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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der neutralen
Position eines Oberschenkelknochens relativ zu einem Beckenknochen.
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Bei
der Implantation eines künstlichen
Hüftgelenkes
ist es unter anderem notwendig, die Beweglichkeit des Oberschenkelknochens
relativ zum Beckenknochen nach dem Einsetzen der Implantatkomponenten
rechnerisch zu simulieren, um vorhersagen zu können, ob die Verwendung bestimmter
Implantatkomponenten und deren bestimmte Orientierung und Positionierung
in den Knochen zu der gewünschten
maximalen Beweglichkeit führen.
Beispielsweise wird dabei geprüft,
ob bei gestrecktem Bein eine Drehung des Oberschenkelknochens nach innen
und außen
in genügendem
Maße möglich ist, außerdem bei
abgewinkeltem Bein ein Verschwenken nach innen und nach außen. Die
Drehachsen, die dieser Überprüfung zugrundegelegt
werden, sind relativ zum Beckenknochen feststehende Achsen, und
daher ist es wesentlich, daß der
Oberschenkel und damit die in ihm implantierten Implantatteile zur Bestimmung
dieser Beweglichkeit eine bestimmte Orientierung zum Beckenknochen
aufweisen. Man geht davon aus, daß eine neutrale Position dafür geeignet
ist, also eine Position, die im wesentlichen der Orientierung des
Oberschenkels bei einem stehenden Patienten und bei gestrecktem
Bein entspricht.
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Um
diese neutrale Position des Oberschenkels relativ zum Beckenknochen
in der Praxis zu bestimmen, hat man den Oberschenkelknochen eines Patienten
zum Beispiel während
einer Operation möglichst
genau in diese neutrale Position gebracht. Dies gelingt allerdings
nur sehr unvollkommen, da bei einer Operation häufig der Beckenknochen verschwenkt
ist und da die Körperteile
des Patienten bei der Operation durch Operationstücher abgedeckt und
schwer zugänglich
sind, außerdem
ist eine derart genaue Anordnung bei einem liegenden Patienten problematisch.
Aus diesem Grunde war es bisher nur annähernd möglich, eine Neutralposition
herzustellen, von der ausgehend dann die gewünschten Simulationsberechnungen
durchgeführt
werden können.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die
Neutralposition des Oberschenkelknochens relativ zum Beckenknochen in
einfacherer Weise bestimmt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst.
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Diese
Vorrichtung bestimmt also einen Datensatz von Ortskoordinatentransformationen,
die beschreiben, wie der Oberschenkel verschwenkt und verdreht werden
muß, um
in die Neutralposition zu gelangen. Diese Verlagerung wird man nicht
körperlich
durchführen,
sondern nur mathematisch, wobei man auf diese Weise auch mathematisch
die Verschiebungen und Verdrehungen von Implantatteilen berechnen
kann, die in den Oberschenkel tatsächlich implantiert sind oder
auch nur in einem Vormodell theoretisch im Oberschenkel angenommen
werden. Man kann daher mathematisch die Implantatteile in eine Position
und Lage umrechnen, die der Neutralposition entsprechen, und kann
ausgehend von dieser Relativlage der oberschenkelseitigen Implantatteile
einerseits und der beckenknochenseitigen Implantatteile andererseits,
deren Beweglichkeit zueinander in der üblichen Weise berechnen.
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Wesentlich
ist es, daß keine Öffnung des Körpers notwendig
ist, alle beschriebenen Schritte können ohne Eingriff in den Körper einfach
durch Bewegungen der Gliedmaßen
und Abtasten bestimmter Markierungspunkte aufgefunden werden, und
zwar unabhängig
davon, in welcher Lage sich der Patient befindet und in welcher
Lage die Gliedmaßen
relativ zum Beckenknochen angeordnet sind. Es genügt bei diesem
Verfahren, in irgendeiner Position des Oberschenkels den Unterschenkel
etwa rechtwinklig abzuwinkeln, um dann die Lage des Sprunggelenks
relativ zum Oberschenkel zu bestimmen, alle übrigen Schritte sind Bestimmungen
von körpereigenen
Markierungspunkten und Rechenvorgänge, insbesondere ist es also
nicht notwendig, den Oberschenkel tatsächlich in die Neutralposition
zu bringen.
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Der
Bestimmung der Femursagittalebene liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß beim
Abwinkeln des Unterschenkels der Sprunggelenke in der Femursagittalebene
verschwenkt wird, die bei der Neutralstellung des Oberschenkels
tatsächlich
senkrecht zur anterioren Beckenebene und senkrecht zur Verbindungslinie
der beiden spinae iliacae anteriores superiores liegt.
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Es
ist vorteilhaft, wenn man die drei Beckenknochenpunkte zur Bestimmung
der anterioren Beckenebene durch Palpation bestimmt.
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Der
Hüftgelenkmittelpunkt
läßt sich
durch Verschwenken des Oberschenkelknochens relativ zum Hüftgelenk
bestimmen. Unter der Annahme, daß es sich beim Hüftgelenk
um ein Kugelgelenk handelt, bewegen sich alle Punkte des Oberschenkels,
die im Abstand zum Hüftgelenkmittelpunkt
angeordnet sind, auf einer Kugelschale um den Hüftgelenkmittelpunkt. Diese
Kugelschale kann durch Messung bestimmt werden, beispielsweise mit
Hilfe eines Navigationssystems, und daraus läßt sich der Kugelmittelpunkt
bestimmen, der mit dem Hüftgelenkmittelpunkt
zusammenfällt.
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Die
Lage des Kniegelenkes kann vorzugsweise ebenfalls durch Palpation
der Kniescheibe bestimmt werden, und die Lage des Sprunggelenkes läßt sich
auch durch Palpation bestimmen, beispielsweise durch Palpation der
beiden seitlichen Sprunggelenkvorsprünge und/oder Knochenvorsprüngen auf
der Vorderseite des Unterschenkels.
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Da
die Markierelemente an dem Beckenknochen und dem Oberschenkel festgelegt
sind, besteht eine dauerhafte Beziehung zwischen den Positionsdaten
der Markierelemente einerseits und den Positionsdaten der oben beschriebenen
Markierungspunkte am Beckenknochen einerseits und der mechanischen
Femurachse und der Sagittalebene am Oberschenkelknochen andererseits,
wenn diese Beziehung einmal festgestellt ist, bleibt sie gleich
und durch Lagebestimmung der Markierelemente kann man dann auch
die jeweilige Lage der genannten Markierungspunkte, Verbindungslinien
und Ebenen berechnen.
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Günstig ist
es, wenn zur Bestimmung der Markierungspunkte ein mit einem Markierelement versehener
Taster verwendet wird, dessen Lage ebenfalls vom Navigationssystem überwacht
wird. Damit ist in einfacher Weise möglich, die beschriebenen Markierpunkte
hinsichtlich ihrer Lage von dem Navigationssystem erfassen zu lassen
und einen entsprechenden Datensatz zu erstellen.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1:
eine schematische Ansicht des Beckenknochens, des Oberschenkelknochens
und des Unterschenkelknochens eines Patienten und eines Navigationssystems
mit Datenverarbeitungsanlage zur Bestimmung der Lagedaten von körpereigenen Markierpunkten
und weiteren geometrischen Daten;
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2:
eine Ansicht des Patienten ähnlich der
Darstellung der 1 unter zusätzlicher Angabe der mechanischen
Femurachse des Oberschenkelknochens und
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3:
eine Ansicht des Beckenknochens, des Oberschenkelknochens und des
um 90° abgewinkelten
Unterschenkelknochens eines Patienten unter Angabe der anterioren
Beckenebene, der mechanischen Femurachse und der Femursagittalebene.
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Zur
Bestimmung der Neutralposition des Oberschenkels eines Patienten
wird ein Navigationssystem 1 verwendet, welches über drei
im Abstand zueinander angeordnete Sender 2, 3, 4 eine
Infrarotstrahlung aussendet, die auf Reflektorelemente von Markierelementen 5, 6, 7 auftrifft
und von dort auf die auch als Empfänger arbeitenden Sender 2, 3, 4 zurückgestrahlt
wird. Aus den Laufzeitunterschieden und den Richtungen der reflektierten
Strahlung kann das Navigationssystem jederzeit die genaue Position und
Orientierung, also die Lage, jedes einzelnen Markierelementes 5,
6, 7 im Raum bestimmen und einen entsprechenden Datensatz erzeugen,
der dann einer Datenverarbeitungsanlage 8 zur weiteren
Bearbeitung zugeführt
werden kann. Der Datenverarbeitungsanlage ist unter anderem eine
Anzeigeeinheit in Form eines Bildschirmes 9 zugeordnet.
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Derartige
Navigationssysteme sind an sich bekannt und können auch in bekannter Weise
abweichend aufgebaut sein, beispielsweise kann statt Infrarotstrahlung
elektromagnetische Strahlung oder Ultraschallstrahlung verwendet
werden etc. Wesentlich ist nur, daß das Navigationssystem die
Lage der Markierelemente im Raum jederzeit bestimmen und daraus
einen Datensatz erzeugen kann.
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Ein
erstes Markierelement 5 ist fest mit einem Oberschenkelknochen 10 eines
Patienten verbunden, beispielsweise mit Hilfe einer in den Knochen
eingeschraubten Knochenschraube, an der das Markierelement 5 starr
befestigt ist. In ähnlicher
Weise ist das Markierelement 6 fest mit dem Beckenknochen 11 eines
Patienten verbunden, und schließlich ist
das Markierelement 7 starr mit einem Tastinstrument 12 verbunden,
welches beispielsweise eine nadelförmige Tastspitze 13 aufweist.
Mit dieser Tastspitze 13 können markante Punkte am Körper eines
Patienten angefahren werden, und aus der Lage des Tastinstruments
und den geometrischen Daten des Tastinstruments, also der relativen
Lage der Tastspitze 13 relativ zum Markierelement 7,
kann dann die genaue Lage der Tastspitze im Raum und damit eines
von der Tastspitze 13 angefahrenen Punktes des Patienten
festgestellt werden.
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Zur
Bestimmung der Neutralposition des Oberschenkels relativ zum Beckenknochen
werden folgende Parameter aufgenommen: Mit dem Tastinstrument 12 werden
am Beckenknochen drei Markierungspunkte angefahren, nämlich die
linke spina iliaca anterior superior 14 (linker Darmbeinstachel),
die rechte spina iliaca anterior superior 15 (rechter Darmbeinstachel)
und die symphysis pubis 16 (Schambein). Aus den Datensätzen, die
die Lage dieser drei Markierungspunkte beschreiben, berechnet die
Datenverarbeitungsanlage 8 eine Ebene, die nachstehend
als anteriore Beckenebene bezeichnet wird. Diese ist bei einem stehenden
Patienten nahezu senkrecht angeordnet und bildet eine Bezugsebene für den Beckenknochen.
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In
einem weiteren Schritt wird die Lage des Hüftgelenkmittelpunktes 17 bestimmt.
Dazu wird der Oberschenkelknochen 10 gegenüber dem
Beckenknochen 11 verschwenkt. Bei dieser Verschwenkbewegung
bewegt sich das Markierelement 5 auf einer Kugelschale
um den Hüftgelenkmittelpunkt 17.
Diese Kugelschale wird von dem Navigationssystem gemessen, und die
Datenverarbeitungsanlage 8 kann daraus die Lage des Hüftgelenkmittelpunktes 17 bestimmen,
und zwar relativ zum Oberschenkelknochen 10, das heißt zum Markierelement 5,
und relativ zum Beckenknochen 11, das heißt zum Markierelement 6.
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In
einem weiteren Schritt wird die Lage des Kniegelenkes bestimmt.
Da dies bei der Operation zunächst
nicht eröffnet
ist, wird diese Lage annähernd
dadurch bestimmt, daß man
einen bestimmten Punkt auf der Kniescheibe 18 annimmt und
diesen als Kniemittelpunkt definiert.
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Die
Datenverarbeitungsanlage 8 berechnet aus den Lagedaten
des Hüftgelenkmittelpunktes 17 und
des Kniegelenkes eine Verbindungslinie, die als mechani sche Femurachse 19 bezeichnet
wird (2). Damit ist auch die Orientierung dieser mechanischen
Femurachse gegenüber
dem Oberschenkelknochen 10 und damit gegenüber dem
Markierelement 5 bestimmt.
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In
einem weiteren Schritt wird der Unterschenkel des Patienten gegenüber dem
Oberschenkel um etwa 90° abgewinkelt,
wie dies in 3 dargestellt ist. In dieser
Stellung des Unterschenkels wird die Lage des Sprunggelenks 20 bestimmt.
Auch dies kann durch Palpation mit dem Tastinstrument 12 erfolgen,
beispielsweise werden die am weitesten herausstehenden Punkte der
beiden Sprunggelenke des Fußes
oder auf der Vorderseite des Beines ein markanter Knochenpunkt im
Bereich des Sprunggelenks ertastet und aus diesen Daten wird die
Lage des Sprunggelenks bestimmt. Die Datenverarbeitungsanlage 8 berechnet
aus den Lagedaten des Hüftgelenkmittelpunktes 17,
des Kniegelenkes und des Sprunggelenkes eine Ebene, diese wird als
Femursagittalebene 21 bezeichnet. Die geometrischen Daten
dieser Femursagittalebene 21 relativ zum Oberschenkelknochen 10 sind
damit bekannt, und damit auch relativ zum Markierelement 5.
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Bei
der beschriebenen Messung wird das Bein des Patienten normalerweise
nicht relativ zum Beckenknochen ausgerichtet sein, das heißt es wird sich
nicht in der neutralen Position befinden.
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Es
wird jetzt angenommen, daß die
neutrale Position dadurch gekennzeichnet, ist, daß die mechanische
Femurachse 19 parallel zur anterioren Beckenebene 22 und
senkrecht zur Verbindungslinie 23 der beiden spinae iliacae
anteriores superiores verläuft
und daß die
Femursagittalebene 21 senkrecht zur anterioren Beckenebene 22 angeordnet
ist. Diese Annahme trifft im wesentlichen bei den meisten Patienten
zu, so daß diese
Beschreibung eine sehr gute Darstellung der Neutralposition ist.
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Da
bei der Aufnahme der Messung diese Lage des Beines nicht eingenommen
worden ist, ergeben sich Abweichungen, und diese Abweichungen kann
die Datenverarbeitungsanlage 8 ohne weiteres berechnen,
daß heißt es werden
die Koordinatentransformationen berechnet, die notwendig sind, um aus
den tatsächlich
gemessenen Orientierungen der Femursagittalebene 21 und
der mechanischen Femurachse 19 in die entsprechenden Lagen
bei der Neutralstellung zu gelangen. Aus diesen Transformationsdaten
lassen sich dann auch die Transformationsdaten berechnen, die den Übergang
der Lage des Markierelementes 5 aus der tatsächlichen
Meßstellung
in die neutrale Position beschreiben oder aber den Übergang
eines in den Oberschenkelknochen eingesetzten und mit diesem fest
verbundenen Implantates. Die Lage dieses Implantates im Oberschenkelknochen 10 wird
entweder vor der Operation rechnerisch simuliert, es heißt es wird
eine bestimmte Lage des Implantates im Oberschenkelknochen angenommen,
beispielsweise unter Verwendung von Bilddaten des Oberschenkelknochens
und Bilddaten des Implantatteils, die übereinander kopiert werden, oder
aber erhält
man die Lage des Implantatteils nach erfolgter Implantation dadurch,
daß auch
das Implantatteil navigiert wird, beispielsweise durch ein zeitweise
starr mit dem Implantatteil verbundenes Markierelement. Auf jeden
Fall ist es auf diese Weise der Datenverarbeitungsanlage 8 möglich, aus
der tatsächlichen
Lage des Implantates, die durch Lagebestimmung des oberschenkelknocheneigenen
Markierelementes 5 jederzeit bestimmbar ist, die Lage des
Implantates in der Neutralposition des Oberschenkelknochens zu berechnen,
und zwar relativ zum Beckenknochen 11.
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Ohne
den Oberschenkelknochen 10 tatsächlich in diese neutrale Position
gebracht zu haben, kann also für
die Simulation der Bewegungsabläufe eine
Position des Implantatteils im Oberschenkelknochen relativ zum Beckenknochen
angegeben werden, die der Neutralposition des Oberschenkelknochens
entspricht, und damit kann die Simulation der Beweglichkeit realitätsnah durchgeführt werden.
Für diesen
Vorgang ist es weder notwendig, Eingriffe am Körper vorzunehmen, noch muß das Bein
in die Neutralposition gebracht werden. Die beschriebenen Meßwerte sind
für den
Operateur leicht aufzunehmen und führen zu verläßlichen,
gut reproduzierbaren Werten für
die Bestimmung der Neutralposition des Oberschenkels.