DE202009013604U1 - System for the intraoperative positioning of artificial acetabular cups - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum intraoperativen Ausrichten von künstlichen Hüftpfannen im Becken, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagesensoreinheit sowie eine kabellose Übertragung- und Auswerteeinheit vorhanden ist.Device for the intraoperative alignment of artificial hip cups in the pelvis, characterized in that a position sensor unit and a wireless transmission and evaluation unit is present.

Figure 00000001
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Description

Einleitung:Introduction:

Die Implantation von Hüftendoprothesen ist eine der am erfolgreichsten durchführbaren Operationen überhaupt und hat dazu beigetragen die Lebensqualität von Millionen von Patienten entscheidend zu verbessern. Weltweit werden derzeit ca. 1.000.000 primäre Hüftendoprothesen Implantationen pro Jahr durchgeführt.The Implantation of hip endoprostheses is one of the most successful operations ever and has contributed to the quality of life of millions of patients to improve decisively. There are currently about 1,000,000 worldwide primary Hip prostheses Implantations performed every year.

Für eine möglichst lange Standzeit der Endoprothesen ist die Implantatposition ein ausschlaggebender Einflussfaktor. Postoperative Komplikationen wie zu geringes Bewegungsausmaß, Instabilitäten oder gar Luxationen des künstlichen Hüftgelenkes sind in den meisten Fällen auf eine ungünstige Implantatposition zurückzuführen. Die Position der künstlichen Hüftpfanne im Becken wird im Wesentlichen durch 2 Winkel, die Inklination und die Version, bestimmt. Diese Winkel werden vom Operateur jedoch nur abgeschätzt und aufgrund der eingeschränkten Sicht während der Einbringung des Implantats kann es zu einer Fehlpositionierung der Pfanne kommen. In eigenen experimentellen Untersuchungen konnte bereits demonstriert werden, dass ein unerfahrener Operateur eine höhere Präzision bei der Implantation einer Pfanne im Modell durch eine einfache Positionierungshilfe erreicht als ein erfahrener Operateur ohne diese Hilfe. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass bei Overänderter P-Lagerung des Patienten auch erfahrene Operateure die Orientierung der Pfanne nicht richtig abschätzen können.For as possible long life of the endoprostheses is the implant position decisive influencing factor. Postoperative complications like too small amount of movement, Instabilities or even luxations of the artificial Hip joint are in most cases on an unfavorable Attributed implant position. The Position of the artificial acetabulum in the basin is essentially characterized by 2 angles, the inclination and the version, certainly. These angles are however from the surgeon only estimated and due to the limited View during the introduction of the implant can lead to incorrect positioning come to the pan. In own experimental investigations could already demonstrated that an inexperienced surgeon a higher Precision at the implantation of a pan in the model by a simple positioning aid achieved as an experienced surgeon without this help. Farther it could be shown that in case of changer P-storage of the patient Even experienced operators do not properly orient the pan estimate can.

Stand der Technik:State of the art:

Zur Verbesserung der intra-operativen Positionierung wurden vor Jahren computerassistierte Operationsverfahren entwickelt. Als einer der prominentesten Vertreter gilt das RoboDoc® System, wobei ein aktiver konventioneller Industrieroboter einen nicht unerheblichen Anteil der eigentlichen Operation übernahm. Aufgrund einer signifikant höheren Anzahl von postoperativen Instabilitäten, Nervenverletzungen und Wundinfektionen erhielt das RoboDoc® System ein negatives Medienecho und wurde wieder verlassen. Derzeit muss generell zwischen verschiedenen Prinzipien in der orthopädisch chirurgischen Navigation unterschieden werden. Einerseits gibt es die Computer-Tomographie (CT) basierte Navigation, wobei ein präoperativ angefertigtes CT als Datensatz für die Operation dient. Der intraoperative Situs entspricht jedoch nicht immer den aus dem CT-generierten Daten, was zu Ungenauigkeiten führen kann. Außerdem führt die Anfertigung eines präoperativen CT zu einer unnötig hohen Strahlenbelastung des Patienten. Weiterhin ist die Möglichkeit der fluoroskopischen Navigation mit dem C-Arm unter Verwendung konventioneller Durchleuchtungstechnik. Es handelt sich hierbei um eine in sich selbst präzise, universell anwendbare Technik, die allerdings die Nachteile mäßiger Bildqualität und Röntgenstrahlenbelastung mit sich bringt. Die Verwendung des Iso-C-3D, eines C-Arms der in der Lage ist die aufgenommenen Bilder digital zu verarbeiten und dadurch räumliche Objekte zu generieren, bringt den Vorteil einer besseren räumlichen Auflösung bei gleich bleibender Präzision. Eine weitere Entwicklung in der Navigation sind Systeme die sowohl chirurgische Instrumente als auch Patientenanatomie und deren Positionen zueinander erkennen und somit eine Optimierung der Positionierung von Instrumenten und Implantaten bewirken. Die eigentliche operative Prozedur ist auch hier „surgeon controlled”, das heißt sie bleibt in der Hand des Operateurs. Als eine Landmarke für die Navigation dient die so genannte anteriore Beckenebene, welche sich über die tastbaren knöchernen Vorsprünge der Spinae iliacae anterior superior und der Symphse erstreckt. Aktuell erfolgt die Bestimmung dieser Ebene über einfaches Tasten der knöchernen Vorsprünge. Eine hierauf basierende Navigation führt somit zu einer signifikanten Ungenauigkeit bezüglich der erreichten Implantatposition. Auch die Beckenkippung ist ein relevanter Einflussfaktor auf die Bestimmung der anterioren Beckenebene und kann somit zu Ungenauigkeiten der Implantatposition führen. Die Navigation soll dennoch eine exakte Positionierung der Hüftpfanne ermöglichen. Eine Verbesserung der Präzision durch die Verwendung von chirurgischen Navigationssystemen wurde bereits durch mehrere Studien beschrieben. Weiterhin führt die Präzision durch Verwendung der Navigation zu einer Verminderung der post-operativen Beinlängendifferenz, Luxationsrate und sonstigen mechanischen Komplikationen. Die klinisch relevante Präzision wird hierbei als Summe der Fehler der Bildgebung, der System Hard- und Software und dem Fehler des Anwenders definiert. Die Anschaffungskosten im Bereich der Navigation liegen alleine für Rechnersysteme, Kamera und Instrumente bei bis zu 200.000 EUR. Hinzu kommen gegebenenfalls die Kosten für die Neuerwerbung eines C-Arms, welche zwischen 100.000 und 150.000 EUR angegeben werden. Die derzeit zur Verfügung stehenden Navigationssysteme bedeuten somit einen erheblichen finanziellen und personellen Aufwand, ohne dass eine gesonderte Vergütung durch die Krankenkassen besteht oder vorgesehen ist. Weiterhin wird die durch Herstellerangaben beworbene Präzision klinisch eher überbewertet.To improve the intraoperative positioning, computer assisted surgical procedures were developed years ago. One of the most prominent representatives is the RoboDoc ® system, whereby an active conventional industrial robot took over a not inconsiderable part of the actual operation. Due to a significantly higher number of postoperative instabilities, nerve injuries and wound infections, the RoboDoc ® system received negative media feedback and was abandoned. At present, a distinction must generally be made between different principles in orthopedic surgical navigation. On the one hand, there is computed tomography (CT) based navigation, with a preoperatively made CT as a record for the operation. However, the intraoperative situs does not always match the CT generated data, which can lead to inaccuracies. In addition, the preparation of a preoperative CT leads to unnecessarily high radiation exposure of the patient. Furthermore, the possibility of fluoroscopic navigation with the C-arm using conventional fluoroscopy technology. It is an inherently precise, universally applicable technique, but with the disadvantages of moderate image quality and X-ray exposure. The use of Iso-C-3D, a C-arm capable of digitally processing the captured images and generating spatial objects, has the advantage of better spatial resolution while maintaining precision. Another development in navigation are systems that recognize both surgical instruments and patient anatomy and their positions relative to one another, thus optimizing the positioning of instruments and implants. The actual surgical procedure here is "surgeon controlled", meaning that it remains in the surgeon's hand. As a landmark for navigation serves the so-called anterior pelvic plane, which extends over the palpable bony prominences of the anterior superior iliac spine and the symphysis. Currently, this level is determined by simply pressing the bony prominences. A navigation based thereon thus leads to a significant inaccuracy with regard to the achieved implant position. Pelvic tipping is also a relevant factor influencing the determination of the anterior pelvic plane and can therefore lead to inaccuracies in the implant position. The navigation should still allow an exact positioning of the acetabulum. An improvement in precision through the use of surgical navigation systems has already been described by several studies. Furthermore, the precision by using the navigation leads to a reduction in the post-operative leg length difference, dislocation rate and other mechanical complications. The clinically relevant precision is defined here as the sum of the errors of the imaging, the system hardware and software and the error of the user. The acquisition costs in the area of navigation are alone for computer systems, camera and instruments at up to 200,000 EUR. In addition, if necessary, the costs for the new acquisition of a C-arm, which are specified between 100,000 and 150,000 EUR. The currently available navigation systems thus represent a considerable financial and human resources, without a separate payment by the health insurance exists or is provided. Furthermore, the accuracy advertised by the manufacturer's instructions is clinically rather overrated.

Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:

Gegenstand der hier dargestellten Erfindung ist ein einfach handhabbares und kostengünstiges System zur manuell geführten intraoperativen Positionierung der künstlichen Hüftpfanne (Zeichnung 1) im Becken (a). Das System bestehend aus einem mit Sensoren (c) instrumentierten Einschlagwerkzeug (b) und einer Ausgabeeinheit (d), die dem Operateur während der Operation die aktuellen Implantateinbauwinkel (Inklination und Version) anzeigt. Am Schaft des Einschlaginstrumentariums sind dazu für jede der 3 Raumrichtungen (x, y, z) je 1 Beschleunigungssensor, 1 Drehratensensor und 1 Magnetfeldsensor in einem Gehäuse angebracht. Das wasserdichte und sterilisierbare Gehäuse wird über eine einfach und schnell lösbare Verbindung am Einschlaginstrumentarium befestigt. Die Daten der Sensoren werden über eine kabellose Übertragungseinheit (z. B. Bluetooth oder ZigBee), welche sich ebenfalls im Gehäuse befindet, zu einer Auswerteeinheit übermittelt. Dort werden intraoperativ die aktuellen Einbauwinkel aus den Sensordaten und der referenzierten Beckenebene errechnet und dem Operateur auf einer externen Anzeige (z. B. dem Rechnerdisplay) ausgegeben.The subject of the invention presented here is an easily manageable and cost-effective system for manually guided intraoperative positioning of the artificial hip socket (drawing 1) in the pelvis (a). The system consisting of one with Sensors (c) instrumented impactor (b) and an output unit (d), which indicates to the surgeon during surgery the current implant insertion angle (inclination and version). For each of the three spatial directions (x, y, z), 1 acceleration sensor, 1 rotation rate sensor and 1 magnetic field sensor are each mounted in a housing on the shaft of the impaction instrument. The watertight and sterilizable housing is attached to the impact instrumentation via a simple and quick release connection. The data from the sensors are transmitted to an evaluation unit via a wireless transmission unit (eg Bluetooth or ZigBee), which is also located in the housing. There, the current installation angles from the sensor data and the referenced pelvic level are calculated intraoperatively and output to the surgeon on an external display (eg the computer display).

Die Referenzbeckenebene wird dabei aus mindestens 3 Beckenpunkten berechnet, die vorher mit der Sensoreinheit aufgenommen und abgeglichen werden.The Reference basin level is calculated from at least 3 pool points, previously recorded and adjusted with the sensor unit.

Nach der Operation kann die Sensoreinheit vom Einschlaginstrumentarium gelöst und separat sterilisiert werden.To In operation, the sensor unit can be of impact type solved and sterilized separately.

Erläuterung zu Zeichnung 1:explanation to drawing 1:

  • a)a)
    Beckenknochen mit einliegender künstlicher HüftpfannePelvic bone with enclosed artificial hip socket
    b)b)
    Einschlaginstrumentarium mit Sensor- und Datenübertragungseinheitimpact tools with sensor and data transmission unit
    c)c)
    Sensor- und Datenübertragungseinheit im GehäuseSensor and data transmission unit in the case
    d)d)
    Auswerteeinheit und DisplayEvaluation unit and display

Claims (6)

Vorrichtung zum intraoperativen Ausrichten von künstlichen Hüftpfannen im Becken, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagesensoreinheit sowie eine kabellose Übertragung- und Auswerteeinheit vorhanden ist.Device for the intraoperative alignment of artificial hip cups in the pelvis, characterized in that a position sensor unit and a wireless transmission and evaluation unit is present. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagesensoreinheit über mindestens einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor und einen Magnetfeldsensor je Raumrichtung x, y, z verfügt.Device according to claim 1, characterized in that that the position sensor unit via at least one acceleration sensor, a rotation rate sensor and a magnetic field sensor per spatial direction x, y, z has. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Lagesensoreinheit in einem wasserdichten, abnehmbaren und sterilisierbaren Gehäuse untergebracht ist.Device according to claim 2, characterized that the position sensor unit in a waterproof, removable and Sterilizable housing is housed. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Lagesensoreinheit über eine schnell und einfach lösbare Verbindung verfügt, mit der sie an einem konventionellen Pfannen-einschlaginstrumentarium befestigt werden kann.Device according to claim 2, characterized that the position sensor unit via a quick and easy to solve Has connection, with which they are attached to a conventional pan-wrench instrument can be attached. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie eine kabellose Übertragungseinheit für die Sensordaten zu einer Auswerteeinheit besitzt.Device according to claim 1, characterized that they are a wireless transmission unit for the Sensor data to an evaluation has. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass dem Operateur der Inklinationswinkel sowie der Versionswinkel der künstlichen Hüftpfanne relativ zur Patientenlage über die Auswerteeinheit kontinuierlich über ein Display angezeigt wird.Device according to claim 5, characterized that the operator of the inclination angle and the version angle the artificial one Acetabulum relative to the patient situation the evaluation unit is continuously displayed via a display.
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