-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung eines Instrumentes
relativ zu einem Knochen.
-
Bei
medizinischen Operationen wird in vielen Fällen ein Knochen mittels eines
Instrumentes bearbeitet, wobei dieses Instrument beispielsweise
ein Bohrer sein kann, eine Säge,
ein Fräser
oder ein anderes spanabhebendes Bearbeitungsinstrument, aber auch
eine in den Knochen einzuschraubende Knochenschraube oder ein in
den Knochen einzuschlagender Stift oder dergleichen. In allen Fällen ist es
wichtig, die Lage dieses nachstehend allgemein als Instrument bezeichneten
Teiles im Knochen zu bestimmen, um Fehllagen und insbesondere Verletzungen
durch zu weites Vordringen des Instrumentes im Knochen zu verhindern.
Eine solche Überwachung
von Lage und Ort des Instrumentes relativ zum Knochen läßt sich
mit Hilfe von Röntgenstrahlen
oder ähnlichen
bildgebenden Verfahren durchführen,
allerdings muß dann
während
des gesamten Operationsvorganges eine solche Beobachtung stattfinden, die
zu ganz erheblichen Strahlungsbelastungen führen kann und außerdem sehr
umständlich
ist.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der ohne
eine derartige Röntgenbestrahlung
und in einfacher Weise eine Überwachung
der Lage des Instrumentes relativ zum Knochen möglich ist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit einem Navigationssystem zur Orts- und Lagebestimmung
eines Knochens, eines in einer Arbeitsebene Ultraschallstrahlung
aussendenden und empfangenden Ultraschallkopfes und eines den Knochen
bearbeitenden Instrumentes sowie mit einer Datenverarbeitungsanlage,
die so programmiert ist, daß sie
auf eine Anzeige die vom Ultraschallkopf in der Arbeitsebene bestimmte
Struktur des Knochens und gleichzeitig den Arbeitsbereich des mit
seiner Arbeitsrichtung in der Arbeitsebene angeordneten Instrumentes
darstellt.
-
Auf
einer solchen Anzeige kann man also gleichzeitig die Struktur des
Knochens und den Arbeitsbereich des Instrumentes lagerichtig zueinander sehen,
wobei die Darstellung eine zweidimensionale Abbildung in der Arbeitsebene
wiedergibt. Die Arbeitsrichtung des Instrumentes ist dabei beispielsweise
die Vorschubrichtung einer Säge
in der Sägeebene,
die Vorschubrichtung eines Bohrers, die Einschraubrichtung einer
Knochenschraube etc.
-
Mit
Hilfe des Ultraschallkopfes kann die knöcherne Struktur durch Laufzeitmessungen
der Ultraschallstrahlung zwischen Aussenden und Reflexion an der
knöchernen
Struktur bestimmt werden, mit Hilfe der Orts- und Lagebestimmung
sowohl des Ultraschallkopfes als auch des Knochens mit Hilfe des
Navigationssystems läßt sich
dadurch die Lage der knöchernen
Struktur in einem knochenfesten Koordinatensystem bestimmen. Gleichzeitig
wird das Instrument so relativ zum Knochen angeordnet, daß seine Arbeitsrichtung
in der Arbeitsebene liegt, und das Instrument selbst wird ebenfalls
navigiert, das heißt seine
Position und Lage relativ zum knochenfesten Koordinatensystem läßt sich
in jedem Augenblick berechnen. Dadurch ist es möglich, das Instrument oder den
Arbeitsbereich des Instrumentes lagerichtig in der zweidimensionalen
Darstellung der Anzeige relativ zu der knöchernen Struktur darzustellen,
obwohl der Ultraschallkopf nur die knöcherne Struktur bestimmen kann,
nicht jedoch das Instrument. Das Instrument wird normalerweise
in einem von der Ultraschallstrahlung nicht erreichbaren Bereich
des Knochens angeordnet und kann daher vom Ultraschallkopf nicht
in seiner Lage bestimmt werden. Trotzdem erscheint auf der Anzeige
eine Darstellung, in der auch die Lage des Instrumentes im strahlungstoten Raum
ortsrichtig wiedergegeben wird.
-
Auf
der Anzeige wird normalerweise nicht ein naturgetreues Bild des
Instrumentes dargestellt, sondern ein schematisiertes Bild, beispielsweise
der Bereich, der von einem oszillierenden Sägeblatt überstrichen wird, oder der
Bereich, in dem ein Bohrer eine Bohrung erzeugt. Unter Arbeitsbereich
versteht man dabei im wesentlichen die am weitesten in den Knochen
eindringenden Bereiche, an denen eine Veränderung der Knochensubstanz
erfolgt, beispielsweise die Spitze eines Bohrers, die Schneide einer Säge oder
die Spitze einer Knochenschraube.
-
Ein
wesentlicher Vorteil der beschriebenen Vorrichtung liegt darin,
daß die
Lage der knöchernen Struktur
relativ zum knochenfesten Koordinatensystem durch eine einzige Ultraschallmessung
bestimmt werden kann, die am Beginn der Operation durchgeführt werden
kann, es ist also keine dauerhafte Messung mit Strahlungsbeaufschlagung
während
der Operation notwendig. Wenn die Lage der knöchernen Struktur im knochenfesten
Koordinatensystem einmal bestimmt worden ist, kann allein durch
die navigationsgestützte
Orts- und Orientierungsbestimmung des Knochens und des Instrumentes
die relative Lage des Arbeitsbereiches des Instrumentes zur knöchernen
Struktur bestimmt werden.
-
Eine
wesentliche Erleichterung ergibt sich dadurch, daß die von
den Ultraschallstrahlen überstrichene
Ebene in der Arbeitsebene des Knochens liegt und daß auch das
Instrument so angeordnet wird, daß die Arbeitsrichtung in dieser
Arbeitsebene liegt. Dadurch ist es möglich, eine zweidimensionale Darstellung
dieser Arbeitsebene anzuzeigen, die dem Operateur die vollständige Information
darüber gibt,
wie der Arbeitsbereich des Instrumentes in dieser Arbeitsebene relativ
zu der knöchernen
Struktur verläuft.
Der Operateur kann dann beispielsweise die Sägetiefe oder die Einschraubtiefe
einer Knochenschraube exakt bestimmen, ohne daß dazu zusätzliche Lagebestimmungen des
Instrumentes unter Strahlungsaufwendung notwendig werden.
-
Weiterhin
kann vorgesehen sein, daß dem Instrument
eine Positioniereinrichtung zugeordnet ist, die das Instrument relativ
zum Knochen so ausrichtet, daß seine
Arbeitsrichtung in der Arbeitsebene liegt. Man kann beispielsweise
durch eine geeignete Darstellung auf der Anzeige feststellen, ob
die Arbeitsebene des Instrumentes von der Ebene abweicht, in der
der Ultraschallkopf seine Strahlung aussendet und wieder empfängt, und
dann kann man das Instrument so verschieben und verdrehen, daß dessen
Arbeitsebene mit dieser Strahlungsebene zusammenfällt.
-
Bei
einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird diese Koordinierung der Relativposition von Instrument und
durch die ursprüngliche Meßorientierung
des Ultraschallkopfes bestimmter Arbeitsebene mit Hilfe einer gesteuerten
Positioniereinrichtung erreicht, diese kann von dem Navigationssystem über eine
Datenverarbeitungseinrichtung gesteuert sein, die die Strahlungsebene
des Ultraschallkopfes bestimmt und das Instrument so anordnet, daß dessen
Arbeitsebene in dieser Strahlungsebene liegt.
-
Günstig ist
es, wenn die Aussenderichtung des Ultraschallkopfes der Arbeitsrichtung
des Instrumentes entgegengerichtet ist. Wenn man das Instrument
und den Ultraschallkopf dann an gegenüberliegenden Seiten des Knochens
anordnet, wird das Instrument im ultraschallstrahlungslosen Raum
des Knochens geführt;
da die Ultraschallstrahlung an der Oberfläche des Knochens reflektiert
wird und damit diese Oberfläche
als knöcherne
Struktur markiert.
-
Das
Instrument kann beispielsweise eine Säge sein, deren Sägeebene
in der Arbeitsebene liegt.
-
Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist das Instrument ein Bohrer, dessen Vorschubrichtung in der Arbeitsebene
liegt.
-
Es
ist auch möglich,
daß das
Instrument eine Knochenschraube ist, deren Einschraubrichtung in der
Arbeitsebene liegt.
-
Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
-
1:
eine schematische Darstellung eines Knochens mit einem Ultraschallkopf
und einer oszillierenden Säge
sowie einem Navigationssystem für den
Ultraschallkopf, für
die oszillierende Säge
und den Knochen, einer Datenverarbeitungsanlage und einer Anzeige
zur Darstellung einer Arbeitsebene des Knochens;
-
2:
eine Ansicht des Knochens mit einem Ultraschallkopf und einer oszillierenden
Säge ähnlich 1 mit
zwei gegeneinander geneigten, einen keilförmigen Knochenausschnitt definierenden
Arbeitsebenen und
-
3:
eine schematische Darstellung der Anzeige der knöchernen Struktur und des Arbeitsbereiches
eines Instrumentes in der Arbeitsebene, wobei zusätzlich zur
Definition der Ultraschallrichtung und der Arbeitsrichtung der Ultraschallkopf
und das Instrument dargestellt sind.
-
Die
Erfindung wird nachstehend erörtert
am Beispiel der Bearbeitung eines Röhrenknochens, insbesondere
der Tibia 1, in die mit Hilfe einer oszillierenden Säge 2 zwei
relativ zueinander geneigte Schnitte 3, 4 eingebracht
werden sollen, um dadurch ein keilförmiges Stück des Knochens aus dieser
herauszusägen
(2). Es versteht sich aber, daß die Erfindung auch für andere
Bearbeitungsvorgänge
am Knochen geeignet ist, beispielsweise für das Bohren von Bohrungen,
für das
Einschrauben von Knochenschrauben oder dergleichen.
-
Zur
Durchführung
des Verfahrens werden an der Tibia 1 und an der oszillierenden
Säge 2 jeweils Markierelemente 5 beziehungsweise 6 festgelegt, deren Position
und Orientierung im Raum durch ein ortsfestes Navigationssystem 7 bestimmt
werden können.
Derartige Markierelemente und Navigationssysteme sind bekannt, sie
arbeiten beispielsweise mit mehreren im Abstand zueinander angeordneten, stationären Sendern 8, 9, 10,
die Infrarotstrahlung aussenden. Diese wird von den Markierelementen 5, 6 an
räumlich
voneinander getrennten Stellen reflektiert und durch räumlich voneinander
getrennte Empfänger
am Navigationssystem 7 aufgenommen, aus der Richtung und
den Laufzeiten der Strahlung kann dann eine dem Navigationssystem 7 zugeordnete Datenverarbeitungsanlage 11 die
Orientierung und die Position der Markierelemente im Raum bestimmen.
Selbstverständlich
können
auch andere Navigationssysteme verwendet werden, um die Lage dieser
Markierelemente 5, 6 zu bestimmen, beispielsweise
elektromagnetische, optische, etc.
-
Zur
Durchführung
eines Operationsverfahrens wird weiterhin ein Ultraschallkopf 12 verwendet, der
in an sich bekannter Weise in einer Strahlungsebene Ultraschallstrahlung
aussendet und diese nach Reflexion wieder empfängt. Aus der Strahlrichtung und
der Laufzeit läßt sich
der Abstand und die Lage einer reflektierenden Fläche vom
Ultraschallkopf 12 bestimmen und dies erfolgt in der gesamten
von der Ultraschallstrahlung überstrichenen
Ebene, so daß in dieser
Ebene die Lage einer Reflexionsfläche bestimmt werden kann. Eine
solche Reflexionsfläche stellt
beispielsweise die Außenfläche der
Tibia 1 dar.
-
Auch
dem Ultraschallkopf 12 ist ein Markierelement 13 zugeordnet,
so daß auch
die Lage des Ultraschallkopfes 12 im Raum durch das Navigationssystem 7 zu
bestimmen ist.
-
Wenn
der Ultraschallkopf 12 auf die Tibia 1 gerichtet
ist, so definiert der Ultraschallkopf 12 eine Ebene, in
der die Ultraschallstrahlung auf die Tibia 1 auftrifft.
In dieser Ebene wird die knöcherne
Struktur der Femur 1 bestimmt, und da sowohl Position und Orientierung
des Ultraschallkopfes 12 als auch der Tibia 1 durch
das Navigationssystem 7 bekannt sind, kann auf diese Weise
die Lage der knöchernen Struktur,
also der Außenseite
der Tibia 1 in einem knochenfesten Koordinatensystem bestimmt
werden, das heißt
relativ zu dem Markierelement 5 der Tibia 1.
-
Die
Datenverarbeitungsanlage 11 erzeugt aus den so gewonnenen
Daten auf einem Bildschirm 14 eine Abbildung der Ebene,
die durch die Ultraschallstrahlung des Ultraschallkopfes 12 aufgespannt
wird, diese Ebene wird nachfolgend als Arbeitsebene bezeichnet.
In dieser Arbeitsebene erkennt man die knöcherne Struktur 15,
die ein Abbild ist für
die Außenfläche der
Tibia 1, auf der Seite der Tibia, die von der Ultraschallstrahlung
getroffen wird. Eine solche knöcherne
Struktur 15 ist in der Anzeige der 3 dargestellt,
zusätzlich
ist symbolisch der Ultraschallkopfe 12 angegeben, um zu
zeigen, in welche Richtung die Ultraschallstrahlung des Ultraschallkopfes 12 auf
die Tibia 1 gerichtet ist. Tatsächlich ist natürlich auf
der Anzeige ein solcher Ultraschallkopf 12 nicht dargestellt
und auch nicht notwendig.
-
Die
Arbeitsebene des Ultraschallkopfes wird so gewählt, daß sie der Arbeitsebene des
Instrumentes entspricht, daß also
diese Arbeitsebene mit der Ebene zusammenfällt, in der ein Sägeschnitt
geführt werden
soll. Dies läßt sich
durch geeignete Planung vorab festlegen, und zur Aufnahme der knöchernen Struktur
wird dann der Ultraschallkopf 12 relativ zur Tibia 1 so
orientiert, daß die
von seiner Strahlung aufgespannte Ebene mit dieser gewünschten
Schnittebe ne zusammenfällt.
Mit dieser Orientierung des Ultraschallkopfes wird die knöcherne Struktur 15 bestimmt
und diese Ebene wird dann auf dem Bildschirm 14 dargestellt.
-
In
einem nächsten
Schritt wird die oszillierende Säge 2 mit
Hilfe des Navigationssystems so verschoben und gedreht, daß ihre Arbeitsebene,
beispielsweise also die Schneidebene der oszillierenden Säge, mit
der von der Ultraschallstrahlung des Ultraschallkopfes 12 aufgespannten
Ebene zusammenfällt.
Dies kann von Hand erfolgen oder auch durch eine die oszillierende
Säge 2 haltende
Positioniereinrichtung, die von dem Navigationssystem 7 über die
Datenverarbeitungsanlage 11 entsprechend gesteuert wird.
Damit befindet sich die Arbeitsebene des Instrumentes in einer genau
bekannten Ebene relativ zur Tibia 1, und diese entspricht
genau der Ebene, die auf dem Bildschirm 14 dargestellt
ist. Da die oszillierende Säge 2 navigiert
ist, verfügt
die Datenverarbeitungsanlage 11 auch über Daten, die die genaue Lage
und Orientierung der oszillierenden Säge 2 repräsentieren,
und damit ist es möglich,
zusammen mit gespeicherten geometrischen Daten der oszillierenden
Säge 2 den
Arbeitsbereich der Säge auf
dem Bildschirm 14 darzustellen, und zwar so, daß dieser
lagerichtig zu der knöchernen
Struktur 15 in die Darstellung des Bildschirms 14 einkopiert
wird. Der Arbeitsbereich kann beispielsweise sein die Lage der Schnittlinie
und/oder die Breite des Oszillationshubes des Sägeblattes, in 3 wird
dieser Arbeitsbereich dargestellt durch ein Rechteck 16,
in dessen Bereich beim Arbeiten der oszillierenden Säge 2 ein
Sägeschnitt
angeordnet wird. Eine Begrenzungslinie 17 dieses Rechtecks 16 gibt
die Eindringtiefe der oszillierenden Säge 2 an, die seitlichen Begrenzungslinien 18, 19 die
Breite des erzeugten Sägeschnittes.
-
Auf
diese Weise kann der Operateur auf dem Bildschirm 14 genau
verfolgen, wie weit der Sägeschnitt
gediehen ist, insbesondere, ob die Eindringtiefe einen bestimmten
Maximalwert nicht überschritten
hat, bei dem die Säge
sich der knöchernen
Struktur 15 auf einen Minimalwert genähert hat.
-
Bei
der Darstellung der 3 ist mit punktierten Linien
zusätzlich
ein Schnittbereich in die Darstellung einkopiert, der dem geplanten
Sägeschnitt entspricht,
er zeigt also auch, wie weit der tatsächliche Sägeschnitt von dem gewünschten
Sägeschnitt entfernt
ist. Wenn die vordere Begrenzungslinie 17, die der tatsächlichen
Sägetiefe
entspricht, die parallele punktierte Linie 21 der vorgegebenen
Sägestruktur
erreicht, darf der Operateur die oszillierende Säge 2 nicht weiter
vorschieben, sondern er weiß,
daß der tatsächliche
Sägeschnitt
dem geplanten Sägeschnitt entspricht.
-
In 3 ist
nur zur Verdeutlichung zusätzlich die
oszillierende Säge 2 eingezeichnet,
um zu zeigen, wie diese arbeitet und wie diese in Richtung auf die
knöcherne
Struktur 15 vorgeschoben wird. Entsprechend der bevorzugten
tatsächlichen
Anordnung stehen auch bei der Darstellung der 3 Ultraschallkopf 12 und
oszillierende Säge 2 einander
gegenüber,
das heißt
das Einschieben der oszillierenden Säge 2 in die Tibia 1 erfolgt
in Richtung auf den gegenüber
angeordneten Ultraschallkopf 12.
-
Natürlich ist
es nicht notwendig, daß während des
Sägevorgangs
der Ultraschallkopf 12 in dieser Position verbleibt und
Messungen durchführt,
es genügt,
wenn zu Beginn des Vorgangs einmal die knöcherne Struktur 15 hinsichtlich
ihrer Orientierung und Lage am tibiafesten Koordinatensystem und
damit relativ zu dem Markierelement 5 bestimmt wird.
-
Für das Herausschneiden
eines keilförmigen Knochenelements,
wie dies bei dem Ausführungsbeispiel
der 2 angedeutet ist, kann ein entsprechender Vorgang
für zwei
verschiedene Arbeitsebenen nacheinander durchgeführt werden, es wird also entsprechend
jeder der beiden zueinander geneigten Schnittebenen zunächst durch
Ausrichtung des Ultraschallkopfes in diesen Ebenen eine Ortsbestimmung
der knöchernen
Struktur im tibiaseitigen Koordinatensystem vorgenommen, anschließend wird diese
Ebene auf dem Bildschirm 14 dargestellt, und zur Bearbeitung
wird dann die oszillierende Säge 2 in diese
Arbeitsebene orientiert und bis zu der gewünschten Arbeitstiefe in die
Tibia vorgeschoben. Derselbe Vorgang erfolgt anschließend mit
der zweiten Ebene. Damit ist sichergestellt, daß eine vollständige Durchtrennung
der Tibia 1 nicht auftreten kann, der Operateur kann den
Fortgang und die Tiefe des tatsächlichen
Sägeschnittes
jederzeit am Bildschirm 14 verfolgen, obwohl sich die oszillierende
Säge 2 und
deren Sägeblatt
in einem Bereich der Tibia 1 befinden, der von der Ultraschallstrahlung
des Ultraschallkopfes 12 nicht erreicht wird.