wie bei krankhaft verändertem Acetabulum, eine fortschreitende Coxarthrose beispielsweise ändert die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone nicht. Die subchondrale Sklerosezone zeigt also, wie die Druckverhältnisse oberhalb des Acetabulums 15 bei gesundem Patienten gewesen sind.
Um die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone 19 bestimmen zu können, wird unter Verwendung der bildgebenden Einrichtung 13 der Beckenknochen im Bereich des Acetabulums aufgenommen, beispielsweise mit einem herkömmlichen Röntgen-Computertomographieverfahren, und damit erhält man eine Auskunft über die Dichte des Knochenmaterials in diesem Bereich, und zwar in dreidimensionaler Form. Diese Daten werden an die Lage des Beckenknochens 3, die über das Markierungselement 5 bekannt ist, so ange paßt, daß die Knochendichte an jeder Stelle des Beckenknochens bekannt ist. Dabei genügt es, einen Bereich zu erfassen, der mit Sicherheit die gesamte subchondrale Sklerosezone erfaßt, in 9 ist dieser Bereich in Form eines Würfels 20 dargestellt.
Um die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone 19 analysieren und dann bei der Bestimmung von geometrischen Daten des Beckenknochens 3 verwenden zu können, wird in einem nächsten Schritt eine Kugel 21 bestimmt, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Acetabulums 15 zusammenfällt. Um diesen Mittelpunkt zu bestimmen, können an sich bekannte Verfahren verwendet werden, beispielsweise eine navigierte Bewegung des Oberschenkelknochens 4. Die Bewegungsbahn des am Oberschenkelknochen 4 festgelegten Markierungselementes 6 wird von der Empfangseinrichtung 9, 10, 11 erfaßt und die entsprechenden Daten werden der Datenverarbeitungsanlage 12 übermittelt, die daraus den Mittelpunkt berechnen kann. Der Oberschenkelknochen 4 bewegt sich bei dieser Verschwenkung um den Mittelpunkt des Acetabulums 15, d.h. der Bewegungsmittelpunkt fällt mit dem Mittelpunkt des Acetabulums 15 zusammen, so daß dieser Mittelpunkt aus den Bahnkurven ohne weiteres bestimmt werden kann.
Der Radius der Kugel 21 wird so gewählt, daß die Oberfläche der Kugel durch die subchondrale Sklerosezone 19 hindurchgeht.
In einem nächsten – rechnerischen – Schritt ordnet die Datenverarbeitungsanlage 12 jedem Punkt auf der Oberfläche der Kugel 21 einen Wert zu, der der Dicke der subchondralen Sklerosezone 19 in der Richtung entspricht, die durch den Mittelpunkt des Acetabulums 15 einerseits und durch diesen Punkt auf der Kugeloberfläche bestimmt wird. Mit anderen Worten wird die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone 19 auf die Kugeloberfläche projiziert. Wenn man diese unterschiedlichen Ausdehnungswerte mit unterschiedlichen Graustufen korreliert, ergeben sich also auf der Kugeloberfläche Bereiche mit unterschiedlicher Schwärzung, wobei der Grad der Schwärzung der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone 19 in dieser Richtung entspricht. Ein Ausschnitt der Kugeloberfläche, an dem dies erkennbar wird, ist in 11 dargestellt.
Zur weiteren rechnerischen Verarbeitung ist es vorteilhaft, die Kugeloberfläche durch mathematische Verfahren in eine zweidimensionale, ebene Fläche zu entfalten, wie dies auch bei der Darstellung von Landkarten üblich ist, dieser Vorgang ist in 12 schematisch dargestellt. Man erhält auf diese Weise eine Kugelabwicklung mit einem umgrenzten Bereich 22, der der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone 19 auf der Kugeloberfläche 22 entspricht, wobei dieser Bereich 22 entsprechend der Dicke der subchondralen Sklerosezone 19 unterschiedliche Grauwerte aufweist.
Die unterschiedlichen Grauwerte kann man in einer alternativen Darstellung auch als unterschiedliche Massenbelegung in diesem Bereich 22 auffassen, in 14 sind die einzelnen Bereiche als Massenbelegung gedeutet, d.h. wenn die Dicke der subchondralen Sklerosezone 19 groß ist, ergeben sich an einer Stelle des Bereiches 22 hohe Massen, geringe Massen zeigen, daß die subchondrale Sklerosezone 19 in diesem Teil weniger dick ist.
Diese Abwicklung enthält also Informationen über die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone 19, und diese Daten können in weiteren Schritten verwendet werden, um markante Punkte des Beckenknochens 3 zu bestimmen.
Ein erster solcher Punkt wird dadurch erhalten, daß man den Schwerpunkt 23 des Bereiches 22 bestimmt. Dies ist besonders anschaulich, wenn man die Knochendichten oder Grauwerte in der beschriebenen Form als Massenbelegung interpretiert.
Einen weiteren markanten Punkt kann man dadurch erhalten, daß man am Rand 24 des Bereiches 22 den Punkt 25 der größten Dicke der subchondralen Skleroseschicht aufsucht. Dieser Rand 24 entspricht dem Rand des Acetabulums 15, bis zu dem sich also maximal die subchondrale Sklerosezone 19 erstrecken kann.
Auf diese Weise hat man drei markante Punkte bestimmt, die für die Ausbildung des Beckenknochens 3 charakteristisch sind, nämlich den Schwerpunkt 23 des Bereiches 22, den Punkt 25 größter Dicke am Rand 24 des Bereiches 22 und den Mittelpunkt 26 des Acetabulums 15. Durch diese drei Punkte wird eine Ebene definiert, und diese Ebene wird als Belastungsebene 27 bezeichnet. Sowohl der Schwerpunkt 23 als auch der Punkt 25 der größten Dicke haben für den Aufbau des Beckenknochens 3 eine bestimmte Bedeutung. Im Bereich des Acetabulums 15 wirkt eine resultierende Kraft auf das Acetabulum 15, die sich zusammensetzt aus der Gewichtskraft einerseits und den Muskelkräften andererseits. In 6 ist die Gewichtskraft durch den Vektor 28 gekenn zeichnet, die Muskelkraft durch den Vektor 29 und die resultierende Kraft durch den Vektor 30. Die resultierende Kraft geht dabei vom Schwerpunkt der Person durch den Mittelpunkt 25 des Acetabulums 15. Da sich der in diesem Bereich ausbildende Druck gleichmäßig auf die zur Verfügung stehende Fläche verteilen muß, ergibt es sich nunmehr, daß der Schwerpunkt 23 der subchondralen Sklerosezone 19 mit dem Eintrittspunkt der resultierenden Kraft, also des Vektors 30, in das Acetabulum zusammenfällt, und dieser Punkt liegt in einer Ebene, die parallel zur Frontalebene verläuft und durch den Mittelpunkt 26 des Acetabulums 15 hindurchgeht.
Aufgrund der Form des Acetabulums kann weiterhin davon ausgegangen werden, daß der Punkt der maximalen Belastung am Pfannenrand und damit der Punkt der größten Dicke der subchondralen Sklerosezone 19, also der Punkt 25, ebenfalls in dieser Ebene liegt, so daß sich daraus ergibt, daß die Belastungsebene 27 parallel zur Frontalebene des Patienten verläuft und damit auch parallel zu der hypothetischen und schwer zu lokalisierenden Beckeneingangsebene (4 und 5). Man hat also auf diese Weise eine beckenknocheneigene Bezugsebene bestimmt, die parallel zur Frontalebene verläuft und die für jeden Patienten aus den genannten Meßdaten bestimmt werden kann, nämlich der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone 19 einerseits und der Lage des Mittelpunktes 26 des Acetabulums 15 andererseits.
Aus der Lage des Mittelpunktes 26 des Acetabulums 15 an beiden Seiten des Beckenknochens kann außerdem die Lage der Verbindungslinie zwischen den beiden Mittelpunkten 26 der Acetabulen 15 bestimmt werden, diese liegt in der Belastungsebene 27 und bestimmt in dieser Belastungsebene 27 eine Vorzugs richtung, nämlich die Vorzugsrichtung quer zur Längsrichtung des Patienten. Aus dem Normalenvektor 31 auf der Belastungsebene 27, der Verbindungslinie 32 zwischen den Mittelpunkten 26 der beiden Acetabulen 15 und einem senkrecht auf beiden stehenden Vektor 33, der der Längsrichtung des Patienten entspricht, läßt sich damit ein beckenknocheneigenes Koordinatensystem aufspannen, in dem alle geometrischen Daten des Beckenknochens beschrieben werden können. Dieses Koordinatensystem ist für jeden Patienten in der beschriebenen Weise bestimmbar, ohne daß ein Zugang zum Operationsgebiet geschaffen werden muß, und bei dieser Bestimmung spielt es auch keine Rolle, ob der Rand des Acetabulums 15 krankhaft verändert ist, also beispielsweise von Osteophyten überwuchert ist.
Aus der Lage des Randes 24 des Bereichs 22 kann darüber hinaus die Lage des Randes des Acetabulums 15 in diesem Koordinatensystem bestimmt werden, diese Lage ist unabhängig von der tatsächlichen Form des Randes, die dieser eventuell aufgrund von krankhaften Veränderungen einnimmt, da der Rand 24 des Bereichs 22 allein aus der Ausdehnung und Lage der subchondralen Sklerosezone 19 gewonnen worden ist. Aus der Lagebestimmung des Randes läßt sich die Acetabulum-Randebene 17 bestimmen und daraus der entsprechende Normalenvektor 18, dessen Lage relativ zum Beckenknochen 3 in dem beckenknocheneigenen Koordinatensystem angegeben wird. Insbesondere läßt sich dabei ein Inklinationswinkel und ein Anteversionswinkel angeben, diese Winkel werden in entsprechender Anwendung relativ zur Belastungsebene 27 bzw. der senkrecht dazu stehenden Sagittalebene bestimmt.
Damit stehen dem Operateur diese außerordentlich wichtigen geometrischen Daten für die weitere Verwendung im Operationsablauf zur Verfügung. Weitere Daten, die der Operateur verwenden kann, sind die Belastungsachse des Oberschenkels, die in an sich bekannter Weise aus einer Verbindung des Mittelpunkts 26 des Acetabulums 15 einerseits und eines Kniegelenkpunktes gewonnen wird, außerdem kann durch bildgebende Verfahren und aus dem Winkel des Schenkelhalses gegenüber dem übrigen Oberschenkelknochen auch die Antitorsion bestimmt werden, die nachfolgenden Bearbeitungsschritte können an diesen geometrischen Daten ausgerichtet werden.
Alle beschriebenen Parameter können als Implantationshilfe während der Implantation der Prothese am Monitor 16 angezeigt werden.
Die Berechnung des Schwerpunktes 23 und des Punktes 25 größter Belastung ist hier anhand eines Verfahrens beschrieben worden, bei dem die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone 19 auf eine Kugeloberfläche projiziert worden ist, die nach Abwicklung in die Ebene weiterbearbeitet wird. Selbstverständlich können hier auch andere mathematische Verfahren benutzt werden, um aus der Aufnahme der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone 19 den Schwerpunkt dieses verdichteten Bereiches zu bestimmen und auch den Punkt größter Belastung und damit größter Dicke dieser Schicht am Rand.

Claims

Verfahren zur Bestimmung geometrischer Daten an einem Beckenknochen, bei dem man die Lage des Beckenknochens im Raum mittels eines Navigationssystemes bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß man die räumliche Ausdehnung einer oberhalb des Acetabulums angeordneten subchondralen Sklerosezone ausmißt, den Schwerpunkt dieser subchondralen Sklerosezone und im Randbereich der subchondralen Sklerosezone den Punkt der größten Dicke bestimmt und zusätzlich den Mittelpunkt des Acetabulums und daß man aus diesen Punkten eine Belastungsebene berechnet und diese als Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich die Verbindungslinie der Mittelpunkte beider Acetabulen des Beckenknochens bestimmt und diese Verbindungslinie zusammen mit der Belastungsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens verwendet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbindungslinie der beiden Acetabulen, den Normalenvektor auf der Belastungsebene und einen senkrecht auf diesen beiden stehenden Vektor als Achsen eines beckenknocheneigenen Koordinatensystems verwendet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem Verlauf des Randes der subchondralen Sklerosezone eine Acetabulum-Randebene bestimmt und aus dem Normalenvektor dieser Acetabulum-Randebene durch Projektion derselben auf die Belastungsebene den Inklinationswinkel.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem Verlauf des Randes der subchondralen Sklerosezone eine Acetabulum-Randebene bestimmt und aus dem Normalenvektor dieser Acetabulum-Randebene durch Projektion desselben auf eine senkrecht auf der Belastungsebene und senkrecht auf der Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Acetabulen stehende Ebene den Anteversionswinkel bestimmt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone mittels eines bildgebenden Verfahrens bestimmt, welches die Knochendichte in der Umgebung des Acetabulums des Beckenknochens anzeigt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man aus den Meßdaten zur Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone die Dicke der subchondralen Sklerosezone in verschiedenen radialen Richtungen vom Mittelpunkt des Acetabulums aus gesehen bestimmt und diese Werte auf eine Kugelfläche projiziert, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt des Acetabulums ist und deren Oberfläche die subchondrale Sklerosezone schneidet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den Radius der Kugelfläche durch Palpation der Acetabulumwand bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kugeloberfläche zur einer zweidimensionalen, ebenen Fläche auffaltet und an dieser Fläche den Schwerpunkt der auf diese Fläche projizierten Dickenwerte und die Lage des Randpunktes größter Dicke bestimmt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Mittelpunkt eines Acetabulums durch navigierte Bewegung des Oberschenkelknochens im Acetabulum bestimmt.
Vorrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an einem Beckenknochen mit einer Navigationseinrichtung für den Beckenknochen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung (13) zur Ausmessung der räumlichen Ausdehnung einer oberhalb des Acetabulums (15) angeordneten subchondralen Sklerosezone (19) aufweist sowie eine Datenverarbeitungsanlage (12), die aus den Ausdehnungsdaten der subchondralen Sklerosezone (19) im Beckenknochen (3) den Schwerpunkt (23) dieser subchondralen Sklerosezone (19) und im Randbereich (24) der subchondralen Sklerosezone (19) den Punkt (25) der größten Ausdehnung bestimmt und aus diesen Punkten und der Lage des Mittelpunkts (26) des Acetabulums (15) eine Belastungsebene (27) berechnet und diese als Bezugsebene zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens (3) verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage zusätzlich die Verbindungslinie der Mittelpunkte (26) beider Acetabulen (15) des Beckenknochens (3) bestimmt und diese Verbindungslinie zusammen mit der Belastungsebene (27) zur Lagebeschreibung geometrischer Eigenschaften des Beckenknochens (3) verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (12) die Verbindungslinie (32) der beiden Acetabulen (15), den Normalenvektor (31) auf der Belastungsebene (27) und einen senkrecht auf diesen beiden stehenden Vektor (33) als Achsen eines beckenknocheneigenen Koordinatensystems verwendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (12) aus dem Verlauf des Randes (24) der subchondralen Sklerosezone (19) eine Acetabulum-Randebene (17) bestimmt und aus dem Normalenvektor (18) dieser Acetabulum-Randebene (17) durch Projektion derselben auf die Belastungsebene (27) den Inklinationswinkel.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (12) aus dem Verlauf des Randes (24) der subchondralen Sklerosezone (19) eine Acetabulum-Randebene (17) bestimmt und aus dem Normalenvektor (18) dieser Acetabulum-Randebene (17) durch Projektion desselben auf eine senkrecht auf der Belastungsebene (27) und senkrecht auf der Verbindungslinie (32) der Mittelpunkte (26) der beiden Acetabulen (15) stehende Ebene den Anteversionswinkel.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (13) zur Ausmessung der Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone (19) eine bildgebende Einrichtung ist, welche die Knochendichte in der Umgebung des Acetabulums (15) des Beckenknochens (3) anzeigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (12) aus den Meßdaten zur Ausdehnung der subchondralen Sklerosezone (19) die Dicke des subchondralen Sklerosezone (19) in verschiedenen radialen Richtungen vom Mittelpunkt (26) des Acetabulums (15) aus gesehen bestimmt und diese Werte auf eine Kugelfläche (21) projiziert, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt (26) des Acetabulums (15) ist und deren Oberfläche die subchondrale Sklerosezone (19) schneidet.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage die Kugeloberfläche zu einer zweidimensionalen ebenen Fläche auffaltet und an dieser Fläche den Schwerpunkt (23) der auf diese Fläche projizierten Dickenwerte und die Lage des Randpunktes (25) größter Dicke bestimmt.