EP2164393A2 - Verfahren zum ermitteln von für die charakterisierung von gelenkbewegungen relevanten informationen - Google Patents

Verfahren zum ermitteln von für die charakterisierung von gelenkbewegungen relevanten informationen

Info

Publication number
EP2164393A2
EP2164393A2 EP08774805A EP08774805A EP2164393A2 EP 2164393 A2 EP2164393 A2 EP 2164393A2 EP 08774805 A EP08774805 A EP 08774805A EP 08774805 A EP08774805 A EP 08774805A EP 2164393 A2 EP2164393 A2 EP 2164393A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
joint
axes
determined
movements
characterization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08774805A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Heller
William Taylor
Georg Duda
Rainald Ehrig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heller Markus
Original Assignee
Heller Markus
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE200710031946 external-priority patent/DE102007031946A1/de
Priority claimed from DE102007057012A external-priority patent/DE102007057012A1/de
Application filed by Heller Markus filed Critical Heller Markus
Publication of EP2164393A2 publication Critical patent/EP2164393A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1121—Determining geometric values, e.g. centre of rotation or angular range of movement
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1126—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb using a particular sensing technique
    • A61B5/1127—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb using a particular sensing technique using markers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4528—Joints
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4533—Ligaments

Definitions

  • the invention is concerned with the determination of information relevant for the characterization of joint movements.
  • the invention is concerned with the analysis of joint motions based on the time and / or motion dependent measurement of markers mounted on or in the involved body segments.
  • the present invention permits a quantification of dermal marker shifts and a determination of the elasticity of the skin when the markers used are skin markers.
  • the invention is concerned with determining joint parameters (eg, body joint centers and axes) and determining the accuracy of the particular joint parameters.
  • the invention allows information to be obtained which relates generally to movements of inter-related bone fragments or parts, such as fractured bone fragments of a fracture.
  • the concept of a joint thus has a broad meaning.
  • Motion analysis functional movement deficits, diagnosis of musculoskeletal disorders and injuries (eg, osteoarthritis, cruciate ligament injury), planning, performing and monitoring surgical procedures, monitoring therapy success, disease prevention and rehabilitation
  • musculoskeletal disorders and injuries eg, osteoarthritis, cruciate ligament injury
  • planning performing and monitoring surgical procedures
  • monitoring therapy success e.g., disease prevention and rehabilitation
  • joints e.g. a knee or a hip
  • the movement of a skeleton can be measured by a variety of methods such as percutaneous tracking markers in combination with videofluroscopy and bone pins.
  • these procedures are very limited because of their invasive nature.
  • Measurements of markers attached to the skin can provide information on predetermined body segments and are also used in the determination of in vivo joint kinematics.
  • a non-invasive determination of the motion of predetermined body segments is typically made by directly measuring positions of these reflective markers with infrared optical measuring systems during a certain period of time.
  • various information relevant to motion analyzes such as e.g. Joint axes or joint pivot points are derived.
  • Joint axes or joint pivot points are derived.
  • the previous methods have the disadvantage that they are too inaccurate.
  • While measuring marker positions there is relative movement between the markers and the bone to be examined.
  • the errors that occur in such noninvasive measurements usually originate in such movements of the markers, which are due to skin elasticity and slight tissue deformities or irregularities. To improve the accuracy of these procedures, manual and time-consuming corrections often need to be made.
  • the aim of the present invention in addition to the most accurate determination or determination of relevant for the characterization of joint movements information (eg skin marker displacements, skin elasticity, joint parameters such as Thusge steering centers or axes) and the determination of a statement about the reliability of the determined or determined Information.
  • relevant for the characterization of joint movements information eg skin marker displacements, skin elasticity, joint parameters such as Thusge steering centers or axes
  • this object is achieved by a method of the type mentioned above, in the course of which markers are applied to both sides of a body joint on the skin and which has the following method steps:
  • the target is achieved by means of a device for evaluating the joint function of a subject and / or by means of a device for evaluating musculoskeletal loads of a subject, wherein the devices are each configured with suitable means for carrying out the method outlined above, the devices each having different means for Performing various process steps of the method outlined above may have and wherein these means may be designed in various combinations.
  • the above object is achieved by means of a motion analysis system, in particular a gait analysis system, wherein the motion analysis system is coupled to the above-mentioned device for evaluating the joint function of a subject
  • the target is also achieved by means of a navigation system for computer-assisted surgery, wherein the navigation system is configured with suitable means for carrying out the method outlined above, wherein the navigation system can have different means for carrying out different method steps of the method outlined above, and wherein these means different combinations can be implemented.
  • the above-mentioned goal is achieved by means of a medical imaging method, in particular by means of a magnetic resonance-based method, wherein the medical imaging method is coupled to at least one of the above-mentioned devices - device for evaluating the joint function of a subject, device for evaluating musculoskeletal loads of a subject ,
  • Fig. 1a shows by way of example skin tags attached to the skin of a subject's leg.
  • 1 b shows, by way of example, the joint centers and axes for the hip, knee and ankle derived after the recording of skin markers and the corresponding skin marker trajectories.
  • One of the first steps in analyzing articular motions from marker data is to perform an ODR that determines an average marker configuration of markers attached to one side of the body joint.
  • time-dependent corrections of individual markers i. time-dependent deviations from the mean configuration, calculated.
  • the ODR performed in this step may be a conventional ODR, e.g. such as the ODR shown in Taylor, W.R. et al., "On the influence of soft tissue coverage in the determination of bone kinematics using skin markers", J. of Orthopedic Research, (2005).
  • the already determined time-dependent corrections of individual markers or the time-dependent deviations from the mean configuration are used to perform a weighted ODR.
  • the skin markers that move most strongly relative to the other skin markers are determined, and the skin markers are weighted according to their relative movement in such a way that relatively more heavily weighted skin markers are weighted less.
  • a quantification of the skin marker shifts of individual markers and thus a description of the elasticity of the soft tissues is made possible in this way.
  • a linear compensation problem is solved using information determined by performing the weighted ODR.
  • This information is the ODR-corrected marker data or the optimal marker configuration.
  • the determination of the linear balance problem is done using transformation matrices. These transformation matrices can be calculated for each measurement time and each side of the body joint.
  • the solving of the linear balance problem itself can be performed using a singular value analysis.
  • the method provides an analysis of the primary and secondary components of the joint motion.
  • joint movements in rotations are divided by three (rotational) main axes and the singular values associated with the main axes.
  • the singular values associated with the major axes provide weighting for all components of a joint movement that can be automatically classified and evaluated in this way.
  • the hinge type e.g., ball joint, hinge joint
  • the concept of breaking any joint motion into rotations about three major rotation axes allows quantification of joint motion not only with respect to the major axis, which is the rule in existing methods, but with respect to all three principal axes.
  • An independently inventive method for determining information relevant for the characterization of joint movements comprises, for example, the following method steps:
  • the primary axis and at least one secondary axis of this movement can be determined.
  • the stability of the primary axis of the movement of the joint can be determined by means of information about the at least one secondary axis of the movement.
  • the above object is achieved by means of a method of determining joint stiffness, by which method steps according to the method outlined above are carried out, wherein the steps can be performed in any meaningful combination apparent to a person skilled in the art, and wherein the joint rigidity is determined using Information on forces of joint movement is determined.
  • the information on external forces during joint movements can be determined using a robot or using a robot assistance system.
  • joint movements are carried out by a robot integrated in the robot assistance system and detected by the robot assistance system together with the forces and moments required to carry out the movement.
  • the information obtained in this way contains information on forces for the execution of joint movements by means of which joint rigidity (rigidity of the corresponding joint) as a whole or for specific directions can be determined.
  • the above-mentioned object is further also achieved by means of a system for determining information relevant to the characterization of joint movements, the system comprising at least one means configured to perform the method for determining the joint stiffness and the robot assistance system for detection, analysis and / or for determining information relevant to joint movements.
  • the above object is achieved by a method for determining information relevant for the characterization and / or evaluation of orthotics, wherein the method performs steps according to the method outlined above for determining information relevant for the characterization of joint movements and wherein the Linking and analyzing information relevant for the characterization of joint movements with information on orthoses.
  • this method statements can be made about various features such as the effectiveness of the corresponding orthoses.
  • the knowledge about the corresponding joints or joint movements which is determined inter alia by the abovementioned methods according to the invention, is brought in a suitable manner in connection with the knowledge about the corresponding orthoses or linked and analyzed accordingly, and thus one achieved comprehensive characterization and / or evaluation of orthoses.
  • the present invention thus enables a robust analysis of joint movements with simultaneous automatic quantification of accuracy. Furthermore, an analysis of the errors caused by marker movements and a classification of the joint movement with respect to orthogonal rotational principal axes is achieved. Further, the present invention provides various options for determining or determining information relevant to the characterization of joint motions, thereby providing various aspects of joint functionality.
  • the invention allows to obtain information which is generally related to movements of inter-related bone fragments or parts such as bone fragments or parts thereof.
  • the concept of a joint thus has a broad meaning.
  • the terms joint movement, movement, movement of a joint thus also include movements of such bone fragments which, as in the case of bone fractures or fractures, are movably related to one another and have a kind of abstract joint movement when moving.
  • joint is meant not only a concrete joint, e.g. It can also be a kind of abstract joint around which a movement of bones or bone fragments or parts takes place.
  • Figure 1a shows skin-attached markers
  • Fig. 1b shows a typical marker configuration with derived joint centers and axes for hip, knee and ankle
  • Fig. 2 is a block diagram illustrating the determination of the movement of a hinge of marker trajectories
  • Fig. 3 is a block diagram illustrating the determination and evaluation of joint parameters
  • Fig. 4 illustrates the definition of local coordinates for two positions of a segment
  • Fig. 5 the center and the major axis of the knee movement and two secondary
  • 6a shows a comparison of the position of the mean flexion axis for a first defined flexion angle range in 7 subjects with a rupture of the anterior cruciate ligament in comparison to the position of the axis in healthy subjects in a lateral view;
  • 6b shows a second comparison of the position of the mean flexion axis for a further defined flexion angle range in 7 subjects with rupture of the anterior cruciate ligament (pink) compared to the position of the axis in healthy subjects in a view from the front; and
  • 6c shows a third comparison of the position of the mean flexion axis for a first defined flexion angle range in 7 subjects with anterior cruciate ligament rupture (pink) compared to the position of the axis in healthy subjects in a front view.
  • pink anterior cruciate ligament rupture
  • FIG. 2 shows an embodiment for determining the movement of a hinge of marker trajectories.
  • step SO markers are attached to the skin or attached.
  • Fig. 1a shows an example of such markers attached to the skin of a subject's leg.
  • marker trajectories are measured during a movement of the subject.
  • the result of SO are time-dependent, spatial positions of all markers. Any standard method of biomechanics may be used to perform SO.
  • the marker trajectory data may be acquired using an optical, infrared, or other suitable system during joint movement of a body joint.
  • step S1 a conventional ODR is performed, whereby the ODR for each body segment determines the marker configuration that best describes the measured configurations for all times. This is done by minimizing the function
  • Ri, ti are the rotations and translations to be determined for the mark substitute Ai, n the number of observations. In mathematics, this is a so-called “Generalized Procrustes Analysis", which is solved with an orthogonal distance regression to obtain an optimal mean configuration
  • a calculation of time-dependent deviations of the configuration is performed based on raw data for the optimal mean configuration. For this calculation, the less the position of a marker within the configuration varies, the lower the corrections made to the experimentally measured marker positions by the ODR. These are therefore a direct measure of the stability of the markers. This allows them to be used to determine the most stable marker configurations, ie to optimize the placement of markers. Optimal marker positions can be considered, for example, on the one hand, small corrections by the ODR result and these corrections are also for all markers as equal as possible. In addition, a routine detection of erroneous measurements (eg marker exchanges) is possible because they can be detected and excluded by much larger corrections.
  • erroneous measurements eg marker exchanges
  • a database DB1 which collects the connection between these deviations of age, gender, BMI, diseases, measuring methods and measuring location and allows an analysis of such relationships.
  • the relevant for the database DB1 result data D2 of S2 are included in the database DB1 and possibly stored. From the steps S1 and S2 information relevant for the characterization of joint movements, such as muscle activity and / or local elasticity of the soft tissues, can be determined.
  • a second ODR - a weighted ODR using the detected deviations - is performed. From the correction factors determined by the S2, it is possible to determine weighting factors which are used for carrying out the second, weighted ODR.
  • the weight factors are e.g. from the inverses of the correction terms of the ODR.
  • the weighting can be carried out on the one hand independently of time by using an averaged correction term for each marker.
  • a time-dependent application is achieved by using the current correction of the ODR for weighting at each point in time. In both cases, all markers, according to their experimental stability, contribute to the determination of the optimal mean configuration.
  • the weighting of a marker can be greatly affected by the relative position of the segments to each other, e.g. a deflection angle, be dependent.
  • an optimal configuration of the markers is determined to which all markers contribute according to their stability within the experimental configuration.
  • step S4 an evaluation of the optimum configuration is performed.
  • the results are evaluated in accordance with S2.
  • significant differences between the results from steps S1 and S3 are analyzed - robust marker placements are evident, for example. due to small differences between the simple and the weighted ODR.
  • the steps S1-S3 and / or S4 enable a robust automatic preprocessing of the marker data. Time-consuming manual corrections, which are caused by different time-dependent stability, can thus be avoided. Furthermore, a quantification of the skin marker shifts of individual markers and thus a determination of the elasticity of the soft tissues is possible.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment with steps for determining and evaluating joint parameters, in particular positions of a joint center and joint axes, wherein these positions may also be time-dependent. Furthermore, secondary motion components can also be determined.
  • steps S1-S4 are based on the It should be noted here that the determination and evaluation of joint parameters exemplified by FIG. 3 does not necessarily require information on markers applied to the skin. Here, for example, also on bone fixed markers (eg pins in the bone) into consideration. The determination of joint parameters and their evaluation finds its place both in invasive and in non-invasive procedures.
  • Invasive procedures such as pins in bone are used, for example, for intraoperative use in the context of computer-assisted navigation in orthopedic / traumatological procedures (replacement / reconstruction of the cruciate ligaments, corrective osteotomies, endoprosthetic joint replacement). It allows the use of different markers - optically reflective markers that are attached to the skin, electromagnetic markers that can then be attached to the skin or in / on the bone. Also conceivable is the method for calculating a joint center or an axis together with tantalum markers which are used for so-called RSA examinations (in doing so, small tantalum markers in the bones (intra-operative) or on / in prostheses (components) and then reconstruct the 3D position of the markers with an X-ray method). Furthermore, it is also conceivable that, for example, surfaces or contours of bones / joints are determined from a possibly dynamic nuclear spin recording. The result is then "point clouds" (collections of points) with which the joint centers and / or axes can be determined
  • the marker positions determined by means of the two-time ODR are now used to calculate the joint parameters. These are the (possibly also time-dependent) positions of the joint center and joint axes, as well as the detection of secondary components of movement.
  • local coordinate systems are defined in the associated body segments with the help of three markers and the rotations Ri and translations ti. (Body segment 1), or Si and di (body segment 2) of global coordinates in these local systems, see FIG. 4.
  • the conditions for a joint center or a joint axis result in the following n equations, which together define an over-determined linear system of equations, ie a linear compensation problem:
  • d and c2 are the coordinates of the joint center in the respective local systems
  • n is the number of measurements. This approach is characterized by being completely symmetric with respect to both segments and requiring no prior transformation. The corrections made by the ODR make the marker configurations identical for all time points, so the results are completely independent of the choice of the three markers for constructing local coordinates.
  • the determination of the axes of rotation is also possible in the case that these axes have no point of intersection. This not only allows an accurate determination of the direction of the axes, but also of their position. This results in important new, unambiguous criteria for the differentiation of different patterns of joint movements in the context of diagnostics, for example by comparing a typical movement pattern of a healthy knee and a cruciate ligament-injured knee.
  • the unambiguous determination of the position of the axes also makes it possible to monitor and ensure the success of a surgical intervention (for example, reconstruction of the cruciate ligaments, correctional osteotomy close to the knee, endoprosthetic joint replacement) in a pre-post-operative comparison.
  • the method according to the invention of solving a specific linear compensation problem is used. It supplies the direction vectors U 11 V 11 W 1 (segment 1) or u 2 , v 2 , W 2 (segment 2) of the three axes of rotation. For both segments, the rotation matrices R 1 and S are decomposed into elementary rotations for n measurements.
  • the solution of the compensation problem is calculated in step S5 by means of a singular value decomposition (SVD) of the matrix of the linear compensation problem.
  • SVD singular value decomposition
  • This provides a local description of the joint center (d, c2) for each body segment. If the joint moves like an ideal hinge joint, there is no clear solution to the compensation problem.
  • the one-dimensional solution space which is associated with the singular value with the value zero, then represents the joint axis in local coordinates.
  • the ratio of the smallest singular value relative to the others describes exactly the behavior of the joint, i. it results in a simple classification of the joint between ball and hinge joint.
  • the description of the center or axis obtained in the segment coordinates can finally be transformed into time-dependent global coordinates.
  • step S6 an analysis of the residual r of the compensation problem is performed.
  • step S7 a decomposition of any joint movement in rotations is performed around three main axes of rotation.
  • the SVD analysis of the compensation problem thus allows a more thorough analysis of the actual joint movements.
  • the singular vectors associated with the individual singular values can be understood as axes of primary and secondary motion components and provide a decomposition of the motion into three major rotational axes.
  • FIG. 5 shows a joint center and three joint axes using the example of a knee.
  • the joint center is marked Z1
  • the major axis of the knee movement is A1
  • two secondary axes are A2 and A3, with the A2 pointing to the tibia and the A3 to the femur.
  • the smaller the associated singular value the greater the proportion of the associated rotation (see FIG. 5).
  • the connection of the method with a navigation system is advantageous, eg, the joint axes can be displayed in relation to the individual bony anatomy and, for example, the position of ligament attachment points during different phases of the operation For example, to allow the surgeon to more accurately assess the success of the joint's surgical function by comparing it to the position of the axis in the healthy or otherwise optimal axis.
  • the relationship between the proportion of a rotation and the associated singular value can be further mathematically specified. For the three smallest singular values, which are assigned to the rotation axes, the following relationship can be derived
  • values can be derived for the angular ranges ⁇ , which comprise the rotations about the three rotation axes. If a continuous distribution of the measurements in this range is assumed, this assumption will usually be fulfilled well, this correlation results a
  • D2 The results of S6, which characterize the residuals, can be stored or stored in a database or another data container D2.
  • D2 will then contain data on residuals depending on various factors such as age, gender, BMI, disease, severity of disease, site, type of joint, etc.
  • step S8 an evaluation of the joint configuration, the data relevant to the joint movements, may be performed.
  • the results of step S6 and / or step S7 can be compared with the results of step S4, whereby data from D2 can also be used to determine the evaluation.
  • the data determined by the method, information from D1 and / or from D2 and / or further information can be output at will as data D6 in various combinations and detail levels and, if necessary, visualized graphically (3D).
  • the axes can be visualized by means of a color scale (eg blue ... red), which links the singular values of the axes with a corresponding color.
  • the diameters of the axes can also be varied and visualized in accordance with the associated singular values.
  • the above-mentioned visualization variants can also be combined and thus also make it possible to obtain and visualize the conditions for the overall movement or specific areas of the movement. In this way, the user is able to quickly record the results.
  • both the steps that perform ODR and the formulation of the balance problem can be implemented so that new data can be added with very little computational overhead.
  • real-time measurements can be made possible in which joint parameters as well as data for accuracy are already available during the movement.
  • the (skin) marker-related data are determined with sufficient accuracy that good primary joint axes can also be determined for small movements (ROM, range of motion).
  • the secondary axes together with the associated singular values are then a sensitive criterion for distinguishing between normal or conspicuous movement behavior.
  • the present invention can be applied to the function of a joint e.g. of the knee joint at various hierarchical levels (global: joint, specific: structures) to quantify, if necessary by means of special feedback mechanisms for interaction with the user of the method.
  • a joint e.g. of the knee joint at various hierarchical levels (global: joint, specific: structures) to quantify, if necessary by means of special feedback mechanisms for interaction with the user of the method.
  • the flexion / extension axis is the main axis of movement of the knee joint. Therefore, in the method for characterizing the function of the joint, the knee is first flexed, and the main and minor axes of the movement are calculated from the flexion or flexion extension movement by the method according to the invention. Calculated are both over the entire range of motion as well as on special sub-areas of the range of motion, eg flexionswinkelanno, averaged axes. Knowledge about the present pathology can also be used to decide which areas are used to determine the axes (eg angle of rotation dependent significance of the anterior cruciate ligament for the stability of the joint with regard to rotation / translation).
  • the secondary axes determined in accordance with the invention provide direct, quantitative information on the stability of the primary axis and thus of the joint.
  • the position of the axes to the individual anatomy eg transepicondylar axis, axis of the posterior condyles, position of the band insertions eg the sidebands
  • the anterior cruciate ligament contributes little to joint stability in Fig. 6b that the axes for the patients deviate only slightly from the axis of a healthy person
  • the anterior cruciate ligament carries clearly for joint stability, so that the axes for the patient differ significantly from the axis of a healthy.
  • the information on the secondary axes can also be used to directly provide feedback to the user as to whether the measurement met the accuracy requirements or whether the recording of the movement / function may need to be repeated to reliably characterize the function of the joint ,
  • the user can be given feedback on how the movement is best carried out, in which e.g. the singular values associated with the secondary axes are displayed and the user can optimize them.
  • the singular values associated with the secondary axes are displayed and the user can optimize them.
  • further movements may be performed so that secondary degrees of freedom of movement of the knee joint are at the maximum or minimum of the possible range of motion.
  • the joint is rotated for one cycle as far as possible inside or outside, or if possible abducted or adducted, and / or, if possible, anteriorly or posteriorly, or medially or laterally postponed.
  • the secondary axes of the movement determined according to the invention are calculated and specified, thus allowing the direct control and determination of how far secondary degrees of freedom have actually been eliminated.
  • the present invention allows for a comprehensive characterization of the individual joint function over the entire range of motion that can be used in the practice of everyday activities or even during sports activities.
  • the stabilizing effect of the structures of the knee joint is dependent on knee joint position. Therefore, a detailed analysis of the configuration of joint axes for specific joint positions provides detailed information on the function of different structures.
  • the joint in different, as constant as possible flexion angles, exposed to such external loads by the user, which primarily in movements of the joint with respect to the secondary axes of the knee joint result (ab / adduction, internal / external rotation).
  • the user induces a maximum internal or external rotation of the joint or abduction / adduction of the joint for a given flexion angle.
  • the calculation according to the invention of all axes is carried out for these specific movements.
  • the range of motion (each maximum minus minimum) can then be calculated with reference to these degrees of freedom.
  • the position of the axes with respect to the previously determined main axis of motion and / or the joint center, possibly also the anatomy (such as bone, Bandinsertionen, anatomical axes of the knee joint) is determined.
  • the deviation of a pathological joint condition can be quantified exactly. This is done, for example, by calculating the difference in the medio-lateral, anterior-posterior, or superio-inferior position of the axis during internal / external rotation or ab / adduction of the subject in comparison to the healthy.
  • the inventive method additionally the exact quantitative Characterization of the function and interaction of selected structures of the joint performed.
  • Another field of application of the present invention is, for example, the calculation and representation of functional hinge axes by integration of the method according to the invention in medical imaging devices, such as e.g. Magnet resonance tomographs. Combined with medical imaging, these devices can be used to display and evaluate dynamic musculoskeletal function, in terms of musculoskeletal functional imaging.
  • medical imaging devices such as e.g. Magnet resonance tomographs.
  • the present invention allows combination of anatomy with function for the detailed calculation of musculoskeletal loads. This connection may also be relevant to the motion capture / film industry for more realistic rendering and motion animation.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen, wobei zu beiden Seiten eines Körpergelenks angebrachte Marker zur Analyse von Gelenkbewegungen verwendet werden und wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen einer mittleren Markerkonfiguration und Bestimmen von zeitabhängigen Abweichungen von der mittleren Konfiguration, wobei eine orthogonale Distanzregression zum Bestimmen einer mittleren Markerkonfiguration durchgeführt wird und wobei jeweils auf einer Seite das Körpergelenks angebrachte Marker verwendet werden; Durchführen einer gewichteten orthogonalen Distanzregression unter Verwendung der zeitabhängigen Abweichungen von der mittleren Konfiguration zur Gewichtung, wobei jeweils auf einer Seite das Körpergelenks angebrachte Marker verwendet werden; und Lösen eines linearen Ausgleichsproblems unter Verwendung von Informationen, welche durch das Durchführen der gewichteten orthogonale Distanzregression bestimmt wurden.

Description

Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung befasst sich mit dem Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit der Analyse von Gelenkbewegungen basierend auf der zeit- und/oder bewegungsabhängigen Vermessung von auf oder in den beteiligten Körpersegmenten angebrachten Markern. Die vorliegende Erfindung erlaubt dabei eine Quantifizierung von Hautmarkerverschie- bungen und eine Bestimmung der Hautelastizität, wenn es bei den verwendeten Markern um Hautmarker handelt. Ferner befasst sich die Erfindung mit Bestimmen von Gelenkparametern (z.B. Körpergelenkzentren und -achsen) und mit Ermittlung der Genauigkeit der bestimmten Gelenkparameter. Zusätzlich erlaubt die Erfindung das Ermitteln von Informationen, welche sich allgemein auf Bewegungen von mit einander in beweglicher Beziehung stehenden Knochenfragmenten oder -Teilen wie z.B. Knochenfragmenten einer Fraktur bzw. Knochenbruchs beziehen. Der Begriff eines Gelenks weist somit eine breite Bedeutung auf. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei Bewegungsanalysen, dem Bestimmen von funktionellen Defiziten bei Bewegungen, der Diagnose von Erkrankungen und Verletzungen des Bewegungsapparates (z.B. Osteoarthrose, Kreuzbandverletzung), der Planung, Durchführung und Überwachung chirurgischer Eingriffe, dem Überwachen des Therapieerfolges, in der Prävention und der Rehabilitation von Erkrankungen und Verletzungen am Bewegungsapparat, sowie in der Entwicklung von Orthesen oder Endoprothesen bedarf es oft einer genauen Analyse, Charakterisierung und Bestimmung von Bewegungen von Gelenken (z.B. eines Knies oder einer Hüfte). Die Bewegung eines Skeletts kann mit einer Vielzahl von Verfahren wie beispielsweise perkutanen Verfolgungsmarkern in Kombination mit Videofluroskopie und Knochenstiften gemessen werden. Diese Verfahren sind jedoch aufgrund ihres invasiven Charakters sehr eingeschränkt.
Messungen von Markern, die an der Haut befestigt sind, können Informationen zu vorbestimmten Körpersegmenten bereitstellen und werden auch bei der Bestimmung der in vivo Gelenkkinematik angewandt. Werden reflektive Marker verwendet, so wird eine nichtinvasive Bestimmung der Bewegung von vorbestimmten Körpersegmenten in der Regel mittels direkten Messens von Positionen dieser reflektiven Marker mit infraroten optischen Messsystemen während eines bestimmten Zeitraums durchgeführt. Aus den mittels eines nichtinvasiven Verfahrens gewonnen Daten können verschiedene für Bewe- gungsanalysen relevante Informationen wie z.B. Gelenkachsen oder Gelenkdrehpunkte abgeleitet werden. Die bisherigen Verfahren haben allerdings den Nachteil, dass sie zu ungenau sind. Während des Messens von Markerpositionen entsteht eine relative Bewegung zwischen den Markern und dem zu untersuchenden Knochen. Die Fehler, die bei solchen nichtinvasiven Messungen auftreten, haben in der Regel ihren Ursprung in derartigen Bewegungen der Marker, die auf Hautelastizität und leichte Gewebedeformie- rungen oder -Unregelmäßigkeiten zurückzuführen sind. Um die Genauigkeit dieser Verfahren zu verbessern, müssen oft manuelle und zeitaufwändige Korrekturen durchgeführt werden.
Es ist das Ziel invasiver oder nichtinvasiver Verfahren, für ein jeweiliges Körpergelenk, z.B. ein Kniegelenk oder ein Hüftgelenk, einen oder mehrere möglicherweise von der Position der Segmente abhängige (d.h. zeitabhängige) Gelenkparameter wie Gelenkachsen oder einen oder mehrere Drehpunkte zu bestimmen. Bisherige Verfahren, die dieses ermöglichen, haben jedoch das gemeinsame Problem, dass ein Segment in das Koordinatensystem eines anderen Segments transformiert werden muss, um das Verwenden eines gemeinsamen Koordinatensystems zu ermöglichen. Mit dieser Transformation werden aber auch alle hinsichtlich eines Segments entstandenen Messfehler in das Koordinatensystem des anderen Segments transformiert; dies ist ein weiterer Grund für die Ungenauigkeit und somit die Unzuverlässigkeit der bisherigen Verfahren.
Solche bisherigen Verfahren bzw. Aspekte solcher Verfahren sind beispielsweise in Taylor, W. R. et al., "On the influence of soft tissue coverage in the determination of bone kinematics using skin markers", J. of Orthopaedic Research, (2005), in Ehrig, R. M., et al. „A survey of formal methods for determining the centre of rotation of ball joints", J. of Biomechanics (2006), in Ehrig, R. M., et al. „A survey of formal methods for determining functional Joint axes", J. of Biomechanics (2007), beschrieben.
Insgesamt sind bisher alle Verfahren, die sich auf das Ermitteln von für die Charakterisie- rung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen (z.B. Hautmarkerverschiebungen, Hautelastizität, Gelenkparametern wie Körpergelenkzentren oder -Achsen) beziehen, zu fehlerbehaftet, ungenau und somit unzuverlässig. Um diesen Nachteil auszugleichen müssen in der Regel zeitaufwändige und komplizierte manuelle Analysen durchgeführt werden.
- A -
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, neben einer möglichst genauen Ermittlung oder Bestimmung von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen (z.B. Hautmarkerverschiebungen, Hautelastizität, Gelenkparameter wie Körperge- lenkzentren oder -Achsen) auch die Ermittlung einer Aussage über die Zuverlässigkeit der ermittelten bzw. bestimmten Informationen.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erreicht, im Rahmen dessen Durchführung Marker zu beiden Seiten eines Körpergelenks auf die Haut angebracht werden und welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- Bestimmen einer mittleren Markerkonfiguration und Bestimmen von zeitabhängigen Abweichungen von der mittleren Konfiguration, wobei eine orthogonale Distanzregression (ODR) zum Bestimmen einer mittleren Markerkonfiguration durchgeführt wird und wobei jeweils auf einer Seite das Körpergelenks angebrachte Marker verwendet werden;
- Durchführen einer gewichteten ODR unter Verwendung der zeitabhängigen
Abweichungen von der mittleren Konfiguration zur Gewichtung, wobei jeweils auf einer Seite das Körpergelenks angebrachte Marker verwendet werden; und
Lösen eines linearen Ausgleichsproblems unter Verwendung von Informationen, welche durch das Durchführen der gewichteten ODR bestimmt wurden.
Ferner wird das Ziel mittels einer Vorrichtung zur Bewertung der Gelenksfunktion eines Probanden und/oder mittels einer Vorrichtung zur Bewertung muskuloskeletaler Belastungen eines Probanden erreicht, wobei die Vorrichtungen jeweils mit geeigneten Mitteln zur Durchführung des oben skizzierten Verfahrens ausgestaltet sind, wobei die Vorrichtungen jeweils verschiedene Mittel zum Durchführen verschiedener Verfahrensschritte des oben skizzierten Verfahrens aufweisen können und wobei diese Mittel in verschiedenen Kombinationen gestaltet sein können.
Das oben genannte Ziel wird mittels eines Bewegungsanalysesystems erreicht, insbesondere eines Ganganalysesystems, wobei das Bewegungsanalysesystem mit der oben genannten Vorrichtung zur Bewertung der Gelenksfunktion eines Probanden gekoppelt ist Das Ziel wird auch mittels eines Navigationssystems für die computerunterstützte Chirurgie erreicht, wobei das Navigationssystem mit geeigneten Mitteln zur Durchführung des oben skizzierten Verfahrens ausgestaltet ist, wobei das Navigationssystem verschiedene Mittel zum Durchführen verschiedener Verfahrensschritte des oben skizzierten Verfah- rens aufweisen können und wobei diese Mittel in verschiedenen Kombinationen umgesetzt sein können.
Ferner wird das oben genannte Ziel mittels eines medizinischen Bildgebungsverfahrens erreicht, insbesondere mittels eines magnetresonanzbasierten Verfahrens, wobei das medizinische Bildgebungsverfahren mit mindestens einer der oben genannten Vorrich- tungen - Vorrichtung zur Bewertung der Gelenksfunktion eines Probanden, Vorrichtung zur Bewertung muskuloskeletaler Belastungen eines Probanden - gekoppelt ist.
Die oben genannten Schritte werden, wie teilweise in der Darstellung des Hintergrunds der Erfindung angedeutet, nach einem Befestigen von Hautmarken auf Hautpartien zu beiden Seiten eines Körpergelenks und nach einem Aufnehmen der Marker-Trajektorien während einer Gelenkbewegung des Körpergelenks mit Hilfe eines optischen, infrarot- oder eines anderen geeigneten Systems durchgeführt. Fig. 1a zeigt beispielhaft auf die Haut eines Beines eines Probanden angebrachte Hautmarker. Fig. 1 b zeigt beispielhaft die nach der Aufnahme von Hautmarkern und den entsprechenden Hautmarker- Trajektorien abgeleiteten Gelenkzentren und Achsen für Hüft-, Knie- und Fußgelenk.
Mit einem der ersten Schritte zur Analyse von Gelenkbewegungen aus Markerdaten wird eine ODR durchgeführt, mittels der eine mittlere Markerkonfiguration von jeweils auf einer Seite das Körpergelenks angebrachten Markern bestimmt wird. Dabei werden im ersten Schritt auch zeitabhängige Korrekturen einzelner Marker, d.h. zeitabhängige Abweichungen von der mittleren Konfiguration, berechnet. Die in diesem Schritt durchgeführte ODR kann eine konventionelle ODR sein, z.B. solche wie die in Taylor, W. R. et al., "On the influence of soft tissue coverage in the determination of bone kinematics using skin markers", J. of Orthopaedic Research, (2005), dargestellte ODR.
Ferner werden die bereits bestimmten zeitabhängigen Korrekturen einzelner Marker bzw. die zeitabhängigen Abweichungen von der mittleren Konfiguration verwendet, um eine gewichtete ODR durchzuführen. Dabei werden die sich am stärksten relativ zu den anderen Hautmarkern bewegenden Hautmarker ermittelt, und die Hautmarker werden entsprechend derer Relativbewegung derart gewichtet, dass stärker relativbewegte Hautmarker geringer gewichtet werden. Dadurch wird eine optimale Markerkonfiguration bestimmt, zu der alle der zu der Konfiguration angehörenden Marker entsprechend ihrer Stabilität innerhalb der experimentellen Konfiguration beitragen. Auf diese Weise wird eine robuste, automatische Vorverarbeitung der Markerdaten ermöglicht und die unterschiedliche zeitabhängige Stabilität einzelner Marker berücksichtigt. Des Weiteren wird auf diese Weise eine Quantifizierung der Hautmarkerverschiebungen einzelner Marker und somit eine Beschreibung der Elastizität der Weichteile ermöglicht.
In einem weiteren Schritt wird ein lineares Ausgleichsproblem unter Verwendung von Informationen, welche durch das Durchführen der gewichteten ODR bestimmt wurden, gelöst. Diese Informationen sind die mit der ODR korrigierten Markerdaten bzw. die optimale Markerkonfiguration. Die Bestimmung des linearen Ausgleichsproblems erfolgt unter Verwendung von Transformationsmatrizen. Diese Transformationsmatrizen können für jeden Messzeitpunkt und jede Seite des Körpergelenks berechnet werden.
Da beim Durchführen sowohl der konventionellen ODR als auch der gewichteten ODR und/oder beim Lösen des linearen Ausgleichsproblems die Seiten des Gelenks berücksichtigt werden, wird die Bewegung zweier artikulierender Gelenkkörper beschrieben.
Vermittels der Lösung des Ausgleichsproblems werden Parameter für eine Beschreibung Gelenkbewegung (Gelenkparameter) durch ein Gelenkszentrum, Gelenksachsen und/oder die primäre Gelenksachse) bestimmt. Dieses Verfahren ist bezüglich der beteiligten Gelenksegmente vollständig symmetrisch und bietet des weiteren den Vorteil, dass keine fehlerbehafteten Transformationen in lokale (Koordinaten-) Systeme der Segmente erforderlich sind.
Das Lösen des linearen Ausgleichsproblems selbst kann unter Verwendung einer Singu- lärwert-Analyse durchgeführt werden. Durch die Verwendung aller Singulärwerte und der zugehörigen Singulärvektoren bietet das Verfahren eine Analyse der primären und sekundären Komponenten der Gelenksbewegung. Dabei werden Gelenkbewegungen in Rotationen um drei (Rotations-) Hauptachsen zerlegt und die Singulärwerte mit den Hauptachsen assoziiert. Die mit den Hauptachsen assoziierten Singulärwerte ergeben dabei Gewichtungen für alle Komponenten einer Gelenkbewegung, die sich auf diese Weise automatisch klassifizieren und beurteilen lassen. Auf diese Weise lässt sich der Gelenktyp (z.B. Kugelgelenk, Scharniergelenk) eindeutig aus experimentellen Daten ableiten. Des Weiteren ermöglicht das Konzept der Zerlegung einer beliebigen Gelenk- bewegung in Rotationen um drei Rotations-Hauptachsen eine Quantifizierung einer Gelenkbewegung nicht nur bezüglich der Hauptachse, was in bestehenden Verfahren die Regel ist, sondern bezüglich aller drei Hauptachsen.
Aus dem Residuum des linearen Ausgleichsproblems kann die Genauigkeit der bestimmten Gelenkparameter direkt ermittelt und somit automatisch quantifiziert werden. Auf diese Weise wird eine direkte Darstellung der Qualität der Messung erlaubt, ohne dass es weiterer manueller Analysen bedarf. Damit wird eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse bei longitudinalen Studien am gleichen Probanden sichergestellt oder bei verschiedenen Probanden eine routinemäßige Optimierung der Platzierung von Markern ermöglicht. Ferner ergibt sich beim Berücksichtigen von Korrekturen, die durch die ODR vorgenommen werden, eine automatische Separation der Markerbewegungen in kollektive Bewegungen und in Bewegungen einzelner Marker.
Der Gedanke, aus den Residuen des linearen Ausgleichsproblems die Genauigkeit der bestimmten Gelenkparameter direkt zu ermitteln und automatisch zu quantifizieren, stellt einen eigenständigen Erfindungsgedanken dar, der auch unabhängig von den übrigen Verfahrensschritten, insbesondre auch unabhängig von dem Durchführen einer gewichte- ten ODR verwirklicht werden kann.
Ein selbstständig erfinderisches Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen umfasst beispielsweise die folgenden Verfahrensschritte:
Vorgeben oder Ermitteln von wenigstens zwei Matrizen, die Markerpunkte vor und nach einer Gelenkbewegung beschreiben,
Bestimmen einer Transformationsmatrix für die beiden Matrizen durch Lösen eines linearen Ausgleichsproblems,
- Auswerten der Residuen der Lösung des linearen Ausgleichsproblems und Bestimmen eines Qualitätsindex für das durchgeführte Verfahren aus den Residuen.
Des Weiteren kann aus einer Bewegung des Gelenks die Primärachse und mindestens eine Sekundärachse dieser Bewegung bestimmt werden. Dabei kann die Stabilität der Primärachse der Bewegung des Gelenks mittels Informationen zu der mindestens einen Sekundärachse der Bewegung ermittelt wird.
Ferner ist es möglich, wenn wiederholt Bewegungen durchgeführt werden und entsprechend wiederholt die Sekundärachsen und die Stabilität der Primärachsen ermittelt werden, aus den so gewonnenen Informationen, einen Zyklus zu bestimmen, der eine Charakterisierung der Funktion des entsprechenden Gelenks (Gelenkfunktion) bereit- stellt. Zusätzlich kann ein Raum der individuellen dynamischen Gelenkstabilität und/oder Bewegungsumfang des Gelenks durch Informationen zu Sekundärachsen mehrerer Bewegungen ermittelt werden.
Zusätzlich wird das oben genannte Ziel mittels eines Verfahrens zum Bestimmen der Gelenksteifigkeit erreicht, wobei durch dieses Verfahren Schritte gemäß des oben skizzierten Verfahrens durchgeführt werden, wobei die Schritte in beliebiger sinnvoller und einem Fachmann ersichtlicher Kombination durchgeführt werden können, und wobei die Gelenksteifigkeit unter Verwendung von Informationen zu Kräften von Gelenkbewegungen bestimmt wird. Die Informationen zu äußeren Kräften bei Gelenkbewegungen können unter Verwendung eines Roboters bzw. unter Verwendung eines Roboterassistenzsystems ermittelt werden. Dabei werden Gelenkbewegungen durch einen in dem Roboterassistenzsystem eingebundenen Roboter durchgeführt und von dem Roboterassistenzsystem zusammen mit der für die Durchführung der Bewegung erforderlichen Kräfte und Momente erfasst. Die so gewonnenen Informationen enthalten Informationen zu Kräften für die Ausführung der Gelenkbewegungen, mittels derer Gelenksteifigkeit (Steifigkeit des entsprechenden Gelenks) insgesamt oder für spezifische Richtungen ermittelt werden kann.
Das oben genannte Ziel wird ferner auch mittels eines Systems zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen, wobei das System mindestens ein Mittel aufweist, das zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen der Gelenksteifigkeit ausgestaltet ist und das an das Roboterassistenzsystem zur Erfassung, zur Analyse und/oder zum Bestimmen von für Gelenkbewegungen relevanten Informationen gekoppelt ist.
Des Weiteren wird das oben genannte Ziel durch ein Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung und/oder Bewertung von Orthesen relevanten Informationen, wobei durch das Verfahren Schritte gemäß des oben skizzierten Verfahrens zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen durchgeführt werden und wobei die für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen mit Informationen zu Orthesen verknüpft und analysiert werden. Mittels dieses Verfahrens können Aussagen über verschiedene Merkmale wie z.B. die Effektivität der entsprechenden Orthesen getroffen werden. Es wird dabei das Wissen über die entsprechenden Gelenke bzw. Gelenkbewegungen, welches unter anderem durch die oben genannten erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wird, mit dem Wissen über die entsprechenden Orthesen auf geeignete Weise im Zusammenhang gebracht bzw. ver- knüpft und entsprechend analysiert, und somit eine umfassende Charakterisierung und/oder Bewertung von Orthesen erreicht. Durch die vorliegende Erfindung wird somit eine robuste Analyse der Gelenkbewegungen bei gleichzeitiger automatischer Quantifizierung der Genauigkeit ermöglicht. Ferner wird eine Analyse der durch Markerbewegungen verursachten Fehler und eine Klassifizierung der Gelenkbewegung bezüglich orthogonaler Rotations-Hauptachsen erreicht. Des Wei- teren bietet die vorliegende Erfindung verschiedene Optionen zur Ermittlung oder Bestimmung von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen, wodurch verschiedene Aspekte zur Funktionalität eines Gelenks bereitgestellt werden können.
Wie bereits erwähnt, erlaubt die Erfindung das Ermitteln von Informationen, welche sich allgemein auf Bewegungen von mit einander in beweglicher Beziehung stehenden Knochenfragmenten oder -Teilen wie z.B. Knochenfragmenten einer Fraktur bzw. Knochenbruchs beziehen. Der Begriff eines Gelenks weist somit eine breite Bedeutung auf. Unter den Begriffen Gelenkbewegung, Bewegung, Bewegung eines Gelenks sind somit auch Bewegungen von solchen Knochenfragmenten zu sehen, die wie bei Knochenbrüchen bzw. Frakturen beweglich zu einander in Beziehung stehen und eine Art abstrakte Gelenkbewegung beim Bewegen aufweisen. Unter dem Begriff Gelenk ist nicht nur ein konkretes Gelenk wie z.B. Kniegelenk oder Hüftgelenk zu sehen, es kann auch eine Art abstrakter Gelenk sein, um den herum eine Bewegung von Knochen bzw. Knochenfragmenten oder -Teilen stattfindet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben, in welchen:
Fig. 1a auf Haut befestigte Marker zeigt;
Fig. 1 b eine typische Markerkonfiguration mit abgeleiteten Gelenkzentren und Achsen für Hüft-, Knie- und Fußgelenk zeigt;
Fig. 2 ein Blockdiagramm zeigt, welches das Ermitteln der Bewegung eines Gelenks aus Marker-Trajektorien darstellt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm zeigt, welches das Bestimmen und Bewerten von Gelenkparametern darstellt;
Fig. 4 die Definition lokaler Koordinaten für zwei Positionen eines Segments verdeutlicht; Fig. 5 das Zentrum und die Hauptachse der Kniebewegung und zwei sekundäre
Achsen (Tibia und Femur);
Fig. 6a einen Vergleich der Lage der mittleren Flexionsachse für einen ersten definierten Flexionswinkelbereich bei 7 Probanden mit Ruptur des Vorderen Kreuzbandes im Vergleich zur Lage der Achse bei gesunden Probanden in einer seitlichen Ansicht zeigt; und
Fig. 6b einen zweiten Vergleich der Lage der mittleren Flexionsachse für einen weiteren definierten Flexionswinkelbereich bei 7 Probanden mit Ruptur des Vorderen Kreuzbandes (Pink) im Vergleich zur Lage der Achse bei gesun- den Probanden in einer Ansicht von vorn zeigt; und
Fig. 6c einen dritten Vergleich der Lage der mittleren Flexionsachse für einen ersten definierten Flexionswinkelbereich bei 7 Probanden mit Ruptur des Vorderen Kreuzbandes (Pink) im Vergleich zur Lage der Achse bei gesunden Probanden in einer Ansicht von vorn zeigt.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das in Fig. 2 dargestellte Blockdiagramm zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Ermitteln der Bewegung eines Gelenks aus Marker-Trajektorien.
Im Schritt SO werden Marker auf die Haut angebracht, bzw. befestigt. Fig. 1a zeigt ein Beispiel von solchen auf die Haut eines Beins eines Probanden befestigten Markern. Anschließend werden Marker-Trajektorien bei einer Bewegung des Probanden vermessen. Das Ergebnis von SO sind zeitabhängige, räumliche Positionen aller Marker. Zur Durchführung von SO kann jede dafür bestimmte Standardmethode der Biomechanik verwendet werden. Werden reflektierende Hautmarker verwendet, so können die Marker- Trajektorien-Daten mit Hilfe eines optischen, infrarot- oder eines anderen geeigneten Systems während einer Gelenkbewegung eines Körpergelenks aufgenommen wurden.
Die Ergebnisdaten (Informationen zu Marker-Trajektorien, bzw. zeitabhängige Positionen aller Marker) und eine mögliche Menge an für weitere Berechnung und Analyse relevanten Zusatzinformationen stellen Eingangsdaten D1 für den weiteren Schritt S1 dar. Es kann an dieser Stelle eine Benutzerschnittstelle zum Aufnehmen oder Einlesen von Daten D1 verwendet werden. Gegebenfalls kann auch eine graphische 3D Visualisierung der Daten D1 angeboten werden. Die verschiedenen Möglichkeiten der Behandlung von Daten werden einem Fachmann aus der üblichen Praxis ersichtlich sein. Im Schritt S1 wird eine konventionelle ODR durchgeführt, wobei durch die ODR für jedes Körpersegment diejenige Markerkonfiguration, die für alle Zeitpunkte die gemessenen Konfigurationen am besten beschreibt, ermittelt wird. Dies geschieht durch Minimierung des Funktionais
Hierbei sind Ri, ti die zu ermittelnden Rotationen und Translationen für den Markersatz Ai, n die Anzahl der Beobachtungen. In der Mathematik ist dies eine sogenannte „Gene- ralized Procrustes Analysis", die mit einer orthogonalen Distanz Regression gelöst wird. Man erhält dadurch eine optimale mittlere Konfiguration
Ap = Σ (RjAj + tj)/n und minimal geänderte zeitabhängigen Konfigurationen tj mit identischen Geometrien. Die ODR korrigiert also die Abweichungen einzelner Marker von der optimalen mittleren Konfiguration. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der oben genannten Publikation Taylor et al. 2005 beschreiben.
In einem weiteren Schritt S2 wird basierend auf Rohdaten zu der optimalen mittleren Konfiguration eine Berechnung von zeitabhängigen Abweichungen der Konfiguration durchgeführt. Für diese Berechnung gilt: Je weniger die Position eines Markers innerhalb der Konfiguration schwankt, desto geringer sind die an den experimentell gemessenen Markerpositionen durch die ODR vorgenommenen Korrekturen. Diese sind daher ein direktes Maß für die Stabilität der Marker. Damit lassen sie sich verwenden, um möglichst stabile Marker-Konfigurationen zu ermitteln, d.h. die Platzierung von Markern zu optimieren. Als optimal können solche Marker-Platzierungen betrachtet werden, für die sich z.B. einerseits kleine Korrekturen durch die ODR ergeben und diese Korrekturen zudem für alle Marker möglichst gleich groß sind. Zudem wird eine routinemässige Erkennung fehlerhafter Messungen (z.B. Markervertauschungen) möglich, da diese durch sehr viel größere Korrekturen erkannt und ausgeschlossen werden können. Weiterhin ermöglichen sie den Aufbau einer Datenbank DB1 , die den Zusammenhang dieser Abweichungen von Alter, Geschlecht, BMI, Erkrankungen, Messverfahren und Messort sammelt und eine Analyse solcher Zusammenhänge gestattet. Zu diesem Zweck werden die für die Datenbank DB1 relevanten Ergebnisdaten D2 von S2 in die Datenbank DB1 aufgenommen und ggf. gespeichert. Aus den Schritten S1 und S2 können für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen wie Muskelaktivität und/oder lokale Elastizität der Weichteile ermittelt werden.
Im Schritt S3 wird eine zweite ODR - eine gewichtete ODR unter Verwendung der ermit- telten Abweichungen - durchgeführt. Aus den durch den S2 bestimmten Korrekturfaktoren lassen sich Gewichtungsfaktoren ermitteln, die für die Durchführung der zweiten, gewichteten ODR genutzt werden. Die Gewichtsfaktoren ergeben sich z.B. aus den Inversen der Korrekturterme der ODR. Die Gewichtung kann zum einen zeitunabhängig durchgeführt werden, indem für jeden Marker ein gemittelter Korrekturterm verwendet wird. Eine zeitabhängige Anwendung wird erreicht, indem für jeden Zeitpunkt die aktuelle Korrektur der ODR zur Gewichtung herangezogen wird. In beiden Fällen tragen alle Marker entsprechend ihrer experimentellen Stabilität zur Ermittlung der optimalen mittleren Konfiguration bei. Bei Verwendung einer zeitabhängigen Gewichtung kann die Gewichtung eines Markers zudem stark von der relativen Position der Segmente zueinan- der, also z.B. einem Flektionswinkel, abhängig sein. In S3 wird eine optimale Konfiguration der Marker ermittelt, zu der alle Marker entsprechend ihrer Stabilität innerhalb der experimentellen Konfiguration beitragen.
Im Schritt S4 wird eine Bewertung der optimalen Konfiguration durchgeführt. Dabei werden die Ergebnisse in Entsprechung zu S2 bewertet. Insbesondere werden signifikan- te Unterschiede zwischen den Ergebnissen aus den Schritten S1 und S3 analysiert - robuste Markerplatzierungen zeichnen sich z.B. durch geringe Unterschiede zwischen der einfachen und der gewichteten ODR aus.
Durch die Schritte S1 - S3 und/oder durch S4 wird eine robuste, automatische Vorverarbeitung der Markerdaten ermöglicht. Zeitaufwendige manuelle Korrekturen, die durch unterschiedliche zeitabhängige Stabilität bedingt werden, können somit vermieden werden. Des Weiteren wird eine Quantifizierung der Hautmarkerverschiebungen einzelner Marker und damit eine Ermittlung der Elastizität der Weichteile möglich.
Das Blockdiagramm der Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Schritten zum Bestimmen und Bewerten von Gelenkparametern, insbesondere von Positionen eines Gelenk- Zentrums und Gelenkachsen, wobei diese Positionen auch zeitabhängig sein können. Des Weiteren können auch sekundäre Bewegungskomponenten ermittelt werden.
Die aus der Bewertung der optimalen Konfiguration gewonnenen Daten und/oder die Ergebnisdaten der Schritte S1 - S3 können als Eingangsdaten D3 für die Ermittlung von Gelenkparametern und deren Bewertung dienen. Da die Schritte S1 - S4 auf der Ver- wendung von Hautmarkern basieren, ist hier anzumerken, dass das durch Fig.3 beispielhaft dargestellte Bestimmen und Bewerten von Gelenkparametern nicht zwingend Informationen zu auf Haut angebrachten Markern voraussetzt. Hier können beispielsweise auch auf Knochen fixierte Marker (z.B. Pins im Knochen) in Betracht. Die Ermittlung von Gelenkparametern und deren Bewertung findet ihren Platz sowohl in invasiven als auch in nichtinvasiven Verfahren. Invasive Verfahren wie Pins in Knochen kommen zum Beispiel für eine intra-operative Anwendung im Rahmen einer computergestützten Navigation bei orthopädisch/traumatologischer Eingriffen (Ersatz/Rekonstruktion der Kreuzbänder, Korrekturosteotomien, endoprothetischer Gelenkersatz) zum Einsatz. Hier wird der Einsatz von verschiedenen Markern ermöglicht - optisch reflektierenden Markern, die auf die Haut befestigt werden, elektromagnetischen Markern, die dann auch auf der Haut oder im/am Knochen befestigt sein können. Denkbar ist auch die Methode zur Berechnung eines Gelenkzentrums oder einer Achse zusammen mit Tantal-Markern, die für sogenannte RSA Untersuchungen zum Einsatz kommen (dabei werden kleine Tantal- Marker in den Knochen (intra-operativ) oder an/in Prothesen (-Komponenten) eingebracht, und dann mit einem Röntgenverfahren die 3D Position der Marker rekonstruiert). Ferner ist es auch denkbar, dass z.B. aus einer ggf. dynamischen Kernspin Aufnahme Oberflächen oder Konturen von Knochen/Gelenken ermittelt werden. Als Ergebnis stehen dann "Punktwolken" (Sammlungen von Punkten) zur Verfügung, mit welchen die Gelenk- Zentren und/oder -achsen ermittelt werden können.
In Anbetracht dieser Tatsachen muss vorausgeschickt werden, dass das Durchführen der Verfahrensschritte gem. des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 nicht zwingender Weise die Durchführung von Schritten der Fig. 2, insbesondere von S1 - S3, voraussetzt. Einem Fachmann wird dieses aus den folgenden Ausführungen ersichtlich sein. Als Eingangsda- ten D4 können somit neben D3 auch allgemein Daten zu Markern oder „Punktewolken" und/oder deren Konfigurationen dienen.
Das Ausführungsbeispiel wird jedoch beispielhaft basierend auf den Schritten der Fig. 2 dargestellt werden.
Die mittels der zweimaligen ODR ermittelten Markerpositionen werden nun zur Berech- nung der Gelenkparameter genutzt. Dies sind die (ggf. auch zeitabhängigen) Positionen von Gelenkzentrum und Gelenkachsen, sowie die Detektion sekundärer Bewegungskomponenten. Hierzu werden in den zugehörigen Körpersegmenten mit Hilfe von jeweils drei Markern lokale Koordinatensysteme definiert und die Rotationen Ri und Translationen ti. (Körpersegment 1 ), bzw. Si und di (Körpersegment 2) von globalen Koordinaten in diese lokalen Systeme berechnet, siehe Fig. 4. Die Bedingungen für ein Gelenkzentrum bzw. eine Gelenkachse ergeben die folgenden n Gleichungen, die zusammen ein überbestimmtes lineares Gleichungssystem, also ein lineares Ausgleichsproblem, definieren:
R, C1 - S, C2 = ei, - 1,
Hierbei sind d und c2 die Koordinaten des Gelenkzentrums in den jeweiligen lokalen Systemen, n die Zahl der Messungen. Dieser Ansatz zeichnet sich dadurch aus, dass er bezüglich beider Segmente vollständig symmetrisch ist und keine vorherige Transformation erfordert. Durch die vermittels der ODR vorgenommenen Korrekturen sind die Markerkonfigurationen für alle Zeitpunkte identisch, die Ergebnisse daher vollständig unab- hängig von der Wahl der drei Marker zur Konstruktion lokaler Koordinaten.
Mit einem erweiterten Ansatz ist die Bestimmung der Rotationsachsen auch in dem Fall möglich, dass diese Achsen keinen Schnittpunkt besitzen. Dies ermöglicht dann nicht nur eine genaue Bestimmung der Richtung der Achsen, sondern auch von deren Position. Hierdurch ergeben sich wichtige neue, eindeutige Kriterien zur Differenzierung verschie- dener Muster von Gelenksbewegungen im Rahmen der Diagnostik, etwa durch den Vergleich eines typischen Bewegungsmuster eines gesunden Knies und eines Kreuzbandverletzten Knies. Durch die eindeutige Bestimmung der Lage der Achsen wird auch die Überwachung und Sicherstellung des Erfolgs einer chirurgischen Intervention (z.B. Rekonstruktion der Kreuzbänder, kniegelenknahe Korrekturosteotomie, endoprotheti- scher Gelenkersatz) im prä-post-operativen Vergleich ermöglicht.
Um die Positionen von Rotationsachsen zu ermitteln, die keinen gemeinsamen Schnittpunkt besitzen, wird das erfindungsgemäße Verfahren der Lösung eines spezifischen linearen Ausgleichsproblems benutzt. Es liefert die Richtungsvektoren U11V11W1 (Segment 1 ) bzw. u2,v2, W2 (Segment 2) der drei Rotationsachsen. Für beide Segmente werden nun für n Messungen die Rotationsmatrizen R1 und S, in elementare Rotationen zerlegt.
I DΛ/ - — I PΛ?/ u1 I PΛ?/ v1 I PΛ?/ w1 , O ς/ - — O ς/u2 O ς./v2 O ς./w2
Hierbei ist etwa R1 der Rotationsanteil von R1 um die Achse U1. Unter Verwendung dieser so erhaltenen Rotationen lassen sich durch das Lösen eines weiteren linearen Ausgleichsproblems, das durch die n Gleichungen
((R, - RΓ RΓ )CW1 +(RΓ RΓ- RΓ )C „+ RΓC U1)
-((S, - S,u2 S,"2 )cw2 +(S,u2 S,"2- S,u2 )c v2+ S,u2c u2)= ( d, - t, ) gegeben ist, auch Punkte cu1i cv1i cw1 (Segment 1 ) bzw. cu2, cv2, cw2 (Segment 2) auf den Rotationsachsen ermitteln. Zusammen mit den bereits bekannten Richtungsvektoren sind daher die Achsen eindeutig bestimmt. Auch die Lösung dieses Ausgleichsproblems kann vorteilhaft mit einer Singulärwertzerlegung (SVD) vorgenommen werden.
Die Lösung des Ausgleichsproblems wird in Schritt S5 vermittels einer Singulärwert- Zerlegung (SVD) der Matrix des linearen Ausgleichsproblems berechnet. Diese liefert für jedes Körpersegment eine lokale Beschreibung des Gelenkzentrums (d , c2). Bewegt sich das Gelenk wie ein ideales Scharniergelenk, so existiert keine eindeutige Lösung des Ausgleichsproblems. Das heißt, dass der eindimensionale Lösungsraum, der assozi- iert zum Singulärwert mit dem Wert Null ist, dann die Gelenkachse in lokalen Koordinaten repräsentiert. Im praktischen Fall wird durch das Verhältnis des kleinsten Singulärwerts relativ zu den übrigen das Verhalten des Gelenks exakt beschrieben, d.h. es ergibt sich eine einfache Klassifizierung des Gelenks zwischen Kugel- und Scharniergelenk. Die in den Segmentkoordinaten erhaltene Beschreibung von Zentrum bzw. Achse kann ab- schließend in zeitabhängige globale Koordinaten transformiert werden.
Da das Ausgleichsproblem in der Regel nicht exakt lösbar ist, ergibt sich ein Residuum r, das die Genauigkeit der Messung widerspiegelt. Im Schritt S6 wird eine Analyse des Residuums r des Ausgleichproblems durchgeführt.
Eine mathematische Analyse des Residuums ergibt, dass es in einem direkten Zusam- menhang mit dem Ausmaß der Markerbewegungen steht. Nimmt man etwa nur kollektive Markerbewegungen in beiden Segmenten an, so erhält man
\ r \2 = ( 6 /1 - 12 ) σ2 Für reine Einzelmarkerbewegungen ergibt sich folgendes
\ r \2 = 0,5 ( n - 2 ) σ2 ( |C1|2 + Ic2I2I ) σ ist dabei die mittlere Abweichung der Marker von der optimalen Position. Für den Fehler d in der Position eines Gelenkzentrums ergibt sich unter den gleichen Voraussetzungen die Abschätzung:
| δ |2 = 12 σ2 / σ6 2' wobei σ6 der kleinste Singulärwert der SVD ist.
Für Einzelmarkerbewegungen wiederum gilt folgendes: | δ |2 = σ2 ( |C1|2 + Ic2I2I ) / ( 2 σ6 2 )
Diese Zusammenhänge lassen sich wirkungsvoll nutzen, um die tatsächliche Genauigkeit der ermittelten Gelenkparameter zu bestimmen. In Kombination mit den experimentell ermittelten Abweichungen von der mittleren Konfiguration lassen sich somit kollektive Bewegungen der Marker und Bewegungen einzelner Marker quantitativ beschreiben. Damit lässt sich die Platzierung der Marker bei Probanden spezifisch optimieren.
Im Schritt S7 wird eine Zerlegung einer beliebigen Gelenkbewegung in Rotationen um drei Rotationshauptachsen durchgeführt. Die SVD-Analyse des Ausgleichsproblems gestattet so eine weitergehende Analyse der tatsächlichen Gelenkbewegungen. Die den einzelnen Singulärwerten zugeordneten Singulärvektoren lassen sich als Achsen primärer und sekundärer Bewegungskomponenten auffassen und liefern eine Zerlegung der Bewegung in drei Rotations-Hauptachsen. In Fig.5 sind ein Gelenkzentrum und drei Gelenkachsen am Beispiel eines Knies dargestellt. Das Gelenkzentrum ist mit Z1 , die Hauptachse der Kniebewegung mit A1 und zwei sekundäre Achsen mit A2 und mit A3 gekennzeichnet, wobei die A2 auf Tibia, und die A3 auf Femur verweist. Je kleiner der zugehörige Singulärwert ist, desto größer ist der Anteil der zugehörigen Rotation (siehe Fig. 5). Dies ermöglicht eine routinemäßige Erfassung von Bewegungskomponenten wie interner Rotation und Abduktion/Adduktion für das Kniegelenk, ohne dass es zusätzlicher Messungen bedarf. Während diese Bewegungskomponenten in einem stabilen Gelenk gering sind, kann es infolge von Verletzungen der inneren Strukturen des Gelenkes (z.B. durch einen Riss des vorderen Kreuzbandes) oder infolge eine degenerativen Erkrankung des Gelenkes (Gonarthrose) zu einem Verlust an Gelenkstabilität kommen, der sich in erhöhten Anteilen interner/externer Rotation bzw. Ab/Adduktion widerspiegelt und mit dem neuen Ansatz quantifiziert werden kann. In ähnlicher Weise kann der Einfluss von Eingriffen an den stabilisierenden Elementen (Bänder/Knochen) im Rahmen einer Korrek- turosteotomie oder des künstlichen Gelenkersatzes (Resektion/Aufbau des Knochens, Manipulationen an den Weichteilen (Bändern) auf die Funktion des Gelenkes genau und zuverlässig ermittelt werden. Um diese Information auch intra-operativ für den Operateur nutzbar zu machen ist die Verbindung des Verfahrens mit einem Navigationssystem vorteilhaft. Dabei können z.B. die Gelenkachsen in Bezug auf die individuelle knöcherne Anatomie und z.B. die Lage von Bandansatzpunkten während verschiedener Phasen der Operation angezeigt werden, um dem Operateur z.B. durch einen Vergleich mit der Lage der Achse beim Gesunden oder einer auf andere Weise als optimal ermittelte Achse die genauer Einschätzung des Erfolgs des chirurgischen Eingriffes bezüglich der Gelenks- funktion zu erlauben. Der Zusammenhang zwischen dem Anteil einer Rotation und dem zugehörigen Singulär- wert lässt sich mathematisch weiter spezifizieren. Für die drei kleinsten Singulärwerte, die den Rotationsachsen zugeordnet sind, lassen sich folgende Beziehung ableiten
σ/ = n(1-r2 r^n2), σ5 2 = n(1-n r^n2), σ/ = n(1-n r2/n2)
Hierbei sind die Größen r-,, r2, r3 direkt interpretierbare Größen durch den Zusammenhang mit dem aus der Statistik bekannten Maß für die angulare Dispersion (1-r/n) der Rotationen um die Achsen i=1,2,3. Somit lassen sich aus den Singulärwerten Werte für die WinkelbereicheΦ, ableiten, die die Rotationen um die drei Rotationsachsen umfassen. Wird eine kontinuierliche Verteilung der Messungen in diesem Bereich angenommen, diese Annahme wird in der Regel gut erfüllt sein, ergibt sich dieser Zusammenhang a
r/n = sin(Φ,)/Φl
Diese Beziehung ermöglicht es, auch für die sekundären Bewegungskomponenten sofort in sehr guter Näherung den Winkelbereich zu quantifizieren, innerhalb dem sie stattfinden. Somit steht nicht nur Information zur Lage und Orientierung der Hauptachsen der Bewegung zur Beurteilung der Gelenkfunktion zur Verfügung, sondern auch ein weiteres, quantitatives Maß um den jeweiligen Gelenkzustand zu charakterisieren und Abweichungen von der Norm schnell und auch bereits kleine Abweichungen sicher zu detektieren.
Die Ergebnisse von S6, welche die Residuen charakterisieren, können in eine Datenbank oder einen anderweitigen Datencontainer D2 abgelegt, bzw. gespeichert werden. D2 enthält dann Daten zu Residuen in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie Alter, Geschlecht, BMI, Erkrankung, Ausprägung der Erkrankung, Messort, Gelenktyp usw.
Im Schritt S8 kann eine Bewertung der Gelenkkonfiguration, der für die Gelenkbewegungen relevanten Daten durchgeführt werden. Dabei können die Ergebnisse des Schritts S6 und/oder des Schritts S7 mit den Ergebnissen des Schritts S4 abgeglichen werden, wobei auch Daten aus D2 für die Ermittlung der Bewertung herangezogen werden können.
Die durch das Verfahren ermittelten Daten, Informationen aus D1 und/oder aus D2 und/oder weitere Informationen können nach Belieben als Daten D6 in verschiedenen Kombinationen und Detailebenen ausgegeben und ggf. graphisch (3D) visualisiert wer- den. Zur Darstellung der Ergebnisse können die Achsen mittels einer Farbskala (z.B. blau ... rot) visualisiert werden, welche die Singulärwerte der Achsen mit einer entsprechenden Farbe verknüpft. Ferner können auch die Durchmesser der Achsen entsprechend der zugehörigen Singulärwerte variiert und visualisiert werden. Die oben genannten Visuali- sierungsvarianten können auch kombiniert sein und so auch das Heranziehen und Visua- lisieren der Verhältnisse für die Gesamtbewegung oder spezielle Bereiche der Bewegung ermöglichen. Auf diese Weise wird dem Anwender eine schnelle Erfassung der Ergebnisse ermöglicht.
Des Weiteren können sowohl die Schritte, die ODR durchführen, als auch die Formulie- rung des Ausgleichsproblems so implementiert werden, dass neue Daten mit sehr geringem rechnerischem Aufwand hinzugefügt werden können. Auf diese Weise können Real- Time Messungen ermöglicht werden, bei denen während der Bewegung bereits Gelenkparameter als auch Daten zur Genauigkeit zur Verfügung stehen.
Zudem ist anzumerken, dass durch das Ausführen der auf ODR bezogenen Schritte S1 und S3 die (Haut-) Marker bezogenen Daten so hinreichend genau ermittelt sind, dass auch für kleine Bewegungen (ROM, Range of Motion) gute primäre Gelenkachsen bestimmt werden können. Die sekundären Achsen sind zusammen mit den zugehörigen Singulärwerten dann ein empfindliches Kriterium, um zwischen normalen oder auffälligem Bewegungsverhalten zu unterscheiden.
Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung angewendet werden, um die Funktion eines Gelenkes z.B. des Kniegelenkes auf verschiedenen hierarchischen Stufen (global: Gelenk, spezifisch: Strukturen) zu quantifizieren, ggf. mittels spezieller Feedbackmechanismen zur Interaktion mit dem Anwender des Verfahrens.
Es ist bekannt, dass die Flexion/Extensionachse die Hauptbewegungsachse des Kniege- lenkes ist. Daher wird bei dem Verfahren zur Charakterisierung der Funktion des Gelenkes zunächst das Knie gebeugt, und aus der Flexion bzw. Flexionsextensionsbewegung die Haupt- und Nebenachsen der Bewegung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet. Berechnet werden sowohl über den gesamten Bewegungsumfang als auch über spezielle Teilbereiche des Bewegungsumfanges, z.B. flexionswinkelabhängig, gemittelte Achsen. Für die Entscheidung, welche Bereiche zur Ermittlung der Achsen herangezogen werden, kann auch Wissen um die vorliegende Pathologie einfließen (z.B. beugewinkelabhängige Bedeutung des vorderen Kreuzbandes für die Stabilität des Gelenkes bezüglich Rotation/Translation). Die dabei erfindungsgemäß ermittelten Sekundärachsen (Größe der zugehörigen Singulärwerte, Lage der Sekundärachsen, z.B. in medio-lateraler, anterior-posterior, superior-inferiorer Richtung im Vergleich zur Lage der Primärachse) geben dabei direkte, quantitative Informationen zur Stabilität der Primär- achse und damit des Gelenkes. Als zusätzliche Information zur Bewertung und Darstellung der Ergebnisse kann auch die Lage der Achsen zur individuellen Anatomie (z.B. transepicondyläre Achse, Achse der posterioren Kondylen, Lage der Bandinsertionen z.B. der Seitenbänder), auch im Vergleich zur Situation beim Gesunden, herangezogen werden. Zur Quantifizierung des Unterschiedes in der Lage der Achsen kann ein Gelenkzentrum ermittelt werden, und so ein ausgezeichneter Punkt auf der Achse festgelegt werden. Daraufhin können Unterschiede in der Lage der verschiedenen Achsen ermittelt werden. Ein möglicher Weg eines solchen Berechnung der Unterschiede der Lage der verschiedenen Achsen ist beispielsweise in Ehrig et al., „A survey of formal methods for determining functional Joint axes" Journal of Biomechanics 2007; 40: 2150-57, angegeben. Eine Bewertung der Lage der Primärachse zur Anatomie ist in Fig. 6a und 6b dargestellt. Fig. 6a, 6b und 6c zeigen jeweils einen Vergleich der Lage der mittleren Flexionsachse 61 - 67 für einen definierten Flexionswinkelbereich bei sieben Probanden mit Ruptur des Vorderen Kreuzbandes im Vergleich zur Lage der Achse 68 bei gesunden Probanden. Durch das Oval 69 und durch Länge der Halbachsen korreliert mit Standard- abeichung wird in Fig. 6a zusätzlich die Standardabweichung der Lage der Achse beim Gesunden angegeben. In Fig. 6b trägt das Vordere Kreuzband nur wenig zu Gelenkstabilität bei, so dass die Achsen für die Patienten nur wenig von der Achse eines Gesunden abweichen. In Fig. 6c wiederum trägt das Vordere Kreuzband deutlich zur Gelenkstabilität bei, so dass die Achsen für die Patienten erheblich von der Achse eines Gesunden abweichen.
Die Information zu den Sekundärachsen kann darüber hinaus genutzt werden, um dem Anwender direkt Feedback zugeben, ob einerseits die Messung den Genauigkeitsanfor- derungen entsprach, oder ob die Aufnahme der Bewegung/Funktion ggf. wiederholt werden muss, um die Funktion des Gelenkes zuverlässig zu charakterisieren. Dazu kann dem Anwender Rückmeldung gegeben werden, wie die Bewegung am besten durchgeführt wird, in dem z.B. die den Sekundärachsen assoziierten Singulärwerte dargestellt werden und der Benutzer diese optimieren kann. Durch eine Bewertung der Größe der Singulärwerte der Sekundärachsen von mehreren Bewegungszyklen kann auch automatisch derjenige Zyklus bestimmt werden, der sich am besten zur Charakterisierung der Gelenksfunktion eignet.
Um die Gelenksfunktion noch genauer zu analysieren können weitere Bewegungen so durchgeführt werden, dass sekundäre Bewegungsfreiheitsgrade des Kniegelenkes sich am Maximum bzw. Minimum des möglichen Bewegungsumfanges befinden. So wird z.B. das Gelenk für einen Zyklus möglichst innen- oder außen rotiert, oder möglichst ab- oder adduziert, und/oder möglichst nach anterior oder posterior, oder medial oder lateral verschoben. Die erfindungsgemäß ermittelten Sekundärachsen der Bewegung (Lage der Achsen und Größe der zugehörigen Singulärwerte) werden berechnet und angegeben und ermöglichen so die direkte Kontrolle und Bestimmung, in wie weit sekundäre Freiheitsgrade tatsächlich eliminiert wurden. Durch die Gesamtheit der Achsen aus der Analyse der verschiedenen Bewegungen wird insgesamt der Raum der individuellen dynamischen Gelenkstabilität beschrieben. Somit wird durch vorliegende Erfindung eine umfassende Charakterisierung der individuellen Gelenksfunktion über den gesamten Bewegungsumfang, der bei Ausübung von Alltagsaktivitäten oder auch während sportlicher Aktivitäten genutzt werden kann, gestattet.
Die stabilisierende Wirkung der Strukturen des Kniegelenkes (z.B. Bänder, Knochen, Knorpel, Muskeln) ist abhängig von der Kniegelenksstellung. Daher können durch eine gezielte Analyse der Konfiguration der Gelenkachsen für spezifische Gelenkstellungen detaillierte Informationen zur Funktion verschiedener Strukturen gewonnen werden. Dazu wird das Gelenk in verschiedenen, möglichst gleichbleibenden Beugewinkeln, gezielt solchen externen Belastungen durch den Anwender ausgesetzt, die primär in Bewegungen des Gelenkes bezüglich der sekundären Achsen des Kniegelenkes (Ab/Adduktion, interne/externe Rotation) resultieren. So wird durch den Anwender für einen gegebenen Beugewinkel eine möglichst maximale Innen- oder Außenrotation des Gelenkes bzw. Ab/Adduktion des Gelenkes induziert. Zur Kontrolle, in wie weit diese Bewegung durch den Anwender tatsächlich induziert wurde, erfolgt die erfindungsgemäße Berechnung aller Achsen (Lage der Achsen, und/oder Größe der den Achsen zugeordneten Singulärwerte) für diese speziellen Bewegungen. Vermittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Achsenbestimmung kann dann der Bewegungsumfang (jeweils Maximum minus Minimum) bezüglich dieser Freiheitsgrade berechnet werden. Die Umfange sowie die jeweils größten bzw. geringsten Ausschläge werden zu Daten von z.B. gesunden Probanden (ggf. alters und/oder geschlechtspezifisch abgeglichen und abgebildet) ins Verhältnis gesetzt und bewertet.
Darüber hinaus wird die Lage der Achsen bezüglich der zuvor ermittelten Hauptbewegungsachse und/oder des Gelenkzentrums, ggf. auch der Anatomie (wie z.B. Knochen, Bandinsertionen, anatomische Achsen des Kniegelenkes) ermittelt. Im Vergleich zur relativen Lagebeziehung der Achsen bzw. Größe der zu den Achsen gehörenden Singulärwerte für gesunde Probanden lässt sich so die Abweichung eines pathologischen Gelenkzustandes genau quantifizieren. Dies erfolgt z.B. durch die Berechnung der Differenz in der medio-lateralen, anterior-posterioren, oder superio-inferioren Lage der Achse bei Innen/Außenrotation oder Ab/Adduktion des Probanden im Vergleich zum Gesunden. Somit wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich die genaue quantitative Charakterisierung der Funktion und der Interaktion selektierter Strukturen des Gelenkes durchgeführt.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise die Berechnung und Darstellung von funktionellen Gelenkachsen durch Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in Geräte der medizinischen Bildgebung wie z.B. Magnet Resonanz Tomographen. Durch die Verbindung mit medizinischer Bildgebung können diese Geräte dazu verwendet werden, dynamisch muskuloskeletale Funktion anzuzeigen und auch zu bewerten, im Sinne eines „Musculoskeletal functional imaging".
Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung Verbindung von Anatomie mit Funktion für die detaillierte Berechnung muskuloskeletaler Belastungen. Diese Verbindung kann auch für die Motion Capture / Filmindustrie für die realistischere Darstellung und Animation von Bewegungen von Bedeutung sein.
Obwohl die Erfindung oben mit Bezug auf die Ausführungsformen gemäß der beiliegenden Zeichnungen erklärt wird, ist es ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf diese be- schränkt ist, sondern innerhalb des Bereichs der oben und in den anhängigen Ansprüchen offenbarten erfinderischen Idee modifiziert werden kann. Es versteht sich von selbst, dass es noch weitere Ausführungsformen geben kann, die den Grundsatz der Erfindung darstellen und äquivalent sind, und dass somit verschiedene Modifikationen ohne Abweichen vom Umfang der Erfindung implementiert werden können. Insbesondere betrifft dieses die Wahl der Marker, die auch ein unabhängiges Durchführen der Schritte S5 - S8 gestattet, die Gestaltung der Datencontainer D1 und D2 und die Bewertungsschritte S4 und S8, die je nach Interessen des Benutzers entsprechend modifiziert durchgeführt werden können. Des Weiteren werden verschiedene Ausgestaltungen der oben genannten Vorrichtungen, Systeme und Bildgebungsverfahren ermöglicht, diese werden dem Fachmann aus der obigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung und aus dem Inhalt der Patentansprüche ersichtlich sein. Die vorliegende Erfindung bietet eine Vielzahl an Einsatzgebieten (z.B. die oben beschriebene Bewertung von Orthesen), welche ebenfalls einem Fachmann ersichtlich sein werden. Insbesondere die breite Definition der Begriffe Gelenk oder Gelenkbewegung lässt eine Vielzahl an Anwendungsgebieten zu.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen, wobei zu beiden Seiten eines Körpergelenks auf der Haut angebrachte Marker zur Analyse von Gelenkbewegungen verwendet werden und wobei das Verfahren umfasst:
Bestimmen einer mittleren Markerkonfiguration und Bestimmen von zeitabhängigen Abweichungen von der mittleren Konfiguration, wobei eine orthogonale Distanzregression zum Bestimmen einer mittleren Markerkonfiguration durchgeführt wird und wobei jeweils auf einer Seite das Körpergelenks angebrachte Marker verwendet werden;
Durchführen einer gewichteten orthogonale Distanzregression unter Verwendung der zeitabhängigen Abweichungen von der mittleren Konfiguration zur Gewichtung, wobei jeweils auf einer Seite das Körpergelenks angebrachte Marker verwendet werden; und
- Lösen eines linearen Ausgleichsproblems unter Verwendung von Informationen, welche durch das Durchführen der gewichteten orthogonalen Distanzregression bestimmt wurden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei mit dem Durchführen der gewichteten orthogonalen Distanzregression eine optimale Markerkonfiguration bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das lineare Ausgleichsproblem unter Verwendung von Transformationsmatrizen bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Transformationsmatrizen für jeden Messzeitpunkt und jede Seite des Körpergelenks berechnet werden.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Lösen des Ausgleichsproblems Parameter für eine Beschreibung einer Gelenkbewegung durch ein Gelenkszentrum und/oder Gelenksachsen bestimmt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei Stabilität einer Primärachse mittels Informationen zu der mindestens einen Sekundärachse der Gelenkbewegung ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei nach mindestens einer wiederholten Durchführung der Bestimmung mindestens einer Sekundärachse und der Ermittlung der Stabilität der Primärachse ein Zyklus bestimmt wird, der eine Charakterisierung einer Gelenkfunktion bereitstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei durch Sekundärachsen mehrerer Gelenkbewegungen ein Raum der individuellen dynamischen Gelenkstabilität und/oder Bewegungsumfang des Gelenks ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Lösen des linearen Ausgleichsproblems durch eine Singulärwert-Analyse durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren ein Durchführen einer Singulär- wertzerlegung und Beschreibung der Gelenksbewegung durch Rotationshauptachsen unter Verwendung von Singulärwerten und Singulärvektoren umfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei Gelenkbewegungen in Rotationen um drei Hauptachsen zerlegt werden und wobei die Singulärwerte mit den Hauptach- sen assoziiert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Singulärwerte Gewichtungen für alle Komponenten einer Gelenkbewegung bestimmen.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei aus den Residuen des linearen Ausgleichsproblems die Genauigkeit der bestimmten Gelenkparame- ter direkt ermittelt wird.
14. Vorrichtung zur Bewertung einer Gelenksfunktion eines Probanden mit Mitteln, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgestaltet sind.
15. Bewegungsanalysesystem, insbesondere Ganganalysesystem, dadurch gekenn- zeichnet, dass es mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 gekoppelt ist.
16. Vorrichtung zur Bewertung muskuloskeletaler Belastungen eines Probanden mit Mitteln, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 13 ausgestaltet sind.
17. Navigationssystem für com puterunterstützte Chirurgie, wobei das Navigationssys- tem zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 1-13 ausgestaltet ist.
18. Medizinisches Bildgebungsverfahren, insbesondere Magnetresonanzbasiertes Verfahren, das medizinische Bildgebungsverfahren mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 koppelt.
19. Medizinisches Bildgebungsverfahren, insbesondere Magnetresonanzbasiertes Verfahren, das medizinische Bildgebungsverfahren mit einer Vorrichtung nach Anspruch 16 koppelt.
20. Verfahren zum Bestimmen der Gelenksteifigkeit, wobei durch das Verfahren Schritte gemäß des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 13 durchgeführt werden und wobei die Gelenksteifigkeit unter Verwendung von Informationen zu Kräften während Gelenkbewegungen bestimmt wird, wobei die Informationen zu Kräften von Gelenkbewegungen unter Verwendung eines Roboters ermittelt werden.
21. System zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen, wobei das System mindestens ein Mittel aufweist, das zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 20 ausgestaltet ist und das an ein Roboterassistenzsystem zur Analyse und/oder zum Bestimmen von für Gelenkbewegungen relevanten Informationen gekoppelt ist.
22. Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung und/oder Bewertung von Orthesen relevanten Informationen, wobei durch das Verfahren Schritte gemäß des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 13 durchgeführt werden und wobei die für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen mit Informationen zu Orthesen verknüpft und analysiert werden.
EP08774805A 2007-07-06 2008-07-04 Verfahren zum ermitteln von für die charakterisierung von gelenkbewegungen relevanten informationen Withdrawn EP2164393A2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200710031946 DE102007031946A1 (de) 2007-07-06 2007-07-06 Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen
DE102007057012A DE102007057012A1 (de) 2007-11-23 2007-11-23 Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen
PCT/EP2008/058729 WO2009007332A2 (de) 2007-07-06 2008-07-04 Verfahren zum ermitteln von für die charakterisierung von gelenkbewegungen relevanten informationen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2164393A2 true EP2164393A2 (de) 2010-03-24

Family

ID=40227749

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP08774805A Withdrawn EP2164393A2 (de) 2007-07-06 2008-07-04 Verfahren zum ermitteln von für die charakterisierung von gelenkbewegungen relevanten informationen

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20110054851A1 (de)
EP (1) EP2164393A2 (de)
WO (1) WO2009007332A2 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2651295A4 (de) 2010-12-13 2015-11-18 Ortho Kinematics Inc Verfahren, systeme und vorrichtungen zur berichterstattung über klinische daten und für chirurgische navigation
US20160354161A1 (en) 2015-06-05 2016-12-08 Ortho Kinematics, Inc. Methods for data processing for intra-operative navigation systems
US10561345B2 (en) 2015-12-11 2020-02-18 Brainlab Ag Determination of center of rotation of a bone
US20220402985A1 (en) 2021-06-10 2022-12-22 Amgen Inc. ENGINEERED NRG-1 VARIANTS WITH IMPROVED SELECTIVITY TOWARD ErbB4 BUT NOT AGAINST ErbB3

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7481780B2 (en) * 2001-12-11 2009-01-27 ECOLE DE TECHNOLOGIE SUPéRIEURE Method of calibration for the representation of knee kinematics and harness for use therewith
FR2849516B1 (fr) * 2002-12-30 2009-01-09 Axs Ingenierie Procede de simulation biomecanique d'un ensemble d'articulations osseuses

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2009007332A2 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20110054851A1 (en) 2011-03-03
WO2009007332A3 (de) 2009-05-14
WO2009007332A2 (de) 2009-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2092907B1 (de) Lageberechnung von Körperteilen unter Berücksichtigung der anatomischen Symmetrie
DE102006056399B4 (de) Funktionsgelenk-Arthroplastikverfahren
DE60312210T2 (de) Verfahren zur bestimmung der gelenkdrehmittelpunkte
EP2299909A1 (de) Vorrichtung zum bestimmen der stabilität eines kniegelenks
EP1402855A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Öffnungswinkels eines Gelenks
Sangeux et al. Do physical examination and CT-scan measures of femoral neck anteversion and tibial torsion relate to each other?
DE112004002435B4 (de) Bestimmung von patientenbezogenen Informationen zur Position und Orientierung von MR-Bildern durch Individualisierung eines Körpermodells
DE102011106812A1 (de) Registrierung von anatomischen Datensätzen
DE102004043057A1 (de) Verfahren zur Bestimmung ausgezeichneter coronaler und sagittaler Ebenen für die nachfolgende Aufnahme neuer Magnetresonanz-Schichtbildern oder die Darstellung von Magnetresonanz-Schichtbildern aus einem bereits vorhandenen Bilddatensatz eines Kniegelenks
EP2164393A2 (de) Verfahren zum ermitteln von für die charakterisierung von gelenkbewegungen relevanten informationen
DE102007031946A1 (de) Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen
Kabaev et al. Visualization and Analysis of the Shoulder Joint Biomechanics in Postoperative Rehabilitation.
DE102007057012A1 (de) Verfahren zum Ermitteln von für die Charakterisierung von Gelenkbewegungen relevanten Informationen
Kabaev et al. Methods of interpretation of data from isokinetic tests and MRI studies during rehabilitation of patients after reconstructive shoulder joint surgery
Schelin et al. Test-retest reliability of entire time-series data from hip, knee and ankle kinematics and kinetics during one-leg hops for distance: Analyses using integrated pointwise indices
WO2004095341A2 (de) Verfahren zur simulation muskulo-skelettaler belastungen eines patienten
WO2023218039A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur standardisierung der achsausrichtung und -position von kinematikdaten bezüglich eines körpergelenks eines patienten
AT515149B1 (de) Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkserkrankungen
EP1911421B1 (de) Vorrichtung zur Bestimmung der Veränderung eines Objektes
Musagara et al. Are we overestimating internal rotation gait by conventional modelling?
EP3912555B1 (de) Verfahren zur bestimmung des rotationspunktes eines kniegelenkes, verfahren zur herstellung einer kniegelenksendoprothese oder einer kniegelenksübergreifenden orthese und vorrichtung zur durchführung eines verfahrens zur bestimmung des rotationspunktes eines kniegelenkes
DE102022104486A1 (de) Endoprothesen-Assistenzsystem und Assistenzverfahren
EP4384103A1 (de) System und verfahren zur prä-operativen planung einer knieendoprothese
DE102021124873A1 (de) Medizintechnisches System und Verfahren
DE102022125697A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Standardisierung der Achsausrichtung und -position von Kinematikdaten bezüglich eines Körpergelenks eines Patienten

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20100208

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA MK RS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20101216

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20140201