DE19954005A1

DE19954005A1 - System zur Steuerung von Operationsrobotern

Info

Publication number: DE19954005A1
Application number: DE19954005A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Jansson; Wolfgang Plitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2001-06-07

Abstract

Es wird ein System zur Steuerung von Operationsrobotern vorgestellt, bei dem die Sicherheit der Operation deutlich verbessert werden kann. Dazu werden die von präoperativ gewonnenen Knochendichtedaten mit den Knochenbearbeitungswiderständen verglichen, die von dem Kraftsensor des Systems gemessen werden. Bei Abweichungen der aufgrund der Knochendichte zu erwartenden von den tatsächlich gemessenen Knochenbearbeitungswiderständen wird entweder ein Alarm ausgelöst, die Knochenbearbeitung abgebrochen oder die Knochenbearbeitung entsprechend korrigiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung von Operationsrobotern zur Erhöhung der Implantationssicherheit.

Bei operativen Eingriffen werden auch in der Knochenchirurgie zunehmend Roboter eingesetzt. Insbesondere in der Endoprothetik verspricht man sich von dem Einsatz dieser Maschinen einen besseren Paßsitz der Implantate im Knochen.

Dazu wird mit einem bildgebenden Verfahren (z. B. CT, MRT) die Knochenkontur sowie die Knochendichte vermessen, das passende Implantat vor der Operation bestimmt und der Operationsvorgang virtuell simuliert. Aus dieser Simulation werden dann die sogenannten "Fräsdaten" errechnet, anhand derer der Roboter die - in den meisten Fällen spanende - Bearbeitung des Knochens vornimmt. Häufig handelt es sich hier tatsächlich um einen Fräsvorgang, so daß die Terminologie "Fräsdaten" und "Fräsvorgang" im Folgenden beibehalten wird. Aber natürlich sind auch alle anderen spanenden Bearbeitungsverfahren - so z. B. Bohrvorgänge - möglich.

Während des Fräsvorganges bei der Operation ist der mit dem Knochenbearbeitungsinstrument versehene Teil des Roboters mit einem Kraftsensor ausgestattet. Die Aufgabe des Kraftsensors ist die Möglichkeit einer "Notfallabschaltung" bei Auftreten einer zu großen Last.

Trotz der vielfältigen Bemühungen zur Kontrolle des Fräsvorganges sind die aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten der online Überwachung des intraoperativen Fräsvorganges mit einer Reihe von Nachteilen behaftet.

So wird zwar die Lage des zu bearbeitenden Knochens anhand von Referenzmarkierungen (z. B. Schrauben) oder durch Matching anatomischer Konturen vor dem Robotereinsatz bestimmt und während des Fräsvorganges die Bewegung des Knochens durch einen Bewegungssensor und ggf. durch ein Navigationssystem registriert und ggf. korrigiert. Das eigentliche und letztendlich erzielte Ergebnis der Knochenbearbeitung ist jedoch nur schwer erfaßbar. Kommt es nämlich durch Summation der Einzelfehler zu einer Abweichung der tatsächlichen Implantatlage von der geplanten Implantatlage, so können derartige Fehler kaum erkannt werden, da der Operateur intraoperativ keine Möglichkeit hat, den Fräsvorgang direkt zu kontrollieren. Fehlbearbeitungen des Knochens werden so erst nach Abschluß der Operation im Röntgenbild festgestellt.

Es stellt sich daher erfindungsmäßig die Aufgabe, die intraoperative online-Kontrolle des Fräsvorganges bei Operationsrobotern so zu verbessern, daß Abweichungen des erzielten Knochenbearbeitungsergebnisses von dem geplanten Ergebnis frühzeitig erkannt und ggf. korrigiert werden können, um so die intraoperative Sicherheit des Gesamtsystems zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch die Ansprüche 1, 5 und 9 gelöst.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der über den Kraftsensor gemessene Widerstand bei der Knochenbearbeitung kontiniuerlich registriert und gespeichert und so eine dreidimensionale Erfassung und Kartierung dieses Knochenbearbeitungswiderstandes erstellt. Dieses Feld der Knochenbearbeitungswiderstände wird kontinuierlich online mit dreidimensionalen Daten der präoperativ gewonnenen Knochendichtemessungen korreliert: An Stellen hoher Knochendichte (z. B. kortikaler Knochen) ist mit einem hohen und an Stellen niedriger Knochendichte (z. B. spongiöser Knochen) mit einem entsprechend niedrigen Knochenbearbeitungswiderstand zu rechnen. Durch eine Normierung der Knochendichtefelder und der Knochenbearbeitungswiderstandsfelder kann eine direkte Vergleichbarkeit der beiden Felder hergestellt werden. Kommt es zu einer Abweichung der gemessenen Knochenbearbeitungswiderstände von den aufgrund der Knochendichtemessung erwarteten Knochenbearbeitungswiderständen, so kann das System diese Abweichung erkennen, ggf. eine Korrektur vornehmen, eine Fehlermeldung abgeben oder den Knochenbearbeitungsvorgang abbrechen.

Fehlimplantationen können so frühzeitig erkannt und noch korrigiert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch eine intraoperative bildgebende Darstellung des zu bearbeitenden Knochens (z. B. Bildwandler in mindestens zwei Ebenen, CT oder MRT) eine direkte online Erfassung der Lage und des Weges des Knochenbearbeitungswerkzeuges durch Bilddigitalisierung-/verarbeitung vorgenommen und mit den Daten der virtuellen Planung verglichen und korreliert. Bei Abweichungen der Planung von dem tatsächlichen Fräsvorgang erfolgt dann entweder eine entsprechende Korrektur der Knochenbearbeitung, eine Fehlermeldung, eine Unterbrechung des Fräsvorganges oder aber der Fräsvorgang wird insgesamt abgebrochen. Fehlimplantationen können auch hier frühzeitig erkannt und noch korrigiert werden.

Zweckmäßigerweise erfolgen die oben beschriebenen Vergleiche der Knochendichtefelder mit den Knochenbearbeitungswiderstandsfeldern sowie die oben beschriebene Berechnung der zu erwartenden Implantatlage mit Hilfe der intraoperativen bildgebenden Darstellung durch eine entsprechende Erweiterung der zur Steuerung des Knochenbearbeitungsinstrumentes vorhandenen Software mit entsprechender Implementierung der erhobenen Daten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden der Vergleich der Knochendichtefelder mit den Knochenbearbeitungswiderstandsfeldern (s. o.) und die bildgebende Darstellung des zu bearbeitenden Knochens und der Lage und des Weges des Knochenbearbeitungswerkzeuges (s. o.) miteinander kombiniert eingesetzt und so die Implantationsicherheit durch Redundanz nochmals gesteigert.

Claims

1. System zur Steuerung von Operationsrobotern, bei dem anhand von präoperativ gewonnenen Daten in Bezug auf Knochenkontur und Knochendichte der Weg des Knochenbearbeitungswerkzeuges berechnet wird ("Fräsdaten"), anhand derer ein Operationsroboter bei der Operation den Knochen zur Aufnahme eines Implantates zubereitet, wobei das Knochenbearbeitungswerkzeug mit einem Kraftsensor ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Kraftsensor gemessenen mit den aufgrund der Knochendichte zu erwartenden Knochenbearbeitungswiderstände während der Operation online verglichen und angezeigt werden.

2. System zur Steuerung von Operationsrobotern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichung der über den Kraftsensor gemessenen Knochenbearbeitungswiderstände von den aufgrund der Knochendichte zu erwartenden Knochenbearbeitungswiderstände ein Alarm ausgelöst wird.

3. System zur Steuerung von Operationsrobotern nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichung der über den Kraftsensor gemessenen Knochenbearbeitungswiderstände von den aufgrund der Knochendichte zu erwartenden Knochenbearbeitungswiderstände die Knochenbearbeitung automatisch abgebrochen wird.

4. System zur Steuerung von Operationsrobotern nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichung der über den Kraftsensor gemessenen Knochenbearbeitungswiderstände von den aufgrund der Knochendichte zu erwartenden Knochenbearbeitungswiderstände eine automatische Korrektur der Fräsdaten durchgeführt wird.

5. System zur Steuerung von Operationsrobotern, bei dem anhand von präoperativ gewonnenen Daten in Bezug auf Knochenkontur und Knochendichte der Weg des Knochenbearbeitungswerkzeuges berechnet wird ("Fräsdaten"), anhand derer ein Operationsroboter bei der Operation den Knochen zur Aufnahme eines Implantates zubereitet, wobei das Knochenbearbeitungswerkzeug mit einem Kraftsensor ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass über ein bildgebendes Verfahren während der Operation die Lage des Knochenbearbeitungswerkzeuges ermittelt und aus diesen Daten die zu erwartende die Implantatlage online vorausberechnet und mit der geplanten Implantatlage aufgrund der präoperativ erhobenen Daten und Planung verglichen und angezeigt wird.

6. System zur Steuerung von Operationsrobotern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichung der online berechneten Implantatlage von der geplanten Implantatlage ein Alarm ausgelöst wird.

7. System zur Steuerung von Operationsrobotern nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichung der online berechneten Implantatlage von der geplanten Implantatlage die Knochenbearbeitung automatisch abgebrochen wird.

8. System zur Steuerung von Operationsrobotern nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichung der online berechneten Implantatlage von der geplanten Implantatlage eine automatische Korrektur der Fräsdaten durchgeführt wird.

9. System zur Steuerung von Operationsrobotern nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der gefrästen Implantatlage von der geplanten Implantatlage durch eine Kombination der in den Ansprüchen 1 und 5 beschriebenen Verfahren erfaßt wird.