DE60215561T2

DE60215561T2 - Rechnerunterstütztes System für Kniegelenkrekonstruktion

Info

Publication number: DE60215561T2
Application number: DE60215561T
Authority: DE
Inventors: Michael Antony Guildford Tuke
Original assignee: Finsbury Development Ltd
Current assignee: MatOrtho Ltd
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: EP1226788A1; US6859661B2; US20020115934A1; EP1226788B1; GB0101990D0; DE60215561D1

Description

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches System, insbesondere ein chirurgisches System und eine Apparatur zum Einsatz im Verlaufe einer Knieersatzoperation.
Navigations- und Robotersysteme werden ein zunehmend interessantes Technologiegebiet bei Anwendung für den Knieersatz. Mehrere Systeme existieren zur Navigation des Knies zur Hilfe bei der Ausrichtung der Stardard-Gesamtknieknochenschnitte. Bei Benutzung eines solchen Systems besteht der erste Schritt darin, den Patienten voroperativ unter Benutzung von rechnerunterstützten Tomographie(CT)-Verfahren einzulesen. Auf diese Weise wird in einem Speicher des Rechners die dreidimensionale „Form" der Knochen des Patienten gespeichert. Ferner werden in dem Speicher des Rechners auch dreidimensionale Daten für das von dem Chirurgen einzusetzende Knieimplantat oder für einen Bereich möglicher Knieimplantate gespeichert, die von dem Chirurgen benutzt werden könnten.
Während der Knieersatzoperation wird auf einem Rechnerbildschirm ein Bild der Knochen dem Chirurgen angezeigt, der an dem Operationstisch den Rechner steuert. Es erfolgt ein Prozess zur Registrierung der wirklichen Knochen des Patienten aus bestimmmten Markierungen, der es auf den Knochen fixierten Sensoren erlaubt, das Bildschirmbild mit dem Patienten zu koordinieren. Dann können nach größenmäßiger Festlegung und Lagebeurteilung der Komponenten auf dem Rechnerbildschirm zur Anpassung an das Implantat Knochenschnitte vorgenommen werden.
Eine grundlegende Technik sieht so vor, dass jede Komponente des Implantats eine kontrollierte Ausrichtung relativ zu dem Knochen hat, auf dem sie implantiert wird. Diese „Markierungs" technik wird von den meisten existierenden Knieersatzsystemen wiederholt, die keinen solchen Rechner umfassen.
Zum Beispiel beschreibt die US-Patentschrift Nr. 5,682,886 ein Verfahren zur Chirurgieplanung an einem Körperteil, wie etwa bei der Kniegelenkneubildung in einer Sektion. Dies beinhaltet die Benutzung von Planungsuntersystem-Hardware, die einen Rechner umfasst, der an eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Bilddaten sowie an eine visuelle Anzeigeeinrichtung ange schlossen ist. Die bei der Planungsmethode anzuwendenden verschiedenen Stufen, wie sie bei einer einsektionalen Kniegelenkneubildung zur Anwendung kommen, sowie verschiedene von dem Chirurgen durchzuführende Reihenfolgen von Maßnahmen sind in den Fließbildern der 5, 8, 10, 15, 16, 19, 21, 22, 28 und 31 bis 34 angegeben. 34 gibt als eine der Maßnahmen an, die nach Einsetzen der Prothesebestandteile in die resezierte Tibia und das resezierte Femur des Patienten erfolgt: „Bewege das Knie durch den gesamten Bewegungsbereich und prüfe die Stabilität und Spannung in den Sehnen."
Ohne einen Rechner erfolgen die größenmäßige Festlegung und Positionierung mit relativ einfachen Ausrichtarmaturen. Daher fügt der Navigationsrechner dem Verfahren wenig mehr als Zeitdauer und Kosten zu.
Einige Systeme können von den verfügbaren Daten zu dem sogenannten „Roboter"-Schneiden der Knochen übergehen.
Die US-Patentschrift Nr. 5,800,438 beschreibt ein chirurgisches Instrument zur Benutzung bei der Kniegelenkneubildung zur Unterstützung eines Chirurgen bei der Implantierung einer Knieprothese, die bei gebeugtem und gestrecktem Knie stabil ist. Seine Benutzung nach Resektion der Tibia und des Femurs ist beschrieben.
Die US-Patentschrift Nr. 5,733,292 beschreibt eine einstellbare Versuchsprothese oder -prothesekomponente, die den Chirurgen befähigen soll, die Gelenkfunktion wirksam und genau zu überprüfen, ohne dass er einen Versuchsprotheseeinsatz entfernen und ihn durch einen anderen sterilisierten Einsatz ersetzen muss.
Das bekannte Navigationsverfahren erlaubt keine so genaue Positionierung der Komponenten, dass die Weichgewebe des Patienten unter den zwei vital wichtigen Aspekten genau im Gleichgewicht sind, die für einen erfolgreichen Totalknieersatz erforderlich sind. Der erste ist sicherzustellen, dass bei voller Streckung des Knies die medialen und lateralen Gewebe in einem anatomisch ausgerichteten Knie genau gespannt sind. Der zweite Aspekt ist sicherzustellen, dass die Implantate nach Größe ausgewählt und auf dem Knochengerüst positioniert sind, um das genaue Gleichgewicht der Weichgewebespannungen bei gestrecktem und gebeugtem Knie zu gewährleisten.
Es besteht daher ein Bedarf an einer chirurgischen Apparatur zur Ermöglichung einer Rechnernavigation während der Knieersatzoperation, die es dem Chirurgen erlaubt sicherzustellen, dass bei vollständiger Streckung des Knies das mediale und laterale Gewebe in einem ausgerichteten Knie richtig gespannt sind. Ferner besteht ein Bedarf an der Schaffung einer chirurgischen Apparatur, die dem Chirurgen erlaubt, unter Benutzung eines Navigationsrechners ein Implantat mit optimalen Dimensionen auszuwählen und dieses in optimaler Weise in das Knochengerüst des Patienten zu implantieren, um so sicherzustellen, dass bei gestrecktem und gebeugtem Knie das richtige Gleichgewicht des Weichgewebes vorliegt.
Die Erfindung zielt demgemäß auf die Schaffung einer Navigationsapparatur, die es dem Chirurgen ermöglicht, sicherzustellen, dass bei vollständiger Streckung des Knies das mediale und laterale Gewebe in einem gerade ausgerichteten Knie richtig gespannt sind. Ferner zielt die Erfindung auf die Schaffung einer chirurgischen Apparatur, die es dem Chirurgen ermöglicht, unter Benutzung eines Navigationsrechners ein Implantat mit optimalen Dimensionen auszuwählen und dieses in optimaler Weise in das Knochengerüst des Patienten zu implantieren, um so das richtige Weichgewebegleichgewicht bei gestrecktem und gebeugtem Knie zu gewährleisten.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein
System für die Benutzung durch einen Chirurgen bei der Implantation eines Schienbeinimplantats und eines Oberschenkelknochenimplantats im Laufe einer Knieersatzoperation bei einem Patienten, mit
einem Rechner mit Speicher zum Vorhalten von Daten bezüglich Größe und Form wenigstens eines Schienbeinimplantats und wenigstens eines Oberschenkelknochenimplantats sowie Daten, die bei der voroperativen Szintigraphie des Patienten bezüglich seines Schienbeins und Oberschenkelknochens erhalten wurden, und im Laufe der Knieersatzoperation erhaltenen Daten bezüglich der dreidimensionalen Lage und Ausrichtung wenigstens eines unter dem Schienbein und dem Oberschenkelknochen des Patienten ausgewählten Knochens,
Bildschirmeinrichtungen zur Anzeige von aus Daten in dem Speicher des Rechners abgeleiteten Abbildungen bezüglich des Schienbeins des Patienten, des Oberschenkelknochens des Patienten, wenigstens eines Schienbeinimplantats und wenigstens eines Oberschenkelimplantats und
Aufzeichnungseinrichtungen zur Aufzeichnung der dreidimensionalen Lage und Ausrichtung des wenigstens einen Knochens im Verlaufe der Knieersatzoperation,
Nachweiseinrichtungen, die an den Rechner angeschlossen und an die Aufzeichnungseinrichtungen betriebsmäßig gekoppelt sind, zum Nachweis der dreidimensionalen Lage und Ausrichtung des wenigstens einen Knochens im Verlaufe der Knieersatzoperation, wobei die Nachweiseinrichtungen dem Rechner Daten bezüglich der dreidimensionalen Lage und Ausrichtung des wenigstens einen Knochens liefern,
einem einstellbaren Tensor zum Anlegen von Spannung an die Bänder des Knies des Patienten bei Biegung oder Streckung und Abmessen eines Raumes zwischen dem Schienbein und Oberschenkelknochen,
wobei der Rechner so programmiert ist, dass er auf den Bildschirmeinrichtungen u. a. ein oder mehrere der folgenden, in dem Speicher des Rechners vorgehaltenen Abbildungen anzeigt, die die Lage und Ausrichtung darstellen von dem

(i) Schienbein und Oberschenkelknochen des Patienten mit dem durch den Tensor gespannten Knie bei Biegung und dem durch den Tensor abgemessenen Raum,
(ii) Schienbein und Oberschenkelknochen des Patienten mit dem durch den Tensor gespannten Knie bei Streckung und dem durch den Tensor abgemessenen Raum,
(iii) Schienbein und Oberschenkelknochen des Patienten mit dem durch den Tensor gespannten Knie bei Biegung und potentiellen Schnittebenen zum Zurückschneiden des Oberschenkelknochens des Patienten und dem durch den Tensor abgemessenen Raum,
(iv) Schienbein und Oberschenkelknochen des Patienten mit dem durch den Tensor gespannten Knie bei Streckung und potentiellen Schnittebenen zum Zurückschneiden des Oberschenkelknochens des Patienten und dem durch den Tensor abgemessenen Raum,
(v) Schienbein und Oberschenkelknochen des Patienten mit dem durch den Tensor gespannten Knie bei Biegung und mit wenigstens einem unter dem Schienbeinbestandteil und dem Oberschenkelknochenbestandteil ausgewählten Bestandteil, wie er nach seiner Implantation erscheint, und dem durch den Tensor abgemessenen Raum, und
(vi) Schienbein und Oberschenkelknochen des Patienten mit dem durch den Tensor gespannten Knie bei Streckung und mit wenigstens einem unter dem Schienbeinbestandteil und dem Oberschenkelknochenbestandteil ausgewählten Bestandteil, wie er nach seiner Implantation erscheint, und dem durch den Tensor abgemessenen Raum.

Bei einem bevorzugten System nach der Erfindung umfassen die Aufzeichnungseinrichtungen erste Markiermittel zur Anbringung an dem Schienbein des Patienten, zweite Markiermittel zur Anbringung an dem Oberschenkelknochen des Patienten und Zeigermittel zur Berührung signifikanter Merkmale auf dem Schienbein und Oberschenkelknochen des Patienten, wobei das erste Markiermittel, das zweite Markiermittel und das Zeigermittel alle für die operative Kopplung an die Nachweiseinrichtungen eingerichtet sind. In einem solchen System können die Nachweiseinrichtungen eine Infrarotkamera umfassen, während das erste Markiermittel, das zweite Markiermittel und das Zeigermittel jeweils Infrarotreflektoren tragen. Alternativ können die Nachweiseinrichtungen einen Ultraschallsender oder -empfänger umfassen, während das erste Markiermittel, das zweite Markiermittel und das Zeigermittel jeweils Ultraschallreflektor- oder Ultraschallsendereinrichtungen umfassen.
Die Tensoreinrichtung ist für die Vornahme einer Distraktion des Kniegelenks des Patienten im Verlaufe der Knieersatzoperation vor oder nach der Resektion des Schienbeins des Patienten eingerichtet. So besteht ihre Funktion darin, die Enden des Schienbeins und Oberschenkelknochens zu trennen und die Bänder des Knies zu spannen. Die Tensoreinrichtung ist normalerweise vorzugsweise für den Einsatz nach der Resektion des Schienbeins des Patienten eingerichtet. So kann die Tensoreinrichtung einen aufblasbaren Ballon umfassen. Alternativ kann sie eine hydraulische Tasche, eine mechanisches Gerät mit zwei parallelen Bewegungsschaufeln, ein mechanisches Gerät mit einer um einen Zapfen drehbaren oberen Bewegungsschaufel, ein mechanisches Gerät mit getrennter medialer und seitlicher Oberschaufel, ein mechanisches Gerät mit einem Zentralarm zu dem Oberschenkelknochen hin oder ein mechanisches Gerät nur mit einer medialen Trennung sein.
Die Bildschirmeinrichtungen können ein herkömmlicher Rechnerbildschirm sein, wenn der Rechner durch eine Tastatur gespeist wird. Alternativ kann die Bildschirmeinrichtung einen durch Berührung betätigten Bildschirm umfassen. Wenn man den durch Berührung betätigten Bildschirm in dem Operationsraum in Reichweite des Chirurgen setzt, kann der Rechner von dem Chirurgen gesteuert werden, der nach Wunsch die Bilder abrufen kann, die er zwecks Überwachung des Standes der Knieersatzoperation und Planung seines nächsten Schrittes zu betrachten wünscht.
Die Erfindung zielt auf das Weichgewebe-Gleichgewicht des Knies bei Beugung und Streckung, wobei dieses durch die Benutzung der Rechnernavigation und eine physikalische Distraktion des Kniegelenks unterstützt wird.
Zum klaren Verständnis und zur leichten praktischen Ausführung der Erfindung werden nun eine bevorzugte Ausführungsform und ihr Anwendungsverfahren nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegende schematische Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische schematische Ansicht des Oberschenkelknochens und des Schienbeins eines Patienten bei einer Knieersatzoperation und die erfindungsgemäße Ausrüstung, die von dem Chirurgen während der Operation zur Navigation des Knies benutzt wird,
2 eine ähnliche Ansicht wie die der 1, die die Befestigung eines Schneidblocks an dem Schienbein des Patienten erläutert,
3 eine ähnliche Ansicht wie die der 1 und 2, die die physikalische Distraktion des gebeugten Kniegelenks im Anschluss an die Vornahme des Schienbeinschnitts durch den Chirurgen zeigt,
4 eine ähnliche Ansicht, die das gestreckte Knie bei physikalischer Distraktion mit anterior-posteriorer Ansicht auf dem Rechnerbildschirm zeigt,
5 eine Ansicht des Rechnerbildschirms, die eine Seitenansicht des Knies entsprechend der Ansicht der 4 zeigt,
6 eine Rechnerbildschirmansicht, die eine anteriorposteriore Ansicht des gebeugten Knies des Patienten zeigt,
7 eine Seitenansicht entsprechend der von 6, und
8 die Befestigung von Schneidblöcken an dem Oberschenkelknochen für die Ausführung der nötigen Schnitte zur Anpassung an die ausgewählten Oberschenkelknochenkomponente der Knieprothese.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert 1 einen Navigationsrechner 1, der durch ein geeignetes Kabel 2 mit einem berührungsbetätigten Bildschirmmonitor 3 verbunden ist. Ein Paar Infrarotkameras 4, 5 ist an den Bildschirm 3 angeschlossen, wie bei 6, 7 gezeigt ist. Das Kniegelenk des Patienten wird chirurgisch in herkömmlicher Weise exponiert, um so die zweckdienlichen Teile des Schienbeins T und des Oberschenkelknochens F des Patienten freizulegen. Das Wadenbein L des Patienten ist ebenfalls gezeigt. Die Sehnen, Blutgefäße, Kniescheibe, Haut, Fett und Muskeln des Patienten sind in 1 oder in irgendeiner der anderen Figuren nicht angegeben. Mit Infrarotsensoren oder -reflektoren 10, 11, 12, 13, 14 und 15 bestückte Stifte 8, 9 sind an dem Oberschenkelknochen F beziehungsweise dem Schienbein T des Patienten chirurgisch befestigt. Ferner ist in 1 ein Handzeiger 16 dargestellt, der ebenfalls mit einem Stift 17 versehen ist, der mit Infrarotsensoren oder -reflektoren 18, 19 und 20 ausgestattet ist.
Die Infrarotkameras 4, 5 bilden die Positionen der Sensoren 10 bis 12, 13 bis 15 und 18 bis 20 ab, und der Rechner 1 ist so programmiert, dass er die Positionen dieser Sensoren darstellen und die entsprechenden Positionen des Oberschenkelknochens F und des Schienbeins T zur Darstellung für den Chirurgen auf dem Bildschirm 3 berechnen kann. Der Speicher des Rechners enthält auch vor der Operation durch rechnerunterstützte Tomographie erhaltene Abbildungen von dem Bein des Patienten sowie Informationen über die verfügbaren Größenbereiche der Oberschenkelknochen- und Schienbeinkomponenten des Knieimplantatmodells, für dessen Einsatz der Chirurg sich entschieden hat.
2 zeigt einen ersten Schritt bei der Operation der Knieprotheseimplantierung. Ein Bohrer 21 dient zum Bohren von Löchern in das Schienbein T des Patienten zur Aufnahme von Stiften 22 zur Festlegung eines Schienbein-Schneidblocks 23, der Bohrungen 24 zur Aufnahme von Stiften 22 und einen Schlitz 25 für eine Säge zur Ausführung des Schienbeinschnittes hat. Der Rechnerbildschirm 3 zeigt auf der linken Seite eine Vorder-Hinteransicht T^a des Oberteils des Schienbeins T des Patienten und auf der rechten Seite eine Seitenansicht T^l des Schienbeins T des Patienten. Ferner zeigt der Bildschirm 3 bei diesem Schritt der Operation die Ebene P^T, die durch die Ausbildung der Oberschenkelknochenkomponente des von dem Chirurgen für den Einsatz ausgewählten Implantats erforderlich ist.
In 3 ist der nächste Schritt der Operation gezeigt. Ein aufblasbarer Ballon 26 wurde zwischen dem Oberschenkelknochen F und dem resezierten Scheinbein T des Patienten eingesetzt. Der Ballon 26 kann durch den Schlauch 27 mittels eines Hand-Wulstbehälters 28 aufgeblasen werden, der mit einem Druckentspannungsventil 29 ausgestattet ist, durch das der aufgeblasene Ballon 26 abgeblasen werden kann, um seine Entfernung aus dem Kniegelenk des Patienten zu ermöglichen. Der Bildschirm 3 zeigt auf der linken Seite eine Vorder-Hinteransicht des resezierten Schienbeins T und Oberschenkelknochens F des Patienten, während auf der rechten Seite des Bildschirms eine entsprechende Seitenansicht gezeigt ist.
4 zeigt das gestreckte Knie des Patienten mit dem aufgeblasenen Ballon 26 in Position. Der Bildschirm 3 zeigt eine Vorder-Hinteransicht des Kniegelenks des Patienten in diesem Zustand. 5 zeigt einen Bildschirm 3, der das Knie des Patienten in Seitenansicht entsprechend 4 zeigt.
In 6 ist die Bildschirmdarstellung in einem vergrößertem Maßstab gezeigt, die den Zwischenraum d₁ Schienbein-Oberschenkelknochen in einer Vorder-Hinteransicht des gebeugten Knies des Patienten nach erfolgtem Schienbeinschnitt P^T des Chirurgen angibt. Der Betrag der zulässigen Drehung des Oberschenkelknochens ist in 6 durch θ angegeben. Die Ebene des schon ausgeführten Schienbeinschnitts P^T ist in 6 ebenfalls gezeigt. Die Fachleute erkennen, dass durch Drehung des Oberschenkelknochens F der Zwischenraum an dem medialen Gelenkkopf C^M und dem lateralen Gelenkkopf C^L durch passende Drehung des Oberschenkelknochens F des Patienten eingestellt werden kann. Ferner ist in 6 eine mögliche Ebene F^A für den von dem Chirurgen auszuführenden vorderen Schnitt des Oberschenkelknochens und eine mögliche Lage für den von dem Chirurgen in dem Oberschenkelknochen des Patienten auszuführenden hinteren Schnitt F^P angegeben.
7 zeigt eine Seitenansicht entsprechend der Ansicht der 6. In dieser Ansicht sind enthalten die Implantat-Gesamtgröße I^O, die Bestimmung T^T der Schienbeindicke, der Zwischenraum d₁ Schienbein-Oberschenkelknochen und die Schnittgröße F^C des Oberschenkelknochens. Diese Linien werden der Darstellung durch das Rechnerprogramm hinzugefügt, das die zu diesem Zweck in den Speicher des Navigationsrechners geladenen Daten benutzt.
In 8 ist eine weitere Ansicht des gebeugten Knies des Patienten gezeigt, die illustriert, wie der Chirurg den Bohrer 21 benutzt, um an dem Oberschenkelknochen F des Patienten vorübergehend einen Schneidblock 26 anzubringen, der auf dem Oberschenkelknochen des Patienten durch Stifte 27 positioniert wird, von denen nur einer in 8 sichtbar ist. Der Block 26 ist mit Schlitzen 28, 29, 30 und 31 versehen, durch die der Chirurg den geplanten vorderen Schnitt F^A und den geplanten hinteren Schnitt F^P ausführen kann.
Der Chirurg kann dann nach Vornahme des vorderen Schnitts F^A und des hinteren Schnitts F^P einen weiteren Schneidblock 32 auf den Oberschenkelknochen F des Patienten unter Benutzung eines Bohrers 21 (wie bei 21' angegeben) setzen, um Löcher für Stifte 33 zu bohren, die in Bohrungen 34 des Blocks 32 aufgenommen werden. Der Block 26 befindet sich bei diesem Teil der Operation noch am Ort auf dem Oberschenkelknochen F des Patienten und dient als Führung zur Positionierung des Blocks 32. Der Schlitz 35 in dem Block 32 erlaubt dem Chirurgen, in dem Oberschenkelknochen F des Patienten den distalen Schnitt zu machen.
Das System der Erfindung kann in der folgenden Weise benutzt werden:

1. Das Bein des Patienten wird CT-abgefragt und in den Speicher des Navigationsrechners 1 in der von dem verfügbaren System vorgesehenen normalen Weise eingegeben.
2. Das Knie wird in der normalen Weise mit Entfernung von Knochenauswüchsen und offensichtlichen Weichteiladhäsionen freigelegt. Das vordere Kreuzband wird falls vorhanden geteilt unter der Annahme, dass das vorgesehene Implantat dieses Band nicht aufnehmen kann. Das hintere Kreuzband kann nach Wahl des Chirurgen ebenfalls reseziert werden.
3. Die Navigationsmarkierungen für das Ende des Oberschenkelknochens, das Ende des Schienbeins und die Kniescheibe werden registriert, wie es bei dem einschlägigen System normale Praxis ist. Zu diesem Zweck kann der Chirurg Stifte 8 und 9 an dem Oberschenkelknochen F bzw. Schienbein T des Patienten befestigen und unter Benutzung des Zeigers 16 die Stifte 8 und 9 und die darauf angebrachten Markiermittel 18 bis 20 zur Deckung bringen, um mittels der Infrarotkameras 4 und 5 dem Rechner 1 die Position der Stifte 8 und 9 in Relation zu den Infrarotkameras 4 und 5 anzuzeigen. Die Infrarotkameras 4 und 5 können dann die Markiermittel 10 bis 12, 13 bis 15 und 18 bis 20 verfolgen, während der Rechner 1 die von den Kameras 4 und 5 gelieferten relevanten Daten speichert, um die Darstellung der Lage und Ausrichtung des Schienbeins T und des Oberschenkelknochens F auf dem Rechnerbildschirm 3 zu ermöglichen. Dieser Schritt ist in 1 dargestellt.
4. Der Rechner 1 dient dann zur Bestimmung der Schienbeinresektion durch Feststellung der Ebene P^T, die durch das Implantat erforderlich ist, z. B. einer hinteren 7°-Neigung, und zur Vornahme des Schnittes eben unterhalb des Hauptdefekts. Wenn geringe Erosion besteht, wird die Ebene P^T etwa 4 mm unterhalb des medialen Gelenkkopfes C^M angesetzt. Der Schneidblock 23 wird positioniert und unter Benutzung des Rechners 1 und seines Navigationsverfahrens auf dem Schienbein T befestigt, und das Schienbein T wird reseziert, wie in 2 angegeben ist. Dann kann Zeiger 16 über die Oberfläche des Schienbeins T und Oberflächenknochens F bewegt werden, bis seine Position in dem Bild auf dem Rechnerbildschirm 3 der genauen Lage des auf der Ebene P^T auszuführenden Schienbeinschnitts entspricht. Alternativ kann ein durch den Rechner 1 betriebener Roboter benutzt werden, um das Schienbein T auf der gewählten Ebene P^T zu resezieren.
5. Das Knie wird danach auf Adhäsionen auf dem Oberschenkelknochen F und dem Schienbein T untersucht, insbesondere, wenn irgendeine Art von fixierter Missbildung, wie Flexion, X-Beinigkeit oder O-Beinigkeit bestand.
6. Ein physikalischer Abstandshalter, etwa ein aufblasbarer Ballon 26 wird wie in 3 dargestellt an dem gebeugten Knie angewandt, so dass es schwach, aber genügend gespannt ist, um das Knie auf der medialen Seite zu öffnen, um den Spannungsgrad (A-P-Zieher) zu erreichen, der dem auf diese Weise untersuchten normalen Knie am nächsten ist. Anstelle der Benutzung eines aufblasbaren Ballons können andere Formen physikalischer Abstandshalter oder Spannungsgeber benutzt werden. So könnte z. B. eine hydraulische Tasche anstelle des aufblasbaren Ballons 26 eingesetzt werden. Alternativ könnte er ein mechanisches Gerät mit zwei parallelen Bewegungsschaufeln oder mit einer um einen Zapfen drehbaren oberen Bewegungsschaufel oder mit getrennter medialer und seitlicher Oberschaufel oder mit einem Zentralarm zu dem Oberschenkelknochen hin oder nur mit einer medialen Trennung sein. Bei Linsatz eines dieser physikalischen Abstandshalter sollte dieser so ausgelegt sein, dass er in der gewünschten offenen Position verriegelt werden kann. Der Abstandshalter hat eine Messskala, die eine direkte Ablesung des erhaltenen Spalts erlaubt; dies kann wahlweise zur Anzeige und/oder zur Benutzung als Teil des nachfolgend zu beschreibenden weiteren chirurgischen Verfahrens in den Rechner 1 eingeführt werden.
7. Dem Navigationsrechner 1 wird dann wie in den 4 und 5 angegeben der Abstand d₁ (siehe 6) zwischen den Knochen gemäß Aufzeichnung durch den Abstandshalter 26 zwecks Nachprüfung gegeneinander abgefragt. Der Beugewinkel des Knies wird eingestellt, um eine Parallelität zwischen dem von der Seite betrachteten vorderen Oberschenkelknochen und dem Schienbeinschnitt zu erreichen. Die Rechneransicht mit Ausrichtungslinien, wie sie in den 6 und 7 gezeigt sind, können hierbei hilfreich sein.
8. Eine distale Ansicht auf den Oberschenkelknochen, wie sie in 6 gezeigt ist, wird dann auf dem Rechnerbildschirm 3 ausgewählt und die Drehung θ des Oberschenkelknochens F bestimmt. Wenn die Implantatausbildung eine bestimmte äußere Drehung erfordert oder der Chirurg diese auswählt, kann der Rechner 1 eingestellt werden, um dies zuzulassen. Alternativ kann der Abstandshalter 26 eingestellt werden, um die gewählte Drehung auf dem Rechnerbildschirm 3 zu registrieren, wobei wieder dargestellte Linien oder Winkel benutzt werden.
9. Diese Beugelage wird in den Rechnerspeicher fest eingegeben mit besonderer Beachtung der relativen dreidimensionalen Ausrichtungen und Lagen des Oberschenkelknochens F und Schienbeins T.
10. Der Tensor 26 wird entspannt, das Knie vollständig gestreckt und der Tensor 26 wieder in das Knie eingesetzt und wieder unter Spannung gesetzt. Der Tensor 26 ist vorzugsweise in dieser Lage frei, so dass die Ausrichtung des Beins durch die Bänder des Patienten bestimmt werden kann. Wenn ein mechanischer Abstandshalter benutzt wird, sollte er zwischen seinen beiden Schaufeln, einer auf dem Schienbein T und der andere auf dem distalen Oberschenkelknochen F rotieren. Alternativ könnten die zwei Schaufeln unabhängig auf den Gelenkköpfen C^M und C^L des Oberschenkelknochens aufsitzen, oder eine Schaufel könnte zwischen den Gelenkköpfen C^M und C^L sitzen.
11. In dieser Position sollte sich das „gespannte" Knie stabil fühlen. Nun kann von dem Rechner 1 die Bestimmung der vollständigen Streckung abgefragt werden, die nötigenfalls bei dem Patienten eingestellt werden sollte. Die X-beinige/O-beinige Ausrichtung wird dann auf dem Rechnerbildschirm 3 überprüft. Wenn eine X-beinige oder O-beinige Missbildung zwischen der normalen Ausrichtung von Hüfte, Knie und Fußknöchelmitte besteht, wird dies auf der Rechner-Ausrichtung ersichtlich sein. Eine solche Missbildung kann gegen das kontralaterale Bein geprüft werden, wenn es als normal angesehen wird. Eine unbefriedigende Ausrichtung zeigt fixierte Weichteile an, die ein Weichteil-Ablöseverfahren erfordern werden. Dies kann bei entferntem Abstandshalter 26 durchgeführt werden, dann sollte die Ausrichtung bei wiedereingesetztem Abstandshalter 26 erneut bestimmt werden. Die straffen Gewebe können abtastend untersucht werden, während der Abstandshalter 26 am Ort ist. Der Rechner 1 kann zur Anzeige eines Hilfemenüs programmiert sein, um die wahrscheinlichste und beste Sequenz vorzunehmender Weichteilablösungen zu zeigen.
12. Sobald die Ausrichtung befriedigend ist und bei eingesetztem Abstandshalter 26 und einem stabilen Bein die vollständige Streckung bestätigt wird, wird der Rechner 1 wieder angewiesen, die Orientierung des Oberschenkelknochens F und des Schienbeins T in drei Dimensionen aufzuzeichnen.
13. Das Knie kann nun entspannt und die Auswahl der für diesen Patienten optimalen Implantatausbildung von dem Navigationsrechner 1 abgefragt werden. Die zwei oben aufgezeichneten Positionen beziehen sich auf die Knochenausrichtungen, -lagen und ihre relativen Lagen bei Beugung und Streckung. Der Rechner 1 kennt auch die Implantatgeometrie und Dicken der Komponenten. Mit dieser Information können die Komponentengrößen berechnet und die dreidimensionalen Lagen des Oberschenkelknochenimplantats und auch des Schienbeinimplantats leicht festgelegt werden. Die Beurteilung des Chirurgen wird erforderlich sein, um diesen Prozess durch Wahlmöglichkeiten zu unterstützen, z. B. bei Einstellung der vorderen/hinteren (AP) Größe I⁰ des Oberschenkelknochens und der Schienbeindicke T^T. Zu diesem Zweck kann der Rechner 1 so programmiert werden, dass er die folgende Schrittfolge befolgt: (a) Der Oberschenkelknochen F wird von dem vorderen Cortex zu den hinteren Gelenkköpfen mit einer Schablone oder nach vorhandenen Dimensionen der verschiedenen Größen des Oberschenkelknochenimplantats größenmäßig bestimmt. Eine seitliche und distale Ansicht kann auf einem Bildschirm gezeigt und die Größe und Lage in beiden Ebenen ausgewählt werden. (b) Die Seitenansicht des Oberschenkelknochens und der Oberschenkelkomponente in dieser Lage wird dann mit dem Schienbein in seiner gespannten Lage benutzt, um die Dicke T^T der Schienbeinkomponente größenmäßig festzulegen. (c) Diese Dicke T^T der Schienbeinkomponente wird dann in der gestreckten gespannten Kniedarstellung auf dem Schienbein T modelliert, und die Lage der Oberschenkelknochenkomponente wird proximal/distal so adjustiert, dass sie in den gestreckten Zwischenraum passt. (d) Diese Schritte werden in dem Speicher des Rechners 1 gespeichert und vervollständigen die Auswahl und Lage der Schienbein- und Oberflächenknochenkomponente im Verhältnis zu der vollständigen Ausbalancierung der zwei wichtigen Elemente beim Knieersatz.
14. Die Oberschenkelknochenschnitte können dann mit Hilfe des Rechners 1 durch Navigation und/oder unter Benutzung eines Roboters vorgenommen werden, um die wichtigen Oberschenkelknochen- und Schienbeinkomponenten passend zu machen.
15. Der Abstandshalter 26 kann nach Vornahme der Schnitte wieder benutzt werden, um auf dem Rechner 1 den Vorgang der „Ausbalancierung" und Ausrichtung zu bestätigen. Dies kann besonders nützlich sein, wenn eine erhebliche fixierte Missbildung vorlag. In diesem Fall könnten vorbereitende Schnitte gemacht werden, um die Durchführung von Entspannungen zu unterstützen. Der Rechner 1 könnte dazu dienen, die Ebenen sicherer vorbereitender Schnitte anzuzeigen.
16. Die Befestigungsbohrungen oder -bestandteile des Schienbein- und Oberschenkelknochenimplantats können von dem Navigationssystem festgelegt werden. Durch erneutes Einsetzen des Abstandshalters 26 oder Einpassen eines Probeschienbeins ohne Befestigungsbestandteile und eines Probeoberschenkelknochens können die Streck-, Beuge- und Tiefbeugelage auf dem Rechnerbildschirm 3 bestimmt und die ideale Schienbeinlage fixiert werden.
17. Die Befestigungsbohrungen oder -bestandteile, zum Beispiel die Bohrungen für die Stifte 22 und 33, können dann in dem Knochen durch Positionierung eines Instruments mittels Rechnernavigation oder durch Roboter ausgeführt werden.
18. Die von dem Rechner 1 ausgewählten Implantate können zur Bestätigung versuchsmäßig eingesetzt und in der üblichen Weise fixiert werden.
19. Die Freiheit zwischen den Komponenten, der Beinausrichtung und den dreidimensionalen Lagen kann bei diesem Schritt auf dem Rechnerbildschirm 3 weiter bestimmt, in den Speicher des Rechners 1 aufgenommen und für weitere Analysen benutzt werden. Dieses Verfahren sollte sicherstellen, dass die zwei Versuchslagen mit dem physikalischen Abstandshalter 26 bei Beugung und dann Streckung, wie sie durch den Navigationsrechner 1 aufgezeichnet sind, bei dem Implantat reproduziert werden.

Claims

System für die Benutzung durch einen Chirurgen bei der Implantation eines Schienbeinimplantats und eines Oberschenkelknochenimplantats im Laufe einer Knieersatzoperation bei einem Patienten, mit einem Rechner (1) mit Speicher zum Vorhalten von Daten bezüglich Größe und Form wenigstens eines Schienbeinimplantats und wenigstens eines Oberschenkelknochenimplantats sowie Daten, die bei der voroperativen Szintigraphie des Patienten bezüglich seines Schienbeins (T) und Oberschenkelknochens (F) erhalten wurden, und im Laufe der Knieersatzoperation erhaltenen Daten bezüglich der dreidimensionalen Lage und Ausrichtung wenigstens eines unter dem Schienbein (T) und dem Oberschenkelknochen (F) des Patienten ausgewählten Knochens, Bildschirmeinrichtungen (3) zur Anzeige von aus Daten in dem Speicher des Rechners (1) abgeleiteten Abbildungen bezüglich des Schienbeins (T) des Patienten, des Oberschenkelknochens (F) des Patienten, wenigstens eines Schienbeinimplantats und wenigstens eines Oberschenkelknochenimplantats und Aufzeichnungseinrichtungen (16) zur Aufzeichnung der dreidimensionalen Lage und Ausrichtung des wenigstens einen Knochens im Verlaufe der Knieersatzoperation, Nachweiseinrichtungen (4, 5), die an den Rechner (1) angeschlossen und an die Aufzeichnungseinrichtungen betriebsmäßig gekoppelt sind, zum Nachweis der dreidimensionalen Lage und Ausrichtung des wenigstens einen Knochens (T oder F) im Verlaufe der Knieersatzoperation, wobei die Nachweiseinrichtungen (4, 5) dem Rechner (1) Daten bezüglich der dreidimensionalen Lage und Ausrichtung des wenigstens einen Knochens (T oder F) liefern, einem einstellbaren Tensor (26) zum Anlegen von Spannung an die Bänder des Knies des Patienten bei Biegung oder Streckung und Abmessen eines Raumes zwischen dem Schienbein (T) und Oberschenkelknochen (F), wobei der Rechner (1) so programmiert ist, daß er auf den Bildschirmeinrichtungen (3) u.a. eine oder mehrere der folgenden, in dem Speicher des Rechners (1) vorgehaltenen Abbildungen anzeigt, die die Lage und Ausrichtung darstellen von dem (i) Schienbein (T) und Oberschenkelknochen (F) des Patienten mit dem durch den Tensor (26) gespannten Knie bei Biegung und dem durch den Tensor abgemessenen Raum, (ii) Schienbein (T) und Oberschenkelknochen (F) des Patienten mit dem durch den Tensor (26) gespannten Knie bei Streckung und dem durch den Tensor abgemessenen Raum, (iii) Schienbein (T) und Oberschenkelknochen (F) des Patienten mit dem durch den Tensor (26) gespannten Knie bei Biegung und potentiellen Schnittebenen zum Zurückschneiden des Oberschenkelknochens (F) des Patienten und dem durch den Tensor abgemessenen Raum, (iv) Schienbein (T) und Oberschenkelknochen (F) des Patienten mit dem durch den Tensor (26) gespannten Knie bei Streckung und potentiellen Schnittebenen zum Zurückschneiden des Oberschenkelknochens des Patienten und dem durch den Tensor abgemessenen Raum, (v) Schienbein (T) und Oberschenkelknochen (F) des Patienten mit dem durch den Tensor (26) gespannten Knie bei Biegung und mit wenigstens einem unter dem Schienbeinbestandteil und dem Oberschenkelknochenbestandteil ausgewählten Bestandteil, wie er nach seiner Implantation erscheint, und dem durch den Tensor abgemessenen Raum, und (vi) Schienbein (T) und Oberschenkelknochen (F) des Patienten mit dem durch den Tensor (26) gespannten Knie bei Streckung und mit wenigstens einem unter dem Schienbeinbestandteil und dem Oberschenkelknochenbestandteil ausgewählten Bestandteil, wie er nach seiner Implantation erscheint, und dem durch den Tensor abgemessenen Raum.
System nach Anspruch 1, bei dem die Aufzeichnungseinrichtungen erste Markiermittel (8) zur Anbringung an dem Schienbein (T) des Patienten, zweite Markiermittel (9) zur Anbringung an dem Oberschenkelknochen (F) des Patienten und Zeigermittel (16) zur Berührung signifikanter Merkmale auf dem Schienbein (T) und Oberschenkelknochen (F) des Patienten umfassen, und bei dem das erste Markiermittel (8), das zweite Markiermittel (9) und das Zeigermittel (16) alle für die operative Kopplung an die Nachweiseinrichtungen (4, 5) eingerichtet sind.
System nach Anspruch 2, bei dem die Nachweiseinrichtungen eine Infrarotkamera (4, 5) umfassen und das erste Markiermittel (8), das zweite Markiermittel (9) und das Zeigermittel (16) jeweils Infrarotreflektoren (10, 11, 12 oder 13, 14, 15 oder 18, 19, 20) tragen.
System nach Anspruch 2, bei dem die Nachweiseinrichtungen einen Ultraschallsender oder -empfänger umfassen und das erste Markiermittel (8), das zweite Markiermittel (9) und das Zeigermittel (16) jeweils Ultraschallreflektor- oder Ultraschallsendereinrichtungen umfassen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Tensor (26) einen aufblasbaren Ballon umfaßt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Tensor ausgewählt ist unter einer hydraulischen Tasche, einem mechanischen Gerät mit zwei parallelen Bewegungsschaufeln, einem mechanischen Gerät mit einer um einen Zapfen drehbaren oberen Bewegungsschaufel, einem mechanischen Gerät mit getrennten medialen und seitlichen Oberschaufeln, einem mechanischen Gerät mit einem Zentralarm auf den Oberschenkelknochen hin und einem mechanischen Gerät mit nur einer medialen Trennung.